logo
Пособие КТП ЭВС

Оценка надежности эвс

Исходными данными для расчета показателей надежности конструкции ЭВС являются: принципиальная схема с указанием типа деталей, входящих в неё; режимы работы всех деталей (электрические, климатические и механические); значения интенсивности отказов всех типов деталей при номинальных и фактических режимах, значения среднего времени безотказной работы и дисперсия для элементов, подверженных постепенным отказам.

К основным «компонентам ненадежности» конструкций ЭВС можно отнести: комплектующие элементы (интегральные схемы и электрорадиоэлементы); элементы монтажа (линии связи, сварные, паяные или термокомпрессионные соединения, разъемы, печатные платы, металлизированные отверстия). Для всех этих элементов преобладающими являются внезапные отказы.

Интенсивность отказов комплектующих элементов с учетом условий эксплуатации изделия находим по следующей формуле:

(1.10.1)

где λ0i - интенсивность отказов элемента при нормальных условиях работы (температура окружающей среды Тс = +(298±10)К, относительная влажность (65±15)%, коэффициент электрической нагрузки kн = 1); k1, k2 - поправочные коэффициенты в зависимости от воздействия механических факторов; k3 - поправочный коэффициент в зависимости от воздействия влажности и температуры; k4 - поправочный коэффициент в зависимости от давления воздуха; ai(T, kн) - поправочный коэффициент в зависимости от температуры поверхности элемента (T) и коэффициента нагрузки (kн).

Коэффициентом нагрузки называют отношение фактического значения воздействующего фактора к его номинальному или максимально допустимому значению. Усредненные данные по интенсивностям отказов комплектующих элементов и электрических соединений приведены в табл. 1.10.1.

В табл. 1.10.2 – 1.10.4 приведены значения поправочных коэффициентов k1 – k4.

Таблица 1.10.1

Интенсивность отказов комплектующих элементов

и электрических соединений

Наименование элемента

Интенсивность отказов λ0i,10-6,ч-1

Аккумуляторы

7,2

Вентиляторы

2,2

Гнезда

0,01

Громкоговорители динамические

4

Датчики оптические

4,7

Диоды маломощные

0,02

Диоды мощные

0,2

Дроссели

0,34

Кабели

0,475

Катушки индуктивности

0,02

Клеммы, зажимы

0,0005

Конденсаторы воздушные переменные

0,034

Конденсаторы стеклянные

0,06

Конденсаторы танталовые

0,02

Конденсаторы керамические

0,15

Конденсаторы электролитические

0,035

Микросхемы в керамическом корпусе

0,01

Микросхемы в пластмассовом корпусе

0,1

Обмотки электродвигателя

0,08

Пайка печатного монтажа

0,01

Пайка навесного монтажа

0,03

Переключатели кнопочные

0,07·n (контактов)

Предохранители

0,5

Провода соединительные

0,015

Разъемный контакт

0,05

Резисторы композиционные

0,043

Резисторы пленочные

0,03

Резисторы проволочные

0,087

Резисторы угольные

0,045

Продолжение табл. 1.10.1

Реле

0,25·n (контактов)

Соединение «под винт»

0,08

Соединение накруткой

0,0012

Соединение обжимкой

0,006

Соединение сваркой

0,0006

Соединители

0,062·n

Транзисторы кремниевые до 150 мВт

0,84

Транзисторы кремниевые до 1 Вт

0,5

Транзисторы кремниевые до 4 Вт

0,74

Трансформаторы высокочастотные

0,045

Трансформаторы силовые

0,025

Трансформаторы выходные

0,09

Трансформаторы звуковой частоты

0,02

Автотрансформаторы

0,06

Электродвигатели асинхронные

8,6

Электродвигатели синхронные

0,359

Таблица 1.10.2

Коэффициенты влияния механических воздействий

Условия эксплуатации аппаратуры

Вибрация k1

Ударные нагрузки k2

Лабораторные

1,0

1,0

Стационарные (полевые)

