CC BY
197
Бухаров А.Е., Жихарев И.А. , Иофин А.А. НЕКОТОРЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ТРЕНИРОВКИ РАДИОВЫСОТОМЕРОВ
Представлена методика проведения технологической тренировки, с помощью которой предполагается повысить процент отбраковки потенциально ненадежных радиовысотомеров и значительно снизить число отказов в эксплуатации.
Известно, что на начальном этапе эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) имеет место так называемый период приработки, характеризующийся повышенным значением параметра потока отказов (ППО).
Это обусловлено тем, что в начальный период эксплуатации выявляются скрытые дефекты изделия и его
составных частей. Во-первых, это связано с различным качеством электрорадиоизделий (ЭРИ). Так качество поставляемых ЭРИ может резко отличаться не только у разных поставщиков, но и в зависимости от партии даже одного поставщика. Во-вторых, на начальном этапе изготовления РЭА имеют место отказы, причины которых не связаны с качеством применяемых ЭРИ. В основном эти отказы связаны с просчетами производственного персонала, конструктивно-технологическими ошибками и перегрузками ЭРИ. По мере
увеличения выпуска РЭА число этих отказов сокращается и возрастает доля количества отказов из-за
дефектов ЭРИ [1].
Кроме того известно, что отказы на этапе приработки возможны даже в хорошо освоенном производстве. Это напрямую связано с невозможностью полного воспроизведения в заводских условиях реальных условий эксплуатации, а также с определенными издержками методов контроля изделия, применяемых в процессе изготовления. В связи с этим с целью более раннего выявления отказов и дефектов и повышения уровня надежности изделий на завершающей стадии изготовления перед предъявлением опытных образцов на предварительные испытания и перед предъявлением серийных РЭА на приемосдаточные испытания проводится технологическая тренировка (ТТ) РЭА на выходном контроле завода-изготовителя [2]. ТТ включает в себя отбраковочные испытания и технологический прогон.
По физическому содержанию в процессе ТТ происходит рост безотказности изделия. Выдержавшая тренировку РЭА будет иметь более низкую и постоянную частоту отказов, что значительно повышает ее надежность. В источнике [3] зависимость ППО изделия от времени ТТ представлена в виде:
о(0 = (о0 а + Шу , (1)
где t - наработка изделия; о о - значение ППО изделий при £ = 0; Шу - установившееся значение ППО; а - параметр роста безотказности.
Однако, как показал опыт эксплуатации, для отказов РВ на этапе приработки более характерен закон Вейбулла, а зависимость ППО изделия от времени ТТ может быть представлена как а ■ р ■ 0 < С < С0
(2)
где - параметр масштаба, определяемый по статистическим данным; - параметр формы, также определяемый по статистическим данным; £о - время, с которого устанавливается устойчивый характер ППО.
Время £о, при котором проявляется экспоненциальное распределение (ш(£ > £о) = сопя£), можно оценить при помощи метода, описанного в источнике [4]. В этом методе оценивается выборочный коэффициент корреляции р для экспоненциального закона, значение которого для верификации устойчивого характера потока отказов должна быть не менее 0,95. Суть методики оценки времени tо заключается в проверке вариационного ряда наработок до отказа и цензурирующих наработок во временном интервале от £ до £тах (максимальное значение вариационного ряда) на соответствие экспоненциальному закону. Минимальное время £, при котором будет подтверждено р > 0, 9 5 и будет искомым временем £о. На интервале 0<£<£о, как было отмечено ранее, характерно действие периода приработки. Для различных типов РВ значение £о на этапе эксплуатации (без учета наработки на технологическом цикле производства) не превышает 50 часов.
