содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

НАДЕЖНОСТЬ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ ЗАКЛАДЫВАЕТСЯ ПРИ ЕЕ ПРОЕКТИРОВАНИИ

Изделия радиоэлектроники, как и любые другие технические средства, проходят последовательные этапы проектирования, производства и эксплуатации.

Все три этапа в той или иной степени влияют на надежность и долговечность работы радиоэлектронной аппаратуры. Однако значение каждого из указанных этапов для надежности неравнозначно.

Период эксплуатации — самый важный и обычно самый длительный период существования аппаратуры Но возможности для повышения надежности аппаратуры в этот период наиболее ограничены.

В эксплуатацию поступает уже законченная производством, готовая аппаратура. Без изменения ее схемы, конструкции, используемых в ней деталей и элементов добиться сколько-нибудь заметного повышения ее надежности невозможно.

Поэтому обычно задачей эксплуатации являются поддержание возможно более длительное время уровня надежности аппаратуры, достигнутого в процессе ее проектирования и производства, а также сбор и обобщение данных о конструктивных, схемных и производственных недостатках аппаратуры для учета их при разработке последующих образцов.

Решающими этапами в обеспечении .высокой надежности радиоэлектронной аппаратуры являются этапы ее проектирования и производства.

Опыт показывает, что если в ходе проектирования нового образца радиоэлектронной аппаратуры вопросам ее надежности не уделено должного внимания, необходимый уровень ее надежности не обеспечивается, то повышение надежности такого образца в ходе его производства, или, как говорят, «доводка» образца, обходится значительно дороже и требует больших усилий и времени.

На практике это требование не всегда соблюдается. Недоработки схемы первых партий некоторых наших телевизоров приходилось устранять уже в процессе их эксплуатации. Таких примеров, к сожалению, можно привести много.

Следовательно, чтобы обеспечить высокую надежность любого нового образца радиоэлектронной аппаратуры, крайне важно, чтобы требуемый уровень надежности был обеспечен еще в период проектирования образца.

Однако этого еще недостаточно. Если надежность образца, заложенная при его проектировании, не будет обеспечена соответствующим технологическим процессом и контролем при его серийном производстве, поступающая в эксплуатацию аппаратура будет иметь пониженные показатели надежности.

Поэтому для обеспечения высокой надежности радиоэлектронной аппаратуры необходимо, чтобы она: закладывалась при проектировании аппаратуры; обеспечивалась при ее производстве; поддерживалась при ее эксплуатации.

Какие же мероприятия следует осуществлять на этапе проектирования аппаратуры для обеспечения ее высокой надежности?

Под этапом проектирования понимается обычно период времени от формулирования тактико-технических требований (ТТТ) или технического задания (ТЗ) на разрабатываемую аппаратуру до передачи технической документации (чертежи, технические условия, описания и т. п.) на завод, который будет изготовлять данную аппаратуру серийно.

Отработка вопросов надежности должна производиться на всех четырех стадиях, из которых состоит проектирование:

(подготовительной стадии (в процессе которой производятся оценка условий эксплуатации проектируемой аппаратуры, расчет требуемой надежности составляющих элементов, выбор соответствующих типов элементов и режимов их использования и т. п.); стадии проектирования; стадии изготовления образца; стадии экспериментальной проверки образца.

С самого начала проектирования аппаратуры необходимо учитывать все факторы, определяющие ее надежность. Важнейшими из них являются качество и количество элементов, намечаемых к использованию, режимы их работы, схемное и конструктивное построение аппаратуры

Мы уже говорили в гл. 4, что для обеспечения требуемой надежности любого образца радиоэлектронной аппаратуры необходимо, чтобы в технические условия на его разработку включались конкретные требования его надежности.

Эти требования кладут в основу при выборе схемных элементов проектируемого образца и расчете их надежности. Для использования отбираются наиболее современные и качественные детали, обладающие наибольшей стабильностью параметров и эксплуатационной надежностью.

Разработчик радиоэлектронной аппаратуры должен хорошо знать не только всю номенклатуру серийно выпускаемых деталей и элементов и их характеристики, но и образцы новых разрабатываемых деталей, чтобы ориентироваться на наиболее совершенные, перспективные детали.

В числе серийно выпускаемых деталей нередко имеется ряд устаревших типов, подлежащих снятию с производства В 1959 г. по заданию Государственного Комитета Совета Министров СССР по радиоэлектронике специальными комиссиями были рассмотрены нормали и технические условия на все основные типы существующих деталей радиоэлектронной аппаратуры.
Комиссии рекомендовали запретить к употреблению в разрабатываемой аппаратуре значительное количество выпускаемых деталей.

