Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Расчёт надёжности электронных модулей

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 666247.02.99
В монографии рассмотрены вопросы расчётной оценки надёжности электронных модулей на этапе проектирования. Приведено описание моделей и методов прогнозирования показателей надёжности электронных модулей, программных средств расчётной оценки надёжности и особенностей прогнозирования характеристик надёжности электронной компонентной базы. Приведены инженерные методики расчёта показателей безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости электронных модулей и показателей достаточности систем ЗИП. Рассмотрены математические модели характеристик безотказности, долговечности и сохраняемости электронной компонентной базы и примеры их использования в расчётах надёжности электронных модулей. Приведено описание специализированных (ПК АСОНИКА-К, АСРН) и многофункциональных (Windchill Quality Solutions) программных средств, применяемых для автоматизации расчётов надёжности электронных средств. Издание рекомендуется инженерно-техническим и научным сотрудникам служб менеджмента качества предприятий, занимающихся проектированием и производством электронных средств с применением информационных технологий, а также студентам и магистрантам вузов и аспирантам, обучающимся по специальностям, связанными с управлением качеством, проектированием, конструированием и технологиями производства электронных средств.
Жданов, В. В. Расчёт надёжности электронных модулей : монография / В. В. Жданов. - Москва : СОЛОН-ПРЕСС, 2020. - 232 с. - (Серия «Библиотека студента»). - ISBN 978-5-91359-204-0. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1858797 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.

Серия «Библиотека студента»


В. В. Жаднов






РАСЧЁТ НАДЁЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ










Москва СОЛОН-Пресс 2020

УДК 621.396.6, 621.8.019.8
ББК 32, 32.85
Ж 16


Рецензенты:
     Заведующий сектором проблем кибернетики Федерального государственного учреждения «Федеральный исследовательский центр «Информатика и управление» Российской академии наук, заведующий кафедрой «Кибернетика и мехатроника» Российского университета дружбы народов, доктор технических наук, профессор Дивеев А. И.
     Старший научный сотрудник Акционерного общества «Концерн «Автоматика», доктор технических наук Барышников А. В.

     В. В. Жаднов
Ж 16 Расчёт надёжности электронных модулей: научное издание. — М.:
     Солон-Пресс», 2020. - 232 с.: ил. (Серия «Библиотека студента»)

ISBN 978-5-91359-204-0

          В монографии рассмотрены вопросы расчётной оценки надёжности электронных модулей на этапе проектирования. Приведено описание моделей и методов прогнозирования показателей надёжности электронных модулей, программных средств расчётной оценки надёжности и особенностей прогнозирования характеристик надёжности электронной компонентной базы.
          Приведены инженерные методики расчёта показателей безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости электронных модулей и показателей достаточности систем ЗИП. Рассмотрены математические модели характеристик безотказности, долговечности и сохраняемости электронной компонентной базы и примеры их использования в расчётах надёжности электронных модулей. Приведено описание специализированных (ПК АСОНИКА-К, АСРН) и многофункциональных (Windchill Quality Solutions) программных средств, применяемых для автоматизации расчётов надёжности электронных средств.
          Издание рекомендуется инженерно-техническим и научным сотрудникам служб менеджмента качества предприятий, занимающихся проектированием и производством электронных средств с применением информационных технологий, а также студентам и магистрантам вузов и аспирантам, обучающимся по специальностям, связанными с управлением качеством, проектированием, конструированием и технологиями производства электронных средств.

ISBN 978-5-91359-204-0           © Макет и обложка «Солон-Пресс», 2020
                                  © В. В. Жаднов, 2020

