5. Программа курса, методические указания и вопросы для самопроверки

Методические указания к теме 1

Тенденция развития современной техники, увеличение комплекса задач, решаемых современными радиоэлектронных средств (РЭС), высокие требования к точности, помехозащищенности, быстродействию привели к многократному усложнению электронной аппаратуры к созданию сложнейших систем. Необходимо учитывать, что усложнение аппаратуры резко снижает надежность современного радиоэлектронного оборудования. При этом низкая надежность приводит к тому, что стоимость эксплуатации радиоэлектронного оборудования в течение нескольких лет иногда в несколько раз превышает стоимость самого оборудования. При этом стоит выделить важные задачи, выполняемые радиоэлектронной аппаратурой при которых отказ приводит к фатальным последствиям, например, при использовании аппаратуры в медицине, в военном деле, в космосе, на транспорте и др. Последствия отказов таких систем огромны.

Надежность не только резко снижает эффективность использования радиоэлектронной техники, но и приводит к большим материальным затратам, к неоправданному повышению стоимости эксплуатации и тормозит дальнейшее использование средств радиоэлектроники. Возникновение проблемы надежности обусловлено, главным образом, следующими причинами:

- ростом сложности электронной аппаратуры;

- отставанием качества элементов радиоэлектроники от их количественного применения;

- повышением ответственности функций, выполняемых аппаратурой;

- наличием человека-оператора (полным или частичным) при выполнении аппаратурой своих функций;

- сложностью условий, в которых эксплуатируется аппаратура.

Все это свидетельствует о том, что обеспечение надежности работы радиоэлектронной аппаратуры является важной задачей.

Эксплуатация предусматривает наличие, с одной стороны, человека (оператора), с другой – объекта эксплуатации (машина, аппарат, система и т. п.), над которым оператор должен совершить определенные действия для получения необходимых результатов. В техническом плане эксплуатацию можно рассматривать как процесс использования (управления) оператором объекта для достижения заданного результата. Составной частью объекта является элемент. Это также достаточно широкое понятие, зависящее от содержания, вкладываемого в понятие «объекта». Если объектом является система, то элементами его будут отдельные подсистемы и устройства. Если объектом является аппарат, то элементами его будут узлы и отдельные детали.

Как процесс, эксплуатация должна характеризоваться временем и местом действия. Процесс эксплуатации охватывает весь период существования объекта с момента его изготовления. Окончание эксплуатации объекта определяется его предельным состоянием, т. е. состоянием, при котором его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена из за неустранимого нарушения требований безопасности, неустранимого ухода параметров за установленные пределы, неустранимого снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой, необходимости проведения среднего или капитального ремонта или при технико-экономической нецелесообразности дальнейшей эксплуатации объекта.

Признаки предельного состояния задаются нормативно-технической документацией на объект. Если объект подвергается среднему или капитальному ремонту, то после его окончания эксплуатация объекта продолжается.

Так как объект эксплуатируется в различных условиях, то необходимо знать возможные результаты влияния этих условий на качество функционирования объекта. Помимо внешних факторов на поведение объекта будут влиять особенности его конструирования, изготовления и наладки.

Исследование поведения объекта во время эксплуатации и оценка его эксплуатационных качеств составляет предмет теории надежности. Вопросами взаимодействия системы “оператор-объект” при эксплуатации занимается наука эргономика.

В процессе эксплуатации объект может находиться в различных состояниях. Состояние объекта характеризуется степенью соответствия требованиям или параметрам, устанавливаемым нормативно-технической документацией на него.

Все требования можно подразделить на две группы: основные, определяющие способность объекта выполнять заданные функции (как правило, к ним относятся параметры), и второстепенные, определяющие удобство работы, внешний вид, характер окраски и т. п., непосредственно не влияющие на выполнение объектом заданных функций.

В зависимости от степени соответствия объекта той или иной группе требований различают состояния: исправное и неисправное, работоспособное и неработоспособное.

Исправным состоянием называют состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией. Если в данный момент времени объект не соответствует хотя бы одному из этих требований, то он находится в неисправном состоянии. Следует подчеркнуть, что неисправность объекта еще не означает, что он не может выполнить заданные функции.

