Вплив різноманітних факторів на показники надійностіелектронних апаратів (ЕА)
Вступ
У процесі виробництвата експлуатації на апаратуру діють різні фактори, які впливають на їїнадійність. Ці фактори умовно можна поділити на дві групи: суб’єктивні таоб’єктивні.
Суб’єктивніфактори тією або іншою мірою залежать від діяльності людини. До них відносятьсявсі заходи, пов’язані з вибором схемного та конструктивного рішень під часпроектування; вибором елементів і матеріалів, забезпеченням нормальних робочихрежимів, організацією технічного обслуговування та експлуатації апаратури.
До об’єктивнихфакторів відносяться різні несприятливі для роботи апаратури впливи зовнішньогооточення, пов’язані з кліматичними, метеорологічними, біологічними, механічнимита іншими діями.
За характером діїфактори можна поділити на конструктивно-виробничі та експлуатаційні.
Поділ за такоюознакою зручний з точки зору раціонального розподілу зусиль у забезпеченнінадійності між розробниками та споживачами апаратури.
До групиконструктивно-виробничих факторів належать фактори, пов’язані з розробкою,проектуванням та виготовленням апаратури. Вплив цих факторів на надійністьапаратури є найбільш сильним та визначальним.
Доексплуатаційних відносять фактори, які впливають на надійність апаратури впроцесі її практичного використання. Вони включають об’єктивні фактори,обумовлені впливом зовнішнього оточення, та суб’єктивні, пов’язані зорганізацією системи технічного обслуговування, ремонту, забезпечення запаснимиелементами, кваліфікацією обслуговуючого персоналу тощо.
Наведемо даністатистичних досліджень факторів, які впливають на надійність.
Таблиця 1 –Фактори, які впливають на надійність ЕАЕтапи і види робіт Причини відмов Відмови апаратури % Помилки, зроблені під час розробки схеми Е3, принципу дії апаратури та конструкції
1. Електричні
1.1 Недоліки схеми Е3
1.2 Хибний вибір електричних величин
1.3 Неправильне застосування елементів
2. Механічні
2.1 Хибний вибір елементів
2.2 Неправильна механічна конструкція
11
10
12
5
5 Помилки, допущені під час виробництва (Технологічні відмови)
1. Виготовлення не відповідає технічним умовам
2. Недоброякісна сировина та напівфабрикати
18
2 Експлуатаційні відмови
1. Кліматичні і механічні навантаження не відповідають заданим
2.Неправильне обслуговування
3. Хибний режим експлуатації
12
10
8 Інші відмови
1.Спрацювання, старіння матеріалів та елементів
2. Невстановлені та різні
4
3
Ми розглядатимемофактори об’єктивного і суб’єктивного характеру, які впливають на ЕА в процесіїї експлуатації. Під час розробки та виготовлення елементів зазвичайпередбачаються визначені, так звані нормальні умови роботи (ГОСТ 11478-88):температура + (25±10)°С, атмосферний тиск – 105Па, номінальний електричнийрежим, відносна вологість (60610)%, відсутні механічнінавантаження. Інтенсивність відмов елементів у номінальному режимі експлуатаціїназивають номінальною інтенсивністю відмов λні. Інтенсивністьвідмов елементів при експлуатації в реальних умовах λі дорівнюєномінальній інтенсивності відмов λні, помноженій на поправочнийкоефіцієнт, який враховує вплив будь-якого фактора
λі=λні·Кі. (1)
Розглянемо ціфактори
1 Часексплуатації та діяльність обслуговуючого персоналу
Час експлуатаціїє одним з основних факторів, які визначають надійність апаратури на всіхетапах. Технологічні та конструктивні недоліки частіше за все виникають заперший період експлуатації, оскільки за цей період виявляються багато явних іприхованих дефектів апаратури в цілому та її елементів. Цей період для різноїапаратури може коливатися до 10% довжини періоду нормальної експлуатації.
Після достатньотривалої експлуатації апаратури (другий період) настає останній, третій період,який характеризується значним зростанням інтенсивності відмов через старіння таспрацювання елементів. Зростання інтенсивності відмов пояснюється незворотнимизмінами параметрів і характеристик елементів.
Процеси старіннявідбуваються безперервно, але можуть пришвидшитися під виливом різних факторів(тепло, волога, світло тощо).
