Исследование влияния отказа на техническое состояние изделий электронной техники Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

результате отказа приводящего к от-

в другое может происходить в или существенного повреждения, казу изделия.

ИЭТ относятся к классу неремонтируемых изделий, как не подлежащие ремонту на протяжении всего срока службы. Особенностью ИЭТ является невозможность возвращения их технических параметров до значений, соответствующих нормам, и восстановления работоспособности изделий после наступления отказа. Поэтому ИЭТ может находится только в двух состояниях - работоспособном и предельном (рисунок 1).

УДК 519.718.2

Ишков А.С., Солодимова Г.А., Блинков П.А

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОТКАЗА НА ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Специфические особенности назначения и конструктивно-технологического исполнения, отсутствие самостоятельного функционального применения вызывают необходимость исследования влияния отказа на техническое состояние изделий электронной техники (ИЭТ). Показано, что ИЭТ могут находиться только в двух состояниях — работоспособном и предельном. Приведена кривая интенсивности отказов изделий от времени его эксплуатации. Описаны факторы, влияющие на изменение интенсивности отказов ИЭТ. Для установления возможных причин появления отказа, исследования механизмов отказа, а также разработки комплекса мероприятий по снижению вероятности их появления приведена классификация отказов, присущих ИЭТ. Результаты работы позволяют выделить отказы, обусловленные качеством проектирования и производства ИЭТ, а также установить эксплуатационные факторы, вызывающие отказы.

Ключевые слова:

ИЗДЕЛИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ, ОТКАЗ, РАБОТОСПОСОБНОСТЬ, ПРЕДЕЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ, СТАРЕНИЕ

Введение

Увеличение числа выполняемых функций технических объектов с одновременным ужесточением требований к качественным и количественным показателям требует существенного повышения качества и надежности комплектующих изделий, среди которых основной объем составляют изделия электронной техники (ИЭТ).

Проблема производства ИЭТ, обладающих высокими показателями надежности, имеет высокую значимость как для потребителей, так и для изготовителей технических объектов. Так как отказы ИЭТ могут возникнуть при их изготовлении, эксплуатации, хранении, что приведет к нарушению режимов работы и изменению характеристик технических объектов.

Основная часть

Важнейшими свойствами, характеризующими надежность любого ИЭТ в зависимости от назначения изделия и условий его применения, является его безотказность и сохраняемость. При задании требований по безотказности устанавливаются возможные виды технического состояния, в котором изделие может находится в процессе своего жизненного цикла, а также критерии отказов, соответствующих типовой модели эксплуатации. Типовая модель эксплуатации ИЭТ обычно содержит описание режимов эксплуатации и хранения с указанием их продолжительности, значения уровней внешних воздействующих факторов и нагрузок для каждого режима эксплуатации и хранения.

Понятие отказа является одним из фундаментальным понятием теории надежности. Под отказом ИЭТ понимается потеря способности изделия выполнить требуемую функцию [1]. В результате отказа изделие может продолжает функционировать с ухудшенным качеством вследствие выхода параметров критериев годности за пределы норм, установленных в нормативно-технической документации, либо наблюдается полное нарушение работоспособности ИЭТ.

Рассматриваемые в теории надежности ИЭТ могут находится в следующих технических состояниях [1]:

а) в исправном состоянии, в котором значения всех параметров изделия соответствует всем требованиям, установленным в нормативно-технической документации (НТД) на изделие,

б) в неисправном состоянии, в котором значение хотя бы одного из параметров изделия не соответствует требованиям, установленным в НТД,

в) в работоспособном состоянии, в котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствует требованиям, установленным в НТД,

г) в неработоспособном состоянии, в котором значение хотя бы одного из параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям НТД,

д) в предельном состоянии, в котором дальнейшая эксплуатация изделия недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Вид технического состояния изделия характеризуется соответствием его параметров, определяющих работоспособность, установленным нормам. Переход изделия из одного технического состояния

Рисунок 1 - Виды технических состояний ИЭТ

Таким образом, работоспособное ИЭТ изделие всегда является исправным. Появление отказа приводит ИЭТ в неисправное или неработоспособное состояние, которое влечет переход изделия в предельное состояние, так как ремонт не предусмотрен его технической документацией.

Под критериями отказа понимаются установленные признаки нарушения работоспособного состояния, по которым принимается решение о факте наступления отказа. В качестве признаков отказа считается отклонение параметров изделий за пределы норм, установленных в технической документации. Основным требованием к критериям отказов является простота обнаружения факта отказа визуальным путем или с помощью предусмотренных средств контроля технического состояния [2].

Отказ является случайной величиной так как может быть вызван:

- случайным разбросом физических, функциональных и прочностных характеристик в применяемых материалов и комплектующих элементов.

