Анализ методов определения показателей долговечности электронных средств по справочным данным

Анализ методов определения показателей долговечности электронных средств по справочным данным

Жаднов В.В.

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Московский институт электроники и математики ггкас1поу@кзе. ги

Аннотация. В докладе рассматриваются методы определения показателей долговечности электронных средств по справочным данным на примере показателей типа «ресурс». Показаны основные источники погрешностей принятых в настоящее время методов определения показателей долговечности электронных средств по справочным данным. Обоснована возможность применения математических моделей интенсивностей отказов электрорадиоизделий для уточнения значений коэффициентов математических моделей ресурса.

Ключевые слова: надежность, долговечность, ресурс, расчетный метод, электронное средство, электрорадиоизделие

Долговечность является одним из свойств, характеризующих качество электронных средств (ЭС), и входит в состав группы показателей надежности. В [ГОСТ, 1989] приведены основные понятия, термины и определения, относящиеся к свойству долговечности электронных средств, а именно:

Долговечность - свойство ЭС сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Показатели долговечности:

Гамма-процентный ресурс - суммарная наработка, в течение которой ЭС не достигнет предельного состояния с вероятностью у, выраженной в процентах.

Средний ресурс - математическое ожидание ресурса ЭС.

Гамма-процентный срок службы - календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой ЭС не достигнет предельного состояния с вероятностью у, выраженной в процентах.

Средний срок службы - математическое ожидание срока службы ЭС.

Принципы формирования номенклатуры показателей долговечности для ЭС регламентированы в [ГОСТ, 1990].

Расчет количественных значений показателей долговечности ЭС является составной частью расчетов надежности электронных средств, предусмотренных в мероприятиях программ обеспечения надежности, регламентированных в [ГОСТ РВ, 1998].

Анализ методов определения показателей долговечности электронных средств

по справочным данным_

Рекомендации по методам расчета надежности приведены в [ГОСТ, 1995]. Однако в этом документе содержаться лишь общие положения и рекомендации по оценки показателей надежности. Что касается показателей долговечности, то методики их определения расчетными методами на этапе проектирования приведены в [ОСТ, 1984].

В соответствии с этими методиками расчет показателей долговечности проводится в два этапа:

- ориентировочный расчет;

- уточненный расчет.

Исходными данными для расчетов служат:

- критерий предельного состояния ЭС;

- вероятность, для которой определяется гамма-процентный ресурс ЭС;

- перечень электрорадиоизделий (ЭРИ), входящих в состав ЭС;

- гамма-процентные ресурсы ЭРИ;

- «критические» параметры ЭРИ и их значения в рабочем и предельно-допустимом по НТД режимам;

- временные графики работы ЭРИ.

Значение критерия предельного состояния ЭС определяется в зависимости от допустимого (заданного в ТЗ) уровня снижения эффективности функционирования ЭС.

В соответствии с [ОСТ, 1984] предельным состоянием ЭС из-за снижения эффективности его использования является выработка ресурса у определенного процента ЭРИ, входящих в состав ЭС. В этом случае значение критерия предельного состояния (Кпс) равно:

Кпс=^.100%,

где: п - максимально-допустимое число ЭРИ, выработавших ресурс; N -суммарное количество число ЭРИ в ЭС.

Перечень ЭРИ формируется на основе конструкторской документации на ЭС (ведомости применяемых ЭРИ).

Гамма-процентный ресурс ЭРИ определяется по данным, приведенным в справочнике [Надежность ЭРИ, 2006], технических условиях (ТУ) или нормативно-технической документации (НТД).

Для ЭРИ, гамма-процентный ресурс которых задается в количествах циклов работы (срабатываний т.д.), перевод его в часы осуществляется по формуле:

_ ^РИунтд п

ЭРИунгд С ' У1'^'

где: Изри^ - гамма-процентный ресурс ЭРИ по НТД; С - число циклов в час.

