CC BY
391
ЛитвиновА. Н., Литвинов М.А.
Пензенский государственный университет
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ВИБРАЦИЯ КАК МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИИЗДЕЛИЙ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
К современной радиоэлектронной и электромеханической аппаратуре предъявляются требования высокого качества и надежности в современных условиях их эксплуатации. Высокий уровень внешних механических, тепловых, электрических и других эксплуатационных воздействий в ряде случаев приводит к нарушению работоспособности и снижению надежности аппаратуры.
Значительная часть отказов в рассматриваемой аппаратуре имеет механическое происхождение и проявляется при воздействии на изделие внешних вибрационных нагрузок, приводящих к механическим повреждениям элементов, нарушению паяных и сварных соединений, штепсельных и клеммовых разъемов, отвинчиванию и ослаблению резьбовых соединений и т.п. [1-3] . Причины отказов можно условно классифицировать по следующим основным группам: конструктивные дефекты, технологические дефекты и дефекты старения [4] .Установлено [5] , что между отказами в эксплуатации и конструкторско-технологическими дефектами существует прямая взаимосвязь. Причем считается, что большинство отказов, связанных с конструкторско-технологическими, эксплуатационными дефектами и старением, принципиально можно предсказать до их появления в эксплуатации.
Анализ отказов по основным выделенным группам показывает, что, например, в изделиях радиоэлектронной аппаратуры [б] отказы интегральных схем распределяются следующим образом :конструктивные дефекты, связанные с ошибками проектирования, составляют
40.. .45%,-технологические дефекты - 2 0%; эксплуатационные дефекты - до 30%;дефекты старения -
5.. .7%.При этом существенно, что до 80% отказов, обусловленных технологическими дефектами, являются внезапными и связаны с механическими повреждениями [б].
Одним из способов повышения надежности изделий является снижение интенсивности отказов в начальный период приработки, что обеспечивается введением специальных технологических тренировок, которые часто называют отбраковочными тренировками, проводимых на серийных предприятиях в процессе производства изделий. Технологические тренировки проводятся для отдельных узлов, сборок и изделий в целом и включаются в технологический цикл изготовления изделия как совокупность технологических операций, состоящих и функциональных или внешних воздействий на объект тренировки [7].Целью технологических тренировок является выявление грубых технологических дефектов, допущенных в процессе производства; выявление и устранение комплектующих элементов, обладающих пониженными эксплуатационными характеристиками и способных привести к отказам, а также выявление на ранних этапах скрытых дефектов.Большая часть отказов связана с механическими повреждениями, проявляющимися при воздействии на изделия внешних вибрационных нагрузок [4, б].В дальнейшем будем рассматривать только вибрационную технологическую тренировку.Существенной особенностью является то, что вибрация, даже если она не является непосредственной причиной отказов, часто играет роль "катализатора", способствующего ускорению процесса развития отказа, что приводит к его появлению на более ранних этапах жизненного цикла изделия и позволяет выявить дефектный элемент на этапе технологической вибрации.
Наиболее типичные дефекты, возникающие в процессе воздействия вибрации, можно разделить на две группы. Дефекты первой группы связаны с нарушением целостности элементов, что приводит к таким типичным отказам, как обрыв выводов электрорадиоэлементов, разрушение паяных и клеевых соединений, разрушение элементов конструкций и т.п.Дефекты второй группы непосредственно не связаны с разрушением, но способствуют нарушению нормальной работы аппаратуры. К ним относятся ослабление разъемных резьбовых, клеммовых, штепсельных и др. соединений, появление люфтов и смещение подвижных соединений.Для определения повреждений, возникающих в каком-либо конструктивном элементе необходимо установить связь между механической величиной, непосредственно связанной с этим повреждением, и приложенным внешним воздействием.
Основными видами механических виброиспытаний являются испытания на обнаружение резонансных частот, испытания на виброустойчивость и вибропрочность [8].
Испытания на вибропрочность могут проводиться как длительные, так и кратковременные. При этом кратковременные испытания на вибропрочность применяются, как правило, с целью контроля стабильности производства и выявления грубых технологических дефектов, имеющих место в процессе серийного производства. Таким образом, цели кратковременных испытаний на вибропрочность и технологической вибрации совпадают, что позволяет подходить к назначению режимов технологической вибрации и кратковременных испытаний на вибропрочность с одних и тех же позиций.