Причиною старінняє складні фізико-хімічні процеси, які відбуваються в елементах апаратурипротягом всього часу її експлуатації. До них відносяться: структурні зміни вдіелектриках і дротах, хімічні перетворювання в матеріалах, які є єднальні інасичені, порушення електричної та механічної міцності матеріалів та елементівконструкції, порушення герметичності тощо. Швидкість старіння також визначаєтьсярежимами роботи.
Значно впливаютьна надійність ЕА у процесі її експлуатації фактори суб’єктивного характеру,пов’язані з діяльністю обслуговуючого персоналу. Основними з них є:
— кваліфікаціяобслуговуючого персоналу;
— дотримуванняправил технічної експлуатації;
— ступіньорганізованості системи технічного обслуговування.
Одним з важливихфакторів є кваліфікація обслуговуючого персоналу.
Кваліфікаціявідбивається на якості підготовки ЕА до роботи, а також на процесі поновленняїї працездатності після відмов. Чітке виконання правил технічної експлуатаціїсприяє утриманню ЕА у справному стані, оскільки ці правила передбачають саметакі дії обслуговуючого персоналу, які забезпечують якісну експлуатацію ЕА.
Ступіньорганізованості і системи обслуговування визначає кращі методи і формиорганізації експлуатації ЕА, при яких забезпечується висока безвідмовність ідовговічність апаратури. Вона передбачає організацію ряду заходів (профілактика,ремонт, постачання запасних елементів), спрямованих на забезпеченняексплуатації з найбільш високим значенням коефіцієнта готовності.
Слід зазначити, щополіпшенню експлуатації сприяє надійне збирання та опрацювання данихексплуатації ЕА.
Отриманістатистичні дані та їх аналіз допомагає краще організувати систему технічногообслуговування, забезпечення запасними елементами та прогнозувати можливівідмови. Ці результати також корисні і під час розробки нової апаратури,оскільки допомагають заздалегідь врахувати особливості експлуатації і недолікипопередніх розробок.
2 Електричнірежими
електронний апарат надійність
Всі елементи ЕАхарактеризуються припустимими навантаженнями за потужністю розсіяння, струмом,напругою тощо. Отже, робота елементів при гранично припустимих навантаженняхскорочує термін їх служби і не гарантує надійної роботи. Зменшення навантаженнядо оптимального збільшує надійність роботи.
Про значенняреального навантаження роблять висновки за систематичними даними експлуатаціїта заміром режимів роботи елементів. Для оцінки режиму роботи використовуютькоефіцієнт навантаження за потужністю і за напругою.
Коефіцієнтнавантаження за потужністю:
Кр=Рр/Рн , (2)
де Рр– робоче значення потужності розсіяння;
Рн –номінальне значення потужності розсіяння.
Коефіцієнтнавантаження за напругою:
Кu=Up/Uн , (3)
де Up– робоче значення навантаження;
Uн –номінальне значення навантаження.
Під часпроектування зазвичай приймають коефіцієнт електричного навантаження 0,5-0,6.
3 Температура,вологість, атмосферні опади
Істотно впливаєна температуру усередині апарата та температуру окремих елементів температуразовнішнього середовища. Сезонне коливання температури досягає (60-80)°С, добовеколивання становить (20-40)°С.
Підвищеннятемператури елемента приводить до підвищення коефіцієнта навантаження.Неабияким фактором є швидкість і циклічність зміни температури в апараті.
Несприятливі діїна надійність чинять як негативні, так і позитивні температури. Особливопомітне зростання інтенсивності відмов під час дії позитивних температур. Так,наприклад, при збільшенні температури від +20°С до 85°С зростає інтенсивністьвідмов германієвих транзисторів втричі
(від 0,2·10-71/год до 0,6·10-71/год),а інтегральних мікросхем – у 3-5 разів
(від 0,1·10-71/год до 0,5·10-71/год).
Підвищенатемпература сприяє розпаду органічних матеріалів, погіршенню ізоляційнихвластивостей різних заливок, обмоток, механічних властивостей полімерів, щоприводить до деформування деталей і виходу їх з ладу.
Періодичні змінинизьких і високих температур особливо швидко приводить до порушення різнихобмоток (трансформаторів, індуктивностей, дроселів). При негативнихтемпературах пластмаси втрачають міцність, гумові деталі стають крихкими. Утріщини, що виникли в ізоляції, потрапляє волога, зменшується її електричнаміцність.
Легко руйнуєтьсяз’єднання пластика з металами, сплави метала зі склом, порушується пайка, зменшуєтьсяємність електролітичних конденсаторів, зменшується коефіцієнт підсиленнятранзисторів.
