Министерство образования и науки российской федерации Владивостокский государственный университет экономики и сервиса Институт информатики, инноваций и бизнес систем Кафедра электроники «Основы конструирования и технологии производства РЭУ» Тема «Надёжность радиоэлектронных устройств» Ведущий преподаватель: Белоус И.А. Владивосток, 2014 Министерство образования и науки российской федерации Владивостокский государственный университет экономики и сервиса Институт информатики, инноваций и бизнес систем Кафедра электроники «Основы конструирования и технологии производства РЭУ» Тема «Надёжность радиоэлектронных устройств» Ведущий преподаватель: Белоус И.А. Владивосток, 2014

Содержание 1. Основные параметры надежности. 2. Количественные характеристики надежности. 3. Структурная надежность аппаратуры. 4. Методы повышения надежности.

Литература Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учебник для вузов. – М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, – 528 с.Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учебник для вузов. – М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, – 528 с.

1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НАДЕЖНОСТИ Понятие надежности. Один из основных параметров РЭА - надежность - зависит как от надежности используемой элементной базы, так и от принятых схемотехнических и конструкторских решений.Понятие надежности. Один из основных параметров РЭА - надежность - зависит как от надежности используемой элементной базы, так и от принятых схемотехнических и конструкторских решений. Под надежностью понимают свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки при соблюдении режимов эксплуатации, правил технического обслуживания, хранения и транспортировки.Под надежностью понимают свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки при соблюдении режимов эксплуатации, правил технического обслуживания, хранения и транспортировки.

Продолжительность работы РЭА до предельного состояния, установленного в нормативно-технической документации, называют ресурсом изделия.Продолжительность работы РЭА до предельного состояния, установленного в нормативно-технической документации, называют ресурсом изделия. Надежность - это сложное комплексное понятие, с помощью которого оценивают такие важнейшие характеристики изделий, как работоспособность, долговечность, безотказность, ремонтопригодность, восстанавливаемость и др.Надежность - это сложное комплексное понятие, с помощью которого оценивают такие важнейшие характеристики изделий, как работоспособность, долговечность, безотказность, ремонтопригодность, восстанавливаемость и др.

РЭА может находиться в исправном или неисправном состоянии.РЭА может находиться в исправном или неисправном состоянии. Если РЭА в данный момент времени удовлетворяет всем требованиям, установленным как в отношении основных параметров, характеризующих нормальное выполнение вычислительных процессов, так и в отношении второстепенных параметров, характеризующих внешний вид и удобство эксплуатации, то такое состояние называют исправным состоянием.Если РЭА в данный момент времени удовлетворяет всем требованиям, установленным как в отношении основных параметров, характеризующих нормальное выполнение вычислительных процессов, так и в отношении второстепенных параметров, характеризующих внешний вид и удобство эксплуатации, то такое состояние называют исправным состоянием.

Неисправное состояние – это состояние РЭА, при котором она в данный момент времени не удовлетворяет хотя бы одному из этих требований, установленных в отношении как основных, так и второстепенных параметров.Неисправное состояние – это состояние РЭА, при котором она в данный момент времени не удовлетворяет хотя бы одному из этих требований, установленных в отношении как основных, так и второстепенных параметров.

Не каждая неисправность приводит к невыполнению РЭА заданных функций.Не каждая неисправность приводит к невыполнению РЭА заданных функций. Различают неисправности основные и второстепенные.Различают неисправности основные и второстепенные. Второстепенные неисправности называют дефектами.Второстепенные неисправности называют дефектами. ( Например, образование вмятин или ржавчины на корпусе аппаратуры, выход из строя лампочек подсветки не могут препятствовать эксплуатации РЭА ).( Например, образование вмятин или ржавчины на корпусе аппаратуры, выход из строя лампочек подсветки не могут препятствовать эксплуатации РЭА ).

Основные эксплуатационные свойства изделий с позиций обеспечения надежной работы:Основные эксплуатационные свойства изделий с позиций обеспечения надежной работы: - безотказность, - ремонтоспособность, - долговечность, - сохраняемость.

Наработка - продолжительность (или объем) работы изделия, измеряемая временем, циклами, периодами и т. п.Наработка - продолжительность (или объем) работы изделия, измеряемая временем, циклами, периодами и т. п. В процессе эксплуатации или испытания изделия в зависимости от его назначения различают суточную или месячную наработку, наработку на отказ, среднюю наработку до первого отказа, гарантийную наработку и т. п.В процессе эксплуатации или испытания изделия в зависимости от его назначения различают суточную или месячную наработку, наработку на отказ, среднюю наработку до первого отказа, гарантийную наработку и т. п. Суточная и месячная наработки оцениваются временем (циклами, периодами), которое изделие проработало в течение суток или месяца.Суточная и месячная наработки оцениваются временем (циклами, периодами), которое изделие проработало в течение суток или месяца.

Наработка на отказ - среднее значение наработки ремонтируемого изделия между отказами.Наработка на отказ - среднее значение наработки ремонтируемого изделия между отказами. Если наработка выражена в единицах времени, то используют термин среднее время безотказной работы.Если наработка выражена в единицах времени, то используют термин среднее время безотказной работы. Под средней наработкой до первого отказа понимают среднее значение наработки изделий в партии до первого отказа.Под средней наработкой до первого отказа понимают среднее значение наработки изделий в партии до первого отказа. Для неремонтируемых изделий этот термин равнозначен понятию средней наработки до отказа.Для неремонтируемых изделий этот термин равнозначен понятию средней наработки до отказа.

Гарантийная наработка представляет собой наработку изделия, до завершения которой изготовитель гарантирует и обеспечивает выполнение определенных требований к изделию, при условии соблюдения потребителем правил эксплуатации, в том числе правил хранения и транспортировки.Гарантийная наработка представляет собой наработку изделия, до завершения которой изготовитель гарантирует и обеспечивает выполнение определенных требований к изделию, при условии соблюдения потребителем правил эксплуатации, в том числе правил хранения и транспортировки. Срок гарантии устанавливается в технической документации или договорах между изготовителем и заказчиком.Срок гарантии устанавливается в технической документации или договорах между изготовителем и заказчиком.