Работоспособным состоянием называют состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией. Если хотя бы один из заданных параметров объекта, характеризующих способность выполнять заданные функции, не соответствует этим требованиям, то он находится в неработоспособном состоянии. Изделие может быть исправным, но в какой-то период времени находиться на складе, транспортироваться и т. п., т. е. быть в неработоспособном состоянии.

Объект характеризуется рядом свойств, определяющих его пригодность выполнять заданные функции. Важнейшим из них является надежность.

Надежность – свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания ремонтов, хранения и транспортировки. Это сложное свойство объединяет безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость объекта. В зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации надежность может включать все эти свойства или их сочетание.

Переход объекта из одного состояния в другое называется событием. Событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта или его составных частей вследствие влияния внешних воздействий, превышающих уровни, установленные в нормативно-технической документации на объект, и в переходе его в неисправное состояние, называют повреждением или неисправностью.

Событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта, называют отказом, что является одним из важнейших понятий теории надежности. Следует различать отказ объекта и отказ элемента объекта.

Ввиду сложной природы отказов теория надежности дает достаточно широкую их классификацию. Объекты бывают восстанавливаемыми и невосстанавливаемыми. Под восстанавливаемым подразумевают объект, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановлению в рассматриваемой ситуации. Объект, не подлежащий восстановлению в данной ситуации, называют невосстанавливаемым.

Ремонтируемым называют объект, исправность и работоспособность которого в случае возникновения отказа или повреждения подлежит восстановлению. Объект, у которого исправность и работоспособность не подлежит восстановлению, называется неремонтируемым.

При оценке надежности объекта необходимо знать способ соединения составляющих его элементов. Соединение элементов с точки зрения надежности, как правило, не соответствует их электрической схеме соединения, так как оно осуществляется, прежде всего, с учетом влияния каждого элемента на работоспособность всего объекта. Различают следующие соединения элементов надежности: последовательное, параллельное и смешанное.

Таким образом, надежность объекта рассматривается во времени и зависит от качества его конструирования, изготовления и организации эксплуатации.

Конструирование как инженерная деятельность есть процесс поиска нахождения и отражения в конструкторской документации формы, размеров и состава изделия, входящих в него деталей и узлов, используемых материалов, комплектующих изделий, взаимного расположения частей и связей между ними, указаний на технологию изготовления.

Поиск основан на логико-математическом выборе устойчивых компромиссов для удовлетворения противоречивых требований технического задания на разработку изделия по назначению и надежности с учетом ремонтопригодности и свойств системы человек-машина при использовании материалов и комплектующих изделий, свойства которых ограничены рамками паспортных данных.

Технические требования на разработку РЭС состоят из общих и специальных.

К общим техническим требованиям относятся такие, которые не зависят от специфики назначения или эксплуатации. Они являются установившимися для любой РЭС данного класса и оговариваются в различных руководящих технических материалах, ведомственных нормалях и т. п.

К специальным техническим требованиям относятся такие, которые оговаривают особенности функционирования и условия эксплуатации. Эти требования указываются в ТЗ на разработку.

Общие технические требования, в свою очередь, делятся на эксплуатационные и конструкторско-технологические.

Вопросы для самопроверки.

1. Что понимают под понятием «надежность» РЭС?

2. Назовите состояния объекта при эксплуатации?

3. Что называют отказом РЭС?

4. Что включают технические требования на разработку РЭС?

Методические указания к теме 2

На этапах разработки и производства элементов закладывается определенный уровень их надежности, характеризуемый значениями показателей надежности. Определение этих показателей производится статистическими методами на основе результатов испытаний элементов при уровнях внутренних и внешних нагрузок, определяемых техническими условиями. Такие показатели надежности называют производственными. Другой вид показателей определяется реальными эксплуатационными режимами работы элемента. Эти показатели носят название: «рабочие критерии надежности».