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ...........................................................4
1 ПОКАЗАТЕЛИ НАДЁЖНОСТИ ЭМ1........................................6
2  РАСЧЁТНАЯ ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕЗОТКАЗНОСТИ ЭМ1.................11
  2.1 Методика расчёта показателей безотказности ЭМ1...............11
  2.2 Особенности расчётной оценки интенсивностей отказов ЭРИ.....27
  2.3 Обеспечение показателей безотказности ЭМ1 при проектировании.60
3  РАСЧЁТНАЯ ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЭМ1..................71
3.1 Методика расчёта показателей долговечности ЭМ1.................71
  3.2 Особенности расчётной оценки показателей долговечности ЭРИ типа «ресурс».............................................83
  3.3 Особенности расчётной оценки показателей долговечности ЭРИ типа «срок службы».......................................107
  3.4 Особенности расчётной оценки показателей долговечности ЭМ1.113
4  РАСЧЁТНАЯ ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ РЕМОНТОПРИГОДНОСТИ ЭМ1........................................................116
  4.1 Методика расчётной оценки показателей ремонтопригодности ЭМ1 .... 116
  4.2 Методика расчётной оценки показателей достаточности систем ЗИП ЭМ1..................................................125
  4.3 Особенности расчётной оценки показателей ремонтопригодности ЭМ1......................................................131
5  РАСЧЁТНАЯ ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОХРАНЯЕМОСТИ ЭМ1................137
  5.1 Методика расчётной оценки показателей сохряняемости ЭМ1....137
  5.2 Особенности расчётной оценки показателей сохряняемости ЭМ1...139
6  ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ РАСЧЁТОВ НАДЁЖНОСТИ ЭМ1...............................................141
  6.1 Программный комплекс АСОНИКА-К...............................141
     6.1.1 Система расчёта показателей надёжности ЭМ1 АСОНИКА-К-СЧ......................................................145
     6.1.2 Система расчёта показателей надёжности резервированных ЭС АСОНИКА-К-СИ.........................................157
     6.1.3 Система расчёта показателей надёжности ЭС с реконфигурируемой структурой АСОНИКА-К-РЭС..............174
     6.1.4 Система расчёта показателей достаточности систем ЗИП АСОНИКА-К-ЗИП...........................................183
     6.1.5 Система расчёта показателей долговечности ЭС АСОНИКА-К-Д....................................................191
  6.2 Система АСРН...............................................205
  6.3 Система Windchill Quality Silutions........................206
  6.4 Особенности применения программных средств расчётов надёжности ЭМ1...........................................222
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................225
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.........................................226

3

            ВВЕДЕНИЕ


     Показатели надёжности радиоэлектронной аппаратуры относятся к той группе показателей качества, значения которых можно определить только по результатам либо испытаний на надёжность реальных изделий, либо их эксплуатации. В силу этого в «Программах обеспечения надёжности аппаратуры при разработке» для подтверждения возможности обеспечения требуемых показателей надёжности используются расчётные методы. Для «типовых» задач инженерных расчётов надёжности созданы нормативные документы (отраслевые и ведомственные стандарты), в которых приведены инженерные методики расчётов показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности, что позволяет обеспечить не только достоверность и воспроизводимость результатов, но и сделать эти расчёты доступными не только для математиков, но и для разработчиков аппаратуры.
     Однако реальная практика проектирования аппаратуры в части обеспечения надёжности далека от идеала. Одной из причин такого положения дел является то, что на ранних этапах проектирования в нормативных документах рекомендовано проведение «приближённого» расчёта (расчёта по характеристикам надёжности, усредненным для типов элементов), а на заключительном этапе - «уточнённого» расчёта (с учетом типономиналов, режимов и условий применения элементов). Это было вполне приемлемо в 80-х годах прошлого века, когда трудоемкость «ручных» расчётов была достаточно высока, поскольку данные, полученные в результате «приближённых» расчётов можно сравнить со «средней температуре по больнице», и, в лучшем случае, они могли служить основанием о необходимости введения резервирования.
     Что касается «уточнённых» расчётов, то они, как правило, проводятся на заключительных этапах, когда выпущена конструкторская документация (в т.ч. карты рабочих режимов). Поэтому главная цель таких расчётов состоит не в выявлении и своевременном устранении причин низкой надёжности, а в том, чтобы всеми возможными и невозможными способами подтвердить соответствие показателей надёжности требованиям заказчика. Очевидно, что проще написать «красивую» формулу и в конце поставить нужное число, чем вносить изменения в схемы и конструкции, что неизбежно приводит к новым итерациям процесса проектирования, увеличению сроков разработки и материальных затрат.
     Такая практика расчётов надёжности приводит к тому, что вопросам обеспечения характеристик надёжности элементов и электронных модулей первого уровня не уделяется достаточно внимания, хотя именно они определяют значения тех параметров, которые будут использованы в итоговой формуле. Это тем более странно, если принять во внимание, что современные средства автоматизации расчётов надёжности позволили снизить трудоемкость «уточнённых» расчётов и сделать её сопоставимой с ручным «приближённым» расчётом. Использование программного обеспечения позволяет в сжатые сроки