Основными видами вибрационных воздействий, используемых для испытаний аппаратуры и приборов различного назначения являются:
гармоническая вибрация на фиксированных частотах;
гармоническая вибрация с переменной (качающейся) частотой;
полигармоническая вибрация;
случайная вибрация;
реальная вибрация.
Гармоническая вибрация на фиксированных частотах проводится либо на нескольких фиксированных частотах во всем частотном диапазоне, либо на какой-то конкретной частоте. Существенной особенностью таких испытаний является то, что если фиксированные частоты £^е совпадают с собственными частотами элементов испытываемой конструкции, то эффективность их нагружения, а, следовательно, и информативность испытаний с точки зрения обнаружения дефекта, будет достаточно малой. При таких испытаниях возможна потеря информации, т.к. резонансные колебания могут не возбуждаться.
Испытания на одной фиксированной частоте f целесообразно проводить в случае, когда низшая резонансная частота изделия ^не менее чем в 1,5 раза превышает верхнюю границу fB рабочего диапазона частот
(f0>1,5fB), так как в этом случае результаты испытаний практически не зависят от частоты вибрации, и отбраковка потенциально ненадежных изделий может производиться на любой частоте.
Гармоническая вибрация с переменной частотой является основным методом испытаний на вибропрочность. Его сущность заключается в том, что частота испытаний f циклически изменяется от низшей fH до высшей fB частоты и обратно. Если изделие имеет резонансы в области частот испытаний, то резонансные явления возбуждаются последовательно. При этом каждая резонансная часта, лежащая в диапазоне, возбуждается дважды за период качания. Это является существенным, т.к. возможно существование нелинейных резонансов изделий или его отдельных элементов. Вибрацию методом качающейся частоты необходимо обязательно проводить в двух направлениях[9].
1
Недостатком данного метода является то, что, очевидно, существуют поддиапазоны частот, в которых эффективность испытаний мала, и поддиапазоны, в которых их эффективность велика, т.к. элементы изделия имеют наибольшую нагруженность именно в резонансных областях. Если известны значения резонансных частот изделия, то наиболее целесообразно применять ускоренные методы, основанные на сужении частотного диапазона [10].Наиболее эффективным будет являться испытание методом качающейся частоты в области резонансных частот [8]. Испытания проводят в поддиапазонах частот 0,5fj<f<1,5fj, где 0,5fj - j-я резонансная частота^' = 1, 2, ... - номер резонансной частоты) .Число поддиапазонов частот равно числу учитываемых резонансов. Например, применительно к технологической вибрации необходимо учитывать только те резонансные частоты элементов или изделий в целом, на которых наблюдаются резонансы наиболее ответственных элементов и узлов изделия, приводящие к отказам.
Метод испытания в области резонансных частот является наиболее эффективным, так как именно в резонансной области происходит основная масса отказов, причем результаты испытаний удается получить во много раз быстрее, чем при испытании методами рассмотренными выше [2, 8] . На рисунке 1 представлена взаимосвязь времени испытаний T и его эффективности (разрушающего потенциала) А для различных способов испытаний на вибропрочность ЭРИ частного применения. Здесь I, II, III, IV -доля разрушающего потенциала А, приходящаяся на испытания в областях частот: I - 10 Гц<^100Гц; II - дорезонансная область 0,5f2<f; III - резонансная область 0,5fI<f<1,5fI; IV - зарезонансная область 1,5fi<f<fB; Ti - время испытания во всем диапазоне частот; Т3 - время испытаний в диапазоне частот 200 Гц<f<fB; Т4 - время испытаний в резонансной зоне III.
Рисунок 1 - Диаграмма разрушающего потенциала для различных способов испытаний методом качающейся
частоты
Из приведенных результатов следует, что испытания методом качающейся частоты в области резонансных частот обеспечивают существенную экономию времени практически без потерь информации о прочности изделия. Это связано с тем, что на нерезонансную область испытания приходится малая часть (»6%) разрушающего потенциала испытаний.