Необходимо отметить, что при получении зависимости ППО на этапе приработки необходимо учесть смещение начала отсчета времени эксплуатации РВ. Как правило, отсчет наработки изделия осуществляется с момента приемки РВ, хотя до этого времени РВ имеет наработку на технологическом цикле (ТЦ) производства - на этапах настройки, ТТ (по методике, описанной в статье [5]) и приемки РВ. Это означает, что до окончания приемки РВ уже прошли приработку и, следовательно, для оценки ППО необходимо знание безусловной функции распределения отказов, т.е. необходимо определить продолжительность эксплуатации Тэкв , эквивалентную выработке ресурса при испытаниях на ТЦ. Данная задача решается при помощи метода множителей Лагранжа [6] и метода наименьших квадратов и заключается в нахождении экстремумов функционала
Ф(Тэкв) = I"0! { Ш 1-а-р- [Гэкв + Е=1 Д*( к - 0,5)]" “ !} 2 + ? ■ («тц - /оТэкв а ■ р ■ & ~ Ч £)2, (3)
где 1 - номер кванта гистограммы, отсчет которого происходит с момента 7^; Мо - номер кванта, соответствующий окончанию этапа приработки, Мо = / 1,2 5 ■ (Л — Лтц) ’ / (из [7]); /.../ - целое число; Л^тц
число отказов, приходящихся на ТЦ; - число отказов, приходящихся на этап приработки ( ); -
ППО в 1-ом кванте гистограммы; 7экв - продолжительность эксплуатации, эквивалентная выработке ресурса на ТЦ за период 7ТЦ; к - число квантов; - длительность кванта по гистограмме, У - множитель Лагранжа .
Графическое отображение решения задачи приведено на рисунке 1. Штриховой линией обозначена искомая интенсивность отказов. Сплошная линия отражает фактическую интенсивность отказов. Площадь, ограниченная точками 0-А-В-7тц характеризует число отказов, приходящееся на одно изделие на ТЦ производства. Площадь, ограниченная точками О-С-Б-Тэкв, характеризует число отказов, которое имело бы место, если бы РВ без настройки, ТТ и приемки РВ сразу «попадали» в эксплуатацию. В основе решения задачи лежит равенство площадей и .
Рисунок 1 - Графическое решение задачи поиска Тэ к в
Неизвестные а, /, Тэ к в должны удовлетворять минимуму функционала Ф( Тэ к в) • Поэтому для решения задачи необходимо найти производные функционала по а, /, Тэ к в и Y, и приравнять их к нулю. Четвертое уравнение будет представлять собой условие связи. Таким образом, получим следующую систему уравнений:
(ir = Q
аа
— = о
3" (4)
-22-= О
дТэКВ
{^-J^V ■/?■£" - Ч t = 0
После соответствующих преобразований вышеприведенную систему можно записать как
i )" - М ш ,-«■/■ 4( 0" - 1 ]} = 0
!"01Й( i)"- М 1 + ЦЖi))] х [ ш<-«■/■ Ж0"- 1 ]} = 0 , (5)
S"°i{(/ - 1М i )" - 2 х [ ш( - я ■ / ■ Л( i)" - 1 ]} = 0 N3KB ~ а ■ T3J = 0
где 4( i ) = Тэкв + И=Ht( fe-0, 5 ).
Система (5) решается численными методами, например, с использованием функции Find в программной
среде MathCad [8].
Одновременно с этим при помощи метода наименьших квадратов (МНК) были получены значения а, / по результатам наработки РВ в ТЦ производства, т.е. приведения к условию
£"ТЦ { ш, - а ■ / ■ 1Д ,( I - 0, 5 )]" - ^ 2 = min, (6)
где j - номер кванта гистограммы, отсчет которого происходит с момента t = 0; Мт ц - номер кванта,
соответствующий окончанию ТЦ, т.е. времени Тт ц; ш, - ППО в j-ом кванте гистограммы; а - параметр масштаба, определяемой по данным ТЦ; / - параметр формы, определяемой по данным ТЦ.
и приравниванию к нулю частных производных по и .
( S"T{7}" - Мш, - а ■ / ■ 7,"- Ч} = 0
- 1 [1 + / ■ b(7})] х [ш, - а ■ / ■ 7," - 1 ] } = 0, (7)
Данная система прекрасно решается в математических программных средах, например, в ранее упомяну-
том MathCad или даже в Excel (построение линии тренда по МНК) .
На рисунке 2 приведены гистограммы ш, и ш t, построенные соответственно по эмпирическим данным ТЦ и данным начальной наработки в эксплуатации, а также аппроксимированные зависимости ( ) на этапе ТЦ
и эксплуатации (шт ц( t) и шэ к в( t) соответственно) для частотных (а) и импульсных (б) РВ.