Безотказностью называют свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов. Безотказность измеряется в единицах наработки.Безотказностью называют свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов. Безотказность измеряется в единицах наработки. Ремонтоспособность - свойство РЭА, заключающееся в приспособлении к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.Ремонтоспособность - свойство РЭА, заключающееся в приспособлении к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Долговечность - свойство РЭА сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов.Долговечность - свойство РЭА сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Предельное состояние определяется технической непригодностью РЭА из-за снижения эффективности эксплуатации или требований техники безопасности и оговаривается в технической документации.Предельное состояние определяется технической непригодностью РЭА из-за снижения эффективности эксплуатации или требований техники безопасности и оговаривается в технической документации. Сохраняемость - свойство изделия сохранять эксплуатационные показатели в течение заданного срока хранения и после него.Сохраняемость - свойство изделия сохранять эксплуатационные показатели в течение заданного срока хранения и после него.

Интенсивность отказов - зависимость интенсивности отказов от времени (кривая жизни изделия).Интенсивность отказов - зависимость интенсивности отказов от времени (кривая жизни изделия). Различают три вида отказов:Различают три вида отказов: - обусловленные скрытыми ошибками в конструкторско- технологической документации и производственными дефектами при изготовлении изделий; - обусловленные старением и износом радио- и конструкционных элементов; - обусловленные случайными факторами различной природы. Для оценки надежности систем введены понятия «работоспособность» и «отказ».Для оценки надежности систем введены понятия «работоспособность» и «отказ».

Работоспособность и отказы. Работоспособность - это состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации.Работоспособность и отказы. Работоспособность - это состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации. Отказ – событие, приводящее к полной или частичной утрате работоспособности изделия.Отказ – событие, приводящее к полной или частичной утрате работоспособности изделия. По характеру изменения параметров аппаратуры отказы подразделяют на внезапные и постепенные.По характеру изменения параметров аппаратуры отказы подразделяют на внезапные и постепенные.

Внезапные (катастрофические) отказы характеризуются скачкообразным изменением одного или нескольких параметров аппаратуры и возникают в результате внезапного изменения одного или нескольких параметров элементов, из которых построена РЭА.Внезапные (катастрофические) отказы характеризуются скачкообразным изменением одного или нескольких параметров аппаратуры и возникают в результате внезапного изменения одного или нескольких параметров элементов, из которых построена РЭА. Устранение внезапного отказа производят заменой отказавшего элемента исправным или его ремонтом.Устранение внезапного отказа производят заменой отказавшего элемента исправным или его ремонтом.

Постепенные (параметрические) отказы характеризуются изменением одного или нескольких параметров аппаратуры с течением времени.Постепенные (параметрические) отказы характеризуются изменением одного или нескольких параметров аппаратуры с течением времени. Возникают в результате постепенного изменения параметров элементов до тех пор, пока значение одного из параметров не выйдет за некоторые пределы, определяющие нормальную работу элементов.Возникают в результате постепенного изменения параметров элементов до тех пор, пока значение одного из параметров не выйдет за некоторые пределы, определяющие нормальную работу элементов. Это может быть последствием старения элементов, воздействия колебаний температуры, влажности, давления, механических воздействий, и т.п.Это может быть последствием старения элементов, воздействия колебаний температуры, влажности, давления, механических воздействий, и т.п. Устранение постепенного отказа связано либо с заменой, ремонтом, регулировкой параметров отказавшего элемента, либо с компенсацией за счет изменения параметров других элементов.Устранение постепенного отказа связано либо с заменой, ремонтом, регулировкой параметров отказавшего элемента, либо с компенсацией за счет изменения параметров других элементов.

По взаимосвязи между собой различают отказы независимые, не связанные с другими отказами, и зависимые.По взаимосвязи между собой различают отказы независимые, не связанные с другими отказами, и зависимые. По повторяемости возникновения отказы бывают одноразовые (сбои) и перемежающиеся.По повторяемости возникновения отказы бывают одноразовые (сбои) и перемежающиеся. Сбой - однократно возникающий самоустраняющийся отказ, перемежающийся многократно возникающий сбой одного и того же характера.Сбой - однократно возникающий самоустраняющийся отказ, перемежающийся многократно возникающий сбой одного и того же характера. По наличию внешних признаков различают отказы явные - имеющие внешние признаки появления, и неявные (скрытые), для обнаружения которых требуется провести определенные действия.По наличию внешних признаков различают отказы явные - имеющие внешние признаки появления, и неявные (скрытые), для обнаружения которых требуется провести определенные действия.

По причине возникновения отказы подразделяют на конструкционные, производственные и эксплуатационные, вызванные нарушением установленных норм и правил при конструировании, производстве и эксплуатации РЭА.По причине возникновения отказы подразделяют на конструкционные, производственные и эксплуатационные, вызванные нарушением установленных норм и правил при конструировании, производстве и эксплуатации РЭА. По характеру устранения отказы делятся на устойчивые и самоустраняющиеся.По характеру устранения отказы делятся на устойчивые и самоустраняющиеся. Устойчивый отказ устраняется заменой отказавшего элемента (модуля), а самоустраняющийся исчезает сам, но может повториться.Устойчивый отказ устраняется заменой отказавшего элемента (модуля), а самоустраняющийся исчезает сам, но может повториться. Самоустраняющийся отказ может проявиться в виде сбоя или в форме перемежающегося отказа.Самоустраняющийся отказ может проявиться в виде сбоя или в форме перемежающегося отказа. Появление сбоев обусловливается внешними и внутренними факторами.Появление сбоев обусловливается внешними и внутренними факторами.