Существуют следующие основные резервы повышения производственных показателей надежности элементов:

- ослабление интенсивности протекания в материалах физико-химических процессов, приводящих к изменению параметров элементов;

- увеличение запасов прочности структуры элемента по всем видам нагрузок;

- создание равнопрочной конструкции во всех звеньях структуры;

- применение новых конструктивных решений и новых принципов создания элементов с большими потенциальными возможностями в отношении повышения надежности;

- отбраковка элементов со скрытыми производственными дефектами.

Наиболее перспективным способом повышения производственной надежности является разработка и применение интегральных микросхем (ИМС) и функциональных приборов.

Элементы интегральных микросхем, аналогичные обычным радиодеталям и приборам, выполнены и объединены внутри или на поверхности общей подложки, электрически соединены между собой и заключены в общий корпус. В интегральной микроэлектронике сохраняется основной принцип дискретной электроники, основанной на разработке электрической схемы по законам теории цепей.

Среди разнообразных методов повышения надежности систем необходимо выделить три большие группы: проектные, производственные и эксплуатационные. Рассмотрим каждую из этих групп более подробно.

В проектных методах повышения надежности можно выделить системные, схемные и конструктивные методы.

К системным методам относятся организационно-экономические мероприятия по стимулированию повышения надежности и технические мероприятия. К числу таких мероприятий относятся: выбор и обоснование принципов технического обслуживания, выбор основного показателя надежности, назначение норм надежности, распределение норм надежности системы по элементам, составление программы обеспечения надежности. Содержание этих связанных мероприятий во многом зависит от конечной цели, которую стремятся достигнуть. При этом необходимо так сбалансировать затраты на разработку и проектирование изделий с затратами на их эксплуатацию, чтобы общая сумма затрат не превышала заданную при обеспечении наилучших технических характеристик изделий.

Схемные методы объединяют мероприятия по повышению надежности объектов путем совершенствования принципов построения этих объектов.

К конструктивным методам относятся мероприятия по созданию и подбору элементов, созданию благоприятных режимов работы, принятию мер по облегчению ремонта и т. д. Обычно более надежными оказываются те элементы, которые не имеют перемещающихся деталей, накаливаемых нитей и тонких обмоток.

При конструировании транспортной электронной аппаратуры нужно обеспечить защиту от ударов и вибраций. Правильная амортизация аппаратуры часто является основным фактором, определяющим ее надежность. При оценке условий работы элементов особое внимание нужно обращать на переходные процессы, возникающие при включении, а также при других изменениях режима работы аппаратуры. Должно учитываться изменение параметров материалов и деталей во времени («старение»). Учет старения необходим и для кратковременно работающих объектов, так как они могут применяться после долгого периода складского хранения. При этом целесообразно подбирать номинальные значения параметров элементов таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная параметрическая надежность системы. Время устранения отказа можно уменьшить путем построения систем по блочно-узловому способу.

Совершенствование технологии производства является одной из сторон общего прогресса науки и техники. В большинстве отраслей промышленности технический прогресс является сравнительно медленным, постепенным процессом. Все мероприятия в этой области опираются не только на последние достижения науки, но и в значительной мере на накопленный опыт производства продукции. Борьба за совершенствование технологии производства с целью получения однородной (т. е. надежной) продукции может быть успешной только в том случае, если она охватывает все стадии производственного процесса от получения сырья до сборки и регулировки систем.

Автоматизация производства обеспечивает высокую степень однородности продукции, а следовательно, и высокую надежность изделий.

Вопросы для самопроверки.

1. Назовите возможные категории условий эксплуатации РЭС.

2. Как условия эксплуатации влияют на надежность работы РЭС?

3. Назовите конструктивные меры обеспечения надежности РЭС?

4. Назовите эксплуатационные меры обеспечения надежности РЭС?

Методические указания к теме 3

Введение структурной избыточности сводится к использованию в системе избыточных (резервных) элементов, которые не являются необходимыми для функционирования оборудования, а выполняют функции основных элементов при отказе системы. Этот метод называют резервированием (или дублированием, когда используется один основной и один резервный элемент).

