1.5. Ускоренные испытания

Ускоренные лабораторные испытания имеют целью выявить изменения электрических, механических и других параметров РЭА (элементов и материалов) при сокращении длительности испытаний и одновремен­ном ужесточении условий эксплуатации, а также при форсировании режимов работы РЭА. Осуществление бо­лее жестких условий эксплуатации может достигаться путем увеличения температуры (t, °C), процента влаж­ности (r %), механических и других воздействий. Фор­сирование режимов работы РЭА (элементов) дости­гается путем повышения питающих напряжений или уве­личения электрической нагрузки. При испытаниях аппа­ратуры, работающей в циклическом режиме, для его форсирования уменьшают время пауз, увеличивают частоту и количество включений.

Воздействие перечисленных выше ускоряющих факторов приводит к увеличению интенсивности отказов. В результате ускоренных испытаний оказывается возможным получить функциональную зависимость интенсивности отказов () от внешних воздействий (t°, r%, р, мм рт.ст. и т. д.). Основная трудность проведения ускоренных испытаний заключается в необходимости установления соответствия законов распределения отказов при ускоренных испытаниях с законами нормальной эксплуатации. При этом необходимо, чтобы интен­сификация процессов старения и выработки ресурса не приводила к увеличению нагрузок сверх установленных допусков, при которых могут возникать отказы и по­ломки.

Выбор форсированных режимов ускоренных испытаний основывается на результатах теоретического и физико-химического анализа данных о работе РЭА и ее элементов. Сложность осуществления ускоренных испытаний заключается в том, что мы располагаем весьма малыми значениями физики отказов, имеющих место при различных условиях эксплуатации разнообразных РЭА (элементов). Одним из путей получения необходимых данных является сбор и анализ статистического мате­риала, позволяющего установить законы распределения различного вида отказов, выявить причины их возникновения и установить подобие этих законов как для РЭА, так и для ее элементов.

Наличие указанной информации позволяет решить вопросы о возможности ускорения физико-химических процессов, происходящих в РЭА (элементах) при проведении испытаний.

Известно, что одним из основных показателей на­дежности является случайная величина - среднее время безотказной работы Т_ср. Для определенной РЭА эта величина имеет некоторое функциональное распределе­ние с математическим ожиданием .M[Т_ср] и диспер­сией D.

Очевидно, что среднее время безотказной работы Т_ср зависит от совокупности различных, воздействую­щих на РЭА случайных факторов

Нашей задачей является установление функциональ­ной зависимости

М[Т_ср]=М[ ], (1)

D=D . (2)

Однако решение данной задачи, даже при современ­ном уровне развития науки, оказывается почти невы­полнимым для РЭА в целом и трудно выполнимым для отдельных элементов. Решение несколько облегчается, если ограничиться рассмотрением воздействия отдельно действующего фактора при прочих неизменных. Но и в этом случае вывод зависимостей (1) и (2) для отдельных элементов требует ряда упрощений и допу­щений, в какой-то степени искажающих физику процес­сов. Источником информации, необходимой для прове­дения ускоренных испытаний, могут являться как данные эксперимента, так и литературные данные о частоте отказов различных элементов в зависимости от воздей­ствия внешних или внутренних факторов.

Перед началом испытаний необходимо проанализи­ровать условия эксплуатации, хранения и транспорти­ровки РЭА, установить, какие нагрузки может испыты­вать РЭА (увеличение питающих напряжений, количе­ство включений, длительность работы и т. д.), а также интенсивность воздействия отдельных факторов (темпе­ратура, влажность, вибрация и т. д.).

На первом этапе испытаний экспериментально или теоретически, используя имеющиеся литературные данные, выбираются воздействующие факторы, наибо­лее ускоряющие износ изделия.

При выборе воздействующих факторов и пределов их изменения необходимо исходить из возможности ма­ксимального ускорения физико-химических процессов, происходящих в аппаратуре и элементах при эксплуатации, избегая появления побочных процессов, иска­жающих картину износа и старения. Рекомендуется вы­бирать один или два фактора, при действии которых осуществляют ускоренные испытания.

