7. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЁТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ РЭУ В КУРСОВЫХ И ДИПЛОМНЫХ ПРОЕКТАХ

Привет, Вы узнаете о том , что такое 7. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЁТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ РЭУ В КУРСОВЫХ И ДИПЛОМНЫХ ПРОЕКТАХ, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое 7. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЁТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ РЭУ В КУРСОВЫХ И ДИПЛОМНЫХ ПРОЕКТАХ , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Надежность радиоэлектронных устройств.

Требования к показателям безотказности и ремонтопригодности электронных устройств могут различаться в зависимости от конкретных условий эксплуатации и целей использования этих устройств. Однако, в общем случае, некоторые основные требования к надежности и ремонтопригодности могут быть сформулированы следующим образом:

1. Надежность: Электронные устройства должны быть спроектированы и изготовлены таким образом, чтобы минимизировать вероятность возникновения отказов в процессе эксплуатации. Это достигается путем использования высококачественных компонентов, надежных соединений и тщательного тестирования устройств перед выпуском.

2. Долговечность: Устройства должны иметь достаточную долговечность, чтобы прослужить требуемое время без существенного снижения своих характеристик. Это означает, что они должны быть спроектированы с учетом требований длительного срока службы и предусмотрены меры по предотвращению износа, коррозии и других факторов, которые могут привести к снижению работоспособности.

3. Модульность: Устройства должны быть по возможности модульными, то есть иметь отдельные функциональные блоки, которые могут быть заменены или обновлены независимо друг от друга. Это облегчает ремонт и обслуживание устройств, так как можно заменить только поврежденный или устаревший модуль, не затрагивая остальные компоненты.

4. Доступность запасных частей: Для обеспечения ремонтопригодности устройств, важно, чтобы запасные части были доступны для замены поврежденных компонентов. Производители должны предоставлять запасные части или поддерживать возможность ремонта устройств в течение приемлемого периода после их выпуска.

5. Доступность документации: Производители должны предоставлять подробную документацию, включая схемы, руководства по эксплуатации и ремонту, спецификации и другую информацию, необходимую для эффективного обслуживания и ремонта устройств.

6. Тестирование и диагностика: Устройства должны иметь встроенные средства для диагностики и тестирования, которые позволяют быстро обнаруживать и изолировать проблемы. Это помогает ускорить процесс ремонта и обслуживания, а также повышает надежность устройств.

Это лишь некоторые общие требования к показателям безотказности и ремонтопригодности электронных устройств. Конкретные требования могут отличаться в зависимости от отрасли, типа устройства и его предназначения.

7.1.Требования к показателям безотказности и ремонтопригодности

Взадании на курсовое или дипломное проектирование должны быть четко указаны требования к показателям надежности проектируемого или модернизируемого РЭУ. В большинстве случаев заказчик (руководитель проекта) формулирует общие требования к надежности, например, в виде записи: «требования к показателям надежности по ГОСТ 27.003–90». Задача студента выбрать номенклатуру задаваемых показателей, установить их численные значения и в принятом в вузе порядке согласовать их с руководителем проекта.

Показатели, как правило, должны выбираться из числа тех, определения которых приведены в ГОСТ 27.002–89. Допускается применять показатели, наименование и определение которых конкретизируют соответственные термины, установленные ГОСТ 27002–89, с учетом особенностей изделия и (или) специфики его применения, но не противоречат стандартизованным терминам. Пример такого показателя: вероятность выполнения задачи электронной аппаратурой (в составе технологической установки) за смену. Общее количество задаваемых показателей должно быть минимальным, но характеризовать все этапы эксплуатации РЭУ: использование по назначению, хранение, транспортирование, техническое обслуживание, ремонт и т. д.

Поясним порядок задания требований к показателям надежности на примере показателей безотказности и ремонтопригодности.

Выбор номенклатуры показателей надежности осуществляют на основе классификации изделий по признакам, характеризующим их назначение, последствия отказов и достижения предельного состояния, особенности режимов применения и др. Определение классификационных признаков изделия осуществляют путем инженерного анализа и согласования его результатов с руководителем. Основным источником информации для такого анализа является ТЗ на разработку или модернизацию изделия в части характеристик его назначения и условий эксплуатации и данные о надежности изделий-аналогов. Основные классификационные признаки и подразделение изделий на виды при задании требований по надежности представлены в табл. 7.1.