Рисунок 2 - Эмпирические и аппроксимированные зависимости ППО от времени этапов ТЦ и эксплуатации для частотных (а) и импульсных (б) РВ
В таблице 1 представлены вычисленные значения а и /? для частотных и импульсных РВ на этапах ТЦ и эксплуатации, времена Тт ц и Тэ к в, а также величины достоверности аппроксимации оценок Я 2 в каждом случае, определяемые по формулам (8а) - ТЦ и (8б) - эксплуатация:
й2 = 1--
_МТц -^=1 ш)
(8а)
Я =1 —
[С-
I - а ■/? '[з-экв +Й=14*№ - о, 5 )]
(8б)
[уМ0 ,] [е ,:=1 ш 1]
[^ I=1Ш I ] Мо
Таблица 1 - Значения распределения отказов Вейбулла для радиовысотомеров в ТЦ опытного производства и эксплуатации
Тип РВ Значения параметров
в ТЦ производства в эксплуатации
а р Я2 Т 2ТЦ а р Я2 Т 2ЭКВ
Частотные 0,09 0,52 0,73 22,5 0,01 0,56 0,99 880
Импульсные 0,04 0,40 0,95 22,5 0,01 0,37 0,99 900
Из таблицы 1 видно, что значения /? для разных типов РВ в ТЦ производства и в эксплуатации достаточно близки. Это свидетельствует об автомодельности процессов испытаний при ТЦ и в эксплуатации. В этом случае возможно установление коэффициента влияния как функции времени
О атц
т = . (9)
Т.е. коэффициент влияния является не отношением ППО, а отношением параметров масштаба при ТЦ и эксплуатации ( и соответственно) .
Несмотря на значительное ускорение процесса приработки, продолжительности и видов отбраковочных испытаний, проводимых по методике ТТ, описанной в [5], недостаточно. Это потребовало усовершенствовать ранее используемую методику ТТ введением дополнительных видов испытаний и увеличением продолжительности технологической тренировки .
Соответствуя рекомендациями [9] для РЭА ТТ должна включать технологические отбраковочные испытания и технологический прогон, представляющий собой наработку в нормальных условиях. Основным нормативным документом, регламентирующим проведение отбраковочных испытаний, является [10]. В соответствии с ним был определен состав испытаний, позволяющий добиться проявления большинства типов дефектов:
- воздействие циклически изменяющейся температуры (способствует проявлению механических дефектов, таких как растрескивание и отслаивание покрытий, растрескивание герметизирующих компаундов, разрыв уплотнений и др.);
- воздействие вибрации (способствует выявлению дефектов, связанных с неудовлетворительными конструктивными решениями и недостатками технологического процесса и др. );
- воздействие электротермотренировки (способствует выявлению дефектов, связанных с загрязнением материалов и повреждением барьеров в полупроводниковых элементах и др. ).
После проведения отбраковочных испытаний на заключительном этапе ТТ должен проводится технологический прогон, необходимый для выработки оставшегося времени до выхода РВ из области приработки.
Дополнительно, для усиления эффекта отбраковки, вместе с воздействием циклически изменяющейся температуры и вибрации вводится периодическое «включение-выключение», позволяющее эффективнее отбраковывать элементы, изготовленные с использованием двух и более конструкционных материалов с различными коэффициентами теплового расширения.
После определения состава ТТ для определения продолжительности и норм воздействий были рассмотрены рекомендации [9] и [10]:
- значения температур должны быть максимально возможными, при этом они не должны ограничиваться условиями эксплуатации или заданными в соответствующих НД уровнями, а должны ограничиваться только границами теплоустойчивости. С учётом особенностей тепловых режимов разрабатываемых РВ, значения температур выбираются равными рабочим по ТУ;
- продолжительность выдержки при экстремальных значениях температуры должна быть достаточной для достижения теплового равновесия между температурой изделия и воздухом в камере. Продолжительность выдержки в термокамере при термоциклировании выбирается в зависимости от массы РВ. Продолжительность выдержки в термокамере при электротермотренировке выбирается в зависимости от массы РВ и продолжительности его непрерывной работы;
- число термоциклов должно быть оптимальным по эффективности и продолжительности. В соответствии с данной рекомендацией, а также с учётом накопленного на предприятии опыта в области проведения климатических испытаний, число термоциклов установлено равным трём;
- режимы вибрационного воздействия рекомендуется устанавливать экспериментально в зависимости от особенностей конкретных изделий для получения максимальной эффективности. В соответствии с данной рекомендацией, а также с учётом накопленного опыта в области проведения механических испытаний, выбрана синусоидальная вибрация с диапазоном частот от 20 до 2000 Гц, с амплитудой виброускорения, определяемой в зависимости от резонансной частоты конструкции, с продолжительностью воздействия на одну ось 10 мин и числом осей равным трём;
- технологический прогон проводится для выработки оставшегося времени до выхода изделия из области приработки. Продолжительность технологического прогона установлена минимальной для выработки рассчитанного времени ТТ.