Таким образом, резервированием называется метод повышения надежности аппаратуры, состоящий в применении избыточного количества элементов для выполнения одной и той же функции. Резервирование изменяет структуру системы, увеличивая ее избыточность. Резервирование, как правило, изменяет, и закон распределения времени безотказной работы того участка системы, в котором оно применено. Резервирование применяется как для повышения безотказности аппаратуры, так и для повышения ее готовности и других показателей надежности.

Если при основном соединении элементов общая надежность РЭС всегда ниже надежности самого ненадежного элемента, то при резервировании общая надежность РЭС может быть выше надежности самого надежного элемента.

Говоря о структурном резервировании, следует различать основной элемент, т. е. элемент структуры объекта, минимально необходимый для выполнения объектом заданных функций, и резервный, т. е. элемент, предназначенный для обеспечения работоспособности объекта в случае отказа основного элемента. Естественно, что резервный элемент должен обладать характеристиками, аналогичными основному.

В качестве резервного элемента может выступать как элемент, комплектующий объект так и сам объект. В соответствии с этим различают резервирование:

- общее, предусматривающее резервирование объекта в целом. В данном случае резервирующим элементом является аналогичный объект РЭС;

- раздельное, предусматривающее резервирование отдельных элементов объекта или их групп. В этом случае резервирующим элементом является аналогичный элемент, комплектующий объект или же их группа; смешанное, предусматривающее совмещение различных видов резервирования.

Отношение числа резервных элементов к числу резервируемых основных элементов объекта носит наименование кратность резервирования. Различают однократное резервирование, кратность которого равна единице (дублирование), и многократное, кратность которого больше единицы. Многократное резервирование применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить весьма высокие показатели надежности.

Присоединение резервных элементов к основным должно производиться параллельно.

Вопросы для самопроверки.

1. Классифицируйте виды резервирования.

2. Какие способы включения резерва существуют?

3. Как рассчитываются показатели надежности при резервировании?

4. Каковы пути оптимизации резервов?

Методические указания к теме 4

Отдавая должное роли первых двух этапов жизненного цикла техники (конструирование и производство), следует считать, что этап эксплуатации является определяющим при обеспечении требуемого уровня надежности.

Совокупность мероприятий, проводимых в определенной последовательности и протекающих во времени, образует технологический процесс эксплуатации. В этом процессе операции технического контроля состояния объекта, регулирования параметров РЭС, восстановления работоспособности аппаратуры являются важнейшими и впрямую направлены на обеспечение эксплуатационной надежности авиационного радиоэлектронного оборудования. В соответствии с ГОСТ 2412–80 указанный комплекс операций представляет собой систему технического обслуживания (ТО).

При выборе и обосновании методов ТО в качестве основного требования выдвигается необходимость обеспечения безопасности и регулярности полетов при возможно малых эксплуатационных затратах.

Действие множества случайных факторов, дестабилизирующих нормальную работу аппаратуры, приводит к тому, что время наступления отказа РЭС является случайной величиной.

По характеру возникновения отказы РЭС разделяют на внезапные и постепенные. Внезапные отказы в большинстве своем непредсказуемы и вызваны случайными проявлениями скрытых дефектов, различными случайными химико-физическими изменениями в материалах и элементах конструкции РЭС.

Постепенные отказы вызваны процессами старения и износа аппаратуры. Накопление постепенных отказов в аппаратуре обусловлено относительно медленными изменениями параметров элементов под влиянием различных нагрузок. Обычно значения изменений возрастают с течением времени, что в конце концов приводит к выходу одного или нескольких параметров за пределы эксплуатационных допусков. Во время эксплуатации возможно такое состояние РЭС, когда ее выходные параметры находятся в пределах допусков, а параметры элементов – за пределами установленных допусков. Такие элементы являются потенциальными источниками отказов и должны быть выявлены при ТО.

Для своевременного предупреждения отказов необходимо знать и количественно описать процессы накопления отказов во времени.

Вопросы для самопроверки.

1. Дайте характеристику процесса эксплуатации.

2. Какие виды отказов существуют?

3. Какие стратегии ТО существуют?