Таблица 7.1 Классификация изделий при задании требований по надежности

Классификационный признак	Вид изделий
1. Определенность назначения	Изделия конкретного назначения (ИКН), примеры: мобильный телефон, цифровой фотоаппарат, музыкальный центр, переносная радиостанция и т. д. Изделия общего назначения (ИОН), пример: универсальная ЭВМ, микропроцессорный блок управления и т. д.
2. Режим применения	Непрерывного длительного применения (НПДП) Многократного циклического применения (МКЦН) Однократного применения (с предшествующим периодом ожидания применения и хранения) – ОКРП
3. Число возможных состояний по работоспособности	Изделия вида I: в процессе эксплуатации могут находиться в двух состояниях – работоспособном или неработоспособном Изделия вида II: кроме работоспособного или неработоспособного состояния могут находиться в частично неработоспособных состояниях, в которые они переходят в результате частичного отказа
4. Возможность восстановления работоспособного состояния после отказа	Восстанавливаемые Невосстанавливаемые
5. Необходимость технического обслуживания в процессе эксплуатации	Обслуживаемые Необслуживаемые

Схема выбора номенклатуры показателей безотказности и ремонтопригодности с учетом признаков классификации приведена в табл. 7.2.

Табл. 7.2 составлена с учетом ГОСТ 27003–90, который является обязательным для изделий, разрабатываемых по заказам Министерств обороны и рекомендуемым – для других изделий. Поэтому по согласованию с руководителем проекта при выборе показателей безотказности и ремонтопригодности воз можны отступления от указаний табл. 7.2.

Рассматриваемые в рамках курсового и дипломного проектирования электронные устройства относятся обычно к ИКН с режимом применения МКЦП или НПДП. Для таких устройств лучше всего выбирать в качестве показателей безотказности и ремонтопригодности Т0 и ТВ (восстанавливаемые изделия) или Тср (невосстанавливаемые изделия). Показатель безотказности Р(tЗ) для указанных электронных устройств целесообразно выбирать в том случае, если принципиальным является факт выполнения устройством какойто задачи в течение непрерывной наработки (продолжительности выполнения типового технологического процесса, продолжительности решения типовой задачи, например контроля воздушного пространства при посадке самолета и т. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . п.).

Таблица 7.2 Рекомендации по выбору номенклатуры показателей безотказности и ремонтопригодности для изделий вида I

Классификация изделий по признакам, определяющим выбор показателя надежности

Примечание. Т0 – средняя наработка на отказ (наработка на отказ); КГ – коэффициент готовности; Р(tЗ) – вероятность безотказной работы за заданное время tЗ; КО.Г(tЗ) – коэффициент оперативной готовности за время tЗ; Р0(вкл) – вероятность безотказного включения; ТВ.ож – среднее время восстановления в режиме ожидания; Тср – среднее время безотказной работы; Тγ – гаммапроцентная наработка до отказа; Р(tож) – вероятность безотказной работы за время ожидания tож.

Пример записи требований по надежности в задании на дипломное проектирование. Надежность _____________ в условиях и режимах эксплуатации,

(наименование РЭУ)

указанных в пп. _____задания на проектирование, должна характеризоваться

следующими значениями показателей:

средняя наработка на отказ – не менее 5000 ч;

среднее время восстановления на объекте эксплуатации – не более 1,0 ч.

По указанию руководителя проекта может быть дано указание на расчет других показателей безотказности, требования к которым не установлены в за-

дании на проектирование (например гамма-процентной наработки до отказа).

7.2.Последовательность выполнения расчета показателей безотказности

В курсовых и дипломных проектах специальностей «Моделирование и компьютерное проектирование РЭС» и «Проектирование и производство РЭС» должен предусматриваться, как правило, уточненный расчет показателей безотказности, а при необходимости и показателей ремонтопригодности проектируемого или модернизируемого РЭУ.

Вслучае сложных РЭУ (два и более блока, модуля и т. п.) порядок прогнозирования их надежности расчетным методом определяется ГОСТ 27.301–95. Выделяют составные части РЭУ – модули, обычно на уровне печатных узлов. Отдельную самостоятельную часть составляют несущая конструкция с органами коммутации и управления, межблочный монтаж и ЭРИ, не входящие в печатные узлы. Рассчитывают показатели безотказности функциональных частей (модулей) и, используя эти показатели, оценивают безотказность РЭУ в целом.

