CC BY
38
УДК 004.03
Фролов С.И., Горячев Н.В., Таньков Г. В., Кочегаров И.И., Юрков Н.К.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
О НЕКОТОРЫХ ПРОБЛЕМАХ НАДЕЖНОСТНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ РЭС
В современной военной технике используется большое количество различных сложных РЭС, к которым предъявляются высокие требования по надежности. Стоимость этих РЭС весьма высока. Например, доля стоимости бортовых РЭС истребителя составляет до 80 % от его общей стоимости [1].
Рост надежности применяемых в РЭС ЭРИ дает заметное снижение количества отказов РЭС, однако, поток этих отказов остается пока на значительном уровне [2], что во многом связано с высокими темпами роста сложности аппаратуры и конструктивными недоработками.
Особое внимание приходится уделять обеспечению надежности бортовой РЭС, работающей в условиях воздействия внешних возмущающих факторов (ВВФ), наиболее опасными из которых являются тепловые и механические. Доля отказов от воздействия этих двух факторов составляет до 90% [3]. Следует при этом отметить, что из механических воздействий наибольшую долю отказов дают вибрации, при которых в блоках РЭС возникают резонансные колебания, усиливающие механические нагрузки на элементы конструкции в десятки раз.
Рассмотрим, как зависят показатели надежности РЭС от внешнего теплового воздействия и вибрации по методике, приведенной в справочнике «Надежность электрорадиоизделий» [8].
Суммарная интенсивность отказов устройства определяется по формуле:
N
Х х = ; j=
где: Xj - интенсивность отказа j-го ЭРИ; j = 1,..., N; N - общее число ЭРИ.
Значения эксплуатационной интенсивности отказов большинства групп ЭРИ рассчитываются по математическим моделям, имеющим вид: Хэ = Хб xn^i или Хэ = Хб.с.г. xn^i ; где Хб (Хб.с.г.) - базовая интенсивность отказов типа (группы) ЭРИ, рассчитанная по результатам испытаний ЭРИ на безотказность, долговечность, ресурс;
Ki - коэффициенты, учитывающие изменения эксплуатационной интенсивности отказов в зависимости от различных факторов (i = 1,., n);
n - число учитываемых факторов.
Данные по Хб (Хб.с.г.) и Ki приведены в выше указанном справочнике.
Нас будут интересовать коэффициенты влияния на интенсивность отказов от температуры окружающей среды Kt и от вибрации Кв. В нашем случае в первом приближении можно принять Кв равным жесткости условий эксплуатации Ks, т.е.: Кв = Кэ.
Тогда, например, для ИС с количеством элементов от 100 до 1000 из таблицы №7 при t = 55°С следует, что Kt = 2, а из таблицы №10 для групп аппаратуры 3.3, 3.4 по ГОСТ РВ 20.39.304-98 Кэ = 5. Т.е. совместно эти два параметра при температуре окружающей среды равной 55°С дают увеличение интенсивности отказов примерно в 10 раз.
Оценим эффективность некоторых конструктивных мер по обеспечению требуемой надежности РЭС при тепловых воздействиях.
Допустим, что разрабатываемый герметичный блок РЭС с горизонтальным шасси имеет удельную тепловую мощность рассеивания 200 Вт/м2. Тогда по графику 6-3[14] перегрев внутри блока относительно температуры окружающей среды при естественном воздушном охлаждении составит около 50°С. При допустимой величине перегрева, например 40°С, надо принимать конструктивные меры по уменьшению перегрева. Оребрение поверхности блока может дать уменьшение удельной тепловой мощности до 2 раз. В этом случае, как видно из того же графика, перегрев составит около 30°С и войдет в зону допустимых значений. На усмотрение конструктора есть и другие способы уменьшения
перегрева блоков бортовой РЭС, обдув поверхностей воздухом, кондуктивный отвод тепла от ЭРИ и др.
С вибрацией все обстоит значительно сложнее.
Для обеспечения требуемой надежности виброн-агруженной РЭС при разработке применяется ряд способов, основными из которых являются [7]:
- использование наиболее устойчивых к механическим воздействиям ЭРИ;
- защита РЭС от механических воздействий установкой амортизаторов (виброизоляция);
- устранение или уменьшение до допустимого уровня резонансных явлений в конструкциях РЭС, выведением собственных частот колебаний за пределы диапазона частот возмущающих воздействий (отстройка от резонансов) или увеличением демпфирующих свойств (демпфирование).
