Оценка влияния основных воздействующих факторов на надежность РЭС

Надежная работа любого радиоэлектронного средства (РЭС) зависит от многих внешних воздействующих факторов (ВВФ). ВВФ называется явление, процесс или среда, внешние по отношению к изделию или его составным частям, которые вызывают или могут вызвать ограничение или потерю работоспособного состояния изделия в процессе эксплуатации.

Среди ВВФ различают: механические, климатические, биологические, ВВФ специальных сред, термические, ВВФ электромагнитных полей (рисунок 1).

Рис. 1. Дестабилизирующие воздействия РЭС.

При проектировании и разработке РЭС, представляющего собой сложную многофункциональную систему, невозможно учесть все реальные факторы и условия эксплуатации. С учетом множества протекающих разнородных процессов, приводящих к отказам отдельных электрорадиоэлементов (ЭРЭ) и РЭС в целом, в качестве условий эксплуатации принимается совокупность ВВФ.

Обеспечение качества РЭС требует комплексного подхода. Тепловой режим элементной базы РЭС является одним из определяющих факторов его надежности, обеспечить которую не всегда может и входной контроль, т.к. не учитываются колебания питающей сети, разброс параметров элементов обвязки и т.д. Увеличение температуры ЭРЭ на каждые 10°С приводит к уменьшению показателей надежности на 30–50%. Так, при увеличении температуры бортовой аппаратуры с 60 до 80°С (рисунок 2) среднее время наработки на отказ Тно уменьшается почти в 2 раза.

Рис. 2. Зависимость Т но бортовых РЭС от температуры элементной базы.

Расчет надежности РЭС осуществляется по формулам:

n

Л= Z Л i=1

m

Л= Ло п Kj, j=1

где Xi - интенсивность отказов i-го элемента; п - число элементов; Xio - интенсивность отказов i-го элемента при некоторых стандартных условиях его использования; Ку -коэффициенты, учитывающие влияние у -го фактора на i-й элемент, при воздействии только температуры K=dλ/dT; m – число факторов, характеризующих условия использования РЭС; i=1, 2..., п; j=1, 2... т.

Интенсивность отказов для элементов РЭС определяется опытным путем и приводится в виде таблиц значений и графиков. Для большинства элементов РЭС зависимость (2) с учетом влияния только температуры можно аппроксимировать формулой:

Ai = АЛюехр[ь(Тг - T0)]

где: Т r – температура критической зоны элемента в реальных условиях работы; Т r0 – температура зоны в стандартных условиях; А, b – экспериментальные коэффициенты.

Зачастую сложно измерить температуру критической зоны элемента. Измерение температуры элемента обычно выполняется на его корпусе (температура корпуса элемента Тэк) или у его корпуса (температура окружающей элемент среды Тэс). Учитывая известные соотношения Tr = Tэк + RrкPэ; Тr = Тэс + RrсPэ, где Rrк (Rrс) – тепловое сопротивление между критической зоной и корпусом элемента (окружающей средой); Рэ – мощность, рассеиваемая элементом, вместо (3) получаем:

Ai = AAioexp bT - Тэс 0 )+Rrc (Рэ - Рэ 0)]

,

Ai = AAio exp Ь[(Тэк - / э 0 )+Rk (Рэ - Рэ0 )]

, где индексом под индексом «0» приведены параметры при стандартных условиях. При А=1 получается:

Ai / Ai0 = ехР(ЬТэс - c + dKH )

где λi 0 – интенсивность отказов при Т эс = Т эс0 и К н =К н0; c=b(T эс0 + R rc P э0 );

d=b R rc P э0 ;

К н = Р э /Р э0 – коэффициент нагрузки.

Для оценки изменения интенсивности отказов элементов РЭС при изменении температуры окружающей среды на 10К, вводят показатель, характеризующий:

ЛА(10)= l-^O-AT.. 100

A ,(T )                                           (7)

На изменение интенсивности отказов от температуры влияет и количество ЭРЭ различных типов. Интенсивность отказов РЭС можно оценить по формуле:

A(T) = A(20)exp(b(Тв ср - 293))

где: 1(20) - интенсивность отказов РЭА при Т в ср = 293 К (20°С);

Т в ср — средняя температура воздуха в РЭА;

b - экспериментальный коэффициент (b = 0,014-0,033).

Приняв b = 0,022 получим:

<) = ^ ( 20 ) exp ( 0,022 ( Т_{в ср} - 293 ))

Таким образом, при изменении температуры воздуха внутри блока на 10К интенсивность отказов в среднем увеличивается на 25%.

Для электронных средств специального назначения характерно наличие резервированности. С целью повышения надежности на практике чаще всего используют параллельное подключение двух и более элементов. В данном случае рассматриваются невосстанавливаемые системы, состоящие из равнонадежных элементов. Отказом системы считается выход из строя (отказ) всех элементов.

Рис. 3. Троированная система.

Например, для троированной системы (рисунок 3) на основании использования теорем сложения и умножения вероятностей, аналитическое выражение для вероятности безотказной работы R ( t ) имеет следующий вид:

R ( t ) = 1 — П [ 1 - R i ( t ) ] = Z R i ( ¹ ) + i = 1                  i = 1

+П M t)-[ R1 (t )■ R2 (t) + R 2 (t )• R3 (t)+R (t )■ R3 (t)] i=1                                                                   ,                     (10)

где R i ( t ) - вероятность безотказной работы i -го элемента.

На практике подобные системы встречаются не часто, поскольку параллельное соединение выходов элементов может привести к паразитным влияниям резервируемых и резервных элементов друг на друга. Необходимо наличие развязывающего элемента. В качестве такого элемента часто применяют мажоритар, а схема расчета надежности называется мажоритарной (рисунок 4).

Рис. 4. Мажоритарная схема.

Узел на рис.4 будет работоспособным, если он находиться в следующих двух состояниях (принимаем управляющий элемент (УЭ) надежным):

Состояние 1. Работоспособны и 1, и 2, и 3.

Состояние 2 . Работоспособны любые два устройства из 1, 2, 3.

Тогда, на основании законов вероятности, выражение для безотказной работы такой

системы:

R (t ) = R|( t)■ R2( t) + R2( t)• R3( t) + +R|( t) ■ R3( t) - 2 R (t) R2 (t) R3 (t)

.

Если элементы равнонадежны, а именно так в большинстве рассчитываются резервированные системы, то вероятность безотказной работы:

R (t ) = 3 R 2|(t) - 2 R 3| (t)

,

На практике же, из-за условий эксплуатации и конструктивных особенностей приборов, наблюдается неравномерные режимы работы (в том числе и тепловые) узлов. Следовательно, резервирующие и резервируемые узлы устройства могут быть не

равнонадежны.

Исследуем выражение (12), (для простоты положим R з ( t ) =1):

R ( t ) = R | ( t ) ■ R 2 ( t ) + R 2 ( t ) ■ I + + R | ( t ) ■ I - 2 R | ( t ) R 2 ( t ) ■ 1 = = R I ( t ) ⁺ R 2 ( t ) ^— R I ( t ) ■ R 2 ( t )

.

Построим для наглядности график данной функции (рисунок 5).

П . 3

Рис. 5. Значения вероятности безотказной работы.

Как можно заметить из рисунка 5, неравномерность распределения вероятностей безотказной работы (ВБО) по узлам прибора в таком случае будет снижать ВБО всего устройства в целом. Поэтому одной из задач проектирования должно быть обеспечение равномерной нагрузки (в т.ч. и тепловой, как одной из основных, определяющих надежность) на подобные узлы.