книги из ГПНТБ / Дружинин Г.В. Надежность электрических схем авиационных систем

К конструктивным методам повышения надежности проектируе­ мых систем относятся следующие мероприятия:

1.Создание надежных элементов.

2.Создание благоприятного режима работы элементов.

3.Правильный подбор параметров элементов.

4.Принятие мер по облегчению ремонта.

5.Унификация элементов и систем.

Надежность элемента определяется в первую очередь принци­ пом его устройства. Обычно оказываются надежными те элементы, которые не имеют перемещающихся деталей, накаливаемых нитей и тонких обмоток. Поэтому большие надежды обычно возлагаются на дальнейший прогресс полупроводниковых триодов. В настоящее время возможности применения этих элементов в авиационных устройствах ограничиваются нестабильностью их характеристик при повышенных температурах. Вновь создаваемые элементы автома­ тики и электроники обычно не сразу завоевывают признание. Также постепенно создается технология массового изготовления новых эле­ ментов. И лишь после того, как выявлены все свойства новых при­ боров, опробована работа серийных образцов в тяжелых условиях, эти приборы могут найти применение в военной аппаратуре.

Надежность элемента зависит также от его конструкции, спо­ соба изготовления и условий применения. Желательно, но не всегда возможно, чтобы элемент специально конструировался для авиаци­ онных устройств с их тяжелыми ударно-вибрационными и тепловыми режимами работы.

Элементы должны применяться только в режимах, оговоренных для них техническими условиями. Как уже упоминалось, при облег­ чении электрических тепловых н вибрационных режимов работы элементов интенсивность выхода из строя значительно уменьшается (иногда в десятки раз). Поэтому конструктор должен стремиться максимально облегчить условия работы элементов. Рекомендуется,

вчастности, осуществлять следующие мероприятия:

1)Применять детали с большими запасами по электрическим параметрам. Мощность, рассеиваемая на сопротивлениях, и напря­ жение на конденсаторах не должны превышать 50fl/o номинальных значений. Желательно применять эти и все другие элементы в еще более облегченных режимах (5—10% от номинала).

2)Для питания накала ламп применять стабилизированное напряжение, что исключает возможность чрезмерного повышения температуры катода.

3)Выбирать минимально допустимые питающие напряжения, что облегчит режим работы элементов схемы. Большие перспективы

вэтом отношении открывают применение полупроводниковых при­ боров.

4)Применяя рассмотренные в § 2.3 способы, нужно максималь­ но облегчить тепловой режим элементов.

5)Особое внимание при конструировании авиационной аппара­ туры следует обращать на защиту от ударов и вибраций. Правиль-

70

пая амортизация аппаратуры часто является основным фактором, определяющим ее надежность.

6) Целесообразно герметизировать блоки с большими питаю щими напряжениями. Благодаря этому уменьшается опасность про­ боя изоляции.

При оценке условий работы элементов особое внимание нужно обращать на переходные процессы, возникающие при включении и выключении, а также других изменениях режима работы аппаратуры. Испытываемые элементами при переходных процессах перегрузки могут быть одной из причин пониженной надежности аппаратуры.

При проектировании аппаратуры должно учитываться измене­ ние параметров материалов и деталей -со временем («старение»). Учет старения необходим не только для непрерывно работающих наземных систем, но и для кратковременно работающей авиацион­ ной аппаратуры, ибо эта аппаратура может применяться после дол­ гого периода складского хранения. Разброс параметров элементов в конце срока службы или хранения обычно в несколько раз превос­ ходит разброс параметров в начале эксплуатации. Если проектиро­ вать аппаратуру с учетом возможных предельных значений парамет­ ров элементов в конце их срока службы или хранения, то она полу­ чается весьма сложной и громоздкой. Увеличение числа элементов может привести к снижению надежности. Поэтому при разработке схемы часто предполагают, что все элементы имеют крайние началь­ ные значения параметров, а любой один элемент имеет крайнее зна­ чение параметра в конце срока службы, причем крайние значения допусков берутся в наихудшем для работы схемы направлении.

Рациональный, с точки зрения надежности, выбор номинальных значений параметров элементов системы может быть осуществлен путем применения графиков граничного контроля, описанных в § 2.5.

Во время конструирования закладываются основы правильной организации технической эксплуатации систем. В первую очередь это относится к мерам по облегчению ремонта или, как иногда не совсем удачно говорят, к мерам по повышению ремонтопригодности систем.