С помощью выше приведенных приемов и других мер на всех этапах жизненного цикла бортовых РЭС в идеале должно быть обеспечено снижение доли отказов от действия вибрации до уровня стационарной аппаратуры, т.е. менее 5 % всех отказов [6]. Однако, реально для бортовых РЭС доля отказов от вибраций много больше и составляет по данным из разных источников: 17 -2 8 % [3], 4 0 -60 % [4], 30 -50 % от всех отказов, а в авиации - до 80% [5].
Причин у такого положения много - от методических до технических. Например, следующие.
1. Разброс выше приведенных данных по отказам от вибрации показывает, что до настоящего времени нет единых методик исследования причин отказов и достаточного глубокого анализа физических процессов, приводящих к отказам бортовой РЭС, что снижает сопоставимость и достоверность получаемых результатов, требуемых для принятия эффективных мер [2].
2. Низкая достоверность расчетов надежности при разработке бортовой РЭС при надежностно-ориентированных методах проектирования [6] из-за устаревающих данных по надежности ЭРИ справочника от 2006 года [8]. Положение усугубляется тем, что погрешность расчетов возрастает в разы при умножении на коэффициент эксплуатационной жесткости Кэ. Все это не может не сказываться негативно на качестве принимаемых решений при разработке бортовой РЭС, в результате чего характеристики надежности при эксплуатации оказываются хуже расчетных.
3. Использование при конструировании РЭС неудачного критерия, по которому уровень вибрационных перегрузок на ЭРИ должен быть не больше допустимых по ТУ. Дело в том, что нет корреляционной связи между перегрузками на ЭРИ и отказами РЭС в диапазоне частот возмущающих воздействий, так как сами ЭРИ практически не отказывают, а определяющими для надежности РЭС являются усталостные разрушения выводов ЭРИ и паяных соединений при изгибных колебаниях печатных плат на резонансных частотах [4]. Это подтверждается в работе [2], где приводятся данные, по которым в диапазоне частот возмущающих воздействий бортовой РЭС от 10 до 2000 гц интегральные микросхемы и полупроводниковые приборы не имеют отказов до 200 д и отказы начинают появляться из-за обрыва внутренних выводов при перегрузках на этих частотах около 300д.
4. В специальной литературе при конструировании РЭС рекомендуется обеспечивать отсутствие резонансных частот элементов конструкции в заданном диапазоне частот [11]. Однако, действующая на сегодняшний день НТД допускает резонансные колебания конструкций бортовых РЭС в диапазоне возмущающих воздействий выше 4 0 - 6 0 гц [9, 10]. Рекомендуемая там же защита конструкции РЭС виброизоляцией и демпфированием не устраняют полностью, а только уменьшают амплитуду изгибных колебаний печатных плат на резонансах, да и то
не всегда - например, в условиях действия линейных перегрузок амортизаторы теряют свои свойства виброизоляции. Демпфирование часто не применимо, т.к. ухудшает тепловые режимы и ремонтопригодность РЭС.
5. На сегодня отсутствуют инженерные методики синтеза печатных узлов, не имеющих резонансов в заданном диапазоне частот возмущающих воздействий. На практике конструкторам проще поставить блок РЭС на амортизаторы, чем искать технические решения методом перебора вариантов даже с использованием существующих САПР.
На основе выше изложенного, можно предположить, что уровень доли отказов РЭС от действия вибраций порядка 30 - 50% является пределом возможности методов виброизоляции и демпфирования и нужно искать другие подходы, чтобы достигнуть снижения отказов бортовых РЭС до уровня стационарной аппаратуры.
Как следует из детального анализа причин отказов РЭС, решение этой задачи может быть достигнуто внедрением конструкций РЭС, у которых собственные частоты колебаний элементов конструкции выведены за пределы диапазона частот возмущающих воздействий, что исключает появление изгибных колебаний печатных узлов, являющихся основной причиной усталостного разрушения выводов ЭРИ и паяных соединений.
Такие печатные узлы, для простоты условно называемые «безрезонансными», не имея в процессе эксплуатации изгибных колебаний в диапазоне частот возмущающих воздействий бортовой РЭС, в плане надежности соответствуют стационарной аппаратуре. А это, в соответствии с п. 3.4.[8], значит, что значение коэффициента эксплуатационной жесткости Кэ, при прочих равных условиях, равняется 1 для всех ЭРИ печатных узлов. В результате, использование в РЭС безрезонансных печатных узлов позволяет уменьшить интенсивность их отказов в 3 - 12 раз.
