Влияние внешних возмущающих факторов на долговечность СВЧ-устройств

ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

На сегодняшний день СВЧ-аппаратура имеет широкий спектр применения: от простых бытовых приборов до сложных устройств космической техники. И вот работоспособность таких устройств чрезвычайно важна, поэтому так важно наиболее точно оценивать как вероятность безотказной работы, наработку, так и ресурс. Это связано с тем, что космическая техника является невосстанавливаемой и после наступления предельного состояния (т.е. полная выработка ресурса) вероятность отказа начинает возрастать очень быстро.

В соответствии с [1] ресурс - суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние, гамма-процентный ресурс -суммарная наработка, в течение которой объект не достигнет своего предельного состояния с вероятностью у, выраженной в процентах, а средний ресурс - математическое ожидание ресурса. Под предельным состоянием понимается состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно [4].

Еще одним важным пунктом определения значения ресурса радиоэлектронных приборов, в том числе СВЧ-устройств, является учет механических составных частей. Также стоит отметить, что отказы могут быть взаимосвязаны: нарушения работоспособности механических частей приводят к отказу электронной составляющей, и наоборот. Повреждения конструкции, деформации могут приводить к искажению сигналов, а нарушения электрического режима вследствие отказа ЭКБ могут приводить к отпаиванию проводов от контактных площадок, повышению температуры и т.п. Таким образом, пренебрегая отказами механических составных частей, мы завышаем результирующие значения показателей безотказности и долговечности СВЧ-устройств.

Методы оценки ресурса регламентированы ОСТ [3], значения ресурса для предельных и облегченных условий эксплуатации приведены в ТУ (необходимо уточнить, что ТУ только на отечественные разработки). Однако в них не описывается переход от этих значений к заданным на изделие, т.е. разработчики вынуждены оценивать ресурс изделия по нижней границе, так как космическая техника функционирует в отличных от предельных и облегченных условиях. Также сейчас не учитывается временной график работы изделия, когда изделие до непосредственного запуска в космос проходит различные проверки на земле, транспортируется к месту запуска, хранится и т.д. Освещению этих вопросов и посвящена статья - как оценить ресурс изделия, функционирующего в определенных условиях, и как учесть неравномерное расходование ресурса с момента ввода в эксплуатацию.

УДК 621.3.029

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗМУЩАЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ СВЧ-УСТРОЙСТВ

М. А. Карапузов, С. Н. Полесский, В. В. Жаднов

Для того, чтобы учесть неравномерное расходование ресурса, необходимо значения для различных групп аппаратуры нормировать относительно одного, произвольно выбранного (для определенности назовем его «ресурс при нормальных условиях» - Тр.н.у). Таким образом, мы получаем коэффициент пропорциональности расходования ресурса К(Тр ): для Тр.н.у он будет равен

единице, для более легких условий эксплуатации коэффициент будет строго больше единицы, для более жестких условий коэффициент будет строго меньше единицы. Действительно, если обратиться к ТУ, то для облегченных условий ресурс больше, чем для предельных, а следовательно, и результат нормировки относительно Тр.н.у:

> 1, при Тр > Тр п,у.

1, ПРИ Тр = Тр.н.у. .

< 1, при Тр < Тр.н.у.

Далее с помощью этого коэффициента рассчитываем израсходованный ресурс за время эксплуатации изделия в условиях каждой группы аппаратуры, т.е. для «нормальных условий» количество израсходованного ресурса равно времени эксплуатации в этих условиях, а, например, для более жестких условий за то же время израсходуется больше ресурса. Для отрезков времени эксплуатации в условиях каждой группы аппаратуры находим разницу между реальным значением ресурса и нормальным и вычитаем ее из Тр.ну , тем самым получая истинное значение ресурса Тр изделия в заданных условиях групп аппаратуры:

Т = Т - У/'

р Тр.н.у.

( \ 1 -1

г=1

к

V

где Трну - значение ресурса для выбранных «нормальных» условий эксплуатации; п - количество групп условий эксплуатации аппаратуры (исключая «нормальные»); - время эксплуата-

ции в условиях 7-й группы аппаратуры; К7 (Тр ) - коэффициент пропорциональности расходования ресурса для условий 7-й группы аппаратуры.

Методика расчета ресурса для определенных условий групп аппаратуры приведена в [2]. В ТУ обычно приводятся значения ресурса для предельных и облегченных условий эксплуатации, в статье же рассматривается способ перехода от заданных в ТУ значений к действительным:

Тр = КШ,

КИ * КН

где Тр (ПУ) - заданное в ТУ значение ресурса для предельных условий эксплуатации; КИ - коэффициент использования; КН - коэффициент нагрузки (по критичному параметру).

