Методы и средства испытаний РЭА: Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО
СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР
КУЙБЫШЕВСКИЙ ордена ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени АКАДЕМИКА С. П. КОРОЛЕВА
А. В. КАПЦОВ, В. А. МЕДНИКОВ
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА
ИСПЫТАНИЙ РЭА
Учебное пособие
КУЙБЫШЕВ 1989
УДК 620. 17:621. 396. 6. 001.4
Методы
М е д н и к о в В. А.
К а п ц о в А. В.,
и средства испытаний РЭА: Учебное пособие. —
Куйбышев: КуАИ, 1989.-—78 с,
В пособии рассмотрены место и роль испытаний
в Единой системе управления качества РЭА, эксплуа­
тационные факторы, влияющие на функционирование
РЭА, экономические и статистические аспекты планиро­
вания испытаний, испытания РЭА на надежность; даны
рекомендации по методике планирования испытаний,
приведены примеры расчета параметров испытаний.
Пособие предназначено для студентов спец. 23.03
дневной и вечерней форм обучения.
Ил. 27. Табл, 5. Пиблшир. 5 казн,
Рецензенты: Э. К. Д а м м, И. М. В а й с м а н
Печатается по решению редакционно-издательского со­
вета института
© Куйбышевский авиационный институт, 1989
ВВЕДЕНИЕ
Радиоэлектронная аппаратура (РЭА) находит
самое широкое применение в различных областях
науки и техники. Задачи, возлагаемые на РЭА,'
зачастую очень ответственные, что обуславливает
высокие требования к ее надежности. В то же вре­
мя условия эксплуатации РЭА весьма разнообраз­
ные, а в большинстве случаев очень тяжелые. Это
затрудняет выполнение требований высокой надеж­
ности.
Рассмотрим,' например, автомат современного
воздушного лайнера. Его основу составляет РЭА,
которая воспринимает информацию системы датчи­
ков, перерабатывает ее и выдает сигналы на испол­
нительные устройства. Условия эксплуатации такой
РЭА достаточно тяжелые, т. к. на нее действуют
изменения температур в широком диапазоне, пере­
пады атмосферного давления и влажности, удары,
вибрация, интенсивный акустический шум и неко­
торые другие факторы. Несмотря на это, РЭА долж­
на функционировать с высокой надежностью, т. к.
отказ ее может стоить десятки человеческих жиз­
ней.
Об уровне надежности судят по способности
РЭА безотказно функционировать в течение задан­
ного времени при определенных условиях эксплуа­
тации. Для определения этой способности осущест­
вляются испытания РЭА в условиях, близких к эк­
сплуатационным, а для поддержания этой способ­
ности осуществляется технический контроль в про­
цессе производства.
3
Правильно организованные испытания и конт­
роль РЭА позволяют не только оценить ее надеж­
ность и степень соответствия предъявляемым тре­
бованиям, но и способствуют значительному повы­
шению надежноегн, Одним из путей решения этой
задачи является действенный контроль и управле­
ние качеством выпускаемой РЭА на всех этапах ее
создания. В системе управления качеством испыта­
ниям отводится немаловажное место, т. к. испыта­
ниями заканчивается работа но изготовлению РЭА.
Только по результатам испытаний можно судить,
насколько работа была плодотворной и успешной.
Правильность выбора метода испытаний, точ­
ность поддержания заданных режимов, метрологи­
ческая чистота оценки результатов испытаний —
важнейшие условия, обеспечивающие объективную
оценку качества испытуемой РЭА и эффективность
управления качества их выпуска. В оценке испы­
туемой РЭА не должно быть ошибки. Ошибочное
признание РЭА, удовлетворяющей требованиям по
результатам испытаний, чревато катастрофически­
ми последствиями в процессе эксплуатации такой
РЭА.
Ошибочное признание хорошей РЭА по резуль­
татам испытаний как неудовлетворяющей заданным
требованиям, может свести на нет работу больших
коллективов по созданию и изготовлению РЭА, а
также привести к большим экономическим потерям.
1. МЕСТО И РОЛЬ ИСПЫТАНИЙ
В ЕДИНОЙ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ
РЭА
Перед разработчиками современной РЭЛ стоит задача
создания высококачественной аппаратуры, соответствующей
по своим характеристикам уровню лучших мировых стапдар
тов и образцов. Согласно ГОСТ 15467 — 79, качество РЭА
это совокупность свойства РЭА, обуславливающих ее пригод­
ность удовлетворять определенные потребности в соответст­
вии с назначением.
В последнее время вопрос повышения качества РЭА, и в
частности ее надежности, превратился в серьезную проблему.
Можно выделить три основные причины, породившие эту
проблему.
1. Значительное усложнение РЭЛ, применение в ней
огромного количества элементов, что, как известно из
теории надежности, снижает надежность аппаратуры
с увеличением числа элементов.
2. Использование РЭА в самых различных областях пау­
ки, техники .и народного хозяйства. Часто задачи, воз­
лагаемые на РЭА, связаны с обеспечением безопаснос­
ти человеческих жизней. Перед такой РЭА стоит зада­
ча обеспечения «абсолютной» надежности.
3. Работа РЭА в тяжелых условиях эксплуатации, напри­
мер, при резких перепадах температуры и атмосферно­
го давления, при больших механических нагрузках и
т. д.
Для решения этой проблемы при разработке и изготовле­
нии РЭА высокого качества и надежности создана система
управления качеством.
Управление качеством РЭА — это действия, осуществляе­
мые при разработке и изготовлении РЭА, в целях установле­
ния и поддержания необходимого уровня качества РЭА.
5
Контроль качества это проверка соответствия показа­
телей качества РЭЛ установленным требованиям. Качество
изготавливаемой РЭЛ будет высоким, если высоки качество
модели РЭА К м и качество изготовления РЭА К и
К1>ЭА
К м I К „.
(1 )
В данном случае под моделью понимается овеществлен­
ный прототип РЭА, предназначенный для последующего изго­
товления, т. с. разработанный и испытанный промышленный
образец. Качество модели зависит от качества нормативной
документации на разработку РЭЛ К Д|), качество труда лиц,
разрабатывающих РЭЛ, Кто» качества технических средств
Ктср > необходимых для разработки РЭА (оборудование и
оснащение лабораторий испытательных станций, стендов и
т. д.)
К м = Кдр + К т р -I- К ТСр .
(2 )
Качество изготовления РЭА тоже определяется рядом
составляющих, и в первую очередь, качеством нормативной
документации на изготовление РЭА К д и , качеством оборудо­
вания и инструмента К о и , качеством сырья, материалов и
комплектующих изделий К Смк , качеством труда изготовите­
лей Ктри и т. д.:
К ц = Кдн + Кои + К с м к + Ктри-
(3 )
Таким образом, . для решения проблемы качества РЭА
разработана система управления качеством, включающая
систематический контроль качества, т. е. контроль за соот­
ветствием показателей качества РЭА установленным требова­
ниям, который осуществляется путем проведения соответст­
вующих испытаний. Следовательно, без испытаний РЭА не
возможен контроль качества, а без контроля — соответствен­
но действенное управление качеством.
Система управления качеством базируется на комплексной
службе контроля качества, возглавляемой главным контроле­
ром, наделенным правами заместителя директора предприя­
тия по качеству и состоящая, как правило, из следующих от­
делов: надежности и управления качеством; испытаний; мет­
рологии; технического контроля [1].
Одним из основных отделов в этой системе является отдел
технического контроля (ОТК), осуществляющий определение
соответствия качественных и количественных характеристик
6
контролируемых изделий, процессов требованиям ГОСТов,
нормалей, ТУ, инструкций и чертежей. На рис. 1 приведена
структурная схема стадий разработки РЭА, включающих опе­
рации контроля К, анализа полученных результатов А и вы­
работку управляющих воздействий УВ [2]. Как видно, все
стадии создания РЭА сопровождаются контролем, виды кото­
рого весьма разнообразны. Их можно классифицировать по
следующим' классификационным признакам [3, 4]:
Рис. 1. Структурная схема стадий разработки РЭА
7
по годности изделия после контроля — на разрушающие
и неразрушающие виды контроля;
по стадиям производственного процесса — на входной, те­
кущий, приемочный;
.
' по степени участия человека — иа ручной, полуавтомати­
ческий, автоматический.
Основные виды технического контроля, цели условия ис­
пользования приведены в табл. 1.
При выборе средств контроля учитывают обычно следую­
щие основные факторы:
1. Тип производства (единичное, серийное, массовое).
2. Назначение контролируемой РЭА и степень ее слож­
ности.
3. Место проведения контроля (конвейер, лаборатория,
место эксплуатации).
4. Требуемая надежность средств контроля.
5. Быстродействие средств контроля.
6. Допустимая погрешность контроля.
7. Квалификация контролеров и безопасность их работы.
Т аблица!
Классификация видов технического контроля
Признак
классификации
Вид технического
контроля
Цель, условия использования
Способ контроля
Визуальный
Выявление поверхностных де­
фектов, правильность монтажа
. пайки, состояние изоляции
Проверка на соответствие форм
чертежам
Проверка прочности соедине­
ний, креплений
Проверка ' параметров РЭА,
напряжений, сопротивлений,
прочности изоляции
Проверка свойств материалов
Геометрический'
Механический
Электрический
Физико-химический
Технологический
Проверка правильности техно­
логических операций
Продолжение .табл. 1
Признак
классификации
Вид технического
контроля
Цель, условия использования
Отношение к про­
изводственному
процессу
Входной .
Проверка комплектующих
. изделий
Текущий
Выявление брака и обнаруже­
ние причин брака, оценка пра­
вильности настройки оборудо­
вания
Приемочный (выход­ Проверка окончательно собран­
ной)
ной РЭА ’
.
Способ определе­
ния степени при­
годности изделия
По качественному
признаку
По количественному
признаку
Степень охвата
Стопроцентный
Выборочный
.