4

провести всесторонний анализ надёжности электронных модулей, выявить «критические» элементы, найти возможные пути обеспечения надёжности и проверить их эффективность.
      Вместо этого эффект от использования программ оказался прямо противоположным, т.к. «нажав на кнопку» пользователь получает, например, итоговое значение интенсивности отказов электронного модуля. Причём для этого ему нет необходимости знать, как оно было рассчитано, т.к. для проведения расчётов не требуется знаний ни о математических моделях интенсивностей отказов элементов, ни о физическом смысле их параметров и коэффициентов, в то время как при «ручных» расчётах без таких знаний не обойтись.
      Сложившаяся ситуация усугубляется тем, что многочисленные издания по теории надёжности посвящены, в основном, вопросам расчёта надёжности «сложных» изделий (резервированных, восстанавливаемых и др.), и содержат описания моделей и методов, которые заимствованы из теории вероятностей и математической статистики. Поэтому в данном издании такие вопросы рассматриваться не будут, а основное внимание будет уделено вопросам оценки показателей надёжности электронных модулей и характеристик надёжности электронной компонентной базы в рамках принятых в настоящее время методик, «узаконенных» в нормативных документах.

5

ПОКАЗАТЕЛИ НАДЁЖНОСТИ ЭМ1


      По терминологии ГОСТ Р 52003 [1] электронный модуль первого уровня (ЭМ1) - это электронный модуль, выполненный на основе базовой несущей конструкции первого уровня (БНК1) радиоэлектронного средства. ЭМ1 - это конструктивно и функционально законченное радиоэлектронное устройство или радиоэлектронный функциональный узел, выполненное (выполненный) в модульном или магистрально-модульном исполнении с обеспечением     конструктивной,     электрической, информационной
совместимости и взаимозаменяемости. Несущая конструкция первого уровня: БНК1 - это несущая конструкция радиоэлектронного средства, предназначенная для размещения печатных плат, изделий электронной техники и электротехнических изделий (примерами БНК1 являются: ячейка, кассета и др.). Пример конструкции БНК1 приведен на рис. 1.1.


Рис. 1.1. Пример конструкции электронного модуля 1-го уровня

     Очевидно, что характеристики надёжности электронных модулей в значительной степени будут определять показатели надёжности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в целом.
     В соответствии с ГОСТ 27.002 [2] надёжность - свойство ЭМ1 сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных

6

режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надёжность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения ЭМ1 и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств.
      Безотказность - свойство ЭМ1 непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.
      Долговечность - свойство ЭМ1 сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.
      Ремонтопригодность - свойство ЭМ1, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путём технического обслуживания и ремонта.
      Сохраняемость - свойство ЭМ1 сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.
      Количественными характеристиками одного или нескольких свойств, составляющих надёжность ЭМ1, является показатели надёжности. В ГОСТ 27.002 [2] приведены единичные показатели надёжности, которые характеризуют одно из свойств, составляющих надёжность ЭМ1.
      Показателями безотказности являются:
• вероятность безотказной работы - Р (tб.р) - вероятность того, что в пределах заданной наработки (tб.р) отказ ЭМ1 не возникнет;
• гамма-процентная наработка (Ту) - наработка, в течение которой отказ ЭМ1 не возникнет с вероятностью у, выраженной в процентах;
• средняя наработка до отказа (То) - математическое ожидание наработки ЭМ1 до первого отказа;
• средняя наработка на отказ (То) - отношение суммарной наработки восстанавливаемого ЭМ1 к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки;
• интенсивность отказов (%) - условная плотность вероятности возникновения отказа ЭМ1, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник;
• параметр потока отказов (го) - отношение математического ожидания числа отказов восстанавливаемого ЭМ1 за достаточно малую его наработку к значению этой наработки;
• осреднённый параметр потока отказов - отношение математического ожидания числа отказов восстанавливаемого ЭМ1 за конечную наработку к значению этой наработки.
      Показателями долговечности являются:
• гамма-процентный ресурс (Тр.у) - суммарная наработка, в течение которой ЭМ1 не достигнет предельного состояния с вероятностью у, выраженной в процентах;
• средний ресурс (Тр.ср) - математическое ожидание ресурса;