- случайным сочетанием геометрических параметров подвижных и неподвижных соединений в пределах поля допуска,

- нестабильностью технологического процесса,

- случайным характером сочетаний внешних воздействий и нагрузок,

- отклонением ожидаемых условий эксплуатации от реальных,

- отличием реальных внешних условий эксплуатации от испытательных режимов, при которых проводились испытания на надежность.

Для установления возможных причин появления отказа, исследования механизмов отказа, а также разработки комплекса мероприятий по снижению вероятности их появления может использоваться уточенная классификация отказов ИЭТ, приведенная в таблице 1.

Классификация отказов ИЭТ

Таблица 1

Признак деления Вид отказа

1 Характер процесса возникновения Внезапный отказ

Постепенный отказ

2 Признак проявления Явный отказ

Скрытый отказ

3 Взаимосвязь с другими отказами Независимый отказ

Зависимый отказ

4 Степень влияния на работоспособность Полный отказ

Частичный отказ

5 Причина возникновения Конструктивный отказ

При конструировании Ошибка конструктора

Несовершенство принятых методов конструирования

При изготовлении Ошибка при изготовлении - нарушение принятой технологии Производственный отказ

Несовершенство технологии

При эксплуатации Нарушение правил эксплуатации Эксплуатационный отказ

Внешние воздействия, не свойственные нормальной эксплуатации

6 Природа происхождения Деградационый отказ

Отказы по общей причине

7 Время возникновения отказов Отказ периода приработки

Отказ периода нормальной эксплуатации

Отказ последнего периода эксплуатации

Приведенная классификация отказов позволяет выделить отказы, обусловленные качеством проектирования и производства ИЭТ, а также установить эксплуатационные факторы, вызывающие отказы. Для снижения вероятности появления отказа необходимо проведение анализа их видов, времени и места их возникновения, а также целесообразно построение распределения отказов по причинам их возникновения [3].

Классификация отказов по времени их возникновения (признак деления № 7 в таблице 1) основывается на анализе многочисленных экспериментальных данных, которые свидетельствуют о том, что интенсивность отказов X не является постоянной во времени величиной (рисунок 2) [4] .

Рисунок 2 - Характерные периоды интенсивности отказов

Отказы на начальном периоде срока службы или этапе производства изделий возникают из-за проявления скрытых дефектов, которые обнаруживают во время тренировочных испытаний или опытной эксплуатации [5]. Данный период может характеризоваться высокой интенсивностью отказов, которая имеет тенденцию к спаду. Причем скорость спада зависит в основном от конструкции изделия, свойств примененных материалов и технологии изготовления [6]. На форму кривой интенсивности отказов также оказывают влияние методы испытаний и средства контроля [7].

Статистические отказы в средней части графика на рисунке 2 имеют практически неизменную интенсивность. Следовательно, можно принять для широкого класса изделий:

X (т) = X = const .

Данный период, имеющий максимальную длительность - время нормальной эксплуатации изделия.

Необратимые физико-химические явления приводят к ухудшению параметров изделий и к росту интенсивности отказов на третьем периоде - периоде старения.

Приведенная выше классификация отказов может быть использована с целью анализа характера отказов, времени и места их возникновения, при распределении отказов по причинам их возникновения.

Кроме появления отказов вследствие процессов изнашивания и старения на третьем этапе жизненного цикла изделия, могут наступить внезапные отказы вследствие дестабилизирующих факторов, характерных второму участку кривой интенсивности отказов на рисунке 2. В данном случае для анализа вероятности появления внезапных отказов и отказов из-за изнашивания необходимо рассматривать логическую сумму случайных событий. Вероятность логической суммы появления перечисленных выше отказов определяется выражением [8]:

Р(АVВ) = Р(А) + Р(В)-Р(А)-Р(В) .

Функция ненадёжности, определяющая или внезапный отказ, или отказ от износа за интервал времени Ь, начиная с некоторого момента времени То, имеет вид [8]:

е (> Т )=е„ )+Qв(t)-^^ (1,та)-Qв(t),

где е (1,Т0) - функция ненадёжности для отказов от износа, начиная с момента То >Тнорм.

еВ (I) - функция ненадежности для внезапных отказов.

Внезапные отказы подчинены экспоненциальному закону и интервал времени Ь считается от начала работы изделия, независимо от того, сколько оно проработало ранее:

ев (*)=1 - е-11.

Отказы от износа также подчиняются нормальному и функция ненадёжности от износа имеет вид:

е„ (1,Т0 )= | л (Т) dт,

т

где Ги(Т) - плотность вероятностей нормального распределения времени до отказа от износа.

Так как ИЭТ являются неремонтопригодными, то до момента То отказа не было, то есть рассматривается не вся кривая плотности, а от момента То и более (рисунок 3).