Ремонт системы автоматики состоит из двух этапов: отыскания местоположения отказа и его устранения. Статистика показывает, что 90% времени простоя при ремонте тратится на поиски места отказа вышедшего из строя элемента. Поэтому большое внимание должно быть уделено контрольно-измерительной аппаратуре, кото­ рая должна являться составной частью проектируемой системы. Эта встроенная в систему контрольная аппаратура должна не только осуществлять автоматический контроль исправности системы, но и сигнализировать о месте возникновения отказа.

Применение встроенной в систему автоматической контрольной аппаратуры необходимо не только для сокращения времени простоя при ремонте. Любая проверка исправности системы с помощью пере­ носных измерительных приборов общего назначения связана с раз­ боркой аппаратуры. Любая, даже незначительная, разборка аппа­ ратуры ведет к увеличению числа внезапных отказов. Поэтому иногда бывает, что переносная контрольно-поверочная аппаратура при

71

чсмшя измерительных приборов, удобный доступ кб всем деталям, особенно к наименее надежным, возможность проверки исправности блока без специальных приспособлений и т. д.

Для облегчения ремонта отделенных от основной аппаратуры отказавших блоков также крайне необходима унификация блоков, деталей, напряжений и частот питания, разъемов и т. д. Унификация необходима и с точки зрения организационных вопросов проблемы надежности. В частности, она облегчит снабжение запасными частями и снизит стоимость эксплуатации и средних или капиталь­ ных ремонтов.

§ 2.5. ГРАНИЧНЫЙ КОНТРОЛЬ

Метод граничного контроля применяется для предсказания вре­ мени н места появления постепенных отказов элементов и правиль­ ного подбора параметров элементов при проектировании системы. При этом методе изменение параметра элемента связано с измене­ нием одного из параметров схемы — обычно напряжения питания. Одно из питающих напряжений в схеме выбирается в качестве напряжения граничного контроля. Границы исправной работы схемы можно получить, изменяя напряжение граничного контроля до момента отказа схемы при номинальных значениях параметров всех элементов, а затем при отклонениях параметра интересующего нас элемента от номинального значения. Практически это делается при конструировании схемы путем поочередной замены одного из элемен­ тов схемы аналогичными элементами с известным отклонением параметра от номинала.. Можно также установить контрольный эле­ мент с изменяемым параметром (например, переменное сопротивле­ ние). Очевидно, что при разных значениях параметра изучаемого элемента схема будет отказывать при различных отклонениях напряжения граничного .контроля. Полученные в результате экспе­ римента данные оформляются в виде графика граничного контроля (рис. 2.15) — геометрического места точек отказа схемы, выражаю­ щего зависимость изменения напряжения граничного контроля до отказа схемы от значения параметров детали. Полученная кривая является границей между областью исправной работы и областью постепенных отказов, откуда метод и получил свое название. Такие кривые можно построить для каждого элемента схемы.

Графики граничного контроля могут быть использованы при проектировании систем для определения «запаса прочности» схемы, правильности выбора номинальных значений отдельных элементов и питающих напряжений, а также для количественного сравнения относительной надежности сходных схем по величине площадей области исправной работы.

На рис. 2.15 видно, что если выбранная рабочая точка находит­ ся достаточно далеко от границ неустойчивой работы, т. е. вблизи центра области исправной работы графика граничного контроля, то в ближайшее время постепенного отказа не произойдет. Наоборот, если рабочая точка лежит вблизи границы исправной работы, то

73

достаточно небольшого изменения параметра элемента, чтобы насту­

пил отказ.

Следует заметить, что далеко не всегда следует стремиться к смещению рабочей точки к центру рабочей области. Некоторые эле­ менты обладают постоянным дрейфом параметра в одном направ­ лении. Для них номинальные значения параметров выбираются так, чтобы допустимые пределы изменения параметра в направлении, противоположном дрейфу (расстояние А — В па рис. 2.15), были не больше, чем это необходимо для начальных и кратковременных отклонений параметра. Для решения вопроса о выгодности сдвига

Р и с . 2.15. График граничного контроля:

ДнГр— отклонение напряжения граничного контроля; Дг< —от­ клонение параметра детали в процентах.