/
Промежуточный
Операционный
Характер воздей­
ствия на ход про­
изводственного
процесса
Пассивный
Периодичность
Непрерывный
Активный
Периодический
Инспекторский
Определение численного значе­
ния параметров РЭА, выявле­
ние закона' распределения па­
раметров
Определение степени годности
РЭА, соответствие ее парамет­
ров допустимым '
При освоении производства
Применяется при стабильном
массовом или серийном произ­
водстве
Применяется после . сложных
операций
Применяется на рабочем месте
Применяется для отделения
брака от годной продукции
Применяется для обнаружения
брака, анализа причин по ко­
личественному признаку
Контролируются систематически
все изделия
Контролируется часть РЭА че­
рез определенное время
Применяется при резком уве­
личении брака или обнаруже­
нии нарушений технологии
9
Окончание табл. 1
Признак
классификации
Вид технического
контроля
Цель, условия использования
Степень участия
человека в про­
цессе контроля
Применяется при мелкосерий­
ном производстве
Применяется
при
серийном
Полуавтоматический
производстве. Установку РЭА
осуществляет контролер
Применяется при массовом про­
. Автоматический
изводстве
Характер воздействия на РЭА
Неразрушающий
Ручной
Разрушающий
Применяется для оценки ка­
чества готовой продукции
Применяется для выявления
скрытых дефектов при анализе
брака
Важную роль при выборе средств контроля играют эконо­
мические вопросы, связанные со стоимостью контроля. На
рис. 2 приведен график зависимости стоимости контроля от
количества контролируемых операций для трёх основных ти­
пов контрольной аппаратуры.
Рис, 2. Зависимость стоимости контроля от коли­
чества контролируемых операций
10
На предприятии ОТК подчинен организационно ряд под­
разделений, участвующих в проведении контроля. Лаборато­
рией входного контроля осуществляется входной контроль
материалов, полуфабрикатов и комплектующих изделий, по­
ступающих на предприятие. Бюро технического контроля це­
ха (ВТК) контролирует правильность выполнения технологи­
ческих процессов, проводит окончательную техническую при­
емку с оценкой качества и комплектности изделий. Лаборато­
рия анализа проводит анализ брака, выявляет причины по­
явления дефектов. Лаборатория окончательных испытаний
проводит испытания и контроль готовой РЭА, а также мате­
риалов и узлов, входящих в конструкцию изделия.
Контрольно-измерительной лабораторией (КИЛ) осущест­
вляется проверка измерительных приборов, линейных и угло­
вых мер, а также контроль разработанных предприятием ин­
струментов и оснастки. Техническим бюро (ТБЦ) проводится
анализ данных эксплуатации и рекламаций, обобщаются все
материалы по результатам контроля качества- на предприя­
тии, составляется вся отчетная техническая документация, ко­
торой обеспечивается и БТК.
Вторым по значимости в системе управления качеством
после ОТК является отдел испытаний, в котором РЭА под­
вергается реальным или экстремальным условиям эксплуата­
ции, которые воспроизводятся (имитируются) на специальных
установках и стендах с целью выявления потенциально нена­
дежных элементов изделия.
2. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ФАКТОРЫ,
ВЛИЯЮЩИЕ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ РЭА
2.1. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КАЧЕСТВО РЭА '
На различных этапах создания и изготовления РЭА па ее
качество и надежность влияют различные факторы [1, 3]. Их
можно разделить на объективные и субъективные, внешние
и внутренние, естественные и искусственные.
К субъективным относятся факторы, связанные с участи­
ем человека в процессах проектирования и изготовления РЭА.
Объективные факторы — это такие факторы, ■которые не
зависят от человека и определяются условиями разработки,
изготовления и эксплуатации РЭА.
11
Внешние факторы — такие, которые влияют на качество
РЭА независимо от режимов ее работы.
Внутренними факторами называются такие, которые влия­
ют на качество РЭА в зависимости от режимов ее работы и
входящих в нее элементов.
К естественным относятся факторы, которые определяют­
ся естественными условиями окружающей среды, в которой
функционирует РЭА.
К искусственным факторам относятся такие, которые оп­
ределяются условиями внешней среды, создаваемой челове­
ком.
Все факторы по-разному сказываются на различных эта-,
пах создания РЭА и ее эксплуатации. На этапах разработки
основное влияние.на качество РЭА оказывают субъективные
факторы. К ним можно отнести в основном квалификацию
людей, занятых непосредственно разработкой РЭА, допускае­
мые ими ошибки.
На этапах производства значительное влияние на качест­
во РЭА оказывают как субъективные, так и объективные
факторы. К субъективным в этом случае можно отнести ква­
лификацию людей, занятых производством .РЭА, состояние
технологической дисциплины, допускаемые отклонения от нее.
К объективным факторам в процессе производства относят­
ся: состояние технологического оборудования и инструмента,
исходных материалов и элементов, из которых изготавливает­
ся РЭА, условия окружающей среды, в которой производится
РЭА.
На этапах эксплуатации основное влияние на качество
РЭА оказывают объективные эксплуатационные факторы.
Субъективные факторы имеют место только при обслуживавании РЭА. К ним относятся квалификация операторов, ра­
ботающих с аппаратурой, и допускаемые ими ошибки. Наи­
большую группу составляют объективные, эксплуатационные’
факторы.
Все факторы можно разделить на пять групп: механичес­
кие, 'климатические, биологические, космические, радиацион­
ные.
К механическим факторам относятся:
вибрационные нагрузки, они делятся на двадцать степе­
ней жесткости и лежат в диапазоне частот 1...5000 Гц.
Максимальное ускорение при вибрационных нагрузках до-,
стигает 40
12
ударные нагрузки: многократные удары при максимальном
ускорении до 150 £ и длительности ударного импульса от 1 до
15 мс делятся на четыре степени жесткости; одиночные удары
при максимальном ускорении до 300£ и длительности ударного
импульса от 0,2 до 60 мс делятся на восемь степеней жест­
кости;
линейные (центробежные) нагрузки с ускорением до 500 £
делятся на семь степеней жесткости.
Диапазоны воздействующих механических факторов для
каждой степени жесткости приведены в ГОСТ 16962—71.
К этой группе факторов можно отнести также акустический
шум (звуковое давление) в диапазоне частот 5.:.1000Гц при
давлении до 180дБ, тряску и взрывную волну.
_ К группе климатических факторов относятся:
температура воздуха или другого газа при эксплуатации
до 500°С (верхнее значение) делится на пятнадцать степеней
жесткости. Нижнее значение (минус 85°С) делится па девять
степеней жесткости;
_
.
циклическое изменение температуры;
температурный удар;
пониженное отмосферное давление до 10~6 мм рт. ст.;
повышенное атмосферное давление до 3 атм делится на две
степени жесткости;
влажность воздуха до 100 % при 35°С и более низких тем­
пературах с конденсацией влаги делится на восемь степеней
жесткости;
дождь с интенсивностью до 5 мм/мин;
иней с последующим его оттаиванием и образованием росы;
капли, падающие под углом от 90° до 45° к горизонтали,
с интенсивностью 0,4 мм/мин;
гидростатическое давление;
пыль, песок и промышленные газы;
соляной туман;'
солнечная радиация с верхними значениями интегральной
плотности теплового потока 1125Вт/м2 , в том числе плотно­
сти потока ультрафиолетовой части спектра 42 Вт/м2 ,
К биологическим факторам относятся:
плесневые грибки;
бактерии;
насекомые;
грызуны.
К космическим факторам относятся:
невесомость;
кЪсмическая радиация.
13
К радиационным факторам относятся облучения различ­
ного рода ядерными взрывами.
Действие того или иного фактора на работоспособностьРЭА определяется климатической зоной или климатическими
условиями. Климатической зоной называют участок поверх­
ности Земли, на котором в течение 30—50 лет наблюдаются
йостоянные, характерные метеорологические условия. Наи­
более важными факторами являются тепловой и водный ба­
ланс Земли, который зависит от следующих климатообразую­
щих факторов: радиационный режим, циркуляция атмосфе­
ры, влагооборот, местные особенности.
Радиационный режим определяется прямой О и рассеян­
ной ,ц солнечной радиацией [3], эффективностью излучения
земли Е (разность потока от поверхности земли к атмосфере
и потока от атмосферы к земле), а также отношением отра­
женной энергии к падающей а. Радиационный баланс
+
(1 _ а )_ Е ,
(4)
В зависимости от соотношения климатообразующих фак­
торов различают следующие климатические зоны: умеренТ аблица
2
Характеристика естественных климатических условий эксплуатации РЭА
Умеренный
Холодный
Тропический
Температура, °С
40
—40
40
—60
45
—10
Относительная влажность, %
при температуре, "С
100
25
100
25
100
35
Интегральная плотность потока
солнечной радиации, Вт/м2
1125
1125
1125
40
40
40
3
/
3
5
Климат
Колебания температуры за 8 ч, °С
Максимальная интенсивность
дождя, мм/мин
Динамическое воздействие пыли,
песка
Иней
Плесневые грибы
Морская соль в воздухе,
мг/'м2 сутки
14
—
+ '
—
—.
+
.+
— '
—
+
2
2
2
'
Ную, холодную, тропическую влажную, тропическую сухую,
влажную субтропическую и высокогорную.
В зоне умеренного климата среднегодовое изменение тем­
рературы составляет —30... 35°С с максимальными изменения­
ми 40°С; среднесуточный перепад температур — 11° С; сред­
н я относительная влажность 80% при 20°С; обледенение,
образование инея, росы, наличие тумана; изменение давления
вдздуха от. 700 до 800 мм рт. ст.
Нормальными климатическими условиями являются [2]:
температура + 20 ± 5°С; атмосферное, давление 700...780 мм
ртАст.; влажность воздуха 45..'.80 %.
\ Для зоны холодного климата характерно наличие отрица­
тельных температур в течение большей части года с измене­
ниями в среднем от —50 до 30°С и перепадами: годовым —
80УС, среднесуточным до 40°С.
Для зоны тропического сухого климата характерны высо­
кая температура и низкая относительная влажность воздуха
(J0...20%). Температура воздуха может изменяться от 60°С
д^ —10°С (ночью), суточные изменения температуры 40°С.
Основные характеристики умеренного, холодного и тропиче­
ского климатов приведены в табл. 2.
Характеристики окружающей РЭА атмосферы зависят
не только от вида климатической зоны, но и от высоты над
уровнем моря. "'Атмосферу разделяют на следующие зоны
в‘ соответствии с климатическими изменениями: тропосфера
(до 16 км); стратосфера (от 16 до 40 км); мезосфера (от 40
до 80 км); ионосфера (свыше 80 км). Давление воздуха с увеличением высоты уменьшается, а температура сначала умень­
шается, а затем возрастает.
.
Таким ‘образом, рассмотренные эксплуатационные объек­
тивные^ факторы воздействия на аппаратуру можно класси­
фицировать с помощью структурной схемы, приведенной на
рис. 3.
Из всех эксплуатационных объективных факторов наи­
большее воздействие на. надежность РЭА оказывают Клима-'
тические факторы. Влияние каждого климатического факто­
ра в отдельности и в сочетании с другими схематично можно
представить в виде рис. 4.
Эксплуатационные условия, в которых эксплуатируется
или хранится РЭА, зависят не только от климатической зоны
Земли, но и способа размещения аппаратуры на объектах
.или носителях. Различают следующие способы размещения
РЭА на объектах: на открытом воздухе; под навесом; в по15
2 ..,-
повышенное
вож дь .