Так, из рассмотренных 183 нормалей и технических условий (ТУ) на конденсаторы комиссия сочла возможным рекомендовать к использованию только 88 (48%).

Из рассмотренных 89 нормалей и ТУ на сопротивления комиссия рекомендовала использовать только 42 (или 47%).

Перечни рекомендуемых образцов составлены и то электровакуумным изделиям и полупроводниковым приборам

Широкое применение полупроводниковых приборов в проектируемых образцах радиоэлектронной аппаратуры весьма целесообразно, так как они принципиально более надежны, чем электронные лампы, и требуют значительно меньших напряжений питания, что облегчает режимы работы и других деталей.

При выборе необходимых деталей в ходе проектирования следует помнить, что разброс их параметров в конце срока службы обычно в несколько раз превышает разброс параметров в начале эксплуатации.

Весьма целесообразно использовать в аппаратуре элементы и детали с примерно одинаковым сроком службы. Это позволит снизить общую частоту отказов аппаратуры и повысить надежность ее работы.

Надежность работы большинства элементов радиоэлектронной аппаратуры зависит не только от качества их изготовления, но главным образом и от режима их использования.

Даже самые высококачественные элементы и детали, поставленные в тяжелый, не предусмотренный для них режим работы, могут быстро выйти из строя.

Поэтому важнейшей задачей при проектировании радиоэлектронной аппаратуры является обеспечение таких условий, чтобы все используемые в образце элементы и детали работали только в режимах, предусмотренных техническими условиями на них.

Режим работы элементов определяется коэффициентом нагрузки, выражаемым в общем виде формулой
 

Кн=Нр/Нн

с коэффициентом нагрузки выше 0,5 работает менее 5% всех используемых сопротивлений; основная часть используемых в аппаратуре конденсаторов также имеет коэффициент нагрузки менее 0,1; «в режиме, /превышающем допустимую нагрузку, т. е. ic коэффициентам больше 1, работает лишь около 2% используемых конденсаторов; основная часть применяемых в аппаратуре ламп используется в режиме, соответствующем коэффициенту нагрузки 0,5—0,6.

Для создания облегченных режимов работы элементов радиоэлектронной аппаратуры целесообразно:

питающие напряжения в схемах применять минимально допустимой величины; это ведет к уменьшению уровня электрической нагрузки деталей и повышению надежности аппаратуры; питание цепей накала ламп стабилизировать, что исключает опасность излишнего нагрева катода и увеличивает icpoK службы ламп;

коэффициент запаса для сопротивлений по мощности, а для конденсаторов по напряжению брать равными 2, т. е. иметь для сопротивлений и конденсаторов Кн~ 0,5; опыт показывает, что при рабочем напряжении на конденсаторе в 2 раза ниже номинального вероятность повреждений конденсаторов различных типов снижается в 5—10 раз.

Надежность работы радиоэлектронной аппаратуры в большой степени зависит от ее теплового режима. Перегрев отдельных элементов и узлов аппаратуры приводит к изменениям их параметров, ухудшению работы аппаратуры, а иногда и выходу ее из строя.

Обеспечение нормального теплового режима работы деталей тем сложнее, чем меньше общие габариты аппаратуры. Часто тяжелые тепловые режимы являются результатом недостаточно продуманной конструкции и монтажа аппаратуры.
Так, в некоторых типах телевизоров чувствительные к перегреву детали и элементы — полупроводниковые приборы, конденсаторы, контурные катушки генераторов и др. — располагались непосредственно над элементами схемы, выделяющими большое количество тепла: электронными ламшами, силовыми трансформаторами, сопротивлениями с большой мощностью рассеивания.

В результате этого наблюдались случаи большого ухода частоты синхронизатора, нарушения устойчивости работы других узлов и телевизоров в целом.

Для облегчения тепловых режимов работы деталей необходимо при конструировании аппаратуры 'все чувствительные к высокой температуре элементы схем — конденсаторы, полупроводниковые (приборы, термисторы и т. п. — располагать как можно дальше от источников, излучающих тепло, от восходящих потоков теплового воздуха, а при монтаже и сборке аппаратуры держать подальше от них включенный паяльник.

Облегчение теплового режима достигается также специальными мерами для отвода тепла и методами принудительного охлаждения аппаратуры.

Системы охлаждения аппаратуры могут быть общими и локальными.