7

• гамма-процентный срок службы (Тсл.у) - календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой ЭМ1 не достигнет предельного состояния с вероятностью у, выраженной в процентах;
• средний срок службы (Тсл.ср.у) - математическое ожидание срока службы. Показателями ремонтопригодности являются:
• вероятность восстановления - Р (tв) - вероятность того, что время восстановления работоспособного состояния ЭМ1 (tв) не превысит заданное значение;
• гамма-процентное время восстановления (Тв.у) - время, в течение которого восстановление работоспособности ЭМ1 будет осуществлено с вероятностью у, выраженной в процентах;
• среднее время восстановления (Тв) - математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния ЭМ1 после отказа;
• интенсивность восстановления (ц) - условная плотность вероятности восстановления работоспособного состояния ЭМ1, определённая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента восстановление не было завершено;
• средняя трудоёмкость восстановления (Gв) - математическое ожидание трудоёмкости восстановления ЭМ1 после отказа.
     Показателями сохраняемости являются:
• гамма-процентный срок сохраняемости (Т₌.у) - срок сохраняемости, достигаемый ЭМ1 с заданной вероятностью у, выраженной в процентах
• средний срок сохраняемости (Т₌.ср) - математическое ожидание срока сохраняемости.
     В ГОСТ 27.002 [2] также приведены комплексные показатели надёжности, которые характеризуют несколько свойств, составляющих надежность ЭМ1.
     Комплексными показателями надёжности являются:
• коэффициент готовности (Кг) - вероятность того, что ЭМ1 окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение ЭМ1 по назначению не предусматривается;
• коэффициент оперативной готовности (Ког)- вероятность того, что ЭМ1 окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение ЭМ1 по назначению не предусматривается, и, начиная с этого момента, будет работать безотказно в течение заданного интервала времени;
• коэффициент технического использования (Кт.и)          - отношение
  математического ожидания суммарного времени пребывания ЭМ1 в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к математическому ожиданию суммарного времени пребывания ЭМ1 в работоспособном состоянии и простоев, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтом за тот же период;

8

• коэффициент сохранения эффективности (Кэф) - отношение значения показателя эффективности использования ЭМ1 по назначению за определенную продолжительность эксплуатации к номинальному значению этого показателя, вычисленному при условии, что отказы ЭМ1 в течение того же периода не возникают.
     Совокупность приведённых выше показателей надёжности представляет собой общую номенклатуру показателей надёжности, на основе которой формируется конкретная номенклатура показателей, задаваемая в частном техническом задании (ЧТЗ) и характеризующая надёжность ЭМ1.
     Для электронных модулей первого уровня номенклатура задаваемых показателей надёжности определяется по классификации изделий, приведенной в ГОСТ 27.003 [3]. В общем случае ЭМ1 можно отнести к изделиям общего назначения (ИОН) вида II (изделия, которые в процессе эксплуатация могут находиться в работоспособном или неработоспособном состоянии, а также в некотором числе частично неработоспособных состояний, в которые они переходят в результате частичного отказа), непрерывного длительного применения, восстанавливаемые, обслуживаемые, переход которых в предельное состояние не ведет к катастрофическим последствиям, стареющие и изнашиваемые одновременно, ремонтируемые обезличенным способом, длительно хранимые.
     В тоже время, если исходить из методики расчёта надёжности ЭМ1, приведённой в ОСТ 4Г 0.012.242 [4], а, точнее, из тех показателей, для расчёта которых она предназначена (вероятность безотказной работы и среднее время наработки на отказ), то ЭМ1 классификации ГОСТ 27.003 [3] следует отнести к изделиям конкретного назначения (ИКН) непрерывного длительного применения (НПДП),                               невосстанавливаемым,
обслуживаемым/необслуживаемым.
     Если исходить из методики расчёта долговечности, приведённой в ОСТ 4.012.013 [5], то по характеру основных процессов, определяющих переход в предельное состояние, ЭМ1 относится к изнашиваемым изделиям.
     И, наконец, если принять, что ЭМ1 является восстанавливаемым изделием, то исходя из методики расчёта среднего времени восстановления, приведённой в ОСТ 4.012.012 [6] и методики расчёта долговечности, приведённой в ОСТ 4.012.013 [5], то по возможности и способу восстановления технического ресурса (срока службы) путём проведения плановых ремонтов (средних, капитальных и др.) ЭМ1 относится к изделиям, ремонтируемым обезличенным способом.
     Вместе с тем, ЭМ1 представляют собой составные части (СЧ) радиоэлектронной аппаратуры, поэтому конкретная номенклатура показателей надёжности ЭМ1 в значительной степени определяется классификационными признаками аппаратуры, в которой они применяются.
     Поскольку номенклатура показателей надёжности, приведённая в ГОСТ 27.003 [3], содержит больше     показателей, чем номенклатура