"инф ракрасное
и ульт раф ио­
лет овое
облучение
л и н е й ное
ускорение
соли ■
/морской туман)
промыииленныё
га зы
пыль
п р и м е си в
воз дуле ■
"вибрация
ст арение'
"7
т ря ска
2Ь_.
износ
Е2
внут ренние ф акт оры
Рис. 3. Классификация факторов, воздействующих на РЭА
роса
иней
пониж енное
высотность)
повышенная
положительная
(тепло)_______
отрицательная
/ХОЛОд)
ц икл и ч е ско е
изменение
■ темпера т у ф ~
| н ы й .уд а р
атмосферное
давление
вл аж ност ь
со л н е ч н а я
р а Уиа и,и Я
во зде йст ви я
взрывная 1; ¡'З*в-у'ш•Vв>»оVёV
~ ° ■ ■■
давление
волна_____
клим ат ические
во зде йст ви я ■
3221
м еханические
I температура
переходные
процессы
р е ж им
' рабе. ты
ест ест в. и и с к ч с т у
.
, вн е ш н и е ф а кт о р ы
экспл уа т а ц и оНные
объект ивны е ф акт оры
►
—*
Рис: 4. Схема влияния климатических факторов на эксплуатационные характеристики
РЭА
мещениях без искусственного регулирования климатических
условий;'в помещениях с искусственным регулированием кли­
матических, условий; в термоотсеках.
Выбор того или иного способа установки изделий РЭА
определяется плотностью компоновки, наличием местной или
общей герметизации, влиянием тепловыделения других эле­
ментов.
2.2. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ. ФАКТОРОВ
НА СВОЙСТВА РЭА
‘2.2.1. В лияние климатических факторов
Наиболее существенное влияние на характеристики и папараметры РЭА оказывает температура аппаратуры, которая
зависит от окружающей среды и интенсивности солнечной
радиации. Температура окружающей среды может колебать­
ся’в широких пределах [1]: для наземной аппаратуры — от
Л:
6,9
• Рис. 5. Зависимость интенсивности отказов полупроводниковых
приборов от температуры
18
—70°С до + 68°С, а для космической до + 500°С. Верхний
предел температуры возрастает при действии солнечной 'ра­
диации и зависит от размера и цвета поверхности РЭА, теп­
лоемкости и. теплопроводности корпуса, шасси, кожуха и др.
Тепловое воздействие на РЭА может быть непрерывным
или периодическим при работе аппаратуры в стационарных
условиях. Периодическому тепловому воздействию подверга­
ется полевая, самолетная и другая аппаратура, работающая
на подвижных объектах. Для аппаратуры, периодически
включаемой, перепады температуры достигают 60°С при вре­
мени прогрева до 3 ч., а для аппаратуры авиационной техники
перепады могут составлять 150°С при скорости изменения до
50 град/мин.
Повышенная температура резко увеличивает интенсив­
ность отказов полупроводниковых приборов [3]. На рис. 5
приведен график зависимости интенсивности отказов от тем­
пературы (/сн — температура, оговоренная техническими ус­
ловиями на прибор, при которой резко увеличивается интен­
сивность отказов). Аналогичная зависимость (рис. 6) харак■теризует интенсивность отказов конденсаторов [3].
Рис. 6.
Зависимость интенсивности отказов конденсаторов
от температуры
19
Повышенная температура приводит к изменению физико­
химических и механических свойств материалов и элементов,
что вызывает изменение электрических и механических пара­
метров РЭА [2]. Для диэлектриков изменение температуры
приводит к изменению диэлектрической проницаемости,
удельного объемного и поверхностного сопротивлений, ди­
электрических потерь, электрической прочности.
Повышение температуры металлов приводит к изменению
их электрических и физических параметров, изменяется маг­
нитный поток постоянных магнитов, уменьшается магнитная
проницаемость магнитодиэлектриков [1]. Расширение метал­
лов при нагреве приводит к изменению размеров деталей,
уменьшению прочности и упругости. Различное значение ко­
эффициента линейного расширения металлов и пластмасс
приводит к образованию воздушных каналов внутри герме.тизованных узлов и блоков, по которым может проникать
влага [2].
При одновременном действии тепла и механических на­
грузок многие материалы легко деформируются. У ряда ма­
териалов при нагревании имеет место химическое разложение
и старение, приводящее к изменению'электрических характе­
ристик. Наиболее сильно подвержены воздействию темпера­
туры полупроводниковые приборы, поэтому их температурные
режимы всегда ограничены.
Нагрев обмоток трансформаторов, дросселей и электро­
двигателей. приводит к размягчению пропиточных материа­
лов, что увеличивает возможность электрического пробоя.
Увеличение температуры механизмов РЭА вызывает умень­
шение вязкости смазок и расширение металла, что приводит
к местному перегреву, замыканию и заеданию подвижных
частей, выходу из строя подшипников. Под действием низ­
ких температур изменяются свойства всех диэлектриков,
пластмассы становятся менее ударопрочными. Детали из ре­
зины и каучуковых материалов становятся хрупкими и не­
эластичными, на них образуются трещины. Воскообразные
материалы и компаунды на их основе твердеют и растрески­
ваются. Наиболее вероятны разрушения в местах сопряже­
ния материалов с различными коэффициентами линейного
расширения (пластмасса—металл, металл—стекло и т. п.).
Наличие различных коэффициентов линейного расширения
у заливочных компаундов, кожухов и заливаемых конструк­
ций приводит к растрескиванию, обрыву выводов, образова­
нию раковин. В механизмах РЭА наличие различных коэф20
фициентов линейного расширения у разных материалов и за­
мерзание смазки механических элементов приводит к заеда­
нию и заклиниванию.
Понижение температуры отрицательно влияет на паяные
соединения и швы. По мере уменьшения температуры до
—50°С возрастает скорость разрушения олова. Это явление
называют «оловянной чумой».
Резкие колебания температуры вне РЭА приводят к тому,
что на ее внутренних частях конденсируется влага, которая
по микротрещинам проникает внутрь некоторых элементов и
в зазоры между деталями. При низких температурах вода
•замерзает и, расширясь на 10. % в объеме, увеличивает поры,
трещины и зазоры. Опыт эксплуатации РЭА показывает, что
значительный процент отказов обусловлен воздействием по­
вышенной влажности окружающей среды, особенно в соче­
тании с повышенной температурой.
При работе РЭА во влажной атмосфере влага обволаки­
вает ее снаружи и проникает внутрь. Водяная пленка на по­
верхности деталей и материалов быстро загрязняется, вслед­
ствие чего увеличивается ее электрическая проводимость,
появляются проводящие каналы, возникает емкостный эф­
фект, обусловленный высоким значением диэлектрической
проницаемости воды. Кроме этого, изменяются сопротивле­
ние изоляции, поверхностное сопротивление, индуктивности
и емкости, коэффициент рассеяния и добротность, уменьша­
ется пробивное напряжение и коэффициент усиления транзис­
торов. Пленка загрязненной воды закорачивает между собой
выводы элементов РЭА [1].
,
Проникновение влаги сопровождается коррозией материа­
лов, изменением размеров деталей, .узлов и элементов конст­
рукций, понижением механической прочности, короткими за­
мыканиями в электрических цепях, уменьшением объемного
сопротивления изоляторов, изменением потерь в диэлектриках
с изменением частоты питающего напряжения, появлением
токов утечки. При высокой влажности среды увеличивается
поглощение парами воды электромагнитной эйергии.
На параметры РЭА и ее элементы, кроме рассмотренных
факторов, оказывает непосредственное и косвенное влияние
пониженное атмосферное давление. При непосредственном
влиянии пониженного давления изменяется емкость и допус­
тимое рабочее напряжение конденсаторов с воздушным ди­
электриком, уменьшается значение допустимого пробивного
напряжения в изоляторах и волноводах, между проводника21
ми монтажа [3]. На больших высотах, где давление значи­
тельно отличается от нормального, возможны пробои в ан­
тенных системах импульсных СВЧ-передатчиков, а также
изменение формы излучаемого импульса и диаграммы на­
правленности.
На высотах свыше 2000 м увеличивается вероятность воз­
никновения тихого и скользящего искрового разрядов в негерметизированных высоковольтных выпрямителях и антенно­
фидерных системах. При пониженном давлении увеличива­
ются нагрузки на кожух герметизированных элементов РЭА.
Косвенное влияние пониженного атмосферного давления за­
ключается в ухудшении условий воздушного охлаждения РЭА
из-за уменьшения плотности воздуха, а также в ухудшении
отвода 'тепла за счет снижения коэффициента теплоотдачи
воздуха.
Наряду с рассмотренными факторами большое влияние
на параметры РЭА оказывает биологическая среда, под ко­
торой принято понимать поражение РЭА и ее элементов пле­
сенью, микроорганизмами и насекомыми. Наибольшие раз­
рушения возникают под действием плесени. Детали РЭА,
выполненные из металла, пластмассы, резины и кожи под
действием плесневых грибков корродируют, теряют внешний
вид, механическую прочность и электрические свойства, а
линзы и стекла оптических устройств мутнеют и покрываются
пятнами.
Плесень очень гигроскопична [1, 3], т. е. впитывает в себя
много влаги, образуя на поверхности материала водную плен­
ку, которая способствует его химическому разложению, по­
тере важнейших свойств и в первую очередь прочности. Раз­
рушая наполнитель и пластификатор пластмасс, плесень
разрушает ее механическую прочность и значительно ухуд­
шает электрические характеристики. В процессе разложения
пластмасс, компаундов и лакокрасочных покрытий образу­
ются органические кислоты (уксусная, лимонная, щавеле­
вая и др.), которые интенсифицируют корродирование метал­
лических элементов РЭА.
Значительную опасность для РЭА представляют также
различные микроорганизмы и насекомые. Термиты уничто­
жают узлы РЭА из органических материалов, поедая их и
разрушая своими выделениями. Красные муравьи, тараканы,
черви, крысы, пресмыкающиеся выводят из строя РЭА, съе­
дая и разрушая изоляционные материалы, каркасы, кожухи
и корпуса РЭА, закорачивая и обрывая электрические цепи.