С помощью общих систем охлаждается аппаратура в целом; с помощью локальных систем охлаждаются отдельные элементы и узлы аппаратуры, находящиеся в наиболее тяжелом тепловом режиме работы.

В системах охлаждения радиоэлектронной аппаратуры применяются различные способы: естественное воздушное охлаждение, принудительное воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение и др.

Конкретный выбор наиболее рационального способа охлаждения аппаратуры при ее проектировании зависит от назначения аппаратуры и ее сложности.

Для повышения электрической и механической прочности и надежности радиоэлектронной аппаратуры при ее конструировании и монтаже применяется и ряд других мероприятий, подсказанных опытом. Перечислить все эти мероприятия в небольшой брошюре нет возможности. Укажем в качестве шримера лишь некоторые из них.

При работе аппаратуры в условиях высокой влажности применяют покрытие всех деталей и монтажа

специальными влагостойкими лаками, что устраняет возможность появления утечек при наличии влаги.

Рекомендуется избегать применения моточных изделий в открытом исполнении, так как в результате воздействия влаги снижается сопротивление изоляции, возникает возможность пробоев и коротких замыканий в цепях питания аппаратуры. Необходимо применять трансформаторы и дроссели, залитые различными компаундами, а еще лучше с вакуумной герметизацией.

Опасность пробоя при повышенных напряжениях устраняется герметизацией блоков, требующих больших питающих напряжений (передатчики, выпрямители и т. п.).

Применение печатного монтажа радиоэлектронной аппаратуры существенно повышает ее надежность.

Защита аппаратуры от воздействия ударов и вибраций обеспечивается применением соответствующей амортизации.

Для увеличения механической прочности аппаратуры ее тяжелые детали — трансформаторы, дроссели и др. — располагают в местах, имеющих наибольшую жесткость, например по углам шасси.

Конденсаторы и сопротивления большого веса, помимо закрепления выводов пайкой, имеют дополнительные крепления скобками или хомутиками.

Детали небольшого веса крепят на выводах с минимальной длиной, допустимой техническими условиями.

Создание для деталей разгруженных, облегченных режимов работы, хороший теплоотвод и охлаждение, принятие ряда других дополнительных мер существенно повышают надежность радиоэлектронной аппаратуры.

Однако всех этих мер иногда оказывается недостаточно, так как современная радиоэлектронная аппаратура становится все более сложной. Растет количество деталей, применяемых в различных образцах аппаратуры. Так, например, в некоторых образцах электронных вычислительных машин применяется по нескольку десятков тысяч, а иногда и сотен тысяч отдельных деталей.

Ненадежная работа хотя бы одной из этих деталей и связанная с этим возможность искажения огдельных операций могут привести к ошибочным результатам всей цепи сложных вычислений, проведенных машиной.

Мы уже говорили, что надежность радиоэлектронной аппаратуры в значительной степени зависит от количества и надежности используемых в ней деталей.

Обеспечить необходимую надежность аппаратуры за счет повышения надежности входящих в нее деталей не всегда удается, так как при большом количестве деталей требуется такая высокая степень их надежности, которую не могут дать все перечисленные мероприятия.

В этих условиях особое значение приобретает проблема создания надежной аппаратуры из менее надежных элементов.

«В решении проблемы надежности имеется множество трудных теоретических, строго научных вопросов .. Сюда относится, например, (проблема о построении сложной системы, обладающей более высокой надежностью, чем ее составные элементы, т е. проблема создания надежной системы из менее надежных элементов»,— говорит акад. А. И. Берг.

Ту же мысль (подчеркивает акад В А Трапезников, называющий проблему надежности «ключевой проблемой» «Решение этой проблемы должно идти, — говорит он, — как то линии разработки более надежных видов элементов и способов их соединения, так и по пути изыскания методов построения надежных систем из ненадежных элементов».

Одним из возможных путей (повышения (надежности аппаратуры при использовании в «ней менее надежных элементов является метод резервирования. Рассмотрим его несколько подробнее.

В теории надежности, как и в электротехнике, рассматривают два возможных вида соединения элементов: последовательное и параллельное. Однако понимание этих видов соединений © теории надежности и электротехнике различное. Последовательным соединением элементов в теории надежности называется такое соединение, при котором отказ в работе хотя бы одного элемента приводит к отказу аппаратуры в целом.

Этот вид соединения является основным, наиболее характерным и распространенным для большинства типов радиоэлектронной аппаратуры.