Основными исходными данными для расчета являются:

• ∙электрические принципиальные схемы функциональных частей и устройства в целом, перечни элементов к схемам;
• ∙спецификации к сборочным единицам и сборочные чертежи функциональных частей и РЭУ в целом;
• ∙результаты расчета теплового режима РЭУ с указанием значений перегрева в нагретой зоне tЗ и среднего перегрева внутри устройства tВ;
• ∙информация о категории исполнения по ГОСТ 15150–69 и объекте размещения РЭУ или указание о требованиях к климатическим факторам и механическим воздействиям по другим ГОСТам либо численное описание этих требований;
• ∙карты электрических режимов работы элементов (желательно);
• ∙информация об уровне качества элементов (виде приемки элементов в условиях производства).

Рекомендуемая последовательность расчета показателей безотказности.

Врассматриваемом РЭУ выделяют функциональные части, которые с точки зрения надежности будут рассматриваться как самостоятельные.

Для каждой (i-й) выделенной части (модуля) последовательно выполняют следующие действия.

1. Пользуясь перечнями элементов и (или) спецификациями, а при необходимости и технической документацией на элементы, выясняют значение их электрических и эксплуатационных характеристик, необходимых для выбора или расчета поправочных коэффициентов, используемых в математических моделях расчета (прогнозирования) эксплуатационной интенсивности отказов элементов. Для ИМС необходимо хотя бы ориентировочно уточнить количество элементов в составе ИС или количество бит (для ИМС памяти).

2. С помощью карт электрических режимов или методом экспрессанализа электрических схем находят коэффициенты электрической нагрузки элементов. Допускается погрешность до 20 %. Если какая-то ИМС работает в облегченном режиме, то рассчитывают коэффициент облегчения режима Кобл (см. подразд. 3.2).

3. Определяют максимально возможную температуру элементов при работе в составе РЭУ: для теплонагруженных элементов – с учетом значения tЗ, для нетеплонагруженных – с учетом значения tВ.

4.Дают оценку эксплуатационной интенсивности отказов λЭ элементов производства стран СНГ. Для этого для каждого элемента последовательно выполняют следующее:

• ∙ пользуясь табл. 5.3, находят справочное значение интенсивности отказов группы элементов, в которую входит рассматриваемый элемент;
• ∙ по табл. 5.1 уточняют математическую модель расчета эксплуатационной интенсивности отказов λЭ;
• ∙в зависимости от класса и группы, в которую входит рассматриваемый элемент, его характеристик и особенностей, а также условий эксплуатации РЭУ и вида приемки элемента (при его изготовлении в условиях производства) определяют значения поправочных коэффициентов, входящих в выбранную модель расчета эксплуатационной интенсивности отказов λЭ;
• ∙выполняют расчет (прогнозирование) λЭ.

5.Пользуясь информацией разд. 6, выполняют расчет (прогнозирование) λЭ элементов иностранного производства.

6.Если печатная плата имеет металлизированные отверстия, то определяют ее эксплуатационную интенсивность отказов, пользуясь моделью, приведенной в табл. 5.1 и учитывая количество паек металлизированных отверстий.

7.Определяют эксплуатационную интенсивность отказов соединений пайкой на печатной плате для отверстий, где нет металлизации.

8.С помощью обычного суммирования значений λЭ элементов и компонентов подсчитывают эксплуатационную интенсивность отказов i-й функциональной части (модуля) ΛЭi; i = 1, …, N , где N – количество модулей.

При расчете величины ΛЭi элементы одного функционального назначения

содинаковыми электрическими режимами, конструктивно-технологическими и другими факторами могут объединяться в группы однотипных элементов. В этом случае значение ΛЭi для i-го модуля определяют по выражению

где λЭ j – эксплуатационная интенсивность отказов элементов j-й группы;

nj – количество элементов в j-й группе; в предельном случае в каждой группе может быть всего лишь по одному элементу;

k– число сформированных групп однотипных элементов.

Для соединений пайкой на печатной плате для отверстий, где нет металлизации, количество элементов в j-й группе всегда больше единицы (nj > 1).

Эксплуатационную интенсивность отказов РЭУ в целом определяют суммированием значений ΛЭ i:

ΛРЭУ = ΛЭ1 + ΛЭ2 + ...+ ΛЭN .

(7.2)

Если в составе РЭУ имеются одинаковые модули, то для расчета величины ΛРЭУ вместо (7.2) может использоваться выражение

где mi – количество модулей i-го вида в составе РЭУ;

v– число разновидностей модулей.

Впредположении экспоненциального закона надежности по формулам (4.5)–(4.8) находят расчетные значения других показателей безотказности РЭУ.