После определения продолжительности и норм воздействий разрабатывается методика проведения ТТ. Важно максимально эффективно воспроизвести необходимые воздействия, используя имеющуюся испытательную базу и накопленный опыт в проведении климатических и механических испытаний.
Разработанная методика имеет следующие особенности:
- термоциклирование возможно проводить двумя способами - с использованием одной камеры и с использованием двух камер. Приоритетным является метод с использованием двух камер, но трудность переноса отдельных РВ из камеры в камеру, а также постоянная загруженность сектора испытаний вынуждают проводить альтернативный метод испытаний;
- воздействие синусоидальной вибрации возможно заменить на воздействие эквивалентной широкополосной случайной вибрации (ШСВ) с амплитудой виброускорения равной 6 д;
- периодическое «включение-выключение» осуществляется с частотой 6 циклов в час (6 минут во включенном состоянии и 4 минуты в выключенном состоянии). Данная частота включения согласно ГОСТ В 20.57.304 позволяет в 5 раз ускорить эффект от воздействия температур. Для РВ, режим работы которых не позволяет произвести включение подобным образом, введена возможность разработки специальной циклограммы включения;
- в процессе испытаний до и после воздействия каждого фактора, а также во время воздействия некоторых факторов введена проверка параметров РВ на соответствие требованиям ТУ. Это позволяет своевременно обнаружить отказ.
Циклограмма разработанной методики ТТ приведена на рисунке 3.
- повышенная температура.
В заключении отметим, что проведение ТТ по вышеизложенной методике предполагает повысить процент отбраковки потенциально ненадежных РВ, значительно снизить число отказов в эксплуатации (согласно данных из статьи [11] стоимость работ по устранению отказа РЭА в эксплуатации на два порядка выше, чем на стадии изготовления изделия), а опыт проведения отбраковочных испытаний в рамках ТТ позволит более точно оценить характер действия приработочных отказов РВ, а также скорректировать в соответствии с требованиями ГОСТ Р ИСО 9001-2001 процессы разработки, производства и закупок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Горлов М., Адамян А., Ануфриев Л. B и др. Тренировка изделий электронной техники и электронных блоков // Chip-news - 2001 № 10 - http://www. chipinfo.ru/literature/chipnews/2££11£/8ihtml
2. Животкевич И.Н., Смирнов А.П. Надежность технических изделий. - М.: Олита, 2003.
3. Кузьмин Ф.И. Задачи и методы оптимизации показателей надежности. - М.: Советское радио, 1972.
4. Рыбалко В.В. Определение закона надежности высоконадежных и малосерийных объектов по случайно цензурированным выборкам. // Exponenta Pro. Математика в приложениях. - 2003 № 1(11) - С. 44-48
5. Бухаров А.Е., Иофин А.А. Анализ отказов радиовысотомеров на этапах изготовления и эксплуатации. // Труды международного симпозиума «Надежность и качество» - Пенза, 2003 г. -С. 248-251.
6. Кудрявцев Л. Д. Математический анализ, т. 2 - М.: Высшая школа, 1970.
7. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. - Л.: Энергоатомиздат,
1985
8. Web-сайт фирмы Mathsoft, htfyop^A/wwwmmahhDfft.co
9. РД 107.460000.010-89 Отраслевой руководящий документ. Радиоэлектронные средства. Методы технологической тренировки.
10. РДВ 319.02.24-99 Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Методы проведения отбраковочных испытаний.
11. Доминич А.П., Писарев В.Н. Проблемы внедрения отбраковочных испытаний. // Труды международного симпозиума «Надежность и качество» - Пенза, 2001 г. - С. 225.