в рабочей области необходимо рассмотреть все кривые граничного контроля для данной схемы. Часто встречаются случаи, когда сдвиг значения параметра одного элемента вызывает неблагоприятное воз­ действие на другой элемент, иногда более опасный с точки зрения надежности.. Поэтому не всегда целесообразно стремиться к под­ бору наиболее оптимальных номинальных значений всех элементов системы. Часто при этом приходится проводить очень обширные исследования взаимосвязанных явлений. Эги исследования обычно экономически оправдываются лишь для основных схем системы.

Графики граничного контроля помогают понять основную идею применения граничного контроля для предсказания постепенных отказов системы: имитацию воздействия на работу схемы ухудшения детали путем изменения напряжения питания. Действительно, из рис. 2.15 видно1, что по мере приближения точки А к точке В, т. е. по мере приближения отказа, допустимые (т. е. не вызывающие отказа) отклонения напряжения граничного контроля уменьшаются. Поэтому величина отклонения напряжения граничного контроля может сигнализировать о приближении отказа.

В настоящее время техника осуществления граничного контроля еще не получила достаточного развития. Ввиду отсутствия накоплен­ ного опыта часто нужна значительная изобретательность для под­

74

бора напряжения граничного контроля с тем, чтобы обеспечить обнаружение каждой ухудшающейся детали в схеме и применять как можно меньше линий изменяемого питания. Некоторые рекомен­ дации все же существуют. При подборе напряжений граничного кон­ троля или, как иногда говорят, линий граничного контроля, следует стремиться к минимальному количеству их в системе. Идеальным является случай применения для каждой схемы одного напряжения граничного контроля. Вызывающее отказ схемы изменение этого напряжения должно быть непрерывной функцией величины парамет­ ра каждой детали в схеме. Наиболее просто осуществлять гранич­ ный контроль в пентодных схемах, используя для этой цели напря­ жение па экранной сетке пентода. Очень простые схемы можно соз­ дать, используя в качестве линии граничного контроля напряжение накала ламп. Однако при этом трудно получить повторение дан­ ных. В мультивибраторах в качестве линии граничного контроля больше всего подходит питание одной из обратных связей.

На рис. 2.16 показан результат неудачного выбора линии гра­ ничного контроля. Когда величина параметра элемента убывает, то вместо плавного наклона граничной кривой допустимое отклонение напряжения граничного контроля сначала идет параллельно оси абсцисс, а затем резко падает к нулю. Поэтому отсутствует сигна-

лизация о приближении отказа,, который произошел бы при отрица­ тельном дрейфе величины параметра детали. Очевидно, что должно быть подобрано другое (или дополнительное) напряжение гранич­ ного контроля. Кривая граничного контроля должна подходить к оси отклонения параметра элемента (в точке отказа неконтролируемой схемы) с достаточно малым наклоном, чтобы дать возможность свое­ временно определить приближающийся отказ. Рассмотрим это основ­ ное правило с эксплуатационной точки зрения. Так как при старении параметр элемента обычно меняется в одном направлении, то в принципе можно заменить на графиках граничного контроля ось отклонения параметра элемента осью времени, изменив соответ­ ствующим образом масштаб, который в общем случае может быть переменным. На рис. 2.17 изображены два таких, перестроенных

75

моменты проверки схемы методом граничного контроля. Очевидно, что с помощью кривой X на рис. 2.17 можно предсказать отказ схемы, а по кривой Y — нет. К. кривой X на рис. 2.17 может быть предъявлено еще одно требование, соблюдение которого необходимо для предсказания отказа: между моментом времени пересечения кривой граничного контроля с линией D назначенного заранее, опас­ ного для схемы, отклонения напряжения граничного контроля и точкой отказа схемы должен быть хотя бы один профилактический осмотр. Иными словами, промежуток времени С на рис. 2.17 должен превышать промежуток времени между моментом отказа и преды­ дущим (пятым) профилактическим осмотром.

Граничный контроль может быть осуществлен путем постепен­ ного увеличения отклонения напряжения граничного контроля до тех пор, пока не произойдет отказ. Величина отклонения напряжения граничного контроля в момент отказа является границей напряже­ ния для этой линии. Сравнивая эти данные с результатами предыду­ щей проверки и используя графики граничного контроля, можно установить, когда следует ожидать появления отказа схемы.