К внешним факторам относятся колебания напряжения питания, вибрации, температурные колебания.К внешним факторам относятся колебания напряжения питания, вибрации, температурные колебания. Специальными мерами (стабилизации питания, амортизация, термостатирование и др.) влияние этих факторов может быть значительно ослаблено.Специальными мерами (стабилизации питания, амортизация, термостатирование и др.) влияние этих факторов может быть значительно ослаблено. К внутренним факторам относятся флуктуационные колебания параметров элементов, несинхронность работы отдельных устройств, внутренние шумы и наводки.К внутренним факторам относятся флуктуационные колебания параметров элементов, несинхронность работы отдельных устройств, внутренние шумы и наводки.

2. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ В инженерной практике для оценки надежности РЭА вводят количественные характеристики, основанные на обработке экспериментальных данных.В инженерной практике для оценки надежности РЭА вводят количественные характеристики, основанные на обработке экспериментальных данных. Безотказность изделий характеризуется вероятностью безотказной работы P(t) (характеризует скорость снижения надежности во времени), частотой отказов F(t), интенсивностью отказов l(t), средней наработкой на отказ Тср. Можно также надежность РЭА оценивать вероятностью отказа q(t) = 1 - P(t).Безотказность изделий характеризуется вероятностью безотказной работы P(t) (характеризует скорость снижения надежности во времени), частотой отказов F(t), интенсивностью отказов l(t), средней наработкой на отказ Тср. Можно также надежность РЭА оценивать вероятностью отказа q(t) = 1 - P(t).

Пусть на испытания поставлена партия, содержащая N изделий.Пусть на испытания поставлена партия, содержащая N изделий. В процессе испытаний к моменту времени t вышли из строя n изделий. Осталось исправными:В процессе испытаний к моменту времени t вышли из строя n изделий. Осталось исправными: N(t) = N – n.

Отношение Q(t) = n/N является оценкой вероятности выхода из строя изделия за время t.Отношение Q(t) = n/N является оценкой вероятности выхода из строя изделия за время t. Чем больше число изделий, тем точнее оценка надежности результатов, строгое выражение для которой выглядит следующим образом:Чем больше число изделий, тем точнее оценка надежности результатов, строгое выражение для которой выглядит следующим образом:

Величина P(t), равная Величина P(t), равная называется теоретической вероятностью безотказной работы и характеризует вероятность того, что к моменту t не произойдет отказа. называется теоретической вероятностью безотказной работы и характеризует вероятность того, что к моменту t не произойдет отказа.

Вероятность безотказной работы изделия может быть определена и для произвольного интервала времени (t1; t2) с момента начала эксплуатации.Вероятность безотказной работы изделия может быть определена и для произвольного интервала времени (t1; t2) с момента начала эксплуатации. В этом случае говорят об условной вероятности P(t1; t2) в период (t1; t2) при рабочем состоянии в момент времени t1. В этом случае говорят об условной вероятности P(t1; t2) в период (t1; t2) при рабочем состоянии в момент времени t1. Условная вероятность P(t1; t2) определяется отношением:Условная вероятность P(t1; t2) определяется отношением: где P(t1) и P(t2) - соответственно значения вероятностей в начале (t1) и конце (t2) наработки.где P(t1) и P(t2) - соответственно значения вероятностей в начале (t1) и конце (t2) наработки.

Значение частоты отказов за время t в данном опыте определяется отношением Значение частоты отказов за время t в данном опыте определяется отношением В качестве показателя надежности неремонтируемых систем чаще используют производную по времени от функции отказа Q(t), которая характеризует плотность распределения наработки изделия до отказа f(t):В качестве показателя надежности неремонтируемых систем чаще используют производную по времени от функции отказа Q(t), которая характеризует плотность распределения наработки изделия до отказа f(t):

Величина f(t)dt характеризует вероятность того, что система откажет в интервале времени (t; t+dt) при условии, что в момент времени t она находилась в рабочем состоянии.Величина f(t)dt характеризует вероятность того, что система откажет в интервале времени (t; t+dt) при условии, что в момент времени t она находилась в рабочем состоянии.

Интенсивность отказов. Критерием, более полно определяющим надежность неремонтируемой РЭА и ее модулей, является интенсивность отказов l(t).Интенсивность отказов. Критерием, более полно определяющим надежность неремонтируемой РЭА и ее модулей, является интенсивность отказов l(t). Интенсивность отказов (t) представляет условную вероятность возникновения отказа в системе в некоторый момент времени наработки при условии, что до этого момента отказов в системе не было.Интенсивность отказов (t) представляет условную вероятность возникновения отказа в системе в некоторый момент времени наработки при условии, что до этого момента отказов в системе не было. Величина (t) определяется отношением Величина (t) определяется отношением

Величина (t)dt характеризует условную вероятность того, что система откажет в интервале времени (t; t+dt) при условии, что в момент времени t она находилась в работоспособном состоянии.Величина (t)dt характеризует условную вероятность того, что система откажет в интервале времени (t; t+dt) при условии, что в момент времени t она находилась в работоспособном состоянии. Этот показатель характеризует надежность РЭА в любой момент времени и для интервала ti может быть вычислен по формуле:Этот показатель характеризует надежность РЭА в любой момент времени и для интервала ti может быть вычислен по формуле: где ni = Ni - Ni+1 - число отказов;где ni = Ni - Ni+1 - число отказов; Ncp = (Ni + Ni+1)/2 - среднее число работоспособных изделий; Ni,Ncp = (Ni + Ni+1)/2 - среднее число работоспособных изделий; Ni, Ni+1 - количество работоспособных изделий в начале и конце промежутка времени ti.Ni+1 - количество работоспособных изделий в начале и конце промежутка времени ti.