В равенстве (3) КИ определяется согласно формуле (4), а КН согласно формуле (5):

Ки = , ^ ,

^Ърр + '2ож

где %рр, %ож - суммарное время нахождения в режиме работы и режиме ожидания за период эксплуатации:

V

Кн ,

ном

где V рр - значение критичного параметра в режиме работы; ¥ном - номинальное значение критичного параметра согласно ТУ.

Рассмотрим в качестве примера изделие бортовой радиоэлектронной аппаратуры космической техники - СВЧ-коммутатор. В процессе эксплуатации коммутатор подвергается влиянию различных внешних воздействующих факторов (ВВФ). Сначала изделие хранится в помещении (на складе) в течение одного года (8760 ч), что соответствует группе 1.1 [8], в дальнейшем транспортируется каким-либо видом транспорта (группа 1.3 - для автомобильного, 3.1 - авиационного, 1.9 - железнодорожного) к месту пуска ракеты-носителя в течение пяти дней (120 часов), после чего происходит запуск в составе ракеты-носителя и вывод на орбиту (группа 4.1) в течение двух суток (48 часов) и, в конце концов, осуществляет свои основные функции (прием и передача в СВЧ-диапазоне) до окончания срока активного существования (САС) в условиях группы 5.3 (рис. 1). Согласно ТУ и статье [3] ресурс изделия для каждой из групп аппаратуры будет различен. С учетом вышесказанного о хранении, транспортировании и непосредственном функционировании изделия делаем вывод, что ресурс расходуется неравномерно.

Рис. 1. Временной график эксплуатации коммутатора

Рис. 2. Дерево отказов коммутатора

После анализа данных технической документации на коммутатор было построено дерево отказов (рис. 2) [7], где цифрами отмечены следующие события: 1 - изделие неработоспособно; 2 - отказ изделия; 3 - нет обработки сигнала; 4 - нарушение крепления и герметизации; 5 - отказ

электронной части; 6 - нет сигнала на входе цепи; 7 - нет обработки сигнала в платах; 8 - нет сигнала на выходе; 9 - отказ входных каскадов; 10 - нет сигнала на входе № 1; 11 - нет сигнала на входе № 2; 12 - отказ элементов входа № 1; 13 - отказ '^; 14 - отказ XW1; 15 - выгорание вентиля W1; 16 - выгорание разъема XW1; 17 - отказ элементов входа № 2; 18 - отказ W2; 19 - отказ XW2; 20 - выгорание вентиля W2; 21 - выгорание разъема XW2; 22 - отказ платы; 23 - отсутствие питания диода платы К^; 24 - отсутствие питания диода платы XN2; 25 - отказ одного из диодов УБ1-УБ8; 26 - отказ одного из диодов УБ1-УБ8; 27 - отказ выходного каскада; 28 - нет сигнала на мостах XN8, XN9; 29 - отказ выходов изделия; 30 - отказ мостов XN8, XN9; 31 - отсутствие сигнала моста XN8; 32 - отсутствие сигнала моста XN9; 33 - повреждение токоведущих дорожек моста XN8; 34 - повреждение токоведущих дорожек моста XN9; 36 - нет сигнала в выходных каналах; 37 - отказ выходных разъемов XW3-XW5; 38 - отказ циркулятора W3; 39 - нет сигнала на разъемах XW3-XW5; 40 - выгорание циркулятора W3; 41 - отказ разъема XW3; 42 - отказ разъема XW4; 43 - отказ разъема XW5; 44 - выгорание разъема XW3; 45 - выгорание разъема XW4; 46 - выгорание разъема XW5; 47 - разрушение сварных, паяных и клееных соединений и разгерметизация заглушек и прокладок; 48 - отказ винтов крепления вентилей W1, W2; 49 - отказ паяного соединения перемычек плат ХШ, XN2; 50 - отказ сварного соединения перемычек плат XN5, XN6; 51 - отказ заглушки; 52 - отказ клеевого соединения плат XN4, XN6; 53 - отказ винтов крышки; 54 - отказ прокладки крышки; 55 - ослабление крепления вентилей W1, W2; 56 - разрушение паяного соединения перемычек плат ХШ, XN2; 57 - разрушение отказ сварного соединения перемычек плат XN5, XN6; 58 - деформация заглушки; 59 - отслоение пленки клея в соединении плат XN4, XN6; 60 - ослабление крепления крышки; 61 - деформация прокладки крышки. Как можно видеть, отказ изделия в равной мере зависит и от отказа электронных, и от отказа механических СЧ.

Результаты проведенного в соответствии с построенным деревом расчета показателей надежности приведены в табл. 1, а на рис. 3 изображен вклад в общую надежность электронных и механических компонентов коммутатора. Расчет электронной части проводился на основе данных, приведенных в [5], механической части - на основе [6].