22
Немаловажное влияние на характеристики РЭА оказы­
вает пыль, представляющая собой мельчайшие частицы раз­
личного происхождения и разных физико-химических свойств
[3]. Различают неорганическую и органическую пыль. Неор­
ганическая пыль состоит из частиц, имеющих форму пласти­
нок, иголок, круглых чешуек. В ее состав в основном входят
кварц, полевой шпат, слюда, хлорид и доломит. Органиче­
ская пыль представляет собой споры растений, бактерии,
частицы волокон шерсти и хлопка, мельчайшие остатки насекомых.и растений', а в городах — сажи и смол. Пыль, оседая
на поверхности деталей и элементов РЭА, создает условия
для их лучшего увлажнения. Наличие в. пыли углекислых,
сернистых, хлористых и других хорошо растворимых солей
также способствует поглощению влаги воздуха. Все это
приводит к повышению коррозии металлов. Увлажняющая
пыль на лакокрасочных покрытиях вызывает химические ре­
акции, приводящие к их разрушению. Проникая в микротрещйны изоляционных материалов,.пыль снижает их изоляци­
онные свойства ,а попадая в смазочные материалы, способ­
ствует их окислению, что приводит к появлению заедания,
движущихся деталей, ускоряется также износ деталей и
контактов.
2.2.2. Влияние механических факторов на РЭА
Механические воздействия, которым подвергается РЭА
в процессе эксплуатации, являются наиболее существенными
причинами снижения надежности, особенно это касается под­
вижных объектов, т. к. 70...80 % отказов такой РЭА обуслов­
лено именно действием механических нагрузок [1—3]. Интен­
сивность отказов аппаратуры увеличивается с ростом часто­
ты вибраций и нагрузки, действующей на РЭА. Увеличение
интенсивности отказов обусловлено накоплением скрытых
дефектов и может характеризоваться кривой усталостной
прочности для материалов конструкции РЭА. Под влиянием
даже небольших по амплитуде, но длительных вибраций,
усталостные явления могут привести к разрушению изделия.
Особенно опасны явления резонанса какой-либо части конст­
рукции РЭА, при которых нагрузка возрастает во много раз,
при этом наблюдаются обрывы проводов в месте их закреп­
ления или соединения с деталью, нарушение герметичности,
короткие замыкания и т. п. Резонансные явления наблюда­
ются в конструкциях обычно в полосе частот 15...150 Гц. Для
сравнения следует отметить, что мелкие радиоэлементы мас23
сой 0,03... 12,4 г с диаметром выводов 0,6... 1,0 мм и длиной
30 мм имеют резонансные частоты в диапазоне 200...450 Гц,
а при укорочении выводов до 12 мм диапазон резонансной
частоты повышается до 1,0...2,0 кГц.
Кроме резонансных явлений при вибрации наблюдается
деформация материалов электрорадиоэлементов в пределах
упругих двойств, однако это приводит к появлению в элект­
рических сигналах аппаратуры дополнительного спектра час­
тот, Называемого виброшумами.. Это явление чаще всего на­
блюдается у конденсаторов переменной емкости и потенцио­
метров.
Ускорения, которые возникают при резком изменении ско­
рости или направления движения объекта с аппаратурой,
вызывают механические воздействия в виде удара, сопро­
вождающегося затухающей вибрацией на частотах собствен­
ных колебаний элементов конструкции. На рис. 7 приведена
зависимость перегрузки аппаратуры Ап от частоты вибра­
ции, обусловленной ударными явлениями (область 1) и не­
посредственно вибрационными процессами (область 2) [2].
Рис. 7. Зависимость перегрузки РЭА от частоты вибраций
24
При работе турбовинтовых или турбореактивных двигате­
лей самолетов, а также при запуске ракет, высвобождается
большая энергия в колебаниях звуковой частоты, воздейст­
вуя при этом на близко расположенную аппаратуру. Некото­
рые виды вибраций также сопровождаются выделением энер­
гии звуковой частоты. Это явление принято называть акусти­
ческим шумом или акустической вибрацией.
Акустический шум представляет собой механические коле­
бания, частиц воздуха, которые приводят к изменению давле­
ния по сравнению с атмосферным статическим давлением.
Разность между статическим давлением и давлением в дан­
ной точке звукового поля называется звуковым давлением.
Воздействие акустического шума приводит к механическому
возбуждению деталей и узлов конструкции РЭА. Отличие его
от механических вибраций заключается в распределенном
воздействии усилий, зависящих от звукового давления и пло­
щади изделия. При чисто механических воздействиях вибра­
ция передается главным образом через точки крепления.
Под действием колебаний звуковых частот в электронных
лампах возникает микрофонный эффект, начинают вибриро­
вать реле и объемные проводники. Для уменьшения влияния
акустического шума на РЭА необходимо опорные элементы
конструкции и кожуха изготавливать из материалов, обла­
дающих высокими демпфирующими свойствами. Желательно
иметь жесткие крепления на платах для всех малогабарит­
ных радиодеталей. Хорошие результаты по уменьшению ин­
тенсивности воздействия акустического шума дает заливка
отдельных групп элементов на печатных платах.
2.2.3. Влияние радиации
Воздействующую на РЭА радиацию можно разделить на
естественную и искусственную. . К естественной относятся
космическое излучение, корпускулярное и рентгеновское из­
лучение Солнца и радиационных поясов Земли. Искусствен­
ная радиация возникает в результате ядерных реакций в ре­
акторах или при ядерном взрыве [1—3].
Воздействие радиации на материалы, применяемые в РЭА,
зависит от вида радиации, дозы и мощности облучения, рас­
пределения энергии по спектру, природы облучаемого вещест­
ва и окружающих условий. При этом в материалах проис­
ходит:
нарушение кристаллической решетки структуры;
25
образование атомов примеси других элементов;
ионизация;
изменение структуры, распад молекул, возникновение хи­
мических реакций;
возникновение фотопроводимости, люминесценции, повы­
шение температуры.
Реакция элементов РЭА на радиацию является более
сложной, чем у материалов, т. к, они состоят из разнообраз­
ных материалов, в которых под действием радиации проте­
кают различные взаимно влияющие друг на друга процессы.
Влияние радиации на РЭА проявляется в изменении пара­
метров элементов РЭА. Эти изменения могут быть как обра­
тимые, так и необратимые. У резисторов и электронных ламп
проявляются только обратимые изменения параметров, а у
конденсаторов и полупроводниковых приборов как обрати­
мые, так и необратимые изменения.
3. СИСТЕМА ОРГАНИЗАЦИИ ИСПЫТАНИИ РЭА
Испытания РЭА производятся на всех стадиях ее сущест­
вования, т. е. как в процессе производства и эксплуатации,
так и в процессе ее проектирования. Так при проектировании
РЭА, состоящем из научно-исследовательских (НИР) и
опытно-конструкторских работ (ОКР), испытаниям отводится
одно из важнейших мест. При НИР разрабатывают техни­
ческое задание на аппаратуру, где устанавливают основные
параметры РЭА и условия эксплуатации, рассчитывают на­
дежность, изготавливают экспериментальные образцы для оп­
ределения направления последующих разработок и усовершен­
ствований, разрабатывают методики последующих испы­
таний.
Приступая к разработке конструкции РЭА, конструктор
располагает множеством требований, предъявляемых к РЭА,
множеством условий, в которых РЭА должна функциониро­
вать, и некоторым объемом исходной информации
Перед
ним стоит задача найти такие конструктивные и технологи­
ческие решения, которые позволили бы ему получить опти­
мальную конструкцию РЭА, обладающую требуемыми каче­
ственными и количественными характеристиками. В началь­
ной стадии проектирования объем исходной информации / и
всегда меньше необходимого объема информации / н ,
т. е. 1Л > Ц:
/ „ - / „ = Д /.
(5)
26
Недостающую информацию А 7 конструктор получает частя­
ми, делая пробы, т .е. изготавливая макеты узлов, РЭА, экс­
периментальные или опытные образцы. Для извлечения из
проб дополнительной недостающей информации проводятся
испытания на стадиях НИР и ОКР, причем для получения
максимальной информации необходимо правильно выбирать
методику испытаний, испытательное оборудование и конт­
рольно-измерительные приборы.
На этапе ОКР выполняют эскизный проект, проводят ла­
бораторные испытания макета РЭА. По результатам испы­
таний разрабатывают рекомендации по объему и методике
испытаний, разрабатывают техническое задание на испыта­
тельное оборудование. Полученная в результате испытаний
информация позволяет дополнительно судить о соответствии
разработанной структуры РЭА предъявленным к ней требо­
ваниям. Отличительной особенностью данного этапа является
то, что образцы испытываются в условиях, соответствующих
реальным условиям эксплуатации. Заключительным этапом
ОКР является изготовление опытной партии РЭА. На этом эта­
пе испытываются образцы опытной партии, проектируется
и изготавливается контрольно-испытательное оборудование.
Испытания образцов опытной партии делятся на две ста­
дии: предварительные и государственные испытания. В ходе
предварительных испытаний устанавливается соответствие
образцов опытной партии предъявляемым к ним требова­
ниям. Предварительные испытания могут проводиться на спе­
циальных стендах (стендовые или лабораторные) и непосред­
ственно после установки РЭА на объекте. Стендовые испы­
тания проводятся комиссией по специальной программе ис­
пытаний.
Государственные испытания проводят с целью полной про­
верки соответствия опытных образцов заданным в техниче­
ских условиях требованиям и решения вопроса о целесообг
разности запуска РЭА в серийное или массовое производст­
во. Объем испытаний зависит от сложности РЭА и требова­
ний к ее надежности. Чем сложнее РЭА и выше требования
надежности, тем больше объем испытаний. Испытания про­
водят на соответствие всем пунктам технических требований
и условий. Результаты испытаний оформляют в виде специ­
ального протокола, к которому прилагают программу и ме­
тодику испытаний, а также перечень испытательного обору­
дования и измерительных приборов. После получения поло­
жительных результатов государственных испытаний вся доку27
ментация передается предприятию-изготовителю для изготов­
ления установочной серии. Одновременно с изготовлением
установочной серии изготавливают все контрольно-испыта­
тельные установки и стенды, укомплектовывают их всей необ­
ходимой измерительной аппаратурой, составляют всю необ­
ходимую для них документацию. По результатам приемки ус­
тановочной серии оформляют акт, после утверждения кото­
рого считают, что производство подготовлено к серийному
или массовому выпуску РЭА.
Испытания, проводимые на стадиях серийного или массо­
вого производства и носящие в основном контрольный харак­
тер [Г], т. е. предназначенные для проверки годности РЭА и
стабильности технологических процессов, подразделяются на
следующие виды: приемосдаточные, периодические (типо­
вые), проверочные.
■ 77риемосдаточные испытания проводят при сдаче заводомизготовителем РЭА заказчику. Если испытания проводятся
без представителя заказчика, то их называют приемочными.
