стихи. 1-75-12-Медведев-АВ-Конструирование-технология-производства-элек. Конструирование и технология
 Скачать 1.92 Mb.
|
1.6. Надежность электронной аппаратуры (ЭА)Надежность – это свойство изделия выполнять заданные функции в определенных условиях эксплуатации при сохранении значения основных параметров в заданных пределах. Вся ЭА может находиться в работоспособном или неработоспособном состоянии. Событие, заключающееся в нарушении работоспособности, называют отказом. Повреждения, не связанные с прекращением функционирования (например, вмятина в корпусе), отказом не считаются. По характеру возникновения отказы разделяют на внезапные и постепенные. Внезапные отказы проявляются в виде скачкообразного изменения параметров ЭА в результате выхода из строя элементов (пробой полупроводникового прибора или конденсатора, механическое разрушение детали). Постепенные отказы вызываются медленным изменением свойств элементов (потеря емкости электролитического конденсатора, высыхание смазки трущихся частей). По характеру возникновения отказы делят на устойчивые и самоустраняющиеся. Устойчивый отказ исчезнет только после ремонта. Самоустраняющиеся отказы исчезают сами по себе и проявляются в виде перемежающегося отказа (например, плохой контакт) или сбоя. Сбой – это однократно возникающий самоустраняющийся отказ. Сбои могут быть вызваны помехами, несинхронной работой отдельных узлов, ошибкой в программном обеспечении и т. д. По внешним проявлениям отказы разделяют на явные (обнаруживаются при внешнем осмотре) и неявные (обнаруживаются специальными методами контроля). В зависимости от возможности устранения отказов электронные устройства делят на восстанавливаемые и невосстанавливаемые. Восстанавливаемым называется устройство, для которого при возникновении отказа нормативно-технической документацией предусматривается восстановление работоспособного состояния. Надежность является комплексным понятием и включает такие составляющие, как безотказность, ремонтопригодность, долговечность, сохраняемость. Показатели безотказностиБезотказность – свойство ЭА непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени при некоторой наработке. Для количественной оценки безотказности используют такие параметры как вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, средняя наработка на отказ. Вероятность безотказной работы – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ устройства не возникнет. P(t) = 1 – Q(t), (1.1) где P(t) – вероятность безотказной работы; Q(t) – функция распределения безотказной работы, представляющая вероятность появления отказа устройства в течение времени t. P(t) – монотонно убывает 0 ≤ P(t) ≤ 1, Q(t) – монотонно возрастает. Для экспериментального определения показатели надежности испытаниям подвергают достаточно большую партию однотипных изделий. Для P(t) используется следующая статическая оценка: P x(t) = Nx /N0, где N0 – число изделий, поставленных на испытания; Nx – число изделий, оставшихся исправными в момент tx. Значение вероятности безотказной работы определяют по формуле  . (1.2)Интенсивность отказов – условная плотность вероятности возникновения отказа устройства, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник. Интенсивность отказа показывает, какая часть изделий в среднем выходит из строя за 1 час работы. Например, если λ = 10-5, то за час работы из строя выйдет 10-5 изделий, за 1000 часов – 10-2 изделий и т. д. Средняя наработка на отказ T – математическое ожидание наработки на отказ ,  (1.3) ,при λ = const, T = 1/λ. Показатели ремонтопригодностиБольшинство электронных устройств относятся к восстанавливаемым. Они характеризуются следующими комплексными показателями ремонтопригодности. Среднее время восстановления – математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния устройства после отказа  , (1.4)где τi – время, затраченное на восстановление при i-м отказе; m – общее число восстановлений. Коэффициент готовности – вероятность того, что устройство окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение устройства по назначению не планируется:  , (1.5)где T – средняя наработка на отказ; Tв– среднее время восстановления. Показатели долговечности и сохраняемостиДля характеристик долговечности и сохраняемости используют следующие понятия. Ресурс – наработка объекта от определенного момента времени до наступления предельного состояния. Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации изделия от определенного момента времени до наступления предельного состояния. Срок сохраняемости – продолжительность хранения изделия, в течение которой сохраняются установленные показатели качества. Средний ресурс – математическое ожидание ресурса для различных экземпляров данного типа изделия. Назначенный ресурс – суммарная наработка изделия, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от состояния. Гамма-процентный срок службы – срок службы, в течение которого изделие не достигает предельного состояния с заданной вероятностью γ. Средний срок службы – математическое ожидание срока службы. Гамма-процентный срок сохраняемости – продолжительность хранения, в течение которой у изделия сохраняются установленные показатели с заданной вероятностью γ. Средний срок сохраняемости – математическое ожидание срока сохраняемости для различных экземпляров данного типа изделия. Виды структурного регулированияОдним из основных средств обеспечения заданного уровня надежности ЭА при недостаточно надежных элементах является резервирование. Структурное резервирование заключается в том, что в состав изделия вводят дополнительные устройства или отдельные узлы, предназначенные для быстрой замены (автоматически или вручную) аналогичных им элементов основного оборудования. Резервирование широко используется в радио и телевещательной аппаратуре, авиационной, военной и космической технике, системах аварийной сигнализации и жизнеобеспечения. Степень аппаратной избыточности характеризуется кратностью резерва. Кратность резерва – это отношение числа резервных элементов к числу резервируемых ими основных элементов, выраженное несокращаемой дробью. Резервирование с кратностью резерва один к одному называется дублированным. Резервирование может быть общим и раздельным. В первом случае резервируется все устройство целиком, во втором – его отдельные элементы или группы элементов. По схеме включения элементов различают постоянное резервирование, мажоритарное резервирование, резервирование-замещение с целой кратностью, скользящее резервирование. Постоянное резервирование – это резервирование, при котором используется нагруженный резерв, и при отказе любого элемента в резервированной группе выполнение устройством требуемых функций обеспечивается оставшимися элементами без переключения (рис. 1.3).  Рис. 1.3 Устройство содержит n однотипных элементов, которые включаются в работу одновременно. Деление этих элементов на основной и резервные достаточно условно, поскольку режим работы всех элементов может быть одинаков. Отказавшие элементы не восстанавливаются, поэтому устройство работоспособно до тех пор, пока исправен хотя бы один элемент. Вероятность безотказной работы резервированного устройства: Pp(t) = 1 − [1 − P(t)]n. (1.6) Средняя наработка до отказа резервированного устройства: .  (1.7) .Постоянное резервирование является единственно возможным в устройствах, где недопустим даже кратковременный перерыв в функционировании. Возможности постоянного резервирования невелики и иллюстрируются табл. 1.9. Таблица 1.9 Зависимость надежности от числа параллельных элементов
Мажоритарное резервирование. Оно является частным случаем постоянного резервирования и применяется для отделения истинной информации от ложной, поступающей от отказавших элементов (рис. 1.4).  Рис. 1.4 При мажоритарном резервировании вместо одного используют три идентичных элемента, которые подключаются к мажоритарному органу M. Если все элементы исправны, то на вход М поступают три одинаковых сигнала, и такой же сигнал присутствует на выходе M. Если один из трех резервированных элементов отказал, то на вход М поступают два одинаковых истинных сигнала и один ложный. Сигнал на выходе М будет того же вида, что и большинство одинаковых входных сигналов. Подобное построение схемы основывается на том, что вероятность одновременного отказа двух элементов из трех мала. Число элементов в резервируемой группе может быть более трех, но оно должно быть нечетным. Мажоритарное резервирование дает повышение надежности только при применении элементов с вероятностью безотказной работы одного элемента P0(t) > 0,5. Резервирование-замещение с целой кратностью – это резервирование, при котором функции основного элемента после его отказа передаются резервному (рис. 1.5).  