Глава7. Способы повышения надежности технических устройств

7.1. Способы повышения надежности в процессе проектирования и производства

В процессе проектирования и произ­водства повышение надежности может быть достигнуто проведением прежде всего сле­дующих мероприятий:

совершенствованием принципов кон­струирования узлов аппаратуры (в частности, применение схем, мало критичных к уходу параметров элементов);

установкой в аппаратуру элементов и материалов с высокими показателями на­дежности;

обеспечением облегченных (по сравне­нию с предельными по техническим условиям) электрических, тепловых, вибрационных и других режимов работы элементов в аппаратуре;

применением граничных и других ви­дов испытаний при отработке новых узлов аппаратуры (вновь разрабатываемые узлы должны подвергаться испытаниям на воздействие всего комплекса внешних фак­торов);

широким применением гибридных и ин­тегральных микросхем; применением резерв­ных узлов и блоков;

использованием входного контроля ма­териалов и элементов на заводе-изготовите­ле ТУ;

использованием при электрическом мон­таже и сборке узлов ТУ автоматизирован­ного оборудования;

широким применением встроенных или автономных устройств автоматического кон­троля работоспособности;

заменой паяных соединений сварными.

При этом целесообразно добиваться:

электрической нагрузки элементов, где это возможно, не более 30—35% номинальной;

применения стабилизированного напря­жения для питания цепей накала ЭВП, так как колебание напряжения питания и в свя­зи с этим температуры нити накала приво­дит к быстрому изнашиванию катода;

всемерного облегчения температурных режимов узлов путем их рационального размещения (источники, интенсивно выде­ляющие тепло, должны располагаться как можно дальше от других элементов) и соз­дания системы принудительного терморегу­лирования;

герметизации высоковольтных блоков;

минимального воздействия на элементы электрических перегрузок во время переходных процессов применением автоматов постепенного повышения (изменения) пита­ющих напряжений при включении аппара­туры, а равно постепенного уменьшения (изменения) напряжений при выключении аппаратуры.

С целью повышения влагостойкости и вибростойкости некоторые узлы (иногда и блоки) следует заливать смолами или пластмассами, образующими жесткую оболочку. Подобные заливки ухудшают тепло­вой режим работы элементов (плохая теплоотдача материала заливки), и это долж­но быть предусмотрено при проектировании.

При производстве РЭА важно обеспе­чить надежность электрических соединений. Известно, что даже высококачественные пайки служат причиной многих отказов при эксплуатации РЭА, а сам процесс пайки часто отрицательно сказывается на элемен­тах, расположенных вблизи места пайки (распространение тепла от паяльника). Там, где можно, следует пайку заменять сваркой электронным или лазерным лучом. При этом значительно увеличивается на­дежность соединений и сводится к миниму­му температурное воздействие технологи­ческого процесса на радиоэлементы.

Много отказов возникает и в соедини­тельных и кабельных линиях. Основным пу­тем повышения надежности здесь является предельное ограничение номенклатуры про­водов и кабелей по маркам и сечениям.

О методе матричных (гра­ничных) испытаний. Матричные (граничные) испытания применяют для ана­литического или экспериментального изуче­ния правильности подбора параметров эле­ментов, питающих напряжений, регулировочных элементов в узлах аппаратуры. При матричных испытаниях представляется воз­можность изучить влияние внезапных и по­степенных отказов элементов на работо­способность узлов. Матричные испытания проводятся на стадии макетирования кон­струкции аппаратуры и особенно ее узлов (блоков).

Сущность метода матричных испыта­ний чаще всего сводится к экспериментальному определению области безотказной ра­боты узла при изменениях параметров эле­ментов. Параметры узлов (схем), на которые накладываются ограничения, обыч­но называются определяющими выходными параметрами схем (узлов). Каждый такой параметр зависит от большого числа факто­ров (характеристик изделий электронной техники и электротехники, параметров источников питания и, конечно, характери­стик внешней среды), называемых входны­ми параметрами ( ).

Для каждого выходного параметра уз­ла можно установить область допустимых значений (при двустороннем допуске), причем

Следовательно, область безотказной работы узлов (схем) по выходному параметру описывается двумя криволинейны­ми поверхностями в п-мерном пространстве входных параметров:

,

где и могут быть различными, но обычно они соответственно равны и .