Вероятность безотказной работы связана с величинами (t) и f(t) следующими выражениями:Вероятность безотказной работы связана с величинами (t) и f(t) следующими выражениями:

Если необходимо оценить условную вероятность, можно воспользоваться следующим выражением:Если необходимо оценить условную вероятность, можно воспользоваться следующим выражением:

Если РЭА содержит N последовательно соединенных однотипных элементов, то Если РЭА содержит N последовательно соединенных однотипных элементов, то

Средняя наработка на отказ Тср и вероятность безотказной работы P(t) связаны зависимостью Средняя наработка на отказ Тср и вероятность безотказной работы P(t) связаны зависимостью

По статистическим данным По статистическим данным

В практике эксплуатации различают три характерных типа отказов: приработочные, внезапные и отказы из-за износа.В практике эксплуатации различают три характерных типа отказов: приработочные, внезапные и отказы из-за износа. Они различаются физической природой, способами предупреждения и устранения и проявляются в различные периоды эксплуатации технических устройств.Они различаются физической природой, способами предупреждения и устранения и проявляются в различные периоды эксплуатации технических устройств. Отказы удобно характеризовать «кривой жизни» изделия, которая иллюстрирует зависимость интенсивности происходящих в нем отказов (t) от времени t.Отказы удобно характеризовать «кривой жизни» изделия, которая иллюстрирует зависимость интенсивности происходящих в нем отказов (t) от времени t.

Кривая имеет три явно выраженных периода: приработки I, нормальной эксплуатации II, и износа III.Кривая имеет три явно выраженных периода: приработки I, нормальной эксплуатации II, и износа III.

Приработочные отказы наблюдаются в первый период (0 - t1) эксплуатации РЭА и возникают, когда часть элементов, входящих в состав РЭА, являются бракованными или имеют скрытые дефекты.Приработочные отказы наблюдаются в первый период (0 - t1) эксплуатации РЭА и возникают, когда часть элементов, входящих в состав РЭА, являются бракованными или имеют скрытые дефекты. Физический смысл приработочных отказов : электрические и механические нагрузки, приходящиеся на компоненты РЭА в приработочный период, превосходят их электрическую и механическую прочность.Физический смысл приработочных отказов : электрические и механические нагрузки, приходящиеся на компоненты РЭА в приработочный период, превосходят их электрическую и механическую прочность. Продолжительность периода приработки РЭА определяется интенсивностью отказов входящих в ее состав некачественных элементов, и продолжительность безотказной работы таких элементов обычно сравнительно низка, поэтому выявить и заменить их удается за сравнительно короткое время.Продолжительность периода приработки РЭА определяется интенсивностью отказов входящих в ее состав некачественных элементов, и продолжительность безотказной работы таких элементов обычно сравнительно низка, поэтому выявить и заменить их удается за сравнительно короткое время.

Участок «кривой жизни» РЭА, соответствующий периоду приработки I, представляет собой монотонно убывающую функцию (t), крутизна которой и протяженность во времени тем меньше, чем совершеннее конструкция, выше качество ее изготовления и более тщательно соблюдены режимы приработки.Участок «кривой жизни» РЭА, соответствующий периоду приработки I, представляет собой монотонно убывающую функцию (t), крутизна которой и протяженность во времени тем меньше, чем совершеннее конструкция, выше качество ее изготовления и более тщательно соблюдены режимы приработки. Период приработки считают завершенным, когда интенсивность отказов РЭА приближается к минимально достижимой (для данной конструкции) величине min в точке t1. Период приработки считают завершенным, когда интенсивность отказов РЭА приближается к минимально достижимой (для данной конструкции) величине min в точке t1.

Приработочные отказы могут быть следствием конструкторских, технологических и эксплуатационных ошибок.Приработочные отказы могут быть следствием конструкторских, технологических и эксплуатационных ошибок. При изготовлении изделий предприятиям рекомендуется проводить прогон изделий в течение нескольких десятков часов работы (до 2-5 суток) по специально разработанным методикам, в которых предусматривается работа при влиянии различных дестабилизирующих факторов.При изготовлении изделий предприятиям рекомендуется проводить прогон изделий в течение нескольких десятков часов работы (до 2-5 суток) по специально разработанным методикам, в которых предусматривается работа при влиянии различных дестабилизирующих факторов.

Период нормальной эксплуатации. Внезапные отказы наблюдаются во второй период (t1t2) эксплуатации РЭА.Период нормальной эксплуатации. Внезапные отказы наблюдаются во второй период (t1t2) эксплуатации РЭА. Возникают неожиданно вследствие действия ряда случайных факторов.Возникают неожиданно вследствие действия ряда случайных факторов. К этому времени в РЭА остаются только полноценные компоненты.К этому времени в РЭА остаются только полноценные компоненты. Такие отказы все же подчиняются определенным закономерностям - частота их появления в течение достаточно большого промежутка времени одинакова в однотипных классах РЭА.Такие отказы все же подчиняются определенным закономерностям - частота их появления в течение достаточно большого промежутка времени одинакова в однотипных классах РЭА.

Физический смысл внезапных отказов может быть объяснен тем, что при быстром количественном изменении какого-либо параметра в компонентах РЭА происходят качественные изменения, в результате которых они утрачивают полностью или частично свои свойства, необходимые для нормального функционирования.Физический смысл внезапных отказов может быть объяснен тем, что при быстром количественном изменении какого-либо параметра в компонентах РЭА происходят качественные изменения, в результате которых они утрачивают полностью или частично свои свойства, необходимые для нормального функционирования. К внезапным отказам РЭА относят, например, пробой диэлектриков, короткие замыкания проводников, неожиданные механические разрушения элементов конструкции и т. п.К внезапным отказам РЭА относят, например, пробой диэлектриков, короткие замыкания проводников, неожиданные механические разрушения элементов конструкции и т. п.

Период нормальной эксплуатации РЭА характеризуется тем, что интенсивность ее отказов в интервале времени (t1t2) минимальна и имеет почти постоянное значение min const.Период нормальной эксплуатации РЭА характеризуется тем, что интенсивность ее отказов в интервале времени (t1t2) минимальна и имеет почти постоянное значение min const. Величина min тем меньше, а интервал (t1 – t2) тем больше, чем совершеннее конструкция РЭА, выше качество ее изготовления и более тщательно соблюдены режимы эксплуатации.Величина min тем меньше, а интервал (t1 – t2) тем больше, чем совершеннее конструкция РЭА, выше качество ее изготовления и более тщательно соблюдены режимы эксплуатации. Период нормальной эксплуатации РЭА общетехнического назначения может продолжаться десятки тысяч часов. Он может даже превышать время морального старения аппаратуры.Период нормальной эксплуатации РЭА общетехнического назначения может продолжаться десятки тысяч часов. Он может даже превышать время морального старения аппаратуры.