Рис. 1.5 Переключение на резервный элемент может осуществляться как автоматически, так и вручную. Резервные элементы могут находиться в нагруженном или ненагруженном резерве. В первом случае резервные элементы имеют такую же, как у основных элементов, интенсивность отказа. Перевод резервных элементов в облегченный режим работы, вплоть до режима хранения, позволяет снизить интенсивность их отказа примерно в сто раз. Однако при этом может увеличиться время включения резерва. При предположении, что отказать могут только основные элементы, средняя наработка на отказ резервированного устройства  . (1.8)Вероятность безотказной работы резервированного устройства  . (1.9)Скользящее резервирование. Оно является разновидностью резервирования с замещением (резервирование с дробной кратностью) и применяется для устройств и систем, содержащих несколько однотипных элементов (рис. 1.6).  Рис. 1.6 Основным преимуществом скользящего резервирования является сокращение числа резервных элементов вплоть до одного. Устройство состоит из «m» основных и «n» резервных однотипных элементов, причем m > n. При отказе одного из основных на его место подключается любой из резервных. Резервные элементы могут находиться в нагруженном или ненагруженном состоянии. Средняя наработка до отказа устройства со скользящим резервированием .  (1.10) .Вероятность безотказной работы .  (1.11) .В зависимости от режима работы резервных элементов различают нагруженный, облегченный и ненагруженный резерв. В первом случае резервные элементы находятся в том же режиме, что и основной, и имеют такую же интенсивность отказов. При облегченном режиме резервные элементы нагружены меньше остальных и интенсивность отказов в период пребывания в резерве ниже, чем в период их использования вместо основных. При ненагруженном резерве резервные элементы находятся в выключенном состоянии и λ = 0. Резервирование, при котором работоспособность любого элемента устройства, основного или резервного, в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в процессе эксплуатации, называется резервированием с восстановлением. В противном случае имеет место резервирование без восстановления. При резервировании с восстановлением отказы не накапливаются, а устраняются по мере их появления, что увеличивает надежность устройства при той же кратности резерва. Выигрыш в повышении надежности увеличивается при переходе от резервирования устройства в целом (рис. 1.7,а) к резервированию его отдельных частей (рис. 1.7,б), причем теоретически более выгодно поэлементное резервирование.  Рис. 1.7 Вероятность отказа устройства с отдельным резервированием будет в mn-1 раз реже, чем при общем резервировании. На практике возможности в этом отношении весьма ограничены, поскольку с повышением числа резервируемых элементов резко возрастает сложность как основной аппаратуры, так и средств диагностики и переключателей. Поэтому определение количества резервируемых узлов является задачей оптимизации. Обеспечение надежности на этапе проектированияНадежность ЭА обеспечивается на этапах проектирования, производства и эксплуатации. Этап проектирования имеет наибольшее значение, поскольку именно в этот период закладывается основа для качественного изготовления аппаратуры и минимизации влияния условий эксплуатации на ее функциональную надежность. В большинстве случаев заданные показатели надежности удается обеспечить использованием следующих приемов. При выборе элементной базы следует ориентироваться на компоненты, у которых интенсивность отказов в заданных условиях эксплуатации минимальна. Например, интенсивность отказов интегральных микросхем в пластмассовых корпусах при прочих равных условиях в три раза выше, чем у аналогичных микросхем в корпусах из металла и керамики. Поэтому для жестких условий эксплуатации микросхемы в пластмассовых корпусах желательно не использовать. Интенсивность отказов компонентов зависит от степени их сложности. Зависимость эта не слишком сильная: при увеличении числа элементов микросхемы на порядки, ее интенсивность отказов возрастает в разы. Поэтому, как правило, замена совокупности дискретных компонентов микросхемой, выполняющей ту же функцию, увеличивает надежность. Интенсивность отказа элементов существенно зависит от режимов