Таблица 1

Результаты расчета показателей надежности коммутатора

Наименование компонента Эксплуатационная интенсивность отказов, 1/ч Интенсивность отказов в режиме ожидания, 1/ч Гамма-процентный ресурс, ч

Электронная часть 7,27е-07 5,56е-08 23400

Механическая часть 9,92е-07 7,26е-08 26200

Коммутатор 1,71806079201876Е-6 1,281957368Е-7 23400

Как видно из рисунка, надежность механической части сопоставима с электронной частью и, пренебрегая ей, мы «улучшаем» надежность в 2 раза. Другими словами, очевидна необходимость учета механических компонентов при расчете показателей надежности и долговечности СВЧ-устройств. В табл. 2 представлены полученные значения показателей надежности, причем ресурс рассчитан с учетом нестационарных условий функционирования с использованием выражения (2).

| Механическая честь |

| Электронная часть |

/

Электронная часть Механическая часть

Рис. 3. Вклад в надежность коммутатора электронной и механической части

Таблица 2

Показатели надежности СЧ коммутатора

Тип изделия Эксплуатационная интенсивность отказов Интенсивность отказов в режиме ожидания Ресурс

1.1 1.9 4.1 5.3 Итоговый

Электронная часть

ФПВН2-88 7,30е-08 8,76е-10 120000 80000 21800 60000 64300

ФЦП2-13 1,90е-07 8,93е-10 120000 80000 21800 60000 64300

СРГ-50 (ВР0.364.026ТУ) 5,49е-09 7,69е-09 200000 133000 53300 100000 104000

Пайка ЭРИ волной 6,90е-10 6,90е-12 131400 87600 35000 65700 70000

2А517А-2Н, Б-2Н 4,50е-08 1,68е-09 50000 47600 10000 17800 23400

Печатный монтаж 3,40е-11 3,40е-13 500000 230800 95200 178600 184000

Механическая часть

Винт крепления вентиля 1,00е-09 1,00е-11 876000 584500 233600 438000 442400

Пайка перемычек 1,20е-09 1,20е-11 131400 87600 35000 65700 70000

Сварка провода к контактным площадкам 2,40е-10 2,40е-12 87600 58400 23300 43800 48100

Заглушка разъема фторопласт Ф-4(или Ф5) 3,60е-07 3,60е-08 175200 116800 46700 87600 91970

Клееное соединение платы 2,40е-08 2,40е-09 61300 40800 16300 30600 34900

Винт крепления крышки 6,00е-09 6,00е-11 876000 584500 233600 438000 442400

Прокладка крышки 2,88е-07 2,88е-08 43800 29200 11600 21900 26200

Пайка крышки и герметизация 2,40е-07 2,40е-09 131400 87600 35000 65700 70000

При расчете итогового ресурса из табл. 2 с помощью выражения (2) за «нормальные» условия принимались условия группы 5.3 и, как можно видеть, итоговое значение выше, чем для группы 5.3 в среднем на 4000 ч (чуть менее полугода).

Проведенный расчет подтвердил необходимость учета функционирования в условиях различных групп аппаратуры при оценке ресурса. В связи с ужесточением требований к аппаратуре не всегда можно позволить себе роскошь оценки по нижней границе (наихудшему случаю), так как подобные требования подразумевают проведение точных расчетов. Предложенная методика расчета ресурса делает шаг навстречу повышению точности проводимых расчетов ресурса. Также важным фактом является наглядная демонстрация влияния механических компонентов СВЧ-устройств на надежность (см. рис. 3). Примечательно, что учет механических компонентов ухудшает результирующие значения показателей надежности в равной степени, что и электронные [9-11]. Таким образом, все предложенные меры по проведению более точных расчетов наглядно обоснованы и подтверждают необходимость развития методов точных расчетов при ужесточающихся требованиях к СВЧ-устройствам.

Подводя итог, можно сделать следующие выводы:

- при оценке показателей надежности, в частности долговечности, необходимо учитывать механические компоненты СВЧ-устройств;

- значение ресурса зависит от группы аппаратуры, т.е. от набора ВВФ, и при оценке показателей долговечности необходимо учитывать нестационарность условий эксплуатации СВЧ-устройства.

Список литературы

1. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

2. Жаднов, В. В. Расчетная оценка показателей долговечности электронных средств космических аппаратов и систем / В. В. Жаднов // Надежность и качество сложных систем. - 2013. - № 2. - С. 65-73.

3. ОСТ 4Г0.012.013-84. Аппаратура радиоэлектронная. Определение показателей долговечности.

4. ГОСТ 27.003-89. Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности.

5. Надежность электрорадиоизделий : справочник. - URL: http://www.twirpx.com/file/1062157/

6. NSWC-11. Handbook of Reliability Prediction Procedure for Mechanical Equipment.

7. ГОСТ Р 27.302-2009. Надежность в технике. Анализ дерева неисправностей.