Слід зазначити,що в результаті підвищення вологості помітно знижується надійність ЕА:
λв=λн·в·Кв, (4)
де λн·в– інтенсивність відмови при нормальній вологості;
Кв –поправочний коефіцієнт на підвищену вологість.
Наведемо значенняпоправочного коефіцієнта для різної вологості.
Таблиця 2 –Значення поправочного коефіцієнта для різної вологостіВологість, % Температура, °С Поправочний коефіцієнт
60-70
90-98
90-98
20-40
20-25
30-40
1
2
2,5
4 Знижений тиск,забрудненість повітря
Вплив зниженоготиску в основному поширюється на апаратуру, яка використовується в літаках,гелікоптерах, космічній апаратурі, ракетах, а також у гірській місцевості нависоті понад 1000 м. Значення атмосферного тиску залежить від висоти підйому,температури і широти місця.
Знижений тисквпливає на ізоляційну властивість повітря, приводить до зміни ємностіповітряних конденсаторів та характеристик інших елементів, в яких повітрявикористовується як ізолятор.
При зниженомутиску легко виникає тліючий розряд між дротами, які знаходяться під високоюнапругою. При зміні висоти від 1000 м до 1600 м значення пробивної напруги зменшується в чотири рази.
Знижений тискпогіршує відведення тепла від елементів ЕА, що може привести до їх перегріву,особливо на великих висотах, оскільки уже на висоті 6 км теплоємність повітря зменшується вдвічі порівняно з його теплоємністю біля землі.
Знижений тискприводить до деякого збільшення інтенсивності відмов:
λ= λНД·КД, (5)
де λНД– інтенсивність відмов при нормальному тиску.
Залежністьатмосферного тиску від висоти та значення поправочного коефіцієнта КДнаведена в табл. 3
Таблиця 3 –Залежність атмосферного та значення поправочного коефіцієнтаВисота, км Тиск, мм. рт. ст. (Па)
Поправочний коефіцієнт, КД
0,1
1
3
5
10
700 (93100)
670 (89110)
520 (69160)
405 (53865)
195 (25935)
1
1,05
1,14
1,16
1,3
Окремийпоправочний коефіцієнт на забруднення повітря не запроваджується.
5 Механічнінавантаження
Основнимимеханічними навантаженнями є удари та вібрація. Наслідками удару є коливання,які затухають, та великі прискорення, які передаються елементам ЕА.
Удари та вібраціїприводять до порушення цілісності паяння, контактів, пошкодження електроннихелементів, обривів монтажних дротів, до порушення регулювань тощо.
Механічні впливиприйнято оцінювати за значенням створюваного прискорення та вимірювати водиниці прискорення вільного падіння.
Ударніприскорення можна вирахувати за формулою:
gy=V 2/2·9,81ℓy, (5)
де gy– прискорення в відносних одиницях;
V – миттєвашвидкість у момент удару, м/с;
ℓy– переміщення тіл при ударі.
Вібрації являютьсобою складні механічні коливання, що зазнає апаратура при безпосередньомуконтакті з джерелом коливань. Характеристиками вібрацій є їх довготривалість,діапазон частот та значення відносного прискорення.
Відноснеприскорення при вібраціях можна визначити за відомою частотою коливань таамплітудою переміщення:
Gв=4πf2ℓв /9,81, (6)
де f – частотаколивань;
ℓв– амплітуда переміщення, м.
Внаслідоквібрацій та ударів параметр потоку відмов однієї і тієї самої апаратури, встановленоїв літаках та ракетах, буде у 100 разів вище, ніж на землі.
Будь-якаапаратура, в тому числі і побутова, проходить випробування на впливи зовнішніхмеханічних і кліматичних факторів.
Наприклад,ГОСТ-11478-88 „Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Нормы и методы испытаний навоздействие внешних механических и климатических факторов” містить вимоги наміцність при транспортуванні, вібростійкість і режими, в яких проводятьсявипробування ЕА за оцінкою впливу наведених факторів.
Характеристики завібраціями та перевантаженням різних видів перевезення наведені в табл. 4.
Таблиця 4 – Характеристики за вібраціями таперевантаженням різних видів перевезенняВиди перевезення Частота вібрацій, Гц Перевантаження Частота максимального перевантаження
Морські
Залізничні
Автомобільні
Авіаційні
Апарат в ракеті
0-30
1,5-400
0-220
5-500
30-2000
1
2
4-5
20
10-70
10-30
2-8; 30-400
2-3; 20-150
150-300
–