Полигармоническая вибрация позволяет точнее, чем гармоническая, моделировать реальную вибрацию. Это связано с тем, что по мере удаления источника вибрации от конкретного изделия (прибора) при эксплуатации за счет динамических характеристик деталей всей конструкции изменяется как спектр колебаний, так и распределение амплитуд ускорений, скоростей и перемещений в этом спек-тре.Полигармоническая вибрация применяется для проведения испытаний на вибропрочность. Однако это применение практически имеет место в основном для весьма ответственных изделий специального назначения .
Широкополосная случайная вибрация позволяет наиболее полно воспроизводить реальные вибрации, соответствующие условиям эксплуатации [2]. Испытания на случайную вибрацию позволяют существенно сократить время испытаний по сравнению с испытаниями на качающейся частоте, так как в этом случае все резонансные частоты, лежащие в рабочем диапазоне частот, возбуждаются одновременно, причем имеет место их взаимное влияние, что невозможно получить при других видах испытаний.
Узкополосная случайная вибрация может рассматриваться как реакция механической системы на широкополосное возмущение. Метод испытаний на воздействие узкополосной случайной вибрацией основан на том, что широкополосное случайное возбуждение заменяется более интенсивным узкополосным возбуждением. Существенным недостатком этого процесса является то, что он, как и гармоническое воздействие с постоянной частотой, вызывает резонанс какого-то одного элемента испытываемого изделия [10] .
Реальная вибрация полностью соответствует эксплуатационному режиму и является наиболее эффективной с точки зрения испытания изделий на вибропрочность. Обычно эти испытания проводятся с целью анализа аварийных ситуаций или для определения фактических запасов прочности и виброустойчивости изделия. Испытания на реальную вибрацию весьма дорогостоящие, а использование для проведения технологической вибрации, очевидно, нецелесообразно.
Проведенный анализ различных видов вибрационного воздействия показал, что наиболее эффективной является технологическая вибрация с переменной частотой в резонансных областях потенциально дефектных ЭРИ и широкополосная случайная вибрация. При этом в обоих случаях необходимо выполнять математическое моделирование динамических процессов этих ЭРИ с целью установления наиболее эффективных режимов их технологических вибраций [10].
ЛИТЕРАТУРА
1. Болотин, В. В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений / В.В. Болотин. - М.: Стройиздат. - 1982. - 352с.
2. Ленк, А. Механические испытания приборов и аппаратов /А. Ленк, Ю. Ренитц. - М: Мир. - 1976. - 270с.
2
3. Смирнов, А. Н. Метод оценки качества (надежности) изделий микроэлектроники на основе определения времени сохранения их работоспособности / А.Н. Смиронов. - Минск. - 1981. - 48с. - деп. №5433 .
4. Фомин, Г. П. Физика надежности элементов автоматики и вычислительной техники / Г.П. Фомин. - М: Знание. - 1977. - 52с.
5. Методы оценки надежности технических систем: обзорная информация. - М: ВНИИКИ. - 1977. -
58с.
6. Некрасов, М. М. Испытания элементов радиоэлектронной аппаратуры / М.М. Некрасов, В.В. Платонов, Л.И. Дадеко. - Киев: Вища школа. - 1981. - 302с.
7. РДВ 319.02.24-99. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Методы проведения отбраковочных испытаний. - 1999. - 26с.
8. ГОСТ 16962-71.Изделия электронной техники и электротехники. Механические и климатические
воздействия. Требования и методы испытаний. - М.: Издательство стандартов. - 1987. - 104с.
9. ГОСТ 20.57.406-81. Комплексная система контроля качества. Изделия электронной техники,
квантовой электроники и электротехнические. Методы испытаний. - М.: Издательство стандартов. -
1991. - 218с.
10. Литвинов, А. Н. Выбор режимов технологической вибрации приборов в процессе производства /
А.Н. Литвинов, А.А. Иофин, В.Я. Баннов // Радиовысотометрия-2010 : сб. тр. III Всерос. научно-
техн. конф. - Екатеринбург : Форт Диалог-Исеть, 2010. - С. 98-102.
3
