Вплив рiзноманiтних факторiв на показники надiйностi електронних апаратiв
Вплив рiзноманiтних факторiв на показники надiйностi електронних апаратiв (ЕА)
Вступ
У процесi виробництва та експлуатацiї на апаратуру дiють рiзнi фактори, якi впливають на її надiйнiсть. Цi фактори умовно можна подiлити на двi групи: суб’єктивнi та об’єктивнi.
матерiалiв, забезпеченням нормальних робочих режимiв, органiзацiєю технiчного обслуговування та експлуатацiї апаратури.
Подiл за такою ознакою зручний з точки зору рацiонального розподiлу зусиль у забезпеченнi надiйностi мiж розробниками та споживачами апаратури.
До групи конструктивно-виробничих факторiв належать фактори, пов’язанi з розробкою, проектуванням та виготовленням апаратури. Вплив цих факторiв на надiйнiсть апаратури є найбiльш сильним та визначальним.
До експлуатацiйних вiдносять фактори, якi впливають на надiйнiсть апаратури в процесi її практичного використання. Вони включають об’єктивнi фактори, обумовленi впливом зовнiшнього оточення, та суб’єктивнi, пов’язанi з органiзацiєю системи технiчного обслуговування, ремонту, забезпечення запасними елементами, квалiфiкацiєю обслуговуючого персоналу тощо.
Наведемо данi статистичних дослiджень факторiв, якi впливають на надiйнiсть.
Таблиця 1 – Фактори, якi впливають на надiйнiсть ЕА
| Етапи i види робiт |
Причини вiдмов |
Вiдмови апаратури % |
| Помилки, зробленi пiд час розробки схеми Е3, принципу дiї апаратури та конструкцiї |
1. Електричнi
1. 1 Недолiки схеми Е3
1. 2 Хибний вибiр електричних величин
1. 3 Неправильне застосування елементiв
2. Механiчнi
2. 1 Хибний вибiр елементiв
|
11
10
12
5
5
|
| Помилки, допущенi пiд час виробництва (Технологiчнi вiдмови) |
1. Виготовлення не вiдповiдає технiчним умовам
2. Недоброякiсна сировина та напiвфабрикати
|
18
2
|
| Експлуатацiйнi вiдмови |
2. Неправильне обслуговування
3. Хибний режим експлуатацiї
|
12
10
8
|
|
1. Спрацювання, старiння матерiалiв та елементiв
2. Невстановленi та рiзнi
|
4
3
|
Ми розглядатимемо фактори об’єктивного i суб’єктивного характеру, якi впливають на ЕА в процесi її експлуатацiї. Пiд час розробки та виготовлення елементiв зазвичай передбачаються визначенi, так званi нормальнi умови роботи (ГОСТ 11478-88): температура + (25±10)°С, атмосферний тиск – 105 вiдмов λнi
. Інтенсивнiсть вiдмов елементiв при експлуатацiї в реальних умовах λi дорiвнює номiнальнiй iнтенсивностi вiдмов λнi
λi=λнi
·Кi
. (1)
Розглянемо цi фактори
1 Час експлуатацiї та дiяльнiсть обслуговуючого персоналу
Час експлуатацiї є одним з основних факторiв, якi визначають надiйнiсть апаратури на всiх етапах. Технологiчнi та конструктивнi недолiки частiше за все виникають за перший перiод експлуатацiї, оскiльки за цей перiод виявляються багато явних i прихованих дефектiв апаратури в цiлому та її елементiв. Цей перiод для рiзної апаратури може коливатися до 10% довжини перiоду нормальної експлуатацiї.
Пiсля достатньо тривалої експлуатацiї апаратури (другий перiод) настає останнiй, третiй перiод, який характеризується значним зростанням iнтенсивностi вiдмов через старiння та спрацювання елементiв. Зростання iнтенсивностi вiдмов пояснюється незворотними змiнами параметрiв i характеристик елементiв.
Процеси старiння вiдбуваються безперервно, але можуть пришвидшитися пiд виливом рiзних факторiв (тепло, волога, свiтло тощо).