Приемосдаточным испытаниям подвергается аппаратура, про­
веренная ОТК предприятия. Объем и последовательность
испытаний предусматриваются в технических условиях. При
приемосдаточных испытаниях возможна 100-процентная и
выборочная проверка. В случае 100-процентной проверки от­
казавшая аппаратура возвращается для исправления, а ос­
тальная отправляется потребителю. В случае выборочной
проверки отказ хотя бы одной из отобранных РЭА приводит
к возвращению всей партии для ее повторной проверки ОТК
и исправлению.
.
Периодические (типовые) испытании имеют целью уста­
новить соответствие электрических и других параметров РЭА
требованиям технических условий в нормальных условиях, а
также при различных механических и климатических воздей­
ствиях. Периодичность и количество изделий, подвергающих­
ся типовым испытаниям, определяются техническими усло­
виями. Периодическим испытаниям подвергаются аппара­
тура, отобранная из числа прошедших приемосдаточные
испытания.
Проверочные испытания — это сокращенные испытания,
проводимые с целью определения соответствия параметров
РЭА требованиям технических условий в случаях каких-либо
схемных, конструктивных или технологических изменений.
При проведении проверочных испытаний проверке подлежат
те параметры, на которые могут оказать влияние внесенные
изменения.
28
Иногда для проверки уровня надежности, соответствия
выпускаемой заводом РЭА техническим условиям осуществ­
ляются заводские испытания, которые проводятся в условиях,
по возможности имитирующих реальную эксплуатацию.
В процессе заводских испытаний выявляются надежность де­
талей, узлов и блоков, дефекты конструкции, качество сбор­
ки, монтажа и регулировки, при этом устанавливается соот­
ветствие электрических параметров и количественных пока­
зателей эксплуатационной надежности заданным нормам.
Виды нагрузок и соответствующие им виды испытаний, ими­
тирующие эти нагрузки, приведены в табл.3.
Наиболее полную и достоверную информацию о надежно­
сти РЭА дают эксплуатационные (натурные) испытания.
Этот вид испытаний представляет собой опытную подконтТ аблица
Классификация
Вид нагрузки
Вибрационная
Ударная
видов
испытаний
и
3
нагрузок
Вид испытаний
Вибропрочность
Виброустойчивость
Ударная устойчивость при многократных
ударах
Ударная прочность при многократных у да­
рах
Воздействие Одиночных ударов с большим
ускорением
Прочность при падении
Линейная
Устойчивость к воздействию линейной на­
грузки
Температурная
Теплоустойчивость
Хладоустойчивость
Устойчивость к циклическому изменению
температур'ы, к тепловому удару
Звуковое давление
Устойчивость к воздействию акустических
шумов
Гидростатическое давление
Устойчивость к повышенному гидростати­
ческому давлению
Атмосферное давление
Устойчивость к пониженному атмосферному
давлению.
29
Окончание табл. 3
Вид нагрузки
Влажность
Осадки
Вода
Пыль
Солнечная радиация
Плесневые грибки
Морской туман
Морская качка
Вид испытаний
Влагоустойчивость
Брызгонепроницаемость
Устойчивость к воздействию инея и росы
Герметичность
Качество уплотнения кожухов
Водонепроницаемость и водозащищенность
Пылезащищенность
Пылеустойчивость
Устойчивость к воздействию
радиации
солнечной
Г рибоустойчивость
Устойчивость к воздействию морского
(солнечного) тумана
Устойчивость к качке и длительным
наклонам
рольную эксплуатацию. При таких испытаниях аппаратура
эксплуатируется в реальных условиях, при которых на нее
действуют реальные нагрузки в течение заданного времени
эксплуатации. Отличается этот вид испытаний от обычной
эксплуатации тем, что периодически производятся измерения
заданных параметров и проверка состояния аппаратуры. Ос­
новные недостатки испытаний заключаются в большой про­
должительности испытаний и необходимости эксплуатации
в реальных условиях. Последнего недостатка лишены лабо­
раторные испытания. Эти испытания по продолжительности
близки к эксплуатационным, но на аппаратуру при этом дей­
ствуют не случайные, а определенные нагрузки.
4. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ
АСПЕКТЫ ПЛАНИРОВАНИЯ ИСПЫТАНИИ
Существует функциональная зависимость между показа­
телями надежности РЭА, производственными затратами и
выполнением плана выпуска продукции [Г]. Если, например,
тщательным контролем добиваться чрезмерно высокой точ­
ности изготовления аппаратуры, то несоразмерно возрастает
себестоимость изделия, и планомерный выпуск изделий ста30
новится практически невозможным. С другой стороны, умень­
шение затрат на контроль приводит к увеличению бр'ака, что
в конечном итоге также увеличивает себестоимость. Следует
иметь в виду, что простое увеличение затрат на контрольно­
испытательные работы само по себе не уменьшает затрат,
связанных с производством и эксплуатацией изделий. Наи­
больший эффект достигается при рациональной методике ис­
пытаний, анализе их результатов и последующем воздействии
на технические процессы производства и эксплуатации РЭА.
Эффективность распределения этих затрат прежде всего за­
висит от определения продолжительности испытаний и раз­
мера выборки изделий для проведения испытаний. Размер
выборки важен потому, что при большой, выборке велики за­
траты средств и времени, а при малых выборках результаты
испытаний имеют малую достоверность информации. Опти­
мальной выборкой является такая, при которой достигается
минимальная стоимость испытаний при максимальной опера­
тивности получения результатов.
На практике используют значительное количество различ­
ных выборок [1]. Представительной выборкой (репрезента­
тивной) называется такая выборка, при которой изделия, вхо­
дящие в выборку, в полной мере отражают характер и струк­
туру генеральной совокупности всех РЭА. Повторной выбор­
кой называется выборка, в которой изделия после испытаний
возвращаются в генеральную совокупность. Безповторной
выборкой называется такая, в которой изделия после испы­
таний не возвращаются в генеральную совокупность, при этом
в выборку изделие может попасть лишь один раз. Предна­
меренной выборкой называется выборка, в которой изделия
отбираются с заранее оговоренными признаками. Случайной
называется выборка, в которой вероятность попадания изде­
лий в выборку одинакова. Единовременной называется вы­
борка, в которую изделия выбираются из партии независимо
от времени изготовления. Общепроизводственной выборкой
называется выборка, в которую входят изделия одного типа
независимо от источника изготовления. Текущей выборкой
называется выборка, составленная из изделий, изготовленных
последовательно во времени. Расслоенной называется выбор­
ка, в которую изделия отбираются в заданных объемах из
разных частей контролируемой совокупности.
Выборки неточно характеризуют всю партию изделий. Од­
нако результаты испытания выборки позволяют делать вы­
воды о свойствах всей партии (генеральной совокупности).
31
Оценка точности характеристики генеральной совокупности
по выборке осуществляется с помощью таких понятий, как
достоверность или доверительные границы [5]. Достоверность
характеризует степень нашего доверия к оценке результатов
испытаний изделий из выборки. Характеристики, полученные
на основе испытаний изделий выборки, называют оценками
генеральной совокупности. Основными характеристиками
являются:
математическое ожидание
М = 5 х ( Р; ,
¿=1
где XI — результат испытания изделия;
Р, — вероятность появления результата испытания;
п — количество изделий в выборке;
дисперсия
(6)
а2 = 2 [ М - х , ] 2 ,
/—1
математическое ожидание для отдельной выборки
(7)
х = 11 2 X,-,
/=1
среднеквадратичное отклонение выборки
(8)
.
5 - V
(9)
п— 1
Наиболее часто для дискретных величин в теоретических
исследованиях используют закон Пуассона, при этом вероят­
ность того, что д изделий, находящихся в выборке объемом п,
будут забракованы, определяют по формуле
р „ ,= _ < е - а )
(10)
где а = пф, ф вероятность отказа (брака) для генераль­
ной совокупности; с1 — количество бракованных изделий
в выборке.
- Сущность методики выборочных испытаний заключается
в том, что на основе вычисления соответствующих статисти­
ческих оценок параметров, определенных по ограниченному
числу опытных данных, принимается решение о наиболее ве­
роятном значении оцениваемых параметров. Выдвигаются
32
две альтернативные гипотезы относительно неизвестного па­
раметра генеральной совокупности (партии): годен или него­
ден. Задача состоит в установлении такого . оптимального
выбора решения, по которому можно было бы на основании
выборки заданного объема принять одну гипотезу и отверг­
нуть другую. В связи
с ограниченностью
выборки
можно отвергнуть гипотезу, когда в действительности она
верна (допустить так называемую ошибку 1-го рода), или
принять ее, когда она неверна (допустить ошибку 2-го рода).
. Для любой изготавливаемой РЭА в технических условиях
указывается два значения вероятности отказа:
значение вероятности отказа РЭА за период ее рабочего
цикла ^р , принятое в качестве номинального и обеспеченное
допустимым уровнем производства РЭА д 0 (¿р) ;
максимально допустимое значение -вероятности отказа
РЭА за период ее рабочего цикла 1:?, при котором, еще воз­
можно выполнение изделием его основных функций 7 о1 (¿р ).
Установление двух показателей вероятности отказа соответ­
ствует разделению всей аппаратуры в зависимости от фак­
тического значения <7ф (0 на 3 категории [3]:
хорошая РЭА:
<7ф (0 < <7о(0 !
(И)
допустимая РЭА: ? 0 (0 < <7фЮ < <7о 1(О;
(1 2 )
плохая РЭА:
<7ф(0 > 7 о 1 (0 (13)
В процессе испытаний необходимо проверить две конку­
рирующие гипотезы — гипотезу Н о , заключающуюся в вы­
полнении условия (11), и гипотезу Яц заключающуюся в вы­
полнении условия (13). Используя статистические данные во
всем объеме АД, необходимо принять гипотезу Н о (отверг­
нуть Н1) или отвергнуть ее, приняв соответственно Н\. В про­
цессе такой статистической проверки возможны ошибки двух
родов, которые являются следствием случайности испытаний.
Количественно эти ошибки оцениваются некоторой вероят­
ностью того, что будет допущена ошибочная статистическая
оценка.
Вероятность ошибки 1-го рода называется риском постав­
щика (изготовителя РЭА) и обозначается а. Риск постав­
щика определяется как наибольшая- вероятность того, что
в результате испытаний хорошая РЭА, т. е. соответствующая
условию (И ), будет признана плохой и забракована.
Вероятность ошибки 2-го рода называется риском заказ33
чика (потребителя РЭА) и обозначается |3. Риск заказчика
определяется как наибольшая вероятность того, что в резуль­
тате испытаний плохая РЭА, т. е. соответствующая-усло­
вию (13), будет признана годной и принята.