9

ГОСТ 27.002 [2], то в ТЗ на проектирование ЭМ1 могут нормироваться и другие показатели, приведённые ниже:
•  вероятность безотказного срабатывания (включения) - Р о(вкл);
•  вероятность безотказного хранения P (tхр) за срок хранения (tхр).
      Следует отметить, что если формирование номенклатуры показателей надёжности для ЭМ1 не вызывает особых трудностей, то назначение их численных значений является не тривиальной задачей. Это связано с тем, что в приведённые в ТЗ на аппаратуру требования по надёжности необходимо распределить по её СЧ, в т.ч. и ЭМ1.
      Поскольку задача назначения численных значений показателей надёжности выходит за рамки проектных исследований надёжности ЭМ1, то здесь она рассматриваться не будет. В дальнейшем будем полагать, что номенклатура показателей ЭМ1 и их численные значения заданы в ЧТЗ.
      Таким образом, типовыми задачами расчётной оценки надёжности ЭМ1 на ранних этапах проектирования являются:
-  расчёт показателей безотказности;
-  расчёт показателей долговечности;
-  расчёт показателей сохраняемости;
-  расчёт показателей ремонтопригодности и комплексных показателей надёжности (для восстанавливаемых ЭМ1).
      Особенности решения этих задач при проектировании ЭМ1 будут рассмотрены ниже.

10

РАСЧЁТНАЯ ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕЗОТКАЗНОСТИ ЭМ1


       2.1 Методика расчёта показателей безотказности ЭМ1

     Методика расчёта показателей безотказности электронных модулей 1-го уровня, приведенная в ОСТ 4Г 0.012.242 [4], предназначена для расчёта вероятности безотказной работы - P (tб.р)
     Цели расчёта P (tб.р) ЭМ1 на этапе проектирования состоит в следующем: - оценить принципиальную возможность обеспечения заданных требований по безотказности
-  выбрать вариант схемно-конструктивного построения ЭМ1, в наибольшей степени удовлетворяющей заданным требованиям;
-  выявить составные части ЭМ1, обладающие наименьшей надёжностью, и разработать мероприятия по повышению их надёжности.
     Для расчёта P (tб.р) ЭМ1 по методике ОСТ 4Г 0.012.242 [4] необходимы следующие исходные данные:
•  структурно-функциональная схема ЭМ1;
•  перечень входящих электрорадиоизделий (ЭРИ);
•  описание функционирования и условий эксплуатации;
•  критерии отказа;
•  карты рабочих режимов ЭРИ;
•  интенсивности отказов ЭРИ.
     Рассмотрим основные этапы расчёта P (tб.р) ЭМ1 по методике ОСТ 4Г 0.012.242 [4].
     Интенсивность отказов (Л) ЭМ1 рассчитывается по формуле: i
Л = Е(Xi ■ П⁾ ,                    (2.1)
i=1
где Xi - интенсивность отказов ЭРИ i-го типа; п, - количество ЭРИ i-го типа в составе модуля, включая платы печатного монтажа, пайки, разъемы.
Примечание: интенсивность отказов ЭРИ для соответствующих условий эксплуатации определяются по методике справочника [7].
     Вероятность безотказной работы ЭМ1 рассчитывается по формуле:
P (tб.р ) = e⁻Л"б.р,               (2.2)
где tб.р - заданная наработка.
     Как следует из (2.1) и (2.2) в методике ОСТ 4Г 0.012.242 [4] приняты следующие допущения и ограничения:
-  интенсивность отказов ЭРИ во времени является постоянной величиной;
-  интенсивность отказов ЭМ1 во времени является постоянной величиной;
-  ЭМ1 не имеет структурной избыточности.
     Исходя из этих допущений и ограничений можно сформулировать следующие требования к ЭМ1.

11