7.3.Пример расчета показателей безотказности РЭУ

Рассмотрим уточненный расчет показателей безотказности функционального модуля, выполненного с использованием печатного монтажа. Печатная плата двухслойная с металлизированными сквозными отверстиями. Общее количество отверстий на печатной плате 853, из них металлизацию имеют 505 отверстий. Электрическое соединение модуля с РЭУ, в составе которого он будет функционировать, осуществляется посредством соединителя типа СНП34. Уровень качества элементов (компонентов), используемых в модуле, соответствует приемке «1» – приемке ОТК. Модуль предназначен для эксплуатации в составе подвижной аппаратуры категории исполнения УХЛ 2.1 по ГОСТ 15150–69

.Заданное время работы, указанное заказчиком, составляет tр = 1000 ч. Интересующие показатели безотказности – Т0, Р(tр) и Тγ при γ = 95 %.

Предполагаем, что в нашем распоряжении имеются карты электрических режимов работы элементов модуля и результаты теплового расчета РЭУ, в составе которого будет функционировать модуль:

• перегрев в нагретой зоне tЗ = 15 ºС
• средний перегрев воздуха в РЭУ tВ = 10 ºС.;

Считаем, что схемотехническое решение модуля таково, что ИМС работают в типовых электрических режимах, а информация об элементах (компонентах), входящих в модуль, соответствует табл. 7.3.

Таблица 7.3 Элементы и компоненты, входящие в модуль

Примечания: 1. Корпуса используемых ИМС и ППП – пластмассовые, технология изготовления ИМС – не КМОП.

2.В таблице использованы интуитивно понятные обозначения параметров, характеризующих эксплуатационные возможности и электрический режим работы элементов.

3.Принятое сокращение: МО – металлизированные отверстия в печатной плате.

Этапы расчета

Этап 1. Находим коэффициенты электрической нагрузки элементов, пользуясь картами электрических режимов и эксплуатационными электрическими характеристиками элементов, используемых в модуле. Считаем, что полученные данные соответствуют значениям, указанным в табл. 7.4.

Этап 2. Определяем максимальную температуру элементов модуля при его работе в составе РЭУ. Для учета влияния температуры на эксплуатационную интенсивность отказов элементов λЭ принято во внимание верхнее значение предельной рабочей температуры (tраб max = +45 оС), соответствующее РЭУ исполнения УХЛ 2.1 по ГОСТ 15150–69, и возможное увеличение предельной рабочей температуры на значение tС = 10 оС за счет нагрева (солнечными лучами) РЭУ и, следовательно, модуля в составе РЭУ (см. п. 5.4 ГОСТ 15150–69).

Предельная рабочая температура tэл max теплонагруженных элементов (ИМС, транзисторы, диоды, мощные резисторы) определена как

tэл max = (tраб max + tС ) + tЗ = (45 + 10) + 15 = 70 оС,

где tЗ – перегрев в нагретой зоне конструкции РЭУ.

Нагретая зона – это гипотетический объем, в котором условно рассеивается вся тепловая энергия, выделяемая элементами РЭУ.

Значение величины tэл max для нетеплонагруженных элементов (конденсаторы, слабонагруженные резисторы, соединитель, кварцевый резонатор) подсчитано как

tэл max = (tраб max + tС ) + tВ = (45 + 10) + 10 = 65 оС,

где tВ – средний перегрев воздуха внутри конструкции РЭУ.

Таблица 7.4

Расчет эксплуатационной безотказности элементов модуля

Примечание. В последнем столбце значение , где i указывает учитываемый фактор, j – группу однотипных элементов.

Этап 3. Пользуясь табл. 5.3, находим справочные значения интенсивностей отказов элементов модуля. Полученные данные внесены в табл. 7.4.

Этап 4. По табл. 5.1 выбираем математические модели расчета эксплуатационной интенсивности отказов элементов λЭ. Выбранные модели записаны в табл. 7.4.

Этап 5. Определяем значения поправочных коэффициентов, входящих в выбранные модели расчета эксплуатационной интенсивности отказов элементов λЭ. Номера формул или таблиц, используемых для определения поправочных коэффициентов, находим по табл. 5.1 в зависимости от класса (группы) элементов модуля. Например, для расчета коэффициентов КИС интегральных микросхем использована модель (5.3) и табл. 5.4.

