О надежности механических компонентов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.6, 621.8.019.8 Лушпа И. Л.

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Москва, Россия

О НАДЁЖНОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ

В данной работе рассматриваются вопросы надёжности механических компонентов, применяемых в радиоэлектронной аппаратуре. Приведены математические модели интенсивностей отказов механических компонентов, которые можно применить на разных этапах проектирования изделий Ключевые слова:

НАДЕЖНОСТЬ, БЕЗОТКАЗНОСТЬ, РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА, МЕХАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ

Введение

При разработке современной радиоэлектронной аппаратуры помимо стандартных электрорадиоизде-лий, нередко применяются механические и электромеханические компоненты, отказ которых может привести к отказу аппаратуры. Проблема в том, что, как правило, вклад таких компонентов не учитывается в расчётах надёжности на этапах проектирования изделий. Связано это с допущением, согласно которому, если механический компонент удовлетворяет требованиям стойкости, то он является абсолютно надёжным. Практика же показывает, что для того, чтобы избежать сложностей на

более поздних этапах разработки, механические компоненты необходимо учитывать[1].

Основная часть

Статистика показывает, что в реальных условиях, на общее количество отказов приходится до 20% отказов механических компонентов (Рисунок 1). Наиболее часто отказывают:

- резьбовые соединения;

- электроприводы, двигатели;

- паяные соединения;

- прокладки;

- подшипники; сварные соединения корпусов и т.д.

Рисунок 1

Соотношение количества отказов

Трудность учёта отказов механических компонентов заключается в том, что существует достаточно малое количество универсальных методик[2].

Одной из таких методик является расчёт прочностных характеристик механических компонентов. Такой подход позволяет дать достаточно точный результат, но имеет один существенный недостаток. Как правило, разработчики имеют дело с покупными изделиями, в технических условиях на которые, даются только основные параметры, недостаточные для расчёта надёжности[3].

Другой методикой является проведение испытаний. Такой подход даёт наиболее точный результат для конкретного компонента в конкретном изделии. Проблема методики в том, что она сильно ресурс-нозатратна и не всегда целесообразна для некрупных изделий.

Третьим подходом является расчёт интенсивно-стей отказов. Эта методика решает проблемы предыдущих подходов, то есть она применима на разных этапах разработки, позволяет решать задачу при минимальном количестве данных, а так же не требует большого количества ресурсов.

На сегодняшний день можно выделить две основных методики расчёта интенсивностей отказов механических компонентов[4]:

- Оценка показателей безотказности механических элементов продукции приборостроения[5];

- ИБИС[6].

Математические модели, представленные в «Оценке показателей ...»[5] имеют вид:

А =А0-а1-ап, (1)

где: А 0 - базовая интенсивность отказов.

а1 = К11-К12-К13-К14, (2)

где: К11 - коэффициент, учитывающий вибрацию; К12 - коэффициент, учитывающий удары; К13 - коэффициент, учитывающий климатические воздействия; К14 - коэффициент, учитывающий качество обслуживания; К15 - коэффициент, учитывающий качество изготовления; ап- коэффициент, учитывающий диапазон нагрузок на элемент.

Как видно из (1) и (2), в этой методике отсутствуют коэффициенты, учитывающие физико-химические и габаритные свойства компонента.

Математическая модель интенсивности отказов МБ1ЖС[6] имеет следующий вид:

^р = ^р,Ь • ПС 1-1

(3)

ьр ,ь

базовая интенсивность отказов типа

(группы), рассчитанная по результатам испытаний на безотказность, долговечность, ресурс; С. -коэффициенты, учитывающие изменения эксплуатационной интенсивности отказов в зависимости от различных факторов, в том числе физико-химических, габаритных, параметров применения и т.д.; п - число учитываемых факторов.

Модели из справочника МБ1С[6] более подробные и рассматривает большее число воздействующих параметров. Проблемой этих моделей является большое количество времени, затрачиваемое на расчёт, связанное с большим количеством параметров. Решением является разработка макромодели для каждой расчётной формулы. Примером такой макромодели будет расчётная формула механического компонента «Пружины».

II

Математическая модель интенсивности отказов «Пружин», приведенная в справочнике NSWC имеет вид:

X^—X.

Sp,b

3 / \3

Dw ■ К^

K

K

где: ASp,B - базовая интенсивность отказов пружины; Cg, Cdw, Cn, Cy, Cl, Ck, Ccs, Cr, Cm - параметры модели.

Если раскрыть каждый параметр, то модель будет иметь вид:

6 / ч3

K

N

\3 / K I I L ~ l2

K

K

Dr

/D„

Y

K

K .Dc/ ~ K

K 8 /П K8 D

D

K,,

■C C C

(5)

где: К1, К.2, ..., К11 - постоянные коэффициенты, Gm - модуль упругости, Dw - диаметр пружины, Dc -диаметр нити, ^ - количество активных витков, Ts - модуль сдвига, L1-L2 - длина сжатия.