Рисунок 3 - К определению вероятности отказа за время Ь, начиная с То

Для приведения площади рассматриваемой части (от То до к единице выполняется нормирование и осуществляется путем деления безусловной функции 2И (') на площадь указанной части под кривой плотности [8]:

| /и (Т) ^ , -

ч т К (То + ')

а ('. То )=-£-=1 - и: ч),

где йи ( Т), Ои ( Т) - соответственно функция надёжности и ненадёжности от износа в координате Т,

Таким образом функция ненадёжности при совместном действии внезапных и отказов от изнашивания и старения примет вид [8]:

е(,, То )=1 - е•

| /и (т) dт

К (Т)

Вероятность безотказной работы за время Ь, начиная с момента То [8]:

К ('Т ) = 1-е (',Т0 ) = ^'Ц^ •

На втором и третьем периоде кривой интенсивности отказов (рисунок 2), как правило, на ИЭТ воздействуют одновременно несколько видов нагрузок, типичных для каждого класса изделий, причет часть нагрузкой являются взаимообусловленными, например, тепловые нагрузки часто являются следствием электрических или механических.

Заключение

Для повышения надежности ИЭТ, разработки методов предотвращения или снижения числа отказов на всех стадиях жизненного цикла изделия, разработки средств испытаний, необходим анализ причин возникновения отказов. Следующий этап заключается в разработке и применении методов и средств, направленных на устранение или замедление нежелательных процессов и явлений, приводящих к отказам.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ Р 27.002-2009 Надежность в технике. Термины и определения.

2. ГОСТ 27.003-1990 Состав и общие правила задания требований по надежности.

3. Справочник по надежности /Под. ред. Б. Е. Бердичевского, в 3-х томах. Том 2. М.: «Мир», 1970 , 304 с.

4. Ишков А.С., Солодимова Г.А. Менеджмент надежности как инструмент управления качеством изделий

№ 2.

С.

И. Цыганков № 4 (3 6). -

электронной техники // труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2017. 328 - 330.

5. Исследование причин отказа датчика угла маршевых двигателей ракет-носителей / А. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. -С. 89-95.

6. Волочий Б.Ю., Миськив М.В., Муляк А.В. , Озирковский Л.Д. Надежностная модель отказоустойчивой многопроцессорной системы с учетом двукратного обновления программного обеспечения // труды Международного симпозиума Надежность и качество - 2 013.-№1.-С.128-132.

7. Риски отказов сложных технических систем/ Н. К. Юрков // Надежность и качество сложных систем.

- 2014. - № 1(5). - С. 18-24.

8. Шлыков Г.П. Надёжность. Оценивание вероятностей отказов: Лекция.- Пенза: ПГУ, каф. МСК, 2003.

- 25 с.

УДК 621.317.73 Колдов А.С.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ СОВОКУПНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Рассмотрены особенности совокупных измерений параметров многоэлементных электрических цепей. Дана оценка методической и случайной составляющих погрешностей измерений параметров элементов четырехэлементной КС-цепи. Сформулированы требования к средствам получения отсчетов выходного напряжения измерительной схемы в фиксированные моменты времени. Ключевые слова:

МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ, СОВОКУПНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ, ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ

ская последовательность прямоугольных импульсов. Выходное напряжение ИС представляет собой сумму постоянной, линейно изменяющейся и экспоненциально изменяющейся составляющих. Для определения параметров исследуемой цепи берутся отсчеты выходного напряжения ИС в начальный момент времени, на экспоненциальном участке переходного процесса, в установившемся режиме. Искомые значения параметров элементов цепи находятся путем решения системы уравнений, связывающих полученные отсчеты и параметры составляющих выходного напряжения ИС, с учетом функциональных зависимостей между ними и параметрами элементов цепи [4]. Тем самым реализуется совокупный метод измерений параметров электрических цепей.

Упрощение аппаратной части и повышение точности измерений достигаются за счет перехода от аппаратурной реализации преобразований сигналов в аналоговой форме к цифровой обработке выходных

Применение совокупного метода измерений [1] с целью определения параметров элементов многоэлементных электрических цепей способствует:

- существенному упрощению аналоговой аппаратной части средств измерений параметров электрических цепей;

- повышению точности измерений по сравнению с аналоговыми преобразователями за счет устранения накопления погрешностей при последовательном выполнении ряда аналоговых преобразований сигналов: дифференцирования, масштабирования, вычитания, выборки в задаваемые моменты времени и хранения, интегрирования [2, 3].

Исследуемая электрическая цепь включается во входной цепи или цепи отрицательной обратной связи измерительной схемы (ИС), построенной на основе быстродействующего операционного усилителя (ОУ) с большим входным сопротивлением.

При измерении параметров нерезонансных электрических цепей на вход ИС подается периодиче-

т