При необходимости проведения испытаний на воз­действия ряда факторов испытываемые изделия разби­вают на несколько групп, каждая из которых испытывается на действие одного или двух факторов при неиз­менных остальных. Следует иметь в виду, что под действием какого-либо одного фактора в разнородных эле­ментах РЭА могут возникать различные процессы, про­текающие с различными скоростями. Поэтому необхо­димо учитывать, какие физико-химические протекают в элементах РЭА и какой может быть зави­симость интенсивности отказов от скорости этих процессов. Аналитическое рассмотрение данных зависимостей настолько трудно, что единственным путем решения по­ставленных задач является экспериментальное исследо­вание, сочетающееся с теоретическим анализом.

На втором этапе испытаний РЭА (элементы) подвергают воздействию выбранных факторов. По ре­зультатам испытаний определяют режим и объем уско­ренных испытаний, время наработки на отказ и другие параметры надежности.

На третьем этапе испытаний, пользуясь полу­ченными данными, разрабатывают методику ускоренных испытаний, в соответствии с которой осуществляют ис­пытания других экземпляров или партий аналогичных РЭА или элементов. По результатам испытаний для каждого воздействующего фактора находится распреде­ление частоты отказов и параметры М[Т_ср] и с ука­занием доверительного интервала при заданном уровне достоверности.

По полученным данным выводятся аналитические за­висимости (1) и (2) и строится график функции па­раметра распределения от воздействующего фактора. Затем параметры ускоренных испытаний пересчитывают для условий нормальной эксплуатации. В ходе пересче­та определяют коэффициенты, связывающие время обычных и ускоренных испытаний. Как показывает практика, при рационально разработанной методике ускоренных испытаний возможно сокращение времени испытаний в 2—4 раза.

Задавшись уровнем достоверности, относительной (абсолютной) погрешностью, предполагаемым сроком службы, режимом испытаний, а также пользуясь полу­ченными графической и аналитической (эмпирической) зависимостями, определяют объем испытаний и степень ускорения. Объем испытания существенно зависит от предполагаемого срока службы РЭА.

Недостатком рассмотренной программы подготовки к проведению ускоренных испытаний является ее дли­тельность.

Предложенная последовательность работ справедли­ва при проведении испытании любых элементов и аппаратов. Однако установление интересующих нас зависи­мостей для сложных РЭА или систем оказывается дли­тельным и трудоемким процессом. Поэтому, если пред­положить, что надежность элементов РЭА не зависит от их взаимодействия и законы распределения отказов у них одинаковы и экспоненциальны, то закон распре­деления отказов РЭА будет также экспоненциальным при всех принятых допущениях.

Отсюда оказывается возможным во многих случаях на основании испытаний элементов сделать вывод о на­дежности РЭА в целом.

Рассмотрим ряд примеров, показывающих, как, поль­зуясь экспериментальными или аналитическими зави­симостями, можно выбрать режим ускоренных испыта­ний различных радиоэлементов.

Известно, что надежность электровакуумных прибо­ров зависит от внешних условий эксплуатации и от электрических режимов аппарата. Основными парамет­рами, характеризующими электрические режимы, явля­ются коэффициент электрической нагрузки, напряжение накала и напряжения на аноде и экранной сетке. Коэф­фициентом электрической нагрузки электронных ламп называют отношение суммарной мощности рассеивания на электродах к суммарной допустимой мощности рас­сеивания:

(3)

где Р_Н - реальная мощность накала;

Р_а , Р_Э - реальные мощности рассеивания на аноде и экранной сетке;

Р_макс.а, Р_макс.Э - максимальные мощности рассеивания на аноде и экранной сетке;

Р_Н0 - номинальная мощность накала.

Очевидно, что в нормальном режиме при коэффици­енте нагрузки К_Н=1 средний срок службы лампы ра­нен Т₁. Увеличение мощности, рассеиваемой на электро­дах лампы, т. е. работа при перегрузке, приводит к со­кращению среднего срока службы лампы до Т₂ и росту интенсивности отказов.

Наличие зависимости относительного изменения среднего срока службы (Т₂/ Т₁) лампы от коэффициента погрузки (К_Н) позволяет установить степень надежности лампы (рисунок 3).

