5 Оценка надежности устройства

Надежность – свойство изделия выполнять заданные функции в определенных условиях эксплуатации при сохранении значений основных параметров в заранее установленных пределах [2].

Надежность – это физическое свойство изделия, которое зависит от количества и качества входящих в него элементов, от условий, в которых оно эксплуатируется (чем выше температура окружающей среды, чем больше относительная влажность воздуха, перегрузки при вибрации и т д., тем меньше надежность), и от ряда других причин.

Надежность в зависимости от назначения изделия может включать в себя такие понятия, как безотказность, ремонтопригодность, долговечность, сохраняемость и другие, в отдельности или в определенных сочетаниях.

Если при работе или хранении произошло нарушение работоспособности изделия, то такое событие называется отказом. Отказ является случайным событием. Постепенные (параметрические) отказы возникают в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров изделия. Например, под воздействием влаги постепенно снижаются чувствительность и избирательность радиовещательных и телевизионных приёмников, сужаются диапазоны рабочих частот. Внезапные отказы характеризуются скачкообразным изменением значения одного или нескольких параметров. Например, причиной внезапного отказа может быть пробой конденсатора, разрушение паяных соединений из-за различия ТКЛР материалов.

Количественные характеристики надежности носят вероятностный характер:

– интенсивность отказов () показывает, какая доля всех изделий или элементов данного типа в среднем выходит из строя за 1 ч работы. Например, если  = 10^-5 1/ч, то это означает, что за 1 ч работы из строя выйдет одна стотысячная доля элементов.

Типичный вид зависимости  от времени имеет вид, изображенный на рисунке 1 (т.н. «корытообразная кривая»). На этой характеристике можно чётко выделить три области:

Рисунок 1 – Зависимость интенсивности отказов от времени

Период приработки (область 1 на рисунке 1). В течение этого времени из строя выходят элементы, имеющие грубые дефекты, оставшиеся незамеченными при контроле. На практике обычно стремятся уйти из этой области, организуя в условиях производства термоэлектротренировку или технологический прогон. Продолжительность этой области составляет десятки-сотни часов.

Период нормальной эксплуатации (область 2 на рисунке 1). Характеризуется примерным постоянством во времени интенсивности отказов. Инженерные расчёты обычно выполняют для этого периода. Продолжительность данного периода составляет тысячи-десятки тысяч часов.

Область старения (область 3 на рисунке 1). Характеризуется повышенным числом отказов ввиду старения и износа составных частей изделий. Рост интенсивности отказов в этой области объясняется износом элементов (старением диэлектрика конденсаторов, потерей эмиссии катодом лампы и т.д.). У многих элементов старение начинается после нескольких тысяч, а иногда и десятков тысяч часов эксплуатации. Техническая эксплуатация изделий на этом этапе нецелесообразна;

– среднее время безотказной работы – величина, обратная интенсивности отказов;

– вероятность безотказной работы P(t_З) за заданное время t_З – показывает, какая часть изделий будет работать исправно в течение заданного времени t_З.

Для того, чтоб выполнить ориентировочный расчет надежности, необходимо рассчитать:

_() – суммарную интенсивность отказов элементов РЭУ с учетом электрического режима и условий эксплуатации;

T₀ – наработку на отказ;

P_(t_З) – вероятность безотказной работы за заданное время t_З = 1000 ч.

Для этого формируются группы однотипных элементов, для каждой группы по справочникам определяется значение интенсивностей отказов, соответствующее в среднем элементам каждой группы (таблица 5).

Признаком объединения элементов в одну группу является функциональное назначение элемента и, в определенной степени, эксплуатационная электрическая характеристика. Например, маломощные транзисторы объединяют в одну группу, мощные – в другую и т.д.

Монтажные соединения составляют отдельную группу. Отдельную группу составляют несущие конструкции (печатная плата и т.д.). Отдельную группу составляют также точки паек.

Так, например, для резисторов выбираем значение интенсивности отказов, соответствующее мощности рассеивания менее 0,5 Вт при постоянном токе, поскольку электрический каскад является маломощным, и энергетическая нагрузка элементов в основном определяется режимом по постоянному току. Аналогично выбираются значения интенсивностей отказов для остальных элементов.

Число паек определено как суммарное число внешних выводов элементов и внешних выводов каскада.

ПРИМЕР

Рисунок 4 – Схема электрическая принципиальная

усилительного каскада

Таблица 5

Группа элементов	Количество элементов в j‑ой группе nj	Интенсивность отказов для элементов j‑ой группы 0j, 10-6 1/ч	Произведение 0jnj, 10-6 1/ч
Транзисторы кремниевые малой мощности	1	0,4	0,4
Резисторы постоянные непроволочные, Pном<0,5 Вт, ток постоянный	4	0,05	0,2
Конденсатор электролитический алюминиевый	1	0,4	0,4
Печатная плата	1	0,2	0,2
Пайка	18	0,04	0,72
	–	–	1,92

Значение суммарной интенсивности отказов рассчитывается исходя из выражения:

(10)

где _0j – среднегрупповое значение интенсивности отказов элементов j-ой группы, найденное с использованием справочников, j = 1, …, k;

n_j – количество элементов в j-й группе, j = 1, …, k;

k – число сформированных групп однотипных элементов.

_ = 1,9210^-6 1/ч

С использованием обобщенного эксплуатационного коэффициента выполняется приближенный учет электрического режима и условий эксплуатации элементов.

Суммарную интенсивность отказов элементов РЭУ с учетом электрического режима и условий эксплуатации определяют как

(11)

где К_Э – обобщенный эксплуатационный коэффициент, выбираемый по таблицам в зависимости от вида РЭУ или условий его эксплуатации (таблица 6)

В скобках в таблице 6 указаны значения, рекомендуемые для использования в расчетах.

Для усилительного каскада для наземных стационарных условий примем К_Э = 3,0. Скорректируем величину _, учтя тем самым приближенно электрический режим и условия работы элементов каскада.

Таблица 6 – Значения обобщенного эксплуатационного коэффициента К_Э

Вид РЭУ, условия эксплуатации	Значение КЭ
Лабораторные условия	1,0
Помещения с регулируемой температурой и влажностью	1,1
Космос (на орбите)	1,5
Наземные стационарные условия	2…4,7 (2,5)
Наземные возимые РЭУ	4…7 (5,0)
Наземные подвижные (переносимые) РЭУ	7…15 (7,0)
Морские защищенные условия	7…12 (7,6)
Морские незащищенные условия	7…15 (10,0)
Бортовые самолетные РЭУ	5…10 (7,0)
Запуск ракеты	10…44 (20,0)

Тогда

_() = 1,9210^-63,0  5,810^-6 1/ч.

По общепринятым формулам для экспоненциального закона надежности подсчитываем другие показатели надежности:

а) наработка каскада на отказ

, (12)

ч

б) вероятность безотказной работы за заданное время t_З

, (13)