1,04

1,03

Корабельные

1,3

1,05

Автофургонные

1,35

1,08

Железнодорожные

1,4

1,1

Самолетные

1,46

1,13

Таблица 1.10.3

Коэффициент влияния влажности и температуры

Влажность, %

Температура, оС

Поправочный коэффициент k3

60 – 70

20 – 40

1,0

90 – 98

20 – 25

2,0

90 – 98

30 – 40

2,5

Таблица 1.10.4

Коэффициент влияния атмосферного давления

Давление, кПа

Поправочный коэффициент k4

Давление, кПа

Поправочный коэффициент k4

0,1 – 1,3

1,45

32 – 42

1,2

1,3 – 2,4

1,40

42 – 50

1,16

2,4 – 4,4

1,36

50 – 65

1,14

4,4 – 12,0

1,35

65 – 80

1,1

12 – 24

1,3

80 – 100

1,0

24 – 32

1,25

Для учета влияния режима работы на интенсивность отказов электрорадиоэлементов вводят коэффициент нагрузки kн = Нраб/Нном, равный отношению нагрузки в рабочем режиме к нагрузке в номинальном режиме.

Коэффициент нагрузки для транзисторов

kн1 = Рк.раб/Рк.ном; kн2 = Uк.э.раб/Uк.э.ном; kн3 = Iк.раб/Iк.ном;

для резисторов

kн = Рраб/Рном;

для конденсаторов

kн = Uраб/Uном;

для диодов

kн1 = Iпр.раб/Iпр.ном; kн2 = Uобр.раб/Uобр.ном;

для трансформаторов

kн = Jiраб/Jiном,

где Ji - плотность тока в i-й обмотке.

Для учета импульсных режимов работы элементов при подсчетах основных электрических параметров в соответствующие формулы вводят скважность сигналов Q. Например, средняя мощность

,

где tи – длительность импульса; Т – длительность такта.

Графики для определения значений поправочных коэффициентов ai(T, kн) для различных радиоэлементов приведены на рис.1.10.1 – 1.10.4.

Рис. 1.10.1. Зависимость для транзисторов

Рис. 1.10.2. Зависимость ai(T, kн) для конденсаторов

Рис. 1.10.3. Зависимость ai(T, kн) для полупроводниковых диодов

Рис. 1.10.4. Зависимость ai(T, kн) для резисторов

Рассчитывается вероятность безотказной работы конструкции ЭВС в течение заданной наработки (0, tp):

, (1.10.2)

где n - число элементов.

Вычисляется интенсивность отказов конструкции ЭВС:

. (1.10.3)

Находится среднее время наработки до отказа конструкции ЭВС:

. (1.10.4)

Среднее время наработки на отказ сравнивается с заданным в техническом задании на разработку изделия.

Надежность аппаратуры определяется надежностью и количеством используемых в ней элементов. Так как надежность является одним из основных параметров изделия, то, проектируя аппаратуру, ее следует оценивать наряду с другими параметрами и на основе этих расчетов делать выводы о правильности выбранной схемы и конструкции изделий.

На этапе проектирования, когда еще точно не определены режимы работы схемы, производят расчет, задаваясь ориентировочными данными, определяющими режимы работы. Так, в качестве температуры окружающей среды для каждого из элементов может быть принято среднее значение температуры внутри блока, определенное на основании оценки теплового режима блока.

Ориентировочные значения коэффициентов нагрузки по напряжению могут быть определены для элементов каждого типа по известному напряжению источника питания и номинальному значению напряжений всех элементов.

Коэффициенты нагрузки по мощности резисторов для ориентировочного расчета следует выбирать в пределах 0,5 – 0,6. После того как определены условия работы элементов и интенсивность отказов с учетом этих условий, можно рассчитать интенсивность отказов аппаратуры и среднюю наработку на отказ, пользуясь формулами (1.10.3) и (1.10.4). Вероятность безотказной работы может быть вычислена по (1.10.2). Входящее в это выражение время tр дается в техническом задании на разработку.

Если полученные в результате расчета параметры надежности не соответствуют требованиям, то следует проанализировать возможность повышения надежности за счет облегчения режимов или использования более надежных типов элементов. Следует также проанализировать, как применение новых элементов или режимов использования скажется на массе, габаритах, стоимости и других технико-экономических параметрах изделия.