Для ЭРИ, гамма-процентный ресурс которых в справочнике [Надежность ЭРИ, 2006], приведен для вероятности унтд, отличной от заданной для ЭС, гамма-процентный ресурс ЭРИ для требуемого значения вероятности у пересчитывается по формуле [ОСТ, 1984]:

т _ И'З Хэс) т

где: хэсу - квантиль нормального распределения для вероятности уэс, заданной для ЭС; %нтду - квантиль нормального распределения для вероятности унтд, приведенной для ЭРИ в НТД; тЭри, - гамма-процентный ресурс ЭРИ по НТД.

Расчет гамма-процентного ресурса ЭС проводится в следующей последовательности.

1) Для каждого ЭРИ: -по Справочнику [Надежность ЭРИ, 2006] (или НТД) определяется значение гамма-процентного ресурса (при необходимости значение гамма-процентного ресурса пересчитывается по формулам (1.2) и (1.3));

- определяется «критический» параметр и его значения:

Нэрирав - нагрузка ЭРИ по критическому параметру в режиме работы;

Нэрн™ - предельно-допустимая нагрузка ЭРИ по «критическому» параметру

по НТД;

- рассчитывается коэффициент нагрузки (Кн) ЭРИ по «критическому» параметру:

н,

ЭРИнгд

- по временному графику работы ЭРИ определяется его суммарное время работы (ьри) за период применения ЭС в рабочем режиме Оэс).

- рассчитывается коэффициент интенсивности эксплуатации (Ки.э) ЭРИ за единицу времени:

ки.э=тш-;

ЭС

- рассчитывается уточненное значение гамма-процентного ресурса (т*,) ЭРИ по формуле:

7 ки э-кн

Типовая зависимость ту от Ки.э и Кн приведена на рис. 1. 2) Полученный массив значений ресурсов ЭРИ упорядочивается по возрастанию и определяются число временных интервалов (К) и границы их диапазонов (Тнк, Ткк):

ГТ Л

КНгй

Уж

1000

+1;

исходя из условия:

тНк^т;<тКк

Анализ методов определения показателей долговечности электронных средств по справочным данным_

РИС. 1. ЗаВИСИМОСТЬ Тг от Ки.э И Кн

ТНк=

где: Тутах - максимальное значение в массиве ресурсов ЭРИ; к = 1, 2, ..., К.

3) Определяется процент ЭРИ (%к), попавших в к-й интервал:

%к=^-100%,

к N

где: Пк - число ЭРИ, попавших в к-й интервал; N - количество ЭРИ в ЭС.

4) Вычисляется суммарный процент (%яс) путем «последовательного» суммирования значений %к от К-того интервала к 1-му (нарастающим итогом) и проверятся условие:

%Ек=%,ы+%^

где: %£к-1 - суммарный процент ЭРИ, попавших в интервалы от К до (к-1); %к - процент ЭРИ, попавших в к-й интервал.

5) Значение т„ ЭС принимают равным значению Ткк интервала, для которого первый раз выполняется условие (1.11).

Представленный выше материал позволяет сделать следующие выводы:

ресурс и ЭС, и ЭРИ, является случайной величиной, распределенной по нормальному закону - см. формулу (1.3);

значение гамма-процентного ресурса ЭС не зависит от количества ЭРИ, у которых гамма-процентный ресурс удовлетворяет критерию предельного состояния, а определяется только теми ЭРИ, которые имеют наименьшие значения гамма-процентного ресурса - см. формулу (1.11);

значения гамма-процентного ресурса ЭС зависят от коэффициентов нагрузки ЭРИ по «критичному» параметру и от временных графиков их работы в режиме применения ЭС - см. рис. 1;

значения гамма-процентного ресурса ЭС не зависит от жесткости внешних воздействующих факторов (групп аппаратуры по [ГОСТ РВ, 1998] - см. формулу (1.6);

методики ориентированы на проведение «ручных» расчетов, что при большом количестве ЭРИ делает их достаточно трудоемкими и увеличивает вероятность ошибок.