Параллельным или резервным соединением элементов в теории надежности считается такое соединение, при котором отказ аппаратуры наступает только в слу-чае выхода из строя всех параллельно (резервно) включенных элементов-

Следовательно, резервированием называется способ •повышения надежности аппаратуры путем включения в схему ряда .параллельных, резервных, элементов.

Почему резервирование обеспечивает повышение надежности радиоэлектронной аппаратуры и каково может быть это повышение? Рассмотрим для наглядности этот вопрос на конкретном примере.

Допустим для простоты, что мы имеем какой-либо радиоэлектронный при-бор, состоящий из двух элементов: А и Б, обладающих одинаковой надежностью, равной 0,9.

При последовательном соединении элементов общая надежность прибора, как мы уже говорили об этом в гл. 4, равна произведению надежностей обоих элементов.

Общая надежность аппаратуры при последовательном соединении элементов всегда ниже надежности самого худшего элемента.

Какова же надежность прибора при параллельном соединении двух указанных элементов, т. е. при дублировании основного элемента А разервным элементом Б?

Надежность работы двух параллельно включенных элементов, т. е. вероятность того, что по крайней мере один из них будет работать, равна сумме вероятностей трех возможных благоприятных исходов:

1) ни элемент Л, ни элемент Б не выйдут из строя;

2) элемент А выйдет из строя, но элемент Б будет работать;

3) элемент Б выйдет из строя, но элемент А будет работать.
 

Если при последовательном соединении элементов общая надежность аппаратуры ниже надежности самого худшего элемента, то при параллельном соединении

общая надежность аппаратуры выше надежности самого лучшего элемента.

Следовательно, при параллельном включении, т. е. при применении метода резервирования, можно получить более высокую степень надежности аппаратуры при использовании в <ней даже недостаточно надежных деталей. В этом принципиальное отличие метода резервирования от всех других способов повышения надежности.

В нашем примере надежность прибора, состоящего всего из двух параллельно включенных элементов, оказалась на 10% выше надежности каждого элемента в отдельности и на 20% с лишним выше надежности прибора при последовательном соединении элементов.

Расчеты показывают, что ic помощью резервирования можно добиваться повышения надежности аппаратуры в несколько раз.

Зависимость надежности аппаратуры от количества параллельно включенных элементов показана на рис. 7.

На нем по оси абсцисс отложена надежность используемых в аппаратуре элементов; кривые обозначают количество примененных элементов, а ось ординат показывает общую надежность аппаратуры.

Для того, например, чтобы определить общую надежность аппаратуры в описанном выше случае, т. е. для аппаратуры, состоящей из двух параллельно соединенных элементов с надежностью каждого 0,9, откладываем по оси абсцисс надежность, равную 0,9. Из полученной точки восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с кривой, соответствующей двум элементам, и из точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось ординат. Точка на оси ординат показывает, что общая надежность аппаратуры в данном случае равна 0,99.
 

Подобным же образом можно определить, что при надежности используемых в аппаратуре элементов, равной 0,4, и при шести элементах общая надежность аппаратуры равна примерно 0,92.

Существуют два основных метода резервирования: резервирование общее, т. е. резервирование аппаратуры в целом;

резервирование раздельное, т. е. резервирование аппаратуры ,по элементам или узлам.

Оба эти способа графически показаны на рис. 8 и 9.

Рис. 8. Общее резервирование. Рис. 9. Раздельное резервирование.

При общем резервировании резервные элементы и цепи, а также режимы их работы выбираются такими же, как и для основных элементов и цепей.

Анализ показывает, что при одном и том же количестве резервных элементов раздельное, поэлементное резервирование обеспечивает большее повышение надежности, чем общее резервирование.

В зависимости от характера -и особенностей различных видов радиоэлектронной аппаратуры .применяются два способа включения резервных элементов и цепей: постоянное включение резервных элементов на все время эксплуатации;

включение резервных элементов способом замещения отказавших элементов.

Основным достоинством резервирования при постоянном включении резерва является его простота, так как при этом не требуется никаких переключающих устройств и устройств сигнализации отказа.
 

Применение постоянного включения резервных элементов может быть целесообразным ,при резервировании отдельных каскадов, небольших блоков аппаратуры и т. п.

При включении резерва способом замещения один резервный элемент можно использовать на несколько рабочих элементов- Преимуществом резервирования способом замещения является также и то, что режим работы резервных элементов остается постоянным и поэтому включение их не требует дополнительных регулировок аппаратуры. Кроме того, надежность резервных элементов сохраняется более длительное время, так как до момента их включения они находятся в нерабочем состоянии.

