Основные аспекты повышения надежности бортовой радиоэлектронной аппаратуры Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.396.61

Ергалиев Д.С. , Тулегулов А.Д., Сундетбаева Э.С. , Ергалиева Л.Д.

Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева, г. Астана, Казахстан

ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ БОРТОВОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Аннотация. В данной статье рассматриваются вопросы обеспечения стойкости и устойчивости оборудования при механических и температурных воздействиях. Даётся анализ показателей надежности систем со структурной избыточностью. Рассматриваются основные способы получения статистических данных об отказах, по которым можно дать количественную характеристику надежности.

Ключевые слова: стойкость, устойчивость, избыточность, отказы, надежность, микропроцессор-

ные устройства, технические условия, ускоренные испытания.

Введение

Вопросы оценки надежности радиоэлектронной аппаратуры очень актуальны. Как известно основным показателем качества изделий является надежность. Особенно сложными являются вопросы обеспечения стойкости и устойчивости оборудования при механических и температурных воздействиях. Важное место занимают вопросы показателей надежности систем со структурной избыточностью. К сожалению, статистика показывает, что в последнее время увеличилось количество аварий, связанных с отказом бортовой аппаратуры. Не перечисляя множества произошедших катастроф, достаточно указать факт потери Казахстаном экспериментального космического спутника «KazSat-1» стоимостью 65 млн. долларов 26 ноября 2008 года.

Статистические методы теории надежности

Не вдаваясь в тонкости конструкторской разработки, можно однозначно говорить о том, что наиболее слабым звеном сложных изделий, является электронная «начинка». Как известно, каждое изделие имеет определенные качественные показатели. Но есть очень важные качественные показатели, которые проявляются только в процессе эксплуатации изделия. Как долго оно будет работать безотказно? Как часто оно будет выходить из строя? Долго ли будет продолжаться ремонт? На эти и подобные вопросы дает ответ теория надежности. Конечно, речь идет не о надежности одного изделия. Теория надежности опирается на статистические методы анализа и дает характеристику надежности партии изделий, которые изготавливаются в определенных условиях.

В теории надежности различают понятия «неисправность» и «отказ». Неисправностью называется такое состояние аппаратуры, при котором затрудняется ее эксплуатация, но основные параметры находятся в пределах допусков. Отказом называется такое состояние аппаратуры, при котором она полностью теряет способность выполнять заданные функции или любой ее основной параметр находится за пределами допусков, оговоренных техническими условиями (ТУ).

Современная радиоэлектронная аппаратура содержит очень большое количество элементов: сопротивлений, конденсаторов, полупроводниковых приборов, трансформаторов, дросселей, переключателей, реле и др. В большинстве случаев отказ любого ее элемента приводит к отказу всего аппарата (прибора). Проблема надежности радиоэлектронной аппаратуры стала особенно острой за последнее десятилетие. Микропроцессорные устройства, многоканальные системы управления и многие другие радиоэлектронные узлы и блоки содержат миллионы элементов. Чем больше элементов, тем больше вероятность отказов изделия. Надежность элемента в действующем приборе зависит от качества его изготовления и оттого, в каких условиях он работает в данном приборе, при какой температуре, влажности и давлении, при каком рабочем токе, напряжении, а также зависит от правильной эксплуатации радиоэлектронного изделия. Поэтому повышение надежности систем требует коллективных усилий работников предприятий, изготовляющих исходные материалы, радиодетали и узлы, разработчиков новой радиоэлектронной аппаратуры, предприятий, изготовляющих радиоэлектронные системы и лиц, обслуживающих их в процессе эксплуатации.

Надежностью называется свойство аппаратуры (прибора) выполнять все заданные ей функции в определенных условиях эксплуатации в течение определенного (заданного) времени при сохранении основных параметров в пределах, установленных ТУ. Надежность является важным показателем качества изделия, его эксплуатационных свойств.

Для изделий, рассчитанных на длительное время эксплуатации, основными показателями надежности является срок службы, среднее время работы между соседними отказами (наработка на отказ) и ремонтопригодность.

Под сроком службы понимается календарное время от начала эксплуатации аппаратуры и до момента наступления полной непригодности, т. е. когда восстановление основных параметров аппаратуры путем ее ремонта становится нецелесообразным. Важной количественной характеристикой ремонтопригодности является среднее время восстановления, под которым понимается среднее время, затрачиваемое на отыскание и устранение одной или нескольких неисправностей аппаратуры. В процессе эксплуатации таких изделий неисправности возникают много раз, и на их устранение затрачивается некоторое время. Кроме того, проводятся профилактические работы с целью предупреждения отказов и неисправностей. Различные изделия требуют различных затрат труда, времени и средств на отыскание и устранение неисправностей за одинаковый период эксплуатации. Это обусловлено тем, что одни изделия чаще выходят из строя, чем другие, имеют более или менее удобную для ремонта конструкцию, требуют более или менее высокую квалификацию лиц, занятых отысканием и устранением неисправностей. Все эти свойства изделий входят в понятие «ремонтопригодность».