Для оценки результатов испытаний по определению соот­
ветствия показателей надежности РЭА установленным требо­
ваниям разработаны математические методы, обеспечиваю­
щие требуемую достоверность оценки при заданных значе­
ниях 1риска а, 'В и соотношения ■</о
‘
. Это соотношение
<7о (О
определяет собой требуемую точность оценки фактического
значения вероятности отказа д ф (/), поскольку при <7ф= <701
РЭА должна браковаться с вероятностью
Рбр= 1 — ₽(14)
а при <7ф = 7о она должна приниматься с вероятностью
Рпр= 1 - а .
(15)
Вероятность приемки или забракования РЭА, для которой
фактические показатели надежности имеют промежуточное
значение, т. е. выполняется условие (12), при этом во вни­
мание не принимается. График зависимости вероятности при­
емки РЭА Р Пр и вероятности ее забракования Р бр от фак­
тического значения вероятности отказа
имеет вид, пока­
занный на рис. 8.
Обычно при приемо-сдаточных испытаниях с согласия
заказчика устанавливается процент дефектных изделий, кото­
рый допускается в выборке при приемке партии. Если в вы-
Рис. 8. Зависимость вероятности приемки
и забракования РЭА от вероятности отказа
34
борке оказывается дефектных изделий больше, то такая пар­
тия бракуется. Наименьшее число отказавших изделий, при
котором результат считают'отрицательным, называют брако­
вочным числом С/, а наибольшее число отказавших изделий,
при котором результат испытаний считают положительным,
называют приемочным числом С.
На практике нашли применение следующие методы оцен­
ки параметров изделий [2]: однократной выборки; двухкрат­
ной выборки; последовательного анализа.
Сущность метода однократной выборки состоит в том, что
контроль надежности РЭА производится после проведения
испытаний всего заранее рассчитанного объема выборки.
Оценка надежности аппаратуры при этом возможна двумя
способами. Первый способ заключается в том, что объем
выборки по , который требуется для испытаний, определяется
по заданному значению
и известному объему партии РЭА"
N при допустимых значениях 7о] и [3. Если в результате испытаний этой выборки будет получен хотя бы один отказ, то
считают, что партия РЭА не соответствует заданным требованиям. Такой способ называют методом испытаний с нулевым
приемочным числом.
При оценке надежности вторым способом испытания ог­
раничиваются рассчитанным допустимым числом отказов
в выборке. Количество экземпляров аппаратуры, необходи­
мое для испытаний, определяется по заданным значениям а,
3 И <7о 1/<7о-
Если при методе однократной выборки число отказав­
ших изделий за время испытаний меньше или равно приемоч­
ному числу, то партия изделий принимается, в противном
случае — бракуется. Приемочное число С выбирают неболь­
шим из экономических соображений, т. к. с его увеличением
.резко возрастает объем выборки. В то же время уменьшая
приемочное число для успешной сдачи продукции, необходимо
увеличивать уровень надежности продукции. Объем выборки
определяют по таблицам или графикам, задавшись значе­
ниями вероятности брака, приемочным числом и риском за­
казчика.
’
Поскольку повышение приемочного числа может оказать-,
ся простым совпадением из-за случайности при комплекто­
вании выборки (риск изготовителя), то допускают испытание
второй, дополнительной выборки для подтверждения прие­
мочного уровня надежности. Таким образом этот способ,
называемый методом двухкратной выборки, предусматри35
вает испытания второй выборки, если число отказов в первой
выборке превышает приемочное число, но меньше браковоч­
ного. Значение приемочного числа определяют по таблицам
или графикам, исходя из известных значений вероятности,
риска заказчика и количества изделий в двух выборках. Если
число отказавших изделий во второй выборке окажется мень­
ше или будет равно приемочному числу, то партия прини­
мается.
Сущность метода последовательного анализа состоит в
том, что проверка гипотез осуществляется последовательно,
по мере накопления статистического материала. После полу­
чения первой реализации случайной величины рассматрива­
ется три возможных решения:
принимается гипотеза Н\, т. е. отклоняется альтернатив­
ная гипотеза Я 2 ;
принимается гипотеза Я 2, т. е. отклоняется Яд
принимается решение о продолжении испытания, т. к. по­
лученная статистика не дает основательных доказательств ни
в пользу гипотезы Я ь ни в пользу гипотезы Я 2.
Проверка гипотез заканчивается, если принимается первое
решение. В результате имеются три несовместимые области:
принятия гипотезы
принятия гипотезы Я 2 ; безразличия,
когда не делается предпочтения-ни одной из гипотез.
Область безразличия ограничена границами А и В, причем
А > В , которые могут быть вычислены по -известным значе­
ниям риска изготовителя сс заказчика р и допустимым зна­
чениям
и 7о1- Дискретные значения С и С', соответствую­
щие границам В и А, зависят от суммарного объема всех вы­
борок N 2 [2]:
С = Л (Я Д ,
(16)
С' = / 2 (Я 2 ).
(17)
На практике обычно пользуются графическими зависимо­
стями границ А и В, пример которых приведен па рис. 9.
При испытаниях изделий, изготовленных по отработанно­
му технологическому процессу, изделия отбираются через
равные промежутки времени /' равными группами |5|
/' = Я /К ,
(18)
где Я — период испытаний; К — количество групп.
Количество групп определяется из соотношения общего
количества изделий я и количества изделий в одной группеп д
К = п/п (? ,
(19)
36
Рис. 9. Номограмма для определения приемочного
числа
Оценка результатов испытаний производится по оконча­
нии испытаний последней группы. Если суммарное число из­
делий за все время испытаний не превышает приемочного
числа, то заданный уровень надежности обеспечен. Для опе­
ративного контроля технологического процесса по окончании
испытаний каждой группы проводят условную оценку на­
дежности.
•
Если время испытаний / и меньше времени эксплуатации
изделия, для которого задана величина Р (/), то для опреде­
ления вероятности безотказной работы Р и (/) изделия за
время испытаний / и воспользуемся-выражением для экспонен­
циального закона распределения вероятностей
Р (/) = е -« ,
(20)
где X— наработка на отказ изделия,
тогда получим
,Р и ( 0 = е - Ч .
(21)
Прологарифмировав уравнения (21) и (20) и приравняв
полученные выражения, получим
1пР и (/) == (¿И Д) 1пР (/).
(22)
37
Задаваясь значениями времени испытаний
Для уста­
новленных значений / и Р(/) из формулы (22) можно опре­
делить искомую величину Р и (0- Обычно для нахождения
вероятности безотказной работы изделия за время испытаний
пользуются таЙл. 4.
Т а бл ица 4
Вероятность безотказной работы изделий Р и (Р и ) за время
испытаний 1п для заданных уровней надежности Р (/)
испытуемых изделий
Уровни надежности изделий Р (¿)
/„
0,999
I
0,990
|
0,90
|
0,80
Вероятность безотказной работы Р и Р и )
изделий за время испытаний
0,999
0,995
0,990
0,9999
0,9995
0,9990
о,1
0,5
1,0
.
0,989
0,948
0,900
- 0,978
. 0,894
0,800
Для определения количества изделий в выборке п можно
воспользоваться выражением (10), которое с введением по­
нятия риска заказчика будет иметь вид
р = 5 е~а (с^/сН)
(23)
</=о
Из формулы (23) или табл. 5 определяют значение а,
после чего находят величину объема выборки п:
и = а / ( 1 Р н)
(24)
Т а б л и ц. а 5
Объем выборки п от величин риска заказчика (3
и приемочного числа С при заданном уровне надежности Р и Ри)
С
38
Уровни надежности изделий Р п (/ и )
0,90
I
0,990 1
0,999 |
0,80
0,1
0
1
2
2391
3888
’ 5320.
0,2
0
1
2
1599
2999
4279
'
229
388
532
22
37
52
159
299
427
15
29
42
10
18
25
1
'
7
14
20
На практике для Определения значения п часто пользу­
ются графической зависимостью выражения (23), приведен­
ной на рис. 10 |2].
39
Рассмотрим составление плана испытаний по двум задан­
ным уровням надежности: Р[ — соответствующему риску
поставщика а; Р2 — соответствующему риску заказчика р.
Для определения значений п и С удобно воспользоваться
графическими зависимостями (см. рис. 10). Составление пла­
на испытаний рассмотрим на примере.
П р и м е р . Пусть Р] — 0,99; а = 0,1; Р 2 = 0,9; р = 0,05.
1. Определяем вероятность приемки партии РЭА по ре­
зультатам испытаний выборки при заданном риске изготови­
теля
Р = 1 — <х= 1 — 0,1 = 0,9.
2. Определяем а по значениям Р и С = 0, пользуясь
графиком (см. рис. 10):
а = и'(1 — Р,) = 0,12.
3. Вычисляем значение п”: п' = ¡—Д - - =
= 1у.
4. Определяем вероятность отказа при заданном риске
заказчика Р = р = 0,05 .
5. Определяем а' по значениям р и С = 0, пользуясь
графиком (см. рис. 10): а' — 3.
3
6. Вычисляем объем выборки п": п" — а'
у — ■д-д=30.
.7. Сопоставляем полученные значения п = 12 и п" — 30.
Если п' < п", то повторяем расчет пп.2—6 для С =1. В ре­
зультате получаем п' = 50, п" = 48, т. е. п' > п". Еслип' = п",
то выборка найдена, а если п'-> п", то необходимо оценить
значения риска: при п = п! риск заказчика р, а при п = п"
риск поставщика а.
8. При п = «' = 50 определяем значение а:
а = п(1 — Р 2 ) = 5 0 (1 — 0,9) = 5 .
9. Из графика (см. рис. 10) определяем значение риска
заказчика Р = р = 0,04, т. е. риск заказчика уменьшается по
сравнению с заданным значением.
10. При п = п" = 48 определяем значение а': а' = л ( 1 —
—Р1) = 48 (1 — 0,99) = 0,48.
11. Из графика (см. рис. 10) определяем значение риска
поставщика Р = 0,92, а = 1 — Р = 0,08.
Для постоянного контроля за стабильностью хода техно­
логического процесса и своевременной его корректировки
в настоящее время находят широкое распространение выбо­
рочный активный, количественный текущий контроль. Так как
при таком контроле выборка подвергается количественной
40
оценке параметров РЭА с последующей статистической обра­
боткой полученных результатов, контроль получил название
статистический текущий контроль [5].
Для осуществления статистического текущего контроля
необходимо предварительно разработать систему организа­
ционных мероприятий, к которым относятся:
установление количественных и качественных параметров
РЭА и допусков на них;
установление объема выборки;
периодичность контроля;
порядок и последовательность выборок;
условия и методика контроля;
форма документации для регистрации основных парамет­
ров контролируемых РЭА.
