Учебное пособие 800528

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

А.В. Турецкий В.А. Шуваев

МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2014

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных показателей качества конкурентоспособности радиоэлектронного оборудования является надежность. Надежность электронных средств закладывается в процессе проектирования и изготовления и в наибольшей степени проявляется на этапах эксплуатации. В данном пособии описаны методы обеспечения надежности радиоэлектронных средств. Изложение материала ведется с позиций системного подхода. Вслед за изложением вопросов влияния климатических и механических факторов на надежность радиоаппаратуры описываются методы повышения надежности элементов и систем, способы обеспечения эксплуатационной надежности. Особое место в этом разделе занимают вопросы показателей надежности систем со структурной избыточностью. Технологические аспекты обеспечения эксплуатационной надежности представлены операциями технического обслуживания.

В пособии излагаются также вопросы обеспечения стойкости и устойчивости радиоэлектронного оборудования при влиянии температур и механических воздействий.

3

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

1.1. Возникновение проблемы надежности

На современном этапе развития техники наблюдается тенденция комплексной разработкой сложных систем управления процессами и повсеместным применением средств радиоэлектроники во многих отраслях народного хозяйства, науки и техники.

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;

4

-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.

1.2. Основные понятия и определения

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,

5

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 нормативнотехнической 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.

Впроцессе 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),

ивторостепенные, определяющие удобство работы, внешний вид, характер окраски и т. п., непосредственно не влияющие на выполнение объектом заданных функций.

Взависимости 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,

6

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

7

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,

8

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.

1.3. Технические требования на разработку РЭС

Технические требования на разработку РЭС состоят из общих и специальных.

Кобщим 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.

Кспециальным 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 конструкторскотехнологические. Эксплуатационные требования оговаривают обеспечение параметров изделия с заданной точностью и безотказность работы в течение определенного времени при заданных условиях эксплуатации, основными из которых являются:

- оперативность обслуживания, отражающая возможность быстрого ремонта аппаратуры, минимальные временные и стоимостные затраты на запуск в работу и эксплуатацию;

9

-удобство обслуживания, которое достигается хорошим доступом к блокам и регулируемым параметрам, наличием встроенного контроля, четким комплектованием запасными элементами и приборами;

-безопасность обслуживания;

-длительность срока службы и сохранности;

-устойчивость параметров аппаратуры к воздействию различных дестабилизирующих факторов;

-нормальный тепловой режим работы аппаратуры;

-внешний вид аппаратуры, учитывающий правила технической эстетики, простоту и строгость формы, сочетание цветов окраски, правила эргономики;

-минимальные габариты и масса, удобство транспортировки.

Основными конструкторско-технологическими требованиями являются:

-взаимозаменяемость блоков и электрических элементов, отдельных узлов и деталей конструкции;

-максимальная типизация и унификация приборов, блоков узлов, использование модульных принципов конструирования;

-максимальное сокращение номенклатуры элементов, материалов, полуфабрикатов;

-минимальная материалоемкость, удобство сборки, возможность механизации и автоматизации производственных процессов;

-простота изготовления, сборки и регулировки. Обязательным условием высококачественной

разработки при выполнении общих эксплуатационных и конструкторско-технологических требований является реализация общих требований по назначению, которые затрагивают широкий круг вопросов:

- функциональное назначение (прием, передача, обработка сигналов, индикация и др.);

10