Период износа.Период износа. В конце строка службы аппаратуры количество отказов снова начинает нарастать.В конце строка службы аппаратуры количество отказов снова начинает нарастать. Они являются закономерным следствием и естественного старения используемых в аппаратуре материалов и элементов.Они являются закономерным следствием постепенного износа и естественного старения используемых в аппаратуре материалов и элементов. Средний срок службы компонента до износа - величина более определенная, чем время возникновения приработочных и внезапных отказов.Средний срок службы компонента до износа - величина более определенная, чем время возникновения приработочных и внезапных отказов. Количество отказов можно предвидеть на основании опытных данных, полученных в результате испытаний конкретной аппаратуры.Количество отказов можно предвидеть на основании опытных данных, полученных в результате испытаний конкретной аппаратуры.

Физический смысл отказов из-за износов : в результате постепенного и медленного количественного изменения некоторого параметра компонента РЭА этот параметр выходит за пределы установленного допуска, полностью или частично утрачивает свои свойства, необходимые для нормального функционирования.Физический смысл отказов из-за износов : в результате постепенного и медленного количественного изменения некоторого параметра компонента РЭА этот параметр выходит за пределы установленного допуска, полностью или частично утрачивает свои свойства, необходимые для нормального функционирования. При износе происходит частичное разрушение материалов, при старении - изменение их внутренних физико-химических свойств.При износе происходит частичное разрушение материалов, при старении - изменение их внутренних физико-химических свойств.

К отказам в результате износа относят потерю чувствительности, точности, механический износ деталей и др.К отказам в результате износа относят потерю чувствительности, точности, механический износ деталей и др. Участок (t2t3) «кривой жизни» РЭА, соответствующий периоду износа, представляет собой монотонно возрастающую функцию, крутизна которой тем меньше (а протяженность во времени тем больше), чем более качественные материалы и комплектующие изделия использованы в аппаратуре.Участок (t2t3) «кривой жизни» РЭА, соответствующий периоду износа, представляет собой монотонно возрастающую функцию, крутизна которой тем меньше (а протяженность во времени тем больше), чем более качественные материалы и комплектующие изделия использованы в аппаратуре. Эксплуатация аппаратуры прекращается, когда интенсивность отказов РЭА приблизится к максимально допустимой для данной конструкции.Эксплуатация аппаратуры прекращается, когда интенсивность отказов РЭА приблизится к максимально допустимой для данной конструкции.

Вероятность безотказной работы РЭА. Возникновение отказов в РЭА носит случайный характер.Вероятность безотказной работы РЭА. Возникновение отказов в РЭА носит случайный характер. Время безотказной работы есть случайная величина, для описания которой используют разные распределения: Вейбулла, экспоненциальный, Пуассона.Время безотказной работы есть случайная величина, для описания которой используют разные распределения: Вейбулла, экспоненциальный, Пуассона. Отказы в РЭА, содержащей большое число однотипных неремонтируемых элементов, достаточно хорошо подчиняются распределению Вейбулла.Отказы в РЭА, содержащей большое число однотипных неремонтируемых элементов, достаточно хорошо подчиняются распределению Вейбулла. Экспоненциальное распределение основано на предположении постоянной во времени интенсивности отказов и используется при расчетах надежности аппаратуры одноразового применения, содержащей большое число неремонтируемых компонентов.Экспоненциальное распределение основано на предположении постоянной во времени интенсивности отказов и используется при расчетах надежности аппаратуры одноразового применения, содержащей большое число неремонтируемых компонентов.

При длительной работе РЭА для планирования ее ремонта важно знать не вероятность возникновения отказов, а их число за определенный период эксплуатации.При длительной работе РЭА для планирования ее ремонта важно знать не вероятность возникновения отказов, а их число за определенный период эксплуатации. В этом случае применяют распределение Пуассона, позволяющее подсчитать вероятность появления любого числа случайных событий за некоторый период времени.В этом случае применяют распределение Пуассона, позволяющее подсчитать вероятность появления любого числа случайных событий за некоторый период времени. Распределение Пуассона применимо для оценки надежности ремонтируемой РЭА с простейшим потоком отказов.Распределение Пуассона применимо для оценки надежности ремонтируемой РЭА с простейшим потоком отказов. Вероятность отсутствия отказа за время t составляет Р 0 = ехр(- t), а вероятность появления i отказов за то же время Вероятность отсутствия отказа за время t составляет Р 0 = ехр(- t), а вероятность появления i отказов за то же время, где i = 0, 1, 2,..., n - число отказов.

3. СТРУКТУРНАЯ НАДЕЖНОСТЬ АППАРАТУРЫ Структурная надежность любого радиоэлектрой аппаратуры - это его результирующая надежность при известной структурной схеме и известных значениях надежности всех элементов, составляющих структурную схему.Структурная надежность любого радиоэлектрой аппаратуры - это его результирующая надежность при известной структурной схеме и известных значениях надежности всех элементов, составляющих структурную схему. При этом под элементами понимаются как интегральные микросхемы, резисторы, конденсаторы и т. п., выполняющие определенные функции и включенные в общую электрическую схему РЭА, так и элементы вспомогательные, не входящие в структурную схему РЭА: соединения паяные, разъемные, элементы крепления и т. д.При этом под элементами понимаются как интегральные микросхемы, резисторы, конденсаторы и т. п., выполняющие определенные функции и включенные в общую электрическую схему РЭА, так и элементы вспомогательные, не входящие в структурную схему РЭА: соединения паяные, разъемные, элементы крепления и т. д.