4. В чем сущность стратегии ТО по состоянию?

Методические указания к теме 5

Для обеспечения нормального теплового режима в РЭС применяют различные системы охлаждения и обеспечения теплового режима (СО), представляющие комплекс специальных теплоотводящих устройств и конструктивных элементов РЭС, предназначенных и используемых для направленной передачи тепловых потоков от тепловыделяющих компонентов (нагретых зон), интенсификации процессов теплообмена, отвода тепловой энергии в окружающую среду. По базовому процессу теплопередачи, используемому в конкретной системе, все СО РЭС разделяются на воздушные, жидкостные, испарительные, кондуктивные, радиационные, комбинированные, специальные. Классификация наиболее распространенных (типовых) СО приведена на рис. 5.2 [10].

В комбинированных СО используются сочетание нескольких процессов теплопередачи. Также в современных РЭС с повышенной плотностью компоновки находят достаточно широкое применение СО на основе тепловых труб и термоэлектрических охлаждающих устройств (рис. 5.3). Для устройств с кратковременным или импульсным режимом работы (бортовые, ракетные и т. п.) применяют СО, основанные на накоплении выделяемого тепла за счет теплоемкости или фазового перехода специального рабочего вещества. В качестве таких тепловых аккумуляторов используются массивные металлические конструкции (шасси, радиаторы, корпус и т. п.), части конструкции, предназначенные для других целей (корпус носителя, топливо в баках самолета и т.д.). В некоторых случаях для аккумуляции тепловой энергии применяются специальные вещества, поглощающие тепловую энергию в процессе фазовых превращений или химических реакций.

Наличие широкой номенклатуры СО, отличающихся сложностью, стоимостью, массой, габаритами, потреблением энергии, требует соответствующих методов выбора их типа, состава и параметров функционирования. При этом такие вопросы должны решаться на ранних этапах разработки, так как применяемый тип и реализация СО оказывает существенное влияние на конструкцию РЭС.

Основным узлом радиоэлектронных блоков является радиоэлектронный модуль (РМ).

Стабильность и надежность работы РМ значительно ухудшается при механических воздействиях - ударах, вибрациях, линейных перегрузках и акустических шумах. Механическое воздействие на РМ приводят к изменению активного сопротивления в полупроводниках; нарушению электрических контактов; деформации электрорадиоэлементов (ЭРЭ) и многим другим отрицательным явлениям. В одних случаях они приводят к помехам в каналах передачи информации, в других к снижению точности работы аппаратуры, в-третьих, к механическим разрушениям элементов конструкций.

Свойство аппаратуры противодействовать влиянию вибраций характеризуется виброустойчивостью и вибропрочностью. Вибропрочность – это способность противостоять воздействию вибрации в нерабочем состоянии и работать после снятия данных нагрузок. Виброустойчивость - это способность РЭС выполнять заданные функции в рабочем состоянии при условии воздействия вибраций. Вибрации характеризуются диапазоном частот и величиной ускорения.

Удар в конструкции РЭС возникает при резких изменениях ускорения. Удар характеризуется ускорением, числом и длительностью ударных импульсов. Удары разделяют на одиночные и многократные.

Акустический шум определяется по давлению звука от внешних источников, мощностью колебаний, силой звука, спектром частот. Действие акустического шума имеет большее разрушающее действие, чем ударно-вибрационные нагрузки при прочих равных условиях.

Под воздействием вибраций и ударных нагрузок на конструкции РЭС возникают два вида деформаций: статические и динамические. Вибрационные и ударные нагрузки воздействуют на элементы РЭС через их точки крепления. В зависимости от положения элементов относительно внешнему воздействию эффективность этого воздействия может быть выражена в большей степени или меньшей. Конструкционные элементы крепления элементов являются демпферами, которые ослабляют действие источника вибраций.

Вопросы для самопроверки.

1. Назовите уровни иерархии РЭС.

2. Какие типы систем охлаждения применяются в

РЭС ?.

3. Назовите особенности конструктивных методов проектирования теплоотводов РЭС?

4. Какие CAE системы применяются при проектировании РЭС?