Для изделий, рассчитанных на использование только один раз, основным показателем надежности является время работы до первого отказа. Чтобы задать определенные требования к надежности деталей, узлов, приборов и систем нужны количественные показатели (критерии) надежности. Мы говорим о времени работы изделия данного типа до первого отказа. Но одно изделие работает до первого отказа больше чем другое, даже если они выпускались в одной партии и находились в одинаковых условиях эксплуатации. Следовательно, время работы до первого отказа - случайная величина, которой можно дать количественную оценку, пользуясь теорией вероятностей. Такой же вероятностный характер имеют и другие показатели надежности.

Целесообразность применения тех или иных критериев надежности определяется некоторыми эксплуатационными условиями, на которые рассчитано изделие. Элементы радиоэлектронной аппаратуры: конденсаторы, сопротивления, различные детали механизмов в процессе эксплуатации не восстанавливаются, а заменяются новыми. С этой точки зрения их можно рассматривать как устройства одноразового действия. К этой же категории относятся узлы и целые блоки, которые не ремонтируются,

а заменяются новыми: микромодули, печатные платы, микропроцессоры. К той же категории относятся сложные устройства одноразового действия, например радиооборудование ракет. Ко второй группе относятся изделия, которые в процессе эксплуатации подвергаются ремонту и для оценки надежности которых важное значение имеет их ремонтопригодность.

Существует несколько основных способов получения статистических данных об отказах, по которым можно дать количественную характеристику надежности.

Испытание одновременно многих однотипных изделий, с фиксацией времени отказа каждого из них. Этот способ широко применяется при испытаниях на надежность элементов радиоаппаратуры: сопротивлений, конденсаторов, полупроводниковых приборов и др.

Испытание одного или нескольких изделий многократного действия с фиксацией времени каждого отказа и времени, затрачиваемого на устранение неисправностей.

Получение и обработка информации об отказах в процессе эксплуатации. Такую информацию получают от предприятий, которые занимаются ремонтом аппаратуры (ремонтных мастерских), от организаций, которым поручена опытная эксплуатация изделия, из сведений об отказах (рекламаций), которые присылают потребители заводам-изготовителям.

В настоящее время для оценки надежности большинства изделий широко применяются специальные испытания на надежность, к которым относятся: испытания на срок службы, ускоренные испытания

на срок службы и испытания на разрушение. При испытаниях на срок службы группа изделия работает до выхода из строя в условиях, близких к условиям эксплуатации. При ускоренных испытаниях на срок службы изделие работает при повышенных нагрузках: механических, электрических, тепловых и др. например, при повышенном напряжении питающей сети, повышенной или пониженной температуре, при повышенном ускорении вибрации. Ускоренные испытания дают большой выигрыш времени, затрачиваемого на проведение испытаний, но имеют существенный недостаток: трудно найти зависи-

мость между результатами испытаний и параметрами надежности в реальных условиях эксплуатации.

Испытания на разрушение состоят в том, что нагрузка на изделие (например, напряжение сети) увеличивается до тех пор, пока не произойдет отказ. Такие испытания не позволяют определить параметры надежности, они используются для сравнительной оценки надежности элементов одного и того же изделия. Менее надежные элементы будут чаще вызывать отказ изделия. Кроме того, испытание на разрушение позволяет выявить возможности использования изделия в более тяжелых условиях, чем предусмотренные ТУ или ТЗ.

Изделия, которые подвергались испытаниям на надежность, как правило, не пригодны для дальнейшей эксплуатации. Поэтому нецелесообразно проводить испытания на надежность большого количества сложных дорогостоящих изделий, в этом случае необходимо использовать методы математической статистики, позволяющие получить характеристику надежности большого количества изделий по результатам испытаний немногих образцов.

Количественные характеристики надежности

Время безотказной работы или, что то же самое, время от начала работы (испытания) изделия и до его отказа является случайной величиной, которую можно характеризовать вероятностью безотказной работы.

Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что в определенных условиях эксплуатации в течение заданной продолжительности работы отказ не возникает. Если обозначить фактическое время работы изделия до его отказа Т, а заданную продолжительность работы t, то вероятность безотказной работы

P(t) = Р(Т > t). (1)

Время безотказной работы можно также характеризовать вероятностью отказа, т. е. вероятностью того, что время работы изделия до отказа Т будет меньше заданного времени работы t

q(t) = q(Т < t). (2)

События Т > t и Т < t противоположны, и поэтому q(t) — 1 - р( 0 .

С увеличением заданной продолжительности безотказной работы вероятность безотказной работы убывает, а вероятность отказа соответственно возрастает (рис. 1).

Рис. 1- Зависимости вероятности безотказной работы и отказа изделия от времени его работы

dq(t) dP(t)

Производная — , т. е. плотности распределения вероятностей безотказной рабо-

ты и отказов равны по величине и противоположны по знаку при любом значении t.