Количественные характеристики структурной надежности РЭА.Количественные характеристики структурной надежности РЭА. Для их нахождения составляют структурную схему РЭА и указывают элементы устройства (блоки, узлы) и связи между ними.Для их нахождения составляют структурную схему РЭА и указывают элементы устройства (блоки, узлы) и связи между ними. Производят анализ схемы и выделяют элементы и связи, которые определяют выполнение основной функции данного устройства.Производят анализ схемы и выделяют элементы и связи, которые определяют выполнение основной функции данного устройства. Из выделенных основных элементов и связей составляют функциональную (надежностную) схему, причем в ней выделяют элементы не по конструктивному, а по функциональному признаку с таким расчетом, чтобы каждому функциональному элементу обеспечивалась независимость, т. е. чтобы отказ одного функционального элемента не вызывал изменения вероятности появления отказа у другого соседнего функционального элемента.Из выделенных основных элементов и связей составляют функциональную (надежностную) схему, причем в ней выделяют элементы не по конструктивному, а по функциональному признаку с таким расчетом, чтобы каждому функциональному элементу обеспечивалась независимость, т. е. чтобы отказ одного функционального элемента не вызывал изменения вероятности появления отказа у другого соседнего функционального элемента.

Определение количественных показателей надежности РЭА с помощью структурных схем дает возможность решать вопросы выбора наиболее надежных: Определение количественных показателей надежности РЭА с помощью структурных схем дает возможность решать вопросы выбора наиболее надежных: функциональных элементов, узлов, блоков, из которых состоит РЭА,функциональных элементов, узлов, блоков, из которых состоит РЭА, наиболее надежных конструкций, панелей, стоек, пультов, наиболее надежных конструкций, панелей, стоек, пультов, рационального порядка эксплуатации, профилактики и ремонта РЭА,рационального порядка эксплуатации, профилактики и ремонта РЭА, состава и количества ЗИП.состава и количества ЗИП.

При построении надежностных структурных схем используют последовательное, параллельное и последовательно-параллельное включение элементов.При построении надежностных структурных схем используют последовательное, параллельное и последовательно-параллельное включение элементов.

При последовательном включении элементов (рис. а) для надежной работы схемы необходима работа всех функциональных элементов.При последовательном включении элементов (рис. а) для надежной работы схемы необходима работа всех функциональных элементов. Вероятность безотказной работы схемы будет равна произведению вероятностей безотказной работы всех функциональных элементов:Вероятность безотказной работы схемы будет равна произведению вероятностей безотказной работы всех функциональных элементов: где n – число элементов схемы. где n – число элементов схемы.

Для случая экпоненциального распределения наработки до отказа Для случая экпоненциального распределения наработки до отказа среднее время наработки на отказ составит:

Для построения структурной схемы параллельного соединения элементов (рис. б) при вероятности отказов Qi(t) для каждого из элементов, входящих в схему, отказ всей схемы будет иметь место тогда, когда откажут все элементы, т.е.Для построения структурной схемы параллельного соединения элементов (рис. б) при вероятности отказов Qi(t) для каждого из элементов, входящих в схему, отказ всей схемы будет иметь место тогда, когда откажут все элементы, т.е., где m - число параллельно соединенных элементов. где m - число параллельно соединенных элементов. Вероятность безотказной работы всей схемы:Вероятность безотказной работы всей схемы:.

Для экпоненциального распределения наработки до отказа среднее время наработки на отказ составит Для экпоненциального распределения наработки до отказа среднее время наработки на отказ составит T = (1/ ) + (1/2 ) + … +(1/m ). T = (1/ ) + (1/2 ) + … +(1/m ). При смешанном параллельно-последовательном соединении элементов необходимо найти вероятность безотказной работы для каждой из цепочек параллельно включенных элементов, а затем для всей схемы.При смешанном параллельно-последовательном соединении элементов необходимо найти вероятность безотказной работы для каждой из цепочек параллельно включенных элементов, а затем для всей схемы.

4. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ Методы повышения надежности можно разделить на структурные и информационные.Методы повышения надежности можно разделить на структурные и информационные. Структурные методы повышения надежности.Структурные методы повышения надежности. Абсолютной надежности технических устройств добиться принципиально невозможно, а максимально повысить показатели их надежности реально, и это является важнейшей научной и технической задачей.Абсолютной надежности технических устройств добиться принципиально невозможно, а максимально повысить показатели их надежности реально, и это является важнейшей научной и технической задачей. Повышение уровня надежности РЭА достигается устранением причин, вызывающих в ней отказы, т. е. сведением к минимуму конструкторских, технологических и эксплуатационных ошибок.Повышение уровня надежности РЭА достигается устранением причин, вызывающих в ней отказы, т. е. сведением к минимуму конструкторских, технологических и эксплуатационных ошибок.

Значительного повышения надежности РЭА достигают созданием новых элементов. Значительного повышения надежности РЭА достигают созданием новых элементов. Повышением надежности элементов не удается полностью решить проблему построения надежных РЭА, что вызвано: Повышением надежности элементов не удается полностью решить проблему построения надежных РЭА, что вызвано: значительным опережением роста сложности вновь разрабатываемых РЭА,значительным опережением роста сложности вновь разрабатываемых РЭА, большими затратами при получении элементов высокой надежности,большими затратами при получении элементов высокой надежности, существованием элементов, надежность которых довольно низка и трудно поддается повышению.существованием элементов, надежность которых довольно низка и трудно поддается повышению. Поэтому один из путей повышения надежности РЭА введение схемной избыточности. Поэтому один из путей повышения надежности РЭА введение схемной избыточности.

Повышение надежности РЭА резервированием. Повышение надежности РЭА резервированием. Резервирование - способ повышения надежности аппаратуры, за­ключающийся в дублировании РЭА в целом или отдельных ее модулей или элементов.Резервирование - способ повышения надежности аппаратуры, за­ключающийся в дублировании РЭА в целом или отдельных ее модулей или элементов. Резервирование предполагает включение в схему устройства дополнительных элементов, которые позволяют скомпенсировать отказы отдельных частей устройств и обеспечить его надежную работу.Резервирование предполагает включение в схему устройства дополнительных элементов, которые позволяют скомпенсировать отказы отдельных частей устройств и обеспечить его надежную работу. Резервирование эффективно в случае, когда неисправности являются статистически независимыми.Резервирование эффективно в случае, когда неисправности являются статистически независимыми.