Рисунок 3 – Зависимость относительного изменения среднего срока службы сверхминиатюрных ламп от коэффициента нагрузки

Если относительное изменение среднего срока службы при увеличении К_Н оказывается больше допустимого значения, то надежность лампы выше заданной. В противном случае лампа оказывается ненадежной. Так, например, из графика на рисунке 3 следует, что при увеличении К_Н на 20% (К_Н=1,2) T₂/T₁= =14%. Это означает, что средний срок службы сокра­щается в семь раз (100/147). Следовательно, если при К_Н=1,2 T₂/T₁>14%, то лампа в нормальном режиме будет работать в течение вре­мени T₁. Если же в процес­се ускоренных испытаний значение T₂/T₁<14% (при К_Н=1,2), то это свидетель­ствует о ненадежности лампы.

Знание электрической за­висимости интенсивности от­казов приемно-усилительных ламп от напряжения нака­ла позволяет осуществить ус­коренные испытания за счет увеличения напряжения на­кала. Интенсивность отказов при рабочем напряжении U_Н определяется формулой

(4)

где _Н0 - интенсивность от­казов при номинальном на­пряжении накала;

U_H - рабочее напряжение накала;

U_H0 - номинальное напряжение накала.

Аналогично можно воспользоваться эмпирической формулой зависимости интенсивности отказов от анодно-экранного напряжения (U_а):

, (5)

где U_а - рабочее анодно-экранное напряжение; U_а0 - номинальное анодно-экранное напряжение.

Наличие экспериментально установленной связи среднего времени безотказной работы транзисторов (П13, П16) от мощности рассеиваемой на коллектор­ном переходе и от температуры окружающей среды позволяет осуществить их ускоренные испытания:

, (6)

где T₁ - среднее время безотказной работы при нор­мальной мощности рассеивания (P₁) и нор­мальной температуре (t₁);

T₂ - среднее время безотказной работы при повы­шенной мощности рассеивания (P₂) и повы­шенной температуре (t₂).

Из формул следует, что увеличение мощности рас­сеивания или температуры окружающей среды приво­дит к уменьшению среднего времени безотказной рабо­ты T₂.

Одним из наиболее широко применяемых в радио­аппаратуре элементов являются резисторы (около 40% всех элементов). Интенсивность отказов резисторов в значительной степени зависит от температуры окру­жающей среды и рассеиваемой мощности. Аналитиче­ская зависимость, связывающая относительную интен­сивность отказов с температурой окружающей среды и рассеиваемой мощностью, имеет вид:

(7)

где  - интенсивность отказов в рабочем режиме при реально рассеиваемой мощности (Р_р);

₀ - интенсивность отказов при допустимой (номи­нальной) рассеиваемой мощности (Р_Н) и пре­дельно допустимой (номинальной) температуре окружающей среды (t_H);

t_P - реальная температура окружающей среды;

R_t - тепловое сопротивление теплоотдачи с поверх­ности в окружающую среду;

В - постоянная, определяемая из опыта.

В соответствии с приведенной формулой для кон­кретного типа резистора строят зависимости /₀=f(t₀, Р_р/Р_Н) при определенных путем обработки статистиче­ских данных постоянных В, R_t и ₀. Пользуясь графи­ком (рисунок 4), можно найти величину в зависимости от Р_P и t_t.

Рисунок 4 – Расчетные зависимости интенсивности отказов композиционных резисторов от температуры окружающей среды и коэффициента нагрузки

Столь же широкое применение в РЭА имеют конден­саторы, интенсивность отказов которых того же поряд­ка, что и резисторов. Интенсивность отказов конденса­торов существенно зависит от электрических режимов, температуры и влажности окружающей среды. на средний срок 'службы конден­саторов выражается следующей эмпирической, зависи­мостью:

(8)

где U_Н - номинальное напряжение;

U_Р реальное напряжение;

t₀ - температура окружающей среды, °С;

t_H – номинальная температура среды ^оС;

Т_ср0 – средний срок службы при номинальном напря­жении и температуре окружающей среды t₀⁰=t_H⁰;

= 24 - постоянная, определяемая из опыта для данного типа конденсаторов.

За счёт увеличения реального напряжения или тем­пературы окружающей среды возможно ускорение про­цесса испытаний конденсаторов.

Мы привели примеры возможного осуществления ускоренных испытаний при вполне определенных воздей­ствующих факторах только для ряда радиоэлементов. Установление подобных зависимостей для всех элемен­тов при воздействии различных факторов является од­ной из первоочередных задач. Когда ускоренные испы­тания элементов не являются разрушающими, а время их проведения мало, их целесообразно вводить в тех­нологический процесс.