их электрической нагрузки. Под коэффициентом Кн понимается отношение рабочего значения электрического параметра к его предельно допустимому (номинальному) значению, установленному нормативно-технической документацией. Для каждого типа элементов при оценке интенсивности электрической нагрузки существуют свои определяющие параметры, в частности: для интегральных микросхем – напряжение питания; для диодов, стабилитронов, транзисторов, тиристоров – рассеиваемая мощность (ток) и рабочее напряжение; для конденсаторов – рабочее напряжение; для трансформаторов – мощность; для дросселей – ток обмоток. В любом случае значения Кн по всем параметрам, характеризующим предельно допустимые режимы эксплуатации элемента, не должны превышать 0,8. Необходимо учитывать зависимость надежности элементов от напряжения питания. Интенсивность отказов сильно зависит от температуры корпуса элементов. Например: интенсивность отказов интегральных микросхем и полупроводниковых приборов при температуре 60° С вдвое меньше, чем при 90° С; оксидно-электролитические алюминиевые конденсаторы с допускаемым диапазоном температур от -40 до +85° С имеют следующие данные по надежности, при температуре от -40 до +55° С минимальная наработка 15000 часов, при температуре от -40 до +70° С – 10000 часов, при температуре эксплуатации от -40 до +85° С – 1000 часов. Следует всячески снижать интенсивность внешних механических воздействий на устройство: вибрации, ударов, ускорений. На этапе конструирования такая задача решается применением амортизаторов, повышением прочности и жесткости конструкции, дополнительным креплением элементов к печатным платам, заливкой электронных узлов компаундами и т. д. Должно быть уделено должное внимание защите аппаратуры от воды, пыли, агрессивных веществ, ионизирующих излучений и других внешних воздействий. При необходимости использовать структурное резервирование. В процессе разработки следует ориентироваться на прогрессивные технологии и современные предприятия по выпуску ЭА. Важно обеспечить быстрое восстановление работоспособности устройства при отказе. Расчет надежности электронной аппаратурыБольшинство электронных устройств автоматики, систем управления, вычислительной техники являются нерезервированными восстанавливаемыми объектами, предназначенными для работы в закрытых помещениях. Поэтому рассмотрим методику расчета оценки надежности аппаратуры этого класса. При расчете эксплуатационной надежности элементов электронных устройств используется следующая математическая модель:  , (1.12)где λэ – эксплуатационная интенсивность отказа элемента; λб – исходная (базовая) интенсивность отказа элемента при номинальной электрической нагрузке (Кн = 1) и температуре окружающей среды 25° С; Кр – коэффициент режима, учитывающий изменение λб в процессе эксплуатации от электрической нагрузки и температуры окружающей среды; Kj– коэффициенты, учитывающие изменение эксплуатационной интенсивности отказов от различных факторов; n – число учитываемых факторов. Данные по интенсивности отказов различных элементов электронной аппаратуры в типовых усредненных условиях эксплуатации приведены в табл. 1.10. Интенсивность отказов устройства в целом  , (1.13)где λэi – интенсивность отказов элементов i-й группы в соответствии с табл. 1.10; mi – число элементов в i-й группе; n – число групп элементов. Средняя наработка на отказ .  (1.14) .Таблица 1.10 Интенсивности отказов элементов в типовых усредненных условиях эксплуатации
Продолжение табл. 1.10
Окончание табл. 1.10
Время восстановления устройства при отказе включает время поиска неисправного элемента, время его замены или ремонта и время проверки ремонтоспособного состояния аппаратуры. Время ожидания специалиста-ремонтника, время получения запасных частей и другие подобные факторы не учитываются. Среднее время восстановления Тв конкретного устройства зависит от его ремонтопригодности и выбирается из ряда 1, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 18, 24, 36, 48 часов. Меньшие цифры соответствуют ЭА с высокой ремонтопригодностью, большие ЭА с низкой ремонтопригодностью. Признаками высокой ремонтопригодности являются модульная конструкция, быстрая сборка и разборка, доступный монтаж, встроенные системы диагностики и др. Стационарное значение коэффициента готовности рассчитывается по формуле (1.5). |