Различают следующие виды резервирования: Различают следующие виды резервирования: постоянное (резервные элементы включены вместе с основным и функционируют в тех же режимах);постоянное (резервные элементы включены вместе с основным и функционируют в тех же режимах); замещением (обнаружение отказавшего элемента и замена его резервным);замещением (обнаружение отказавшего элемента и замена его резервным); скользящее (любой резервный элемент может замещать любой отказавший).скользящее (любой резервный элемент может замещать любой отказавший).

Если Pc(t) - вероятность безотказной работы системы, то установка и включение параллельно нескольких таких же систем приводит к увеличению результирующей вероятности безотказной работы резервированной системы P(t), которую можно определить из выражения:Если Pc(t) - вероятность безотказной работы системы, то установка и включение параллельно нескольких таких же систем приводит к увеличению результирующей вероятности безотказной работы резервированной системы P(t), которую можно определить из выражения: где m - число резервных систем, включенных параллельно основной. где m - число резервных систем, включенных параллельно основной.

В РЭА применяется: В РЭА применяется: общее (резервируются отдельные модули),общее (резервируются отдельные модули), поэлементное резервирование на уровне микросхем или отдельных элементов.поэлементное резервирование на уровне микросхем или отдельных элементов. При одинаковом количестве резервных элементов поэлементное резервирование эффективнее общего, но требует большого числа дополнительных электрических связей.При одинаковом количестве резервных элементов поэлементное резервирование эффективнее общего, но требует большого числа дополнительных электрических связей.

Постоянное резервирование в РЭА производят по следующей схеме: входные сигналы поступают на n логических схем, причем n> k, где k число логических схем в нерезервированной схеме. Выходные сигналы всех n логических схем далее подают на решающий элемент, который согласно функции решения по этим сигналам определяет значения выходных сигналов всей схемы. Функция решения - правило отображения входных состояний решающего элемента на множество его выходных состояний.Постоянное резервирование в РЭА производят по следующей схеме: входные сигналы поступают на n логических схем, причем n> k, где k число логических схем в нерезервированной схеме. Выходные сигналы всех n логических схем далее подают на решающий элемент, который согласно функции решения по этим сигналам определяет значения выходных сигналов всей схемы. Функция решения - правило отображения входных состояний решающего элемента на множество его выходных состояний.

Резервирование замещением предполагает обнаружение отказавшего элемента или узла и подключение исправного. Замещение может происходить либо автоматически, либо вручную.Резервирование замещением предполагает обнаружение отказавшего элемента или узла и подключение исправного. Замещение может происходить либо автоматически, либо вручную. Резервирование замещением имеет следующие достоинства. Для многих схем при включении резервного оборудования не требуется дополнительно регулировать выходные параметры, вследствие того, что электрические режимы в схеме не меняются. Резервная аппаратура до момента включения в работу обесточена, что повышает общую надежность системы за счет сохранения ресурса электронных устройств. Имеется возможность использования одного резервного элемента на несколько рабочих.Резервирование замещением имеет следующие достоинства. Для многих схем при включении резервного оборудования не требуется дополнительно регулировать выходные параметры, вследствие того, что электрические режимы в схеме не меняются. Резервная аппаратура до момента включения в работу обесточена, что повышает общую надежность системы за счет сохранения ресурса электронных устройств. Имеется возможность использования одного резервного элемента на несколько рабочих.

При скользящем резервировании любой резервный элемент может замещать любой основной элемент. Для осуществления этого резервирования необходимо иметь устройство, которое автоматически находит неисправный элемент и подключает вместо него резервный. Достоинство такого резервирования в том, что при идеальном автоматическом устройстве будет наибольший выигрыш в надежности по сравнению с другими методами резервирования. Однако осуществление скользящего резервирования возможно лишь при однотипности элементов.При скользящем резервировании любой резервный элемент может замещать любой основной элемент. Для осуществления этого резервирования необходимо иметь устройство, которое автоматически находит неисправный элемент и подключает вместо него резервный. Достоинство такого резервирования в том, что при идеальном автоматическом устройстве будет наибольший выигрыш в надежности по сравнению с другими методами резервирования. Однако осуществление скользящего резервирования возможно лишь при однотипности элементов.

Информационные методы повышения надежности РЭА. Основное применение информационные методы находят в вычислительной технике. Реализуются они в виде корректирующих кодов. Назначение этих кодов состоит в том, чтобы обнаруживать и исправлять ошибки в РЭА без прерывания их работы.Информационные методы повышения надежности РЭА. Основное применение информационные методы находят в вычислительной технике. Реализуются они в виде корректирующих кодов. Назначение этих кодов состоит в том, чтобы обнаруживать и исправлять ошибки в РЭА без прерывания их работы. Корректирующие коды предусматривают введение в изделия некоторой избыточности. Различают временную и пространственную избыточность. Временная избыточность характеризуется неоднократным решением задачи. Полученные результаты сравниваются, и если они совпадают, то делается вывод, что задача решена правильно. Временная избыточность вводится в РЭА программным путем.Корректирующие коды предусматривают введение в изделия некоторой избыточности. Различают временную и пространственную избыточность. Временная избыточность характеризуется неоднократным решением задачи. Полученные результаты сравниваются, и если они совпадают, то делается вывод, что задача решена правильно. Временная избыточность вводится в РЭА программным путем.