При выборе контролируемых параметров следует учиты­
вать, что одновременное наблюдение за несколькими пара­
метрами усложняет и замедляет процесс контроля, поэтому
целесообразно выбирать ограниченное число параметров или
какой-либо обобщенный параметр, контроль которого свиде­
тельствовал бы о качестве всего изделия.
Объем выборки определяется в зависимости от вида произ­
водства, применяемых средств контроля, требуемой точности
измерений, квалификации рабочих и контролеров, производи­
тельности труда и других факторов, определяющих в конеч­
ном итоге экономическую целесообразность статистического
контроля.
■
Из математической статистики известно, что для оценки
параметров всех изделий, входящих в генеральную совокуп­
ность, достаточно контролировать выборку определенного
объема п.
Периодичность контроля зависит от режимов производст­
венного процесса и работы оборудования, от времени, необ­
ходимого для производства РЭА; его контроля и обработки
данных. При непрерывном производстве контроль выполняют
через равные промежутки времени, уменьшая их в конце дня.
Периодичность следует увеличивать после наладки оборудо­
вания или смены инструмента и в начальный период работы
оборудования. Порядок и последовательность взятия выборок
зависит от принятой системы организации производственного
процесса и применяемого при этом оборудования. Если ка­
чество РЭА зависит от применяемого инструмента и оборудо­
вания, параметры которых могут изменяться в процессе про­
изводства, то контроль целесообразно осуществлять через за41
ранее установленные промежутки времени. При установлении
последовательности измерения параметров РЭА необходимо
руководствоваться организационно-техническими соображе­
ниями и производственной целесообразностью. Если РЭА
характеризуется несколькими параметрами, контролируемы­
ми различными измерительными приборами, то сначала целе­
сообразно измерить один параметр у всех изделий, затем
другой и т. д. Начинать измерение целесообразно, применяя
наиболее сложное контрольно-измерительное оборудование.
Для получения достаточно быстрого и наглядного пред­
ставления о ходе технологического процесса, позволяющего
предупредить возникновение или увеличение брака, следует
построить точечную контрольную диаграмму [3], в которой
по оси ординат откладывают возможные признаки качества
(контролируемый параметр, его среднее значение и т. д.),
а по оси абсцисс откладывают номера образцов, проб и вы­
борок. Через середину диаграммы (рис. 11) проводят цент­
ральную горизонтальную линию (1), ордината которой пред­
ставляет собой заданное значение признака качества (номи­
нал). Выше и ниже центральной линии на точечной конт­
рольной диаграмме наносят еще две горизонтальные линии
•
_
—
■
и
—
¿ 7 -
—
_
—
р -
■
к
—
—
Момер
6ь/6орхи
Рис. 11. Диаграмма изменения параметра качества
42
(3), соответствующие техническим пределам (пределам до­
пуска), верхняя отвечает максимально допустимому (ВТД),
а нижняя — минимально допустимому (НТД) значениям пре­
делов допуска. Участок диаграммы, заключенный между эти­
ми двумя линиями (3), называется полем допуска. Кроме
этого на точечной контрольной диаграмме наносят еще две
контрольные линии (2) (верхнюю и нижнюю контрольно­
предупредительные границы), расположенные от центральной
линии на расстоянии, исключающем выход значения контро­
лируемого параметра за эти линии. Верхнюю и нижнюю
контрольно-предупредительные границы располагают ближе
к центральной линии, чем границы поля допуска. Ширина
этой зоны имеет важное значение в деле профилактики брака.
При слишком узкой зоне возрастает неоправданное вмеша­
тельство в' производственный процесс, а при очень широкой
ухудшается профилактика брака.
На диаграмме признаки качества наносятся в виде точек.
Расстояние 'между крайними значениями точек в выборке
характеризуют рассеяние признака качества. Если точки
не выходят за контрольно-предупредительные границы, то
■это означает, что технологический процесс идет без наруше­
ний. Выход точек за линии технического допуска свидетель­
ствует о возникновении брака из-за нарушения устойчивости
технологического процесса и сигнализирует о необходимости
принятия мер для их устранения. Когда ряд точек распола­
гается по одну сторону от центральной линии, то можно
предположить, что, помимо случайных причин, на изделие
действуют и систематические факторы, своевременное обна­
ружение которых позволит предотвратить появление брака.
При построении точечной контрольной диаграммы исполь­
зуются следующие статистические характеристики [5]:
среднее значение х и размах варьирования Я значений па­
раметра в выборках;
среднеквадратическое значение К и дисперсия о2 в вы­
борке;
медиана Ме и разброс /?± в выборке;
крайнее значение.
Размах Я характеризует рассеяние параметра в выборке
и точность технологического процесса и определяется раз­
ностью
43
R
X max
min
1
(2 5 )
где x m a x — максимальное значение параметра;
x min — минимальное значение параметра.
Применение величин R и а позволяет значительно сокра­
тить объем вычислений.
Разбросом принято называть разность между медианой
и крайними значениями измеряемого параметра выборки. Раз­
личают пс ложительный /?+ и отрицательный R - разбросы:
е >
(2 6 )
R — = Me — хт!п ,
/? = /?+ + /?_.
(27)
(28)
%+ = * т а х —
М
В ряде случаев возникает задача получения более нагляд­
ных данных, характеризующих производственный процесс и
дающих возможность построить кривую распределения пара­
метров РЭА. Для решения этой задачи переходят к контро­
лю методом средних выборок, при котором контролируются
выборки от 25 до 50 изделий. При этом оказывается целе­
сообразным построить так называемые частотно-точечные
диаграммы (рис. 12) [3J, в которых по оси абсцисс отклады­
ваются признаки качества изделия, при этом наносят значе­
ние. 12.
44
Частотно-точечная диаграмма параметра ка­
чества
все результаты измерений были представлены на оси, а по
оси ординат откладывают количество случаев попадания од­
них и тех же измеряемых параметров в данной выборке. Ко­
личество точек в одном столбце характеризует частоту появ­
ления измеряемого параметра в выборке. При построении час­
тотно-точечных диаграмм важным является вопрос установ­
ления размерности шкалы оси абсцисс, т. е. масштаба оси
абсцисс. Оптимальной можно считать шкалу, масштаб ко­
торой определяется из следующего соотношения:
Дх (=
(З...Ю)
х ‘ т а х ~ х -т !п
,
(29)
где п — объем выборки; значение постоянного коэффициента
выбирается тем больше, чем больше п.
На частотно-точечных диграммах наносятся также техни­
ческие допуски и контрольно-предупредительные границы. Из
диаграммы можно определить одну из характеристик поло­
жения. закона распределения контролируемого параметра —
моду.
5. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИИ РЭА
5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИИ
Применяемые в настоящее время методы испытаний мож­
но классифицировать на следующие виды, показанные на
рис. 13 [1]. По принципам осуществления методы испытаний
делятся на два больших класса: физические испытания РЭА
или ее макетов; испытания методами моделирования. .
Физические испытания позволяют получить достаточно
полную и достоверную информацию о свойствах РЭА в ус­
ловиях значительной неопределенности ее внутреннего состоя­
ния, однако для проведения таких испытаний необходимы об­
разцы РЭА или ее макеты, большое время испытаний, доро­
гое оборудование для проведения испытаний. Испытания ме­
тодами моделирования позволяют получить информацию о
свойствах РЭА оперативно, при этом затраты средств неве­
лики, однако для получения большой достоверности таких
испытаний требуется большой объем информации о внутрен­
них параметрах РЭА, что не всегда оказывается возможным.
При испытаниях методами моделирования различают фи­
зическое и математическое моделирование. При физическом.
45
Рис. 13. Классификация методой испытаний
моделировании первичные параметры РЭА, процессы в ее
элементах пли внешние воздействия заменяют простой физи­
ческой моделью, имитирующей изменения конкретного пара­
метра РЭА. Наиболее полную и достоверную информацию
о надежности РЭА дают эксплуатационные (натурные) испы­
тания. Этот вид испытаний представляет собой опытную под­
контрольную эксплуатацию.. При таких испытаниях РЭА
эксплуатируется в реальных условиях, при которых на нее
действуют реальные случайные нагрузки в течение заданного
времени эксплуатации.
Отличие этого вида испытаний от обычной эксплуатации
в том, что периодически производятся измерения заданных
параметров и проверка состояния РЭА. Основные недостат­
ки таких испытаний заключаются в большой продолжитель­
ности испытаний и необходимости эксплуатации в реальных
условиях.
46
Математическое моделирование обычно проводят с по­
мощью АВМ или ЭВМ, что сокращает время испытаний и
исключает их многократные повторения. Как физические,
так и математические методы моделирования могут быть ста­
тистическими, граничными или матричными. Все виды испы­
таний и исследований, применяемые для предсказания места
и времени появления постепенного отказа элемента или РЭА,
основанные на определении связи граничных значений пара­
метров элементов с работоспособностью и надежностью РЭА,
принято называть граничными испытаниями. Граничные ис­
пытания позволяют в процессе разработки выбирать вари­
анты схем, параметры элементов, режимные и состоят из трех
этапов:
определение критериев отказа РЭА, исхода из требований
технического задания и условий работы;
определение границ изменения факторов, влияющих на ра­
ботоспособность РЭА (напряжения питаний, внешние усло­
вия, параметры входных сигналов и т. д.), при которых РЭА
сохраняет работоспособность;
определение границ разброса параметров элементов РЭА,
при которых она остается работоспособной в нормальных
условиях.
При граничных испытаниях имитируют изменение пара­
метров РЭА (резисторов, конденсаторов, катушек индуктив­
ностей, электронных и полупроводниковых приборов), влияю­
щих на работоспособность. В технических требованиях на
РЭА обычно указываются допустимые предельные изменения
выходных параметров Ун и Ув , которые определяют работо­
способность РЭА. Аппаратура считается работоспособной,
если выполняется условие работоспособности
Ун < У < Ув
(30)
для всех выходных параметров. Граничные испытания пред­
ставляют собой испытания физической модели РЭА, в резуль­
тате которых можно получить область работоспособности
РЭА в одномерном или двухмерном производстве 11].
Физическая модель РЭА отличается от самой РЭА только
тем, что в ней предусматривается возможность изменять па­
раметры элементов. Проводятся граничные испытания сле­
дующим образом.В физической модели плавно или дискрет­
но изменяется параметр какого-либо элемента х/. В процессе
изменения контролируются значения выходных параметров У,-.
Устанавливаемые значения изменяемого параметра элемента
47
и соответствующее ему значение выходных параметров запи­
сываются в таблицу результатов.