2 =2 С С С С

где: Аб.нзчз - базовая интенсивность отказов, приведённая в справочнике NSWC[6], СL(ЛLыoм) - значение параметра С при номинальной нагрузке; ^ - значение параметра Ccs при CRыoм = 0.

С учетом этой поправки модель эксплуатационной интенсивности отказов пружины данной марки будет иметь вид:

А

Хэ - h

С ■с

cL,Pa6 CCS, Раб CL,NOM ■ CCS, NOM

■C ■C

CR CM

где: - значение параметра ^ при рабочей

нагрузке; Ссэ.раб - значение параметра Ccs для рабочей частоты нагрузки CR.

Согласно справочнику NSWC[6] значение Сcs,Noм для CR = 0 равно 0.1, то его можно сократить и тогда: Аб = 0,1'Аа.

Из этого следует, что значение параметра Сcs будет определяться из условия:

Параметры пружины 9т, Dw, Бс, Na, Ts характеризуют саму пружину, и, по сути, относятся к базовой интенсивности отказов данной марки пружины. Тогда базовую интенсивность отказов пружины данной марки можно определить по формуле:

' Су 'СI )'С к ' Ccs (С^тм )'Ся ' См

(6)

1,0 при CR <30

цикл

— при 30 < CR < 300 цикл 30 мин

CR I 139 )

при CR > 300 цикл

И теперь подставив все значение в (6) значение интенсивности отказов пружины будет иметь вид:

( АЪраб I 1.07

3 Л

(Aln

(7)

И преобразовав макромодели:

Л 1.07

(7), получается конечный вид

X — Х ■

ALP,

ALn

(8)

Макромодели по другим классам из справочника представлены в таблице 1.

Таблица 1

Сравнение математических моделей

m

dc-K2

С

CS

3

■ CCS, Раб ■ CR ■ CM •

Название класса Модель NSWC Макромодель

Заглушки и прокладки X —Х C C C C C C C C 'SE — /1Ъ CP CQ CDL CH CF Cv CT CN XSE — Л ' CDL ' CH ' CF ' CT

Соленоиды и контакторы XSO — Xb'CT 'CK'CS XSO — Xb'CS

Подшипники XBE — Xb'CR'Cv ' CCW ' Ct ' CSF ' CC XBE — Xb ' Cv ' Ct' CSF

Зубчатые передачи ХG — Xb ' CGS ' CGP ' CGA ' CGL ' CGT ' CGV X — Xb ' CGS ' CGP ' CGL ' CGT

Приводы XAC — ' ' CCP ' CT XAC — Xb 'CT

Фильтры XF — Xb ' CDP ' CV ' CCS ' CCF XF — ^ ' C DP ' CCS

Резьбовые соединения XF —Xb'CSZ 'CL'CT 'CI' CK FX — b TC C

Валы XSH — Xb'Cf' CT ' CDY ' CSC XSH — Xb'CT

Заключение

Таким образом, можно сказать, что на сегодняшний день существует небольшое количество методик расчета надежности механических компонентов. Каждая из них применима для разных случаев. Но практика показывает, что основным является методика оценки надежности путем расчета интенсивностей отказов, а с учётом использования макромодели это позволит решить многие проблемы для разработчиков.

ЛИТЕРАТУРА

1. Жаднов В.В. Прогнозирование надежности электронных средств с механическими элементами: научное издание. / В.В. Жаднов. - Екатеринбург: Изд-во ООО «Форт Диалог-Исеть», 2014. - 172 с.

2. Лушпа И.Л. Оценка коэффициентов вариации ресурса резисторов. / И.Л. Лушпа. // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество»: в 2т. Т.1. Пенза: ПГУ, 2015. с. 304-306

3. Лушпа И.Л. Исследование надежности механических компонентов антенно-фидерного устройства системы управления беспилотным летальным аппаратом. / И.Л. Лушпа, М.А. Монахов. // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество»: в 2т. Т.2. Пенза: ПГУ, 2014. с. 264-266

4. Лушпа И.Л. Разработка модуля расчета интенсивности отказов фильтрующих элементов для АСОНИКА-К-СЧ. / И.Л. Лушпа, М.А. Монахов, В.М. Фокин. // Надежность и качество-2 013: труды Международного симпозиума: в 2-х т. Т.1. Пенза: Издательство ПГУ, 2013. с. 113-115.

5. Шавыкин, Н.А. Оценка показателей безотказности механических элементов продукции приборостроения. / Н.А. Шавыкин, Б.П. Петрухин. // Датчики и системы. - 2006. - № 6. - с. 28-35.

6. NSWC-11. Handbook of reliability prediction procedures for mechanical equipment. - USA: CARDEROCDIV, 2011. - 522 p.