Однако по этому способу нужно анализировать получаемые дан­ ные, что весьма неудобно, особенно в сложных системах, содержа­ щих большое число различных схем. Поэтому на практике обычно используют постоянные, установленные заранее отклонения напря­ жения граничного контроля («назначенные отклонения»). Если при применении назначенных отклонений схема работает исправно, то можно ожидать, что она остается исправной до следующей проверки. Конечно, кривые граничного контроля схемы должны удовлетворять описанным при рассмотрении рис. 2.17 требованиям.

Для каждой схемы величина назначенного отклонения подби­ рается при конструировании системы. Назначенное отклонение дол­ жно быть достаточно большим, чтобы имитировать эффект нормаль­ ных изменений окружающей обстановки (температуры, напряжения питания и т. д.), а также имитировать эффект максимального ухуд­ шения деталей, которое может произойти до следующей проверки. С другой стороны, слишком высокое назначенное отклонение вызо­ вет преждевременную замену деталей, что увеличит стоимость эксплуатации и вероятность появления внезапных отказов.

В сложных системах приходится применять несколько линий граничного контроля. В этом случае назначенное отклонение па каж­ дую линию подается отдельно и обычно поочередно. Благодаря поочередной проверке схем, удается установить не только факт при­ ближения отказа, но и его местоположение. Таким образом, обычно в одной из схем изменяется напряжение граничного контроля, тогда как другие схемы получают нормальное напряжение. Когда в системе очень много линий граничного контроля, то для удобства коммута­ ции они объединяются в группы: группа напряжения, группа схем и т. д. В группу напряжения объединяются линии с определенным диапазоном изменения напряжения. В группе напряжения те схемы,

76

которые могут быть гранично проверены посредством примерно оди­ накового отклонения, собираются в группы схем. Могут быть и дру­ гие способы группирования линий граничного контроля.

Выполненные по описанным выше принципам контрольные устройства могут быть автоматизированы.

§ 2.6. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ СИСТЕМ

В § 1.6 упоминалось, что отказы элементов в основном являются следствием наличия «слабых» элементов со скрытыми пороками. Иначе говоря, одна из основных причин появления отказов элемен­ тов состоит в их неоднородности, разбросе значении качества эле­ ментов. Поэтому основную часть производственных мероприятий по повышению надежности элементов и систем составляют мероприятия по улучшению однородности выпускаемой продукции. Все эти меро­ приятия можно свести в четыре группы:

1.Совершенствование технологии производства.

2.Автоматизация производства.

3.Статистическое регулирование качества продукции.

4.Тренировка элементов и систем.

Все эти группы мероприятии взаимно связаны между собой.

Совершенствование технологии производства является одной из сторон общего прогресса науки и техники. В большинстве отраслей промышленности технический прогресс является сравнительно мед­ ленным, постепенным процессом. Все мероприятия в этой области опираются не только на последние достижения науки, но и в значи­ тельной мере на накопленный опыт производства продукции. Совер­ шенствование технологии производства может быть ускорено за счет творческой активности изобретателей и рационализаторов. Большое значение имеет совершенствование технологии производства в на­ правлении легкости осуществления автоматизации технологических операций. Примером может служить замена обычной папки пайкой погружением в ванну с расплавленным оловом.

Автоматизация производства обеспечивает высокую степень однородности продукции, а следовательно, и высокую надежность изделий. Например, в изготовляемых вручную трансформаторах часто происходят обрывы тонких обмоток. Автоматизация этого про­ цесса обеспечивает равномерное натяжение провода при намотке, из-за чего число обрывов резко падает.

Автоматизированное производство должно удовлетворять очень многим требованиям. С военной точки зрения особенно важна гиб­ кость производственного процесса. Большинство блоков, входящих в состав сложной военной аппаратуры, выпускается сравнительно небольшими сериями. При этом в конструкцию и технологию изго­ товления все время вносятся изменения. В случае угрозы войны производство аппаратуры должно резко увеличиться. Таким обра­ зом, должна иметься возможность выпуска аппаратуры как круп­

77

ными, так и мелкими сериями с минимальными затратами времени па перестройку.

Существуют два основных направления полной автоматизации производства аппаратуры. Первое из них использует существующие технологические методы. Существующие элементы монтируются в. блоки автоматическими способами. В частности, для электронной аппаратуры обычные детали устанавливаются на панели с печатным монтажом и соединения подвергаются пайке погружением. В устрой­ стве обычно несколько таких панелей, которые устанавливаются ярусами друг над другом. При этом используются проверенные на практике детали и накопленный технологический опыт.