Если бы все параметры изделий, входя­щих в узел (схему) принимали номиналь­ные (точечные) значения, то они определи­ли бы одну номинальную рабочую точку выходного параметра у_{і н} (при данных внешних условиях). Но параметры х_j име­ют технологический разброс, изменяются за счет изнашивания, нестабильности источни­ков питания, изменения внешних условий и т. д. Поэтому рабочая точка y_ip подвиж­на и при некотором сочетании параметров х_j может выйти за пределы области безот­казной работы, что и обусловит постепен­ный или даже внезапный отказ узла (схе­мы). Геометрическое место всех возможных рабочих точек образует

п-мерную рабочую область. Если она не выходит за пределы области безотказной работы, то устройство спроектировано правильно и сохраняет свою работоспособность при изменении входных параметров в тех или иных пределах ( , ).

Различают два способа матричных испытаний: испытания узлов (схем) в процессе их проектирова­ния; испытания узлов (схем) в процессе их эксплуатации в составе РЭА.

Аналитически матричные (граничные) испытания возможно провести для неслож­ных схем при известных зависимостях вы­ходных параметров от входных и установленных значений , . Для узлов (схем), для которых зависимости у_i = f_i(x₁ ,..., x_j, ..., x_п) сложны, применяется экспериментальный метод нахождения гра­ниц области безотказной работы. Этот ме­тод часто называют граничными испыта­ниями. Поскольку число входных парамет­ров х_j обычно велико, то область безотказ­ной работы получают в виде дискретных сечений ее плоскостями, параллельными координатным плоскостям (рис.7.1, а). С этой целью обычно собирают макет узла (схемы), в котором можно изменять вели­чины параметров х_{j ,} представляющих собой сопротивления, емкости, характеристики электронных приборов (тепло, холод), и т.д.

Рис. 7-1. График матричных (граничных) испытаний.

а — построение проекции сечения области безотказной работы; б — выбор положения рабочей области.

Всем моделируемым входным пара­метрам х_j придают некоторые исходные значения. Затем варьируют значения одно­го из параметров (например, x_r) и опреде­ляют при этом соответствующие значения другого параметра (например, х_с), при которых выходные параметры (часто это один-два параметра) выходят за установленные для них границы. Как правило, мат­ричные испытания возможно провести (осо­бенно при подборе элементов схемы с раз­личными параметрами) при нескольких дискретных значениях входных параметров. Поэтому на графике испытаний (рис. 7-1, а) будет получено несколько точек, по кото­рым строят кривые. Образованная пересе­чением полученных кривых область, очевид­но, является проекцией сечения области безотказной работы плоскостью, параллель­ной координатным осям x_r, х_с . Но т. к. на входные параметры х_j, имеются допуски, указанные, например, в технических условиях на данный эле­мент схемы, то по ним можно построить рабочую область (на рис. 7-1, а заштрихо­вана) Если рабочая область не выходит за границы области безотказной работы, то при выбранном сочетании входных пара­метров x_j (j R; j C) данный узел (схема) работает безотказно. Можно определить также «запас» по изменению исследуемых параметров (в данном случае x_R, x_c), при котором узел или схема сохраняет свою работоспособность при неизменных значени­ях параметров прочих элементов.

Очевидно, если хотя бы один из осталь­ных входных параметров изменяет свое значение, конфигурация области безотказ­ной работы и, следовательно, проекции ее сечения изменятся. Поэтому для полного обследования положения рабочей области необходимо повторить процедуру испыта­ний, варьируя значения входных парамет­ров x_j (j R; j C) в пределах допусков на них. Для сложных узлов (схем) подобные испытания оказываются далеко не просты­ми. Однако у разработчиков узлов (схем) по опыту эксплуатации близких по назна­чению и конструкции блоков ТУ имеются сведения о том, какие параметры и каких элементов наиболее критичны, а какие мало сказываются на работоспособности узлов (схем).

По результатам матричных испытаний можно изменить первоначально выбранные номинальные значения и допуски входных параметров для того, чтобы обеспечить наи­большую безотказность узла (схемы) по постепенным отказам элементов с учетом условий эксплуатации (тепловых, ударно-вибрационных и других нагрузок). Дей­ствительно, если в процессе испытаний уда­стся определить характер постепенного из­менения положения рабочей области в зависимости от наработки узла (схемы), можно установить оптимальное начальное положение рабочей области, как это иллю­стрируется на рис. 7-1,б, где t_нач—поло­жение рабочей области в начальный период эксплуатации узла (схемы). Особенно боль­шой эффект матричные испытания дают в случае, когда известны зависимости изме­нения параметров элементов от температу­ры, влажности, наработки, а также других факторов и эти зависимости положены в основу моделирования параметров элемен­тов. Опыт показывает, что невнимание к матричным (граничным) испытаниям при разработке узлов и блоков РЭА ведет к созданию аппаратуры, недостаточно стой­кой к воздействию эксплуатационных фак­торов.