.
Изменение параметра элемента Х1. в ту и другую сторону
от номинального значения производят до тех пор, пока
не будет нарушено условие работоспособности (30), хотя бы
по одному выходному параметру У,-. По полученным данным,
занесенным в таблицу результатов, строятся графики зависи­
мостей У — (х) (рис. 14), на которые наносятся предельные
допустимые значения Ун и Ув . Через точки Ун и Ув проводятся
прямые параллельно оси х. Если из точек пересечения этих
Рис. 14.
Построение области работоспособности
при одном изменяемом параметре
прямых с кривой / (х) опустить перпендикуляры на ось х, то
их пересечения с этой осью дадут х т ш и хт а х, определяющие
область работоспособности в одномерном пространстве.
На практике часто в аппаратуре имеется два параметра,
сильно влияющих на выходной параметр У. В этом случае
целесообразно построить область работоспособности в двух­
мерном пространстве (рис. 15). Такие испытания осуществ­
ляются следующим образом.
Выделяются параметры элементов х { и х 2 с наибольшими
коэффициентами влияния. Задается какое-то дискретное зна­
чение параметру х п и изменяется значение параметра х2
в ту и другую сторону относительно х2 до нарушения усло­
вия работоспособности. Значения х2 1, при которых условие
48
Рис. 15. Построение области работоспособности
при двух изменяемых параметрах
работоспособности нарушилось, фиксируются в таблице ре­
зультатов. В ней же фиксируется значение хц- Затем пара­
метру Х1 задается новое значение Х12 и вновь изменяется
значение х2 в ту и другую сторону от х 2 до нарушения усло­
вия работоспособности. Значения х22,.при которых произошло
нарушение этого условия, и значение Х12 также фиксируются
в таблице результатов и т. д.
Полученные сочетания значений ,Х] и х2, при которых
имели место нарушения условия (30), являются координата­
ми точек границы области работоспособности. Эти точки
откладываются на плоскости в системе координат х\ и х 2 .
Путем соединения точек строится область работоспособности
ОР в двухмерном пространстве (см. рис. 15). Исходя из зна­
ния области работоспособности, можно определить область
допусков, которая должна вписываться в область работоспо­
собности.
Однако граничным испытаниям присущ ряд недостатков.
В первую очередь, это большая трудоемкость испытаний,
необходимость иметь специальные автоматы для их проведе­
ния. Кроме того, при граничных испытаниях невозможна
49
количественная оценка надежности,- отсутствуют четкие пра­
вила по проведению испытаний и анализу полученных резуль­
татов.
Дальнейшим развитием метода граничных испытаний яв­
ляется метод матричных испытаний [3], заключающийся в том,
что моделирование области работоспособности РЭА произво­
дится при изменении всех внутренних параметров. Для про­
ведения матричных испытаний составляется матрица состоя­
ний из п строк (по числу изменяемых внутренних параметров)
и А столбцов (по числу дискретных значений — квантов, на
которое разбиваются пределы - изменения каждого внутрен­
него параметра).
М1
*12
...
ХЦг1
•*21
х 22
...
*2А 2
Х/11
Хп2
•••
Хпкп
Состояние РЭА, при котором все внутренние параметры
имеют определенное значение, отличающееся от других хотя
бы одним квантом, называется ситуацией. С целью модели­
рования составляется матрица ситуаций. Число ситуаций! оп­
ределяется в общем случае выражением
N = П к,,
(32)
¿=1
а при одинаковом числе квантов /г для всех X:
N = /г«.
(33)
Достоинством Матричных испытаний является возмож­
ность получения информации о степени надежности РЭА и воз­
можность оптимизации надежности. Недостатком матричных
испытаний является очень большой объем испытаний и низкая
точность определения вероятности безотказной работы
изделия.
Метод статистических испытаний заключается в том, что
при испытаниях этим методом осуществляется моделирование
области работоспособности РЭА не при всех возможных зна­
чениях внутренних параметров ,а только наиболее вероятных,
путем случайного перебора ситуаций- по заданным случай­
ным законам распределения внутренних параметров.
50
Для проведения испытаний составляется матрица состоя­
ний с соответствующими каждому кванту вероятностями
*п
*12
• •
Р11
Р12
• •
Рш
*21
*22
■•
*2А2
Р21
Р22
• •
Р2*2
Хп\
*Л2
• •
Хпкп
Р»1
Р«2
• ■
Рп^л
*1Й1
Затем производится случайный перебор ситуаций, при
котором частота появления каждого кванта стремится к его
вероятности при возрастании числа реализаций. Достоинст­
вом статистических испытаний является возможность оценить
с требуемой точностью и достоверностью надежность РЭА
при ограниченном числе реализаций N. Для уменьшения
трудоемкости можно перебирать не все ситуации, а чцсть из
них, например, по случайному закону. Тогда общее число
испытаний может быть определено по формуле [3]
где е — допустим’ая ошибка испытаний;
1—Р а — достоверность испытаний.
5.2. ОБЩ АЯ М ЕТОДОЛОГИЯ ИСПЫТАНИИ
Испытания РЭА проводятся одним из четырех основных
способов [1]: последовательным; параллельным; параллельно­
последовательным, комбинированным.
При последовательном способе вся отобранная для испы­
таний РЭА подвергается поочередному раздельному воздей­
ствию различных внешних факторов, и производятся наблю­
дения за их состоянием. Очень важно соблюдать порядок че­
редования воздействующих факторов. Рекомендуется начи­
нать испытания с менее жестких факторов, для которых веро­
ятность отказов наименьшая. Внезапные отказы при этом
незначительно задерживают испытания и мало увеличивают
51
стоимость испытаний. Климатические испытания рекоменду­
ется проводить после радиотехнических, электрических и ме­
ханических испытаний. Преимуществом данного способа,
испытаний является высокая точность определения причин
отказов, а недостатками — трудность оценить одновременное
действие нескольких факторов и большая длительность йенытаний, сопровождаемая большим износом РЭА.
При параллельном способе испытаний воздействию раз­
личных факторов подвергаются одновременно (параллельно)
несколько изделий, выбранных для испытаний. Такой способ
испытаний позволяет получить максимальное количество дан­
ных о состоянии РЭА за кратчайший промежуток времени
при минимальном износе испытуемых образцов. Недостатком
является необходимость в большем, чем при последователь­
ном способе, количестве образцов РЭА для испытаний.
Для ускоренного проведения испытаний рекомендуется
осуществлять их параллельно-последовательным способом.
При этом отобранные для испытаний РЭА разбивают на не­
сколько групп, которые испытывают параллельно. В каж­
дой из групп испытания проводятся последовательным спосо­
бом. В этом случае общая продолжительность испытаний
меньше, чем при последовательном, а количество меньше, чем
при параллельном.
Комбинированный способ испытаний характеризуется од­
новременным воздействием нескольких внешних факторов на
испытуемые РЭА. Он позволяет определить реакцию аппара­
туры на одновременное действие нескольких внешних факто­
ров, что максимально приближает испытания к реальным
условиям эксплуатации. Недостатком способа являются
сложность определения причины отказа и необходимость соз­
дания и использования сложного дорогого оборудования для
испытаний контроля.
Для каждого вида РЭА должна быть разработана своя
методика испытаний. Разработка методики состоит из сле­
дующих основных этапов [3].
1-й этап. На основании технических условий и программы
испытаний, а также теории и данных экспериментов, полу­
ченных в процессе разработки РЭА с учетом действующих
требований, норм и методов испытаний, необходимо опре­
делить:
каким способом будут осуществляться испытания;
с помощью каких технических средств будут воспроизво­
диться внешние воздействия;
52
как будет осуществляться контроль реакции РЭА на
внешние воздействия и насколько точно будут контролировать­
ся имитируемые условия окружающей среды;
каким способом, будут осуществляться закрепление и мон­
таж испытуемой РЭА на стендах и в камерах.
В заключение 1-го этапа на основании действующей тех­
нической документации и рассмотренных выше мероприятий
разрабатывается проект методики испытаний.
2- й этап. Пользуясь проектом методики, производят пред­
варительные испытания, в ходе которых проверяется соответ­
ствие всего технического и контрольно-измерительного обо­
рудования предъявляемым к нему требованиям. На основании
полученных при этом данных уточняют методику испытаний
и режимы всего испытательного оборудования.
3- й этап. Производится полное испытание РЭА в соответ­
ствии с разработанной методикой.
4- й этап. Обрабатываются и анализируются полученные
данные, а также вносятся необходимые коррективы в мето­
дику испытаний. По окончании 4-го этапа методика испыта­
ний считается отработанной.
Основными вопросами, на которые должны быть даны
ответы в методике испытаний при любом виде воздействий,
являются следующие:
цель испытаний;
применяемое оборудование испытательное и контрольно­
измерительное;
процесс проведения испытаний;
заключение о состоянии испытываемой РЭА.
Технологический процесс испытаний РЭА состоит,из ряда
последовательных операций, основными из которых являются
следующие.
1-я операция: предварительная выдержка РЭА в нормаль­
ных климатических условиях в течение заданного техниче­
скими условиями времени. Нормальные климатические ус­
ловия характеризуются температурой 20°±5°С, относитель­
ной влажностью 65± 15%, атмосферным давлением 720...780
мм рт. ст.
2- я операция: внешний осмотр РЭА и предварительные
измерения ее параметров, устанавливающие работоспособ­
ность РЭА;
3- я операция: проверка работоспособности испытательного
оборудования, устройств контроля;
4- я операция: установка изделия' в камеру или на стенд
53
испытаний, механическое крепление его, подведение к нему
питающих напряжений, подключение измерительных при­
боров;
5-я операция: первоначальное измерение параметров, оп­
ределяющее состояние РЭА до испытаний;
6- я операция: выдержка РЭА при воздействии на нее
определенных климатических, механических и других факто­
ров для определения их влияния;
7-я операция: измерение параметров РЭА для определе­
ния состояния ее в процессе испытаний;
8-я операция: заключительные измерения, проводимые по
окончании испытаний (в камере или вне ее), с целью уста­
новления количественных и качественных зависимостей ха­
рактеристик РЭА от проведенных испытаний. Проведение
внешнего осмотра РЭА. Оценка влияния испытаний произ­
водится путем сравнения результатов заключительных изме­
рений с результатами первоначальных.
Первые пять операций являются общими и имеют место
для любого вида испытаний. Основной целью их проведения
является исключение ошибок из результатов испытаний, ко­
торые обусловлены следующими возможными причинами:
попадание на испытания бракованной РЭА;
проведение испытаний на неисправном испытательном обо­
рудовании;
проведение