Второе направление порывает с существующей технологией и использует новые элементы схем и новые технологические приемы. При этом используется «модульное» конструирование, при котором каждое устройство состоит из стандартных узлов-«модулей». Каждый модуль состоит из нескольких (обычно 4—6) тонких кера­ мических галет с различными схемами. Каждый крупный блок устройства состоит из нескольких модулей. Продукция проходит автоматический 100°/о-ный контроль качества. Модули изготовля­ ются на специальных .машинах из необработанного и недефицитного сырья. Поэтому автоматические линии (заводы) относительно неза­ висимы от поставки тех или иных элементов.

Статистическое регулирование качества продукции, обычно не совсем правильно называемое статистическим контролем качества, также значительно повышает однородность продукции. Основная идея статистического регулирования качества состоит в следующем. Причины, вызывающие отклонения качества продукции, разбива­ ются на две группы. Одна из них, группа случайных причин, трудно поддается воздействию человека вследствие многочисленности при­ чин и ничтожности каждой из них.

Помимо группы случайных причин, которые всегда существуют в любом производстве, иногда могут появляться «определимые при­ чины», которые могут быть устранены путем сознательного вмеша­ тельства в технологический процесс. Если все определимые причины устранены и осталась только постоянная группа случайных причин, то дальнейшего (даже незначительного) повышения качества про­ дукции можно добиться лишь путем полной перестройки производ­ ства, что, как правило, требует очень больших затрат. Поэтому в про­ изводстве допускается лишь постоянная система случайных величин, а всякого рода определимые причины устраняются. Прн этом опре­ делимые причины выявляются путем применения статистических методов оценки качества изделий. Так как «постоянная» группа слу­ чайных причин проявляется в постоянном разбросе характеристики качества, то все дело сводится к наблюдению за постоянством «уза­

78

тнстического исследования для выявления «определимых причин», мероприятий по устранению этих причин и контроля.

Кратко описанная в § 1.4 тренировка элементов и систем также является одним из способов повышения однородности продукции путем выбраковки «слабых» элементов. Кроме нормальной трени­ ровки элементов и систем в условиях, близких к эксплуатационным, может применяться «жесткая» тренировка с тяжелыми условиями работы. В последнем случае сокращается время тренировки, однако усложняется вопрос о выборе режима н срока тренировки. Их нужно выбирать такими, чтобы полностью удалить «слабые» элементы и вместе с тем не ухудшать качество «нормальных» элементов.

§ 2.7. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ БОРЬБЫ ЗА ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ

В процессе эксплуатации должна поддерживаться надежность находящейся на вооружении . аппаратуры и должны собираться н обобщаться данные, необходимые для разработки новой аппаратуры. Для выполнения этих задач проводится большое число мероприятий, которые можно разбить на три группы:

1.Научные методы эксплуатации. .

2.Сбор и обобщение опыта эксплуатации.

3.Связь с производством и проектированием аппаратуры.

Научные методы эксплуатации включают в себя научно-обосно­ ванные приемы проведения профилактики, ремонта и других меро­ приятий по поддержанию надежности авиационной аппаратуры в процессе ее эксплуатации.

При эксплуатации аппаратуры большую роль играет накоплен­ ный опыт. В Военно-Воздушных Силах нашей Родины опыту тех­ нической эксплуатации, его изучению и обобщению всегда уделялось много внимания. Однако вплоть до последнего времени изучение опыта эксплуатации было проникнуто стремлением использовать получаемые результаты немедленно для повседневных нужд частей и соединений. Значительную часть опыта технической эксплуатации составляли организационно-технические мероприятия по повышению надежности находящихся на вооружении образцов авиационной тех­ ники. В настоящее время этих мероприятий уже становится недо­ статочно. Жизнь требует, чтобы, помимо данных, используемых для решения задач сегодняшнего дня, опыт эксплуатации давал данные для создания будущих надежных устройств.

Почти все мероприятия по повышению надежности аппаратуры в процессе ее проектирования и производства исходят из данных о поведении деталей и отдельных узлов в процессе эксплуатации. Обобщение данных по эксплуатации какого-либо определенного устройства в целом не всегда имеет ценность, так как в результате быстрого прогресса техники оно часто заменяется другим, более совершенным. Узлы и детали меняются реже. Изучение особенностей ■их поведения дает возможность использовать накопленные данные для проектирования будущих устройств.

79