Причиною старiння є складнi фiзико-хiмiчнi процеси, якi вiдбуваються в елементах апаратури протягом всього часу її експлуатацiї. До них вiдносяться: структурнi змiни в дiелектриках i дротах, хiмiчнi перетворювання в матерiалах, якi є єднальнi i насиченi, порушення електричної та механiчної мiцностi матерiалiв та елементiв конструкцiї, порушення герметичностi тощо. Швидкiсть старiння також визначається режимами роботи.
Значно впливають на надiйнiсть ЕА у процесi її експлуатацiї фактори суб’єктивного характеру, пов’язанi з дiяльнiстю обслуговуючого персоналу. Основними з них є:
- квалiфiкацiя обслуговуючого персоналу;
- дотримування правил технiчної експлуатацiї;
- ступiнь органiзованостi системи технiчного обслуговування.
Одним з важливих факторiв є квалiфiкацiя обслуговуючого персоналу.
Квалiфiкацiя вiдбивається на якостi пiдготовки ЕА до роботи, а також на процесi поновлення її працездатностi пiсля вiдмов. Чiтке виконання правил технiчної експлуатацiї сприяє утриманню ЕА у справному станi, оскiльки цi правила передбачають саме такi дiї обслуговуючого персоналу, якi забезпечують якiсну експлуатацiю ЕА.
Ступiнь органiзованостi i системи обслуговування визначає кращi методи i форми органiзацiї експлуатацiї ЕА, при яких забезпечується висока безвiдмовнiсть i довговiчнiсть апаратури. Вона передбачає органiзацiю ряду заходiв (профiлактика, ремонт, постачання запасних елементiв), спрямованих на забезпечення експлуатацiї з найбiльш високим значенням коефiцiєнта готовностi.
Слiд зазначити, що полiпшенню експлуатацiї сприяє надiйне збирання та опрацювання даних експлуатацiї ЕА.
час розробки нової апаратури, оскiльки допомагають заздалегiдь врахувати особливостi експлуатацiї i недолiки попереднiх розробок.
електронний апарат надiйнiсть
гарантує надiйної роботи. Зменшення навантаження до оптимального збiльшує надiйнiсть роботи.
Про значення реального навантаження роблять висновки за систематичними даними експлуатацiї та замiром режимiв роботи елементiв. Для оцiнки режиму роботи використовують коефiцiєнт навантаження за потужнiстю i за напругою.
Коефiцiєнт навантаження за потужнiстю:
Кр
=Рр
/Рн
, (2)
де Рр
– робоче значення потужностi розсiяння;
Рн
– номiнальне значення потужностi розсiяння.
Кu
=Up
/Uн
, (3)
де Up
– робоче значення навантаження;
Uн
– номiнальне значення навантаження.
Пiд час проектування зазвичай приймають коефiцiєнт електричного навантаження 0,5-0,6.
3 Температура, вологiсть, атмосфернi опади
Істотно впливає на температуру усерединi апарата та температуру окремих елементiв температура зовнiшнього середовища. Сезонне коливання температури досягає (60-80)°С, добове коливання становить (20-40)°С.
Пiдвищення температури елемента приводить до пiдвищення коефiцiєнта навантаження. Неабияким фактором є швидкiсть i циклiчнiсть змiни температури в апаратi.
Несприятливi дiї на надiйнiсть чинять як негативнi, так i позитивнi температури. Особливо помiтне зростання iнтенсивностi вiдмов пiд час дiї позитивних температур. Так, наприклад, при збiльшеннi температури вiд +20°С до 85°С зростає iнтенсивнiсть вiдмов германiєвих транзисторiв втричi
(вiд 0,2·10-7
1
/год-7
1
/год
), а iнтегральних мiкросхем – у 3-5 разiв
(вiд 0,1·10-7
1
/год
до 0,5·10-7
1
/год
).
їх з ладу.
Перiодичнi змiни низьких i високих температур особливо швидко приводить до порушення рiзних обмоток (трансформаторiв, iндуктивностей, дроселiв). При негативних температурах пластмаси втрачають мiцнiсть, гумовi деталi стають крихкими. У трiщини, що виникли в iзоляцiї, потрапляє волога, зменшується її електрична мiцнiсть.
Легко руйнується з’єднання пластика з металами, сплави метала зi склом, порушується пайка, зменшується ємнiсть електролiтичних конденсаторiв, зменшується коефiцiєнт пiдсилення транзисторiв.