Пространственная избыточность характеризуется удлинением кодов чисел, в которые вводят дополнительно контрольные разряды. Суть обнаружения и исправления ошибок с помощью корректирующих кодов состоит в следующем. В конечном множестве А выходных слов устройства выделяют подмножество В разрешенных кодовых слов (т. е. В А). Эти слова могут появиться лишь в том случае, если все арифметические и логические операции, выполняемые РЭА, осуществляются правильно. Тогда очевидно, что подмножество А – В = С(A \ B = С) будет характеризовать запрещенные кодовые слова. Последние имеют место только при наличии ошибок.Пространственная избыточность характеризуется удлинением кодов чисел, в которые вводят дополнительно контрольные разряды. Суть обнаружения и исправления ошибок с помощью корректирующих кодов состоит в следующем. В конечном множестве А выходных слов устройства выделяют подмножество В разрешенных кодовых слов (т. е. В А). Эти слова могут появиться лишь в том случае, если все арифметические и логические операции, выполняемые РЭА, осуществляются правильно. Тогда очевидно, что подмножество А – В = С(A \ B = С) будет характеризовать запрещенные кодовые слова. Последние имеют место только при наличии ошибок.

Для устранения обнаруженных таким образом ошибок все запрещенные кодовые слова разбиваются на группы. Каждой такой группе ставится в соответствие только одно разрешенное кодовое слово. При декодировании запрещенные кодовые слова сi автоматически заменяются разрешенными кодовыми словами из той группы, к которой принадлежит ci.Для устранения обнаруженных таким образом ошибок все запрещенные кодовые слова разбиваются на группы. Каждой такой группе ставится в соответствие только одно разрешенное кодовое слово. При декодировании запрещенные кодовые слова сi автоматически заменяются разрешенными кодовыми словами из той группы, к которой принадлежит ci. Таким образом, корректирующие коды в состоянии не только обнаруживать ошибки, но и устранять их.Таким образом, корректирующие коды в состоянии не только обнаруживать ошибки, но и устранять их.

Расчет надежности РЭА. Определив из ТЗ требуемую вероятность безотказной работы аппаратуры, конструктор распределяет эту вероятность по составляющим РЭА мо­дулям, подбирает элементы с необходимыми интенсивностями отказов, вы­являет потребность и глубину резервирования, принимает меры по защите аппаратуры от воздействий дестабилизирующих факторов.Расчет надежности РЭА. Определив из ТЗ требуемую вероятность безотказной работы аппаратуры, конструктор распределяет эту вероятность по составляющим РЭА мо­дулям, подбирает элементы с необходимыми интенсивностями отказов, вы­являет потребность и глубину резервирования, принимает меры по защите аппаратуры от воздействий дестабилизирующих факторов.

Расчет надежности РЭА состоит в определении числовых показателей надежности P(t) и Тср по известным интенсивностям отказов комплектую­ щих РЭА элементов. При этом считается, что, если выход из строя любого элемента приводит к выходу из строя всей РЭА, то имеет место последова­ тельное включение элементов. Усредненные данные по интенсивностям от­казов микросхем, электрорадиоэлементов, узлов и электрическим соедине­ниям известны /2/.Расчет надежности РЭА состоит в определении числовых показателей надежности P(t) и Тср по известным интенсивностям отказов комплектую­ щих РЭА элементов. При этом считается, что, если выход из строя любого элемента приводит к выходу из строя всей РЭА, то имеет место последова­ тельное включение элементов. Усредненные данные по интенсивностям от­казов микросхем, электрорадиоэлементов, узлов и электрическим соедине­ниям известны /2/.

Вероятность безотказной работы системы обычно вычисляется с использованием выражений:Вероятность безотказной работы системы обычно вычисляется с использованием выражений: Pc(t) = exp(- (t) dt), (t) =li(t),Pc(t) = exp(- (t) dt), (t) =li(t), где li(t) – интенсивность отказов i-го модуля, n – число модулей системы.где li(t) – интенсивность отказов i-го модуля, n – число модулей системы.

Модули одного иерархического уровня имеют приблизительно рав­ную надежность. Тогда для системы из К групп модулей одного уровня:Модули одного иерархического уровня имеют приблизительно рав­ную надежность. Тогда для системы из К групп модулей одного уровня: Pc(t) = exp(- nili(t) dt), (t) =ni li(t),Pc(t) = exp(- nili(t) dt), (t) =ni li(t), где ni - число модулей i-го уровня иерархии.где ni - число модулей i-го уровня иерархии.

Для экспоненциального закона распределения, когда интенсивность отказов можно считать величиной постоянной:Для экспоненциального закона распределения, когда интенсивность отказов можно считать величиной постоянной: (t) = = const, Pc(t) = exp(- t). (t) = = const, Pc(t) = exp(- t).

В общем случае надежность конструкции зависит от соотношения прочности и устойчивости к нагрузке, которую приходится выдерживать аппаратуре в процессе эксплуа­тации. Под прочностью здесь понимается способность аппаратуры выдер­живать без разрушений внешние температурные, механические, влажностные и прочие воздействия, под устойчивостью - способность к работе при тех же воздействиях.В общем случае надежность конструкции зависит от соотношения прочности и устойчивости к нагрузке, которую приходится выдерживать аппаратуре в процессе эксплуа­тации. Под прочностью здесь понимается способность аппаратуры выдер­живать без разрушений внешние температурные, механические, влажностные и прочие воздействия, под устойчивостью - способность к работе при тех же воздействиях.

Создание аппаратуры без излишних запасов прочности - важная и сложная задача, поскольку конструктор не всегда имеет четкие количест­венные параметры внешних воздействий, отсутствуют или имеются неточ­ные математические модели, позволяющие весьма ориентировочно произве­сти указанную оценку. Это приводит к внесению в конструкцию завышен­ных запасов прочности и устойчивости, так называемых коэффициентов незнания, уточнение которых - условие успешного обеспечения заданной надежности при минимальной себестоимости.Создание аппаратуры без излишних запасов прочности - важная и сложная задача, поскольку конструктор не всегда имеет четкие количест­венные параметры внешних воздействий, отсутствуют или имеются неточ­ные математические модели, позволяющие весьма ориентировочно произве­сти указанную оценку. Это приводит к внесению в конструкцию завышен­ных запасов прочности и устойчивости, так называемых коэффициентов незнания, уточнение которых - условие успешного обеспечения заданной надежности при минимальной себестоимости.