В настоящее время направление создания безрезонансных конструкций РЭС начинает развиваться. В работах [12, 13] прорабатывались вопросы создания безрезонансных конструкций для частных случаев крепления печатных плат и при-
ведены некоторые данные о положительных результатах. Однако, эти результаты не решают проблему. Необходимы серьезные усилия для создания инженерных методов и алгоритмов синтеза конструкции бортовых РЭС, надежно функционирующих в условиях жестких ВВФ.
Отдельно следует отметить общую проблему с кадрами инженеров-конструкторов и уровнем их квалификации [15].
В настоящее время в радиопромышленности, конструкторами РЭС называют только специалистов, выполняющих чертежи корпусов, каркасов, панелей и других элементов механической системы РЭС и чертежи для объемного и печатного электромонтажа РЭС по готовым электрическим схемам, разработанными инженерами-схемотехниками. Так называемые инженеры-конструкторы РЭС фактически выполняют работу чертежников и, как максимум, техников.
Выпускники ВУЗов поступают на работу конструкторами не потому, что их увлекает романтика конструирования корпусов РЭС. Чаще всего они равнодушны к такому конструированию, быстро теряют полученные в ВУЗе знания и становятся безынициативными чертежниками.
Выполнение конструкторских процедур с использованием существующих САПР мало меняет общую картину, поскольку САПР сейчас главным образом нацелены на выпуск чертежей. Кроме того, САПР довольно сложны в освоении и требуют от конструктора выполнения большого числа рутинных работ и особых знаний работы на ЭВМ. Поэтому часто конструкторские должности замещают программисты, которые не владеют навыками конструирования по определению.
Все выше названные проблемы надо решать комплексно, вернув творческое начало в конструирование, подключив конструкторов на ранней стадии проектирования к разработке ТЗ, технического проектирования изделия, надежностно-ориентированного проектирования узлов и блоков РЭС с поиском новых технических решений и т.п. Соответственно должны быть расширены и возможности САПР, в частности для начала созданы возможности компоновки и синтеза конструкций тепло- виброустойчивых печатных узлов на ранних стадиях проектирования РЭС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Остроменский П.М. Вибрационные испытания радиоаппаратуры и приборов. Изд. Новосибирского унта, 1992, стр. 3.
2. Бережной В.П., Дубицкий Л.Г. Выявление причин отказов РЭА. М. Радио и связь, 1983, стр. 4, 115.
3. Писарев В., Критенко М., Постнов В. Система испытаний - основа обеспечения надежности РЭА. «Электроника - НТБ», №5, 2002, стр. 34.
4. Уваров Б.М., Зиньковский Ю.Ф. Определение показателей надежности электронной аппаратуры при частичных отказах. «НТ ПСЗСУ», №2, 2014, стр. 120.
5. Ройзман В.П. и др. Надежность радиоэлектронной аппаратуры при работе на транспортны средствах. Авиационно-космическая техника и технология, №8, 2010, стр.146.
6. Жаднов В.В. и др. Дифференцированная оценка влияния ВВФ при проектных исследованиях надежности электронных компонентов. Электронные компоненты, №3, 2010.
7. Токарев М.Ф., Талицкий Е.Н., Фролов В.А. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры. М. Радио и связь, 1984, стр. 6.
8. Справочник «Надежность электрорадиоизделий». 22 ЦНИИИ МО, 2006.
9. ГОСТ РВ 2 0.39.309-98. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Конструктивно-технические требования. М. Госстандарт России, 1998, стр. 5.
10. ГОСТ РВ 2 0.39.304-98. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним факторам. М. Госстандарт России, 1998, стр. 4.
11. Карпушин В.Б. Вибрации и удары в радиоаппаратуре. Изд. «Советское радио», 1971, стр.6.
12. Ухин В.А. Автоматизация проектирования виброзащиты электронной аппаратуры методом частотной отстройки. Владимирский государственный университет, Диссертация, 2007.
13. Кутровский П.В. Исследование и разработка виброзащиты радиотехнических устройств методом частотной отстройки. Владимирский государственный университет, Диссертация, 2009.
14. Гель П.П., Иванов-Есипрвич Н.К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры. Ленинград, Энергоатомиздат, 1984.
15. Бобков Н.М. Конструктор РЭС о конструировании РЭС. http://nntc.nnov.ru/sites/default/files/documets/0 0 konstr RES o konstr RES.pdf