Слiд зазначити, що в результатi пiдвищення вологостi помiтно знижується надiйнiсть ЕА:
λв
= λн·в
·Кв
, (4)
де λн·в
– iнтенсивнiсть вiдмови при нормальнiй вологостi;
Кв
Таблиця 2 – Значення поправочного коефiцiєнта для рiзної вологостi
|
Температура, °С |
|
60-70
90-98
90-98
|
20-40
20-25
30-40
|
1
2
2,5
|
4 Знижений тиск, забрудненiсть повiтря
Вплив зниженого тиску в основному поширюється на апаратуру, яка використовується в лiтаках, гелiкоптерах, космiчнiй апаратурi, ракетах, а також у гiрськiй мiсцевостi на висотi понад 1000 м. Значення атмосферного тиску залежить вiд висоти пiдйому, температури i широти мiсця.
Знижений тиск впливає на iзоляцiйну властивiсть повiтря, приводить до змiни ємностi повiтряних конденсаторiв та характеристик iнших елементiв, в яких повiтря використовується як iзолятор.
Знижений тиск погiршує вiдведення тепла вiд елементiв ЕА, що може привести до їх перегрiву, особливо на великих висотах, оскiльки уже на висотi 6 км теплоємнiсть повiтря зменшується вдвiчi порiвняно з його теплоємнiстю бiля землi.
Знижений тиск приводить до деякого збiльшення iнтенсивностi вiдмов:
λ= λНД
·КД
, (5)
де λНД
– iнтенсивнiсть вiдмов при нормальному тиску.
Залежнiсть атмосферного тиску вiд висоти та значення поправочного коефiцiєнта КД
наведена в табл. 3
|
Тиск, мм. рт. ст. (Па) |
Поправочний коефiцiєнт, КД
|
0,1
1
3
5
10
|
700 (93100)
670 (89110)
520 (69160)
405 (53865)
195 (25935)
|
1
1,05
1,14
1,16
1,3
|
Окремий поправочний коефiцiєнт на забруднення повiтря не запроваджується.
5 Механiчнi навантаження
Основними механiчними навантаженнями є удари та вiбрацiя. Наслiдками удару є коливання, якi затухають, та великi прискорення, якi передаються елементам ЕА.
Удари та вiбрацiї приводять до порушення цiлiсностi паяння, контактiв, пошкодження електронних елементiв, обривiв монтажних дротiв, до порушення регулювань тощо.
Механiчнi впливи прийнято оцiнювати за значенням створюваного прискорення та вимiрювати в одиницi прискорення вiльного падiння.
Ударнi прискорення можна вирахувати за формулою:
gy2
/2·9,81ℓy
,(5)
де gy
– прискорення в вiдносних одиницях;
V – миттєва швидкiсть у момент удару, м/с;
ℓy
Вiбрацiї являють собою складнi механiчнi коливання, що зазнає апаратура при безпосередньому контактi з джерелом коливань. Характеристиками вiбрацiй є їх довготривалiсть, дiапазон частот та значення вiдносного прискорення.
Вiдносне прискорення при вiбрацiях можна визначити за вiдомою частотою коливань та амплiтудою перемiщення:
Gв
=4πf 2
ℓв
/9,81, (6)
ℓв
– амплiтуда перемiщення, м.
Внаслiдок вiбрацiй та ударiв параметр потоку вiдмов однiєї i тiєї самої апаратури, встановленої в лiтаках та ракетах, буде у 100 разiв вище, нiж на землi.
Будь-яка апаратура, в тому числi i побутова, проходить випробування на впливи зовнiшнiх механiчних i клiматичних факторiв.
Наприклад, ГОСТ-11478-88 „Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Нормы и методы испытаний на воздействие внешних механических и климатических факторов” мiстить вимоги на мiцнiсть при транспортуваннi, вiбростiйкiсть i режими, в яких проводяться випробування ЕА за оцiнкою впливу наведених факторiв.
Характеристики за вiбрацiями та перевантаженням рiзних видiв перевезення наведенi в табл. 4.
| Види перевезення |
Частота вiбрацiй, Гц |
Перевантаження |
Частота максимального перевантаження |
Морськi
Залiзничнi
Автомобiльнi
Апарат в ракетi
|
0-30
0-220
5-500
|
1
2
4-5
20
10-70
|
10-30
2-8; 30-400
2-3; 20-150
150-300
–
|
| 