Плотность распределения вероятности отказов называется частотой отказов:

- dP(t) a(t) = —ш

Отношение частоты отказов к вероятности безотказной работы называется интенсивностью или

опасностью отказов:

К t) =

а( t) P(t)

■ (4)

При этом предполагается, что изделия в процессе работы (испытаний) не восстанавливаются.

Параметры надежности P(t), q(t), а(t), Я(t) можно определить статистическими методами по результатам испытаний большого количества изделий. Рассмотрим случай испытаний изделий одноразового действия. В начале испытаний было No изделий. В процессе испытаний отказавшие изделия

не заменяются. К некоторому моменту времени t отказало п(0 изделий. Вероятность безотказной работы изделия за время t определится равенством

P(t) = '•-м (5)

q(t) = 1-P( t) = 1-

N0

Таким образом, вероятность безотказной работы за время t определяется отношением числа изделий, которые к моменту t продолжают исправно работать, к первоначальному числу изделий, поставленных на испытание.

Вероятность отказа изделий, как событие, противоположное вероятности безотказной работы

N0-n(t) n(t)

N0 = No' (6)

т. е. q(t) равно отношению числа отказывающих изделий к моменту t к первоначальному числу изделий, поставленных на испытание. Отмечать при испытаниях моменты отказов каждого изделия

практически неудобно. Поэтому время испытаний разбивается на одинаковые интервалы Atj. В каждом интервале происходит некоторое количество отказов Вероятность отказов определяется равенством

1=-

Z=A 'A n

( )

__ ^1 = 1

N n

(7)

где t - время испытаний. Вероятность безотказной работы

( )

_ 1 Z 1-fAn,

= 1--------“-----■ (8)

N n

Располагая большим статистическим материалом об отказах изделий в данных условиях эксплуатации, можно построить зависимость вероятности отказов от времени (рис. 2):

Рис. 2 - Зависимость вероятности отказа изделия от времени его работы

q( t) = У)

«о

Величина, характеризующая скорость изменения вероятности отказов и численно равная отношению количества отказов в единицу времени к первоначальному количеству изделий, определит частоту отказов:

1 A n( t)

-■ (10)

( )

N0 At

( )

равна производной в данной точке кривой

Нетрудно видеть, что величина _ 1 dn(t)

a(t) =-----------■ (ii)

Типичная зависимость частоты отказов от времени показана на рисунке 3.

( )

(рис. 2)

Рис. 3 - Зависимость частоты отказов от времени

Располагая этой кривой

можно определить

q( t) и Р( t):

q( t) = J*a( t)d t; (12)

P( t) = 1 — JqCl(t)dt. (13)

Частотой отказов часто пользуются при расчетах надежности. Не следует думать, что равенство частоты отказов изделий означает их одинаковую надежность. Так, если в начале испытаний было 100 изделий и 5 из них отказали за первый час, то a(t)=5/(100*1).

Пусть через 99 ч осталось 50 изделий и 5 из них отказало за сотый час: a(t)=5/(100*1)=0,05. За первый и сотый час работы отказало одинаковое количество изделий, и поэтому частота отказов получилась одинаковой. Но, очевидно, что надежность элементов, оставшихся к сотому часу испытаний, ниже надежности элементов после первого часа работы, так как отказало 5 изделий из 50, а не из 100 изделий. Надежность элементов в любой момент времени испытаний или любой момент времени эксплуатации лучше характеризует опасность (интенсивность) отказов, численно равная отношению числа отказавших изделий в единицу времени к числу безотказно работающих изделий:

( )

или

а( t)

1 An(t) N0-n(t) Nq At Nq

An(t)

[No - n(t)] Д t'

( )

A n( t) N(t)A t .

(15)

При оценке надежности изделий иногда пользуются параметром надежности, называемым наработкой на отказ. Наработкой называется величина, принятая для измерения продолжительности работы изделия. Она может измеряться единицами времени, числом циклов включений и другими величинами. Наработка измеряется единицами времени. Для изделий одноразового действия наработка на отказ представляет собой срок службы. Для изделий многократного действия наработка на отказ представляет собой среднее время между последовательно возникшими отказами.

Заключение

Таким образом, вопросы повышения надежности становятся наиболее актуальными с увеличением объемов и стоимости любой продукции. Особое значение этот вопрос имеет для ракетно-космической отрасли. В связи с этим необходимо проводить интенсивные исследования в области повышения качества и надежности товаров и изделий, а также услуг.

ЛИТЕРАТУРА

1. Поляков К.П. Конструирование приборов и устройств радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1986

2. Левин Б.Р. Теория надежности радиотехнических систем. М.: Радио и связь. 1988

3. Анищенко В.А. Надежность систем электроснабжения. - Минск: УП. Технопринт, 2001. - 160

с.

4. Волков Е.Б. Основы теории надежности ракетных двигателей/ Л.И. Волков, А.М. Шишкевич. -

М.: Высш. Шк., 1975. -296 с.

5. Галась М.И. Оценка надежности элементов автоматики с учетом априорной информации об отработке аналогов/ М.И. Галась, Ю.Ф. Даниев, А.В.Демченко// Техническая механика.-2002.-№1.