Кроме того, расчет среднего ресурса (ТэрИСр„тд) по [ОСТ, 1984] проводится по приведенной выше методике при ТЭР^а = ТЭРиор нтд. в то же время, в в справочнике [Надежность ЭРИ, 2006] значений Т^.^ для ЭРИ не приводится. Поэтому, исходя из формулы (1.3) необходимые значения среднего ресурса ЭРИ по НТД определяются по формуле:

т

-р _ 1 ЭРИунщ

ЭРИСР'ВД 1-0Д5-ХнтДу '

Еще одним аспектом, затрудняющим расчет показателей долговечности ЭРИ, является то, что в [ОСТ, 1984] нет однозначной трактовки параметра «Нагрузка по «критическому» параметру» - нЭРи. В работах [Жаднов, 2013] и [Жаднов, 2014] показано, что в качестве такого параметра используется коэффициент режима (Кр), определяемый по справочнику [Надежность ЭРИ, 2006].

Нельзя не упомянуть и о том, что методики [ОСТ, 1984] не учитывают расходования ресурса ЭРИ в режиме ожидания (хранения) - см. формулу (1.5). В работе [Жаднов, 2014] приведена модель для Киэ, позволяющая учитывать этот режим. В работах [Карапузов и др., 2014] предложен альтернативный подход к оценке ресурса и срока службы, позволяющий учитывать модель эксплуатации ЭС.

Таким образом, для повышения точности и снижения трудоемкости расчетов показателей долговечности ЭС по справочным данным

Анализ методов определения показателей долговечности электронных средств

по справочным данным_

необходима модификация методик [ОСТ, 1984], направленная на учет режимов и условий применения ЭРИ, модели эксплуатации ЭС, а также создание соответствующего программного обеспечения.

Благодарности

Данное научное исследование (№ проекта 15-05-0029) выполнено при поддержке Программы «Научный фонд НИУ ВШЭ» в 2015 г.

Список литературы

[ГОСТ, 1989] ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

[ГОСТ, 1990] ГОСТ 27.003-90. Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности.

[ГОСТ РВ, 1998] ГОСТ РВ 20.39.302-98. Комплексная система общих технических требований. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования к программам обеспечения надежности и стойкости к воздействию ионизирующих и электромагнитных излучений.

[ГОСТ, 1995] ГОСТ 27.301-95. Расчет надежности. Основные положения.

[ОСТ, 1984] ОСТ 4.012.013-84. Аппаратура радиоэлектронная. Определение показателей долговечности.

[Надёжность ЭРИ, 2006] Надёжность ЭРИ: Справочник. - М.: МО РФ, 2006. - 641 с.

[ГОСТ РВ, 1998] ГОСТ РВ 20.39.304-98 Комплексная система общих технических требований. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам.

[Жаднов, 2013] Жаднов, В.В. Повышение точности расчётной оценки показателей долговечности бортовой космической аппаратуры. / В.В. Жаднов. // Радиовысотометрия-2013: Сборник трудов Четвертой Всероссийской научно-технической конференции. / Под ред. A.A. Иофина, J1.H. Пономарева. - Екатеринбург: Форт Диалог-Исеть, 2013.-е. 164-169.

[Жаднов, 2014] Жаднов, В.В. Расчетная оценка показателей долговечности электронных средств космических аппаратов и систем. / В.В. Жаднов. // Надежность и качество сложных систем. - 2014. - № 2. - с. 65-73.

[Карапузов и др., 2014] Карапузов, М.А. Влияние внешних воздействующих факторов на долговечность СВЧ-устройств. / М.А. Карапузов, С.Н. Полесский, В.В. Жаднов. // Т-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2014. - № 12. - с. 29-31.

[Карапузов и др., 2014] 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. - с. 14-21.