8. ГОСТ РВ 20.39.304-98. Комплексная система общих технических требований. Требования к стойкости внешних воздействующих факторов.

9. Затылкин, А. В. Система адаптивного тестирования на основе нечеткого логического вывода / А. В. За-тылкин // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. : в 2 т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. - Т. 2. - С. 133-135.

10. Литвинов, А. Н. Моделирование напряженно-деформированного состояния в слоистых структурах РЭС при технологических и эксплуатационных воздействиях / А. Н. Литвинов, Н. К. Юрков // Надежность и качество сложных систем. - 2013. - № 3. - С. 16-22.

11. Программа инженерного расчета температуры перегрева кристалла электрорадиокомпонента и его теплоотвода / Н. В. Горячев, А. В. Лысенко, И. Д. Граб, Н. К. Юрков // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. : в 2 т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. - Т. 1. - С. 340-340.

УДК 621.3.029

Карапузов, М. А.

Влияние внешних возмущающих факторов на долговечность СВЧ-устройств / М. А. Карапузов, С. Н. Полесский, В. В. Жаднов // Надежность и качество сложных систем. - 2014. - № 2(6). - С. 14-20.

Карапузов Михаил Александрович магистрант,

кафедра информационных технологий и автоматизированных систем,

Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»

(109028, Россия, г. Москва,

Б. Трехсвятительский пер., 3)

(495) 916-88-80 E-mail: pinv@bk.ru

Полесский Сергей Николаевич

кандидат технических наук, доцент, кафедра информационных технологий и автоматизированных систем,

Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»

(109028, Россия, г. Москва,

Б. Трехсвятительский пер., 3)

8-926-563-70-04 E-mail: spolessky@hse.ru

Жаднов Валерий Владимирович

кандидат технических наук, доцент, кафедра радиоэлектроники и телекоммуникаций, Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»

(495) 916-88-80

E-mail: vzhadnov@hse.ru

Karapuzov Mikhail Aleksandrovich master,

sub-department of information technologies and automated systems,

Moscow institute of electronic and mathematic of National Research University «High School of Economics»

Polesskiy Sergey Nikolaevich candidate of technical scienses, associate professor, sub-department of information technologies and automated systems,

Moscow institute of electronic and mathematic of National Research University «High School of Economics»

Zhadnov Valeriy Vladimirovich

candidate of technical scienses, associate professor,

sub-department of radio electronic

and telecommunications,

Moscow institute of electronic and mathematic of National Research University «High School of Economics»

Аннотация. Обосновывается необходимость учета показателей долговечности деталей СВЧ-устройств, в том числе механических частей. Обычно при оценке показателей надежности и, в частности, показателей долговечности радиоэлектронной аппаратуры учитывают только применяемую электронную компонентную базу, принимая все механические детали высоконадежными элементами, практически не влияющими на результирующее значение оцениваемого показателя. Но механические детали могут подвергаться разрушению, которое является наиболее опасным проявлением процессов старения, деформироваться или изменять свойства материала -его пластичность, электропроводимость, магнитные свойства и т. п. Таким образом, совершенно очевидной становится связь между электронной и механической частями устройства, причем, как описано выше, механический износ детали может привести к ухудшению ее электрических свойств. Отметим также, что взаимосвязь процессов отказа механических и электронных частей сложна. Отсюда возникает естественным образом необходимость, во-первых, корректной оценки показателей надежности механических деталей, и, во-вторых, выявление взаимосвязи отказов механической и электронной частей СВЧ-устройств. В статье будут намечены пути решения этих двух задач и представлены первые результаты анализа методов оценки показателей надежности механических деталей. Об актуальности этих задач свидетельствуют требования, предъявляемые заказчиком, к разрабатываемой аппаратуре, в состав которой входят СВЧ-устройства, - малая вероятность отказов и сбоев, большой срок эксплуатации, стойкость к ВВФ и простота обслуживания.

Abstract. This article is about consideration must be given to durability’s indexes of SHF devices including mechanical parts. Only electronic parts of SHF devices are considered at evaluating reliability of whole device and mechanical parts are supposed reliable very much, almost failure-free. But mechanical parts may be exposed to effects of deterioration and destruction pro-cessesе, they are able to deform and change their material properties - flexibility, electroconductivity, magnet properties and etc. It shows interconnection of electronic and mechanical parts of SHF devices. Necessary to mention, that this interconnection is very difficult to describe. That’s why it so important to be able to properly evaluate reliability both mechanical and electronic parts and their durability. Ways of solving these problems are initiated in this article and described analysis of methods for evaluating reliability of mechanical parts.

Ключевые слова: надежность, долговечность, СВЧ- Key words: reliability, durability, SHF devices, outside

устройства, внешние воздействующие факторы, ре- factors, useful life.

сурс.