Найденные значения поправочных коэффициентов записаны в табл. 7.4. Этап 6. Для каждого элемента находим произведение поправочных коэффициентов и значение эксплуатационной интенсивности отказов λЭ. Для удобства расчета элементы одного функционального назначения с примерно одинаковыми электрическими режимами, конструктивно-технологическими и другими факторами объединены в одну группу. Значение суммарной эксплуатационной интенсивности отказов элементов группы (λЭΣ) получено как

где λЭ j – эксплуатационная интенсивность отказов элементов j-й группы; nj – количество элементов в j-й группе (см. табл. 7.3).

Если в группе один элемент (nj = 1), то для нее λЭΣ = λЭj.

Результаты расчетов этапа внесены в два последних столбца табл. 7.4. Этап 7. Определяем эксплуатационную интенсивность отказов печатной

платы с учетом совместно с металлизированными отверстиями, используя модель, приведенную в табл. 5.1. Значения коэффициента Кt определяем по выражению (5.30) при значении tокр = 65 оС (см. этап 2). Учитывая, что для одно- и двусторонних печатных плат коэффициент Ксл = 1, получаем

λЭ = 0,000017⋅10–6 ⋅ [489⋅1 + 16(13+1)] ⋅ 3,44⋅3⋅5 ≈ 0,6254⋅10–6 1/ч.

Использованная для расчета модель распространяется только на соединения (пайки) в металлизированных отверстиях. Пайки на печатной плате в неметаллизированных отверстиях должны учитываться отдельно.

Печатная плата как компонент конструкции модуля образует отдельную группу, для нее λЭΣ = λЭ. Значение записываем в последний столбец табл. 7.4.

Этап 8. Определяем общую эксплуатационную интенсивность отказов соединений пайкой волной для отверстий, где нет металлизации, и результат заносим в последний столбец табл. 7.4:

λЭΣ = 348⋅ λБ Кt КЭ КП = ⎮ λБ = 0,000069⋅10^–6 1/ч (см. табл. 5.3)⎮= 348 ⋅ 3,44 ⋅ 0,000069⋅10^–6 ⋅ 3 ⋅ 5 ≈ 1,2390 ⋅10^–6 1/ч.

Этап 9. Подсчитываем эксплуатационную интенсивность отказов модуля (ΛМ). Для этого просуммируем значения, приведенные в последнем столбце табл. 7.4:

Этап 10. В предположении экспоненциального закона надежности находим расчетные значения других показателей безотказности:

а) наработка на отказ:

Т₀ = 1/ΛМ ≈ 6605,7 ч;

б) вероятность безотказной работы за время tр = 1000 ч:

в) гамма-процентная наработка до отказа при γ = 95 % :

Примечание. Для печатной платы использована модель, учитывающая пайки сквозных металлизированных отверстий. Расчет эксплуатационной интенсивности отказов самой печатной платы с учетом ее площади и преобладающей ширины печатных проводников должен проводиться по отдельным моделям, которые в данном пособии не рассматриваются.

7.4.Использование учебной системы автоматизированного расчета надежности для определения показателей безотказности РЭУ

Учебная система автоматизированного расчета и оптимизации надежности электронных устройств (УС АРИОН) представляет собой модульный программный комплекс, позволяющий оценить (спрогнозировать) показатели безотказности электронных устройств на уровне блоков, модулей, основываясь на данных о надежности элементов, электрических режимах и условиях их работы. Режим общения пользователя с ПЭВМ – интерактивный. УС АРИОН включает базу данных об обобщенных показателях безотказности различных классов и групп элементов производства стран СНГ, а также информацию, необходимую для определения значений поправочных коэффициентов. УС АРИОН содержит модуль работы с элементами иностранного производства (интегральные микросхемы, полупроводниковые приборы, оптоэлектронные полупроводниковые приборы, резисторы и конденсаторы).

Номенклатура показателей надежности, подлежащих определению с помощью системы, – показатели безотказности электронных устройств в режиме работы согласно ГОСТ 27.002–89 .

Особенностью программного комплекса является графическое отображение вклада классов, групп и даже отдельных элементов (компонентов) в ненадежность устройства в целом. Это позволяет с помощью программного комплекса целенаправленно и эффективно решать задачи по обеспечению показателей безотказности устройств.

Исследование, описанное в статье про 7. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЁТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ РЭУ В КУРСОВЫХ И ДИПЛОМНЫХ ПРОЕКТАХ, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое 7. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЁТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ РЭУ В КУРСОВЫХ И ДИПЛОМНЫХ ПРОЕКТАХ и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Надежность радиоэлектронных устройств