Преимущества резервирования способом замещения по сравнению с постоянно включенным резервом возрастают с понижением надежности резервируемых элементов.

Применение резервирования способом замещения является более целесообразным в сложной радиоэлектронной аппаратуре, от которой требуется высокая надежность работы в течение длительного времени, например в радиорелейных линиях связи, крупных радиоузлах и пр.

Различают резервы «горячий» и «холодный» в зависимости от режима ламп, имеющих накаливаемый катод.

Применение «горячего» резерва сокращает время, необходимое для переключения схемы с отказавшего элемента на резервный.

При «холодном» резерве увеличивается срок службы резервных элементов.

Наиболее эффективным приемом резервирования является применение раздельного резервирования со способом включения замещением при обеспечении возможности замены каждым резервным элементом большого количества однотипных рабочих элементов.

Применение резервирования является одним из наиболее действенных способов повышения надежности радиоэлектронных устройств.

Однако необходимо иметь в виду, что применение резервирования неизбежно ведет к усложнению аппаратуры, увеличению ее веса и габаритов.
 

Поэтому при проектировании радиоэлектронной аппаратуры применение в ней резервирования целесообразно лишь тогда, когда исчерпаны все остальные, более простые способы повышения надежности и когда в этом имеется крайняя необходимость.

В свете сказанного выше очень важное значение для повышения надежности радиоэлектронной аппаратуры приобретает проблема микроминиатюризации.

Суть проблемы микроминиатюризации заключается в том, чтобы максимально уменьшить габариты и вес всех основных радиодеталей и увеличить их плотность в сборке при одновременном повышении надежности аппаратуры и обеспечении возможности автоматизации ее производства.

Решить проблему микроминиатюризации простым уменьшением габаритов и веса существующих радиодеталей нельзя. Требования повышения надежности аппаратуры и ее способности работать в условиях предельных нагрузок приводят к необходимости коренных изменений в конструкции и технологии изготовления электронных деталей и устройств.

Создание новых деталей вызывает необходимость применения и новых систем их сборки и конструирования аппаратуры.

Наилучшей системой, дающей возможность осуществить максимальное сокращение габаритов радиоэлектронной аппаратуры при одновременном повышении ее надежности, является микромодульная система. Микромодули становятся в настоящее время практическим воплощением микроминиатюризации.

Повышенная прочность ммкромодулей, их меньшая подверженность ударным и вибрационным воздействиям, хорошая герметизация и защищенность от влияния окружающей среды, способность работать в более широком диапазоне температур значительно повышают надежность аппаратуры, собранной при помощи микромодулей.

Мы уже говорили выше, что наряду с вероятностью безотказной работы аппаратуры важнейшим показателем ее надежности является ее ремонтопригодность Поэтому при конструировании радиоэлектронной аппаратуры весьма важно предусмотреть все возможные меры к уменьшению времени, необходимого на отыскание и устранение возникающих в ней неисправностей.

Применение микромодульной системы построения аппаратуры и с этой точки зрения весьма целесообразно.

При таком построении аппаратуры ее ремонт производится путем простой замены вышедших из строя узлов или блоков, на что требуется минимальное время.

Сменные блоки могут быть переданы на ремонт в специальные мастерские.

Опыт эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры показывает, что для нахождения причин ее неисправности затрачивается часто значительно больше времени, чем на их устранение.

Поэтому весьма важно обеспечить возможность быстрейшего обнаружения и нахождения любой неисправности аппаратуры. Эту задачу значительно облегчает применение так называемого встроенного контроля надежности работы. Суть его состоит в том, что в составе самой аппаратуры предусматривается наличие соответствующих контрольно-измерительных приборов, которые непрерывно контролируют основные параметры аппаратуры. В случае их изменения сверх допустимых пределов система контроля дает сигнал, который либо выключает неисправные элементы и включает взамен их исправные, либо сигнализирует о необходимости ремонта аппаратуры.

Этап проектирования заканчивается изготовлением образца и его испытаниями, в ходе которых проверяются расчетные данные и фактически полученные параметры, в том числе запроектированная надежность.

Существуют различные методы испытания аппаратуры. Наиболее эффективным методом проверки надежности радиоэлектронной аппаратуры в процессе ее разработки является метод граничных испытаний: сущность его состоит в том, что режим работы испытываемой аппаратуры изменяют до тех пор, пока один из ее элементов или узлов не выйдет из строя.

Метод граничных испытаний дает возможность практически оценить надежность используемого образца, помочь конструктору выявить его слабые места и создать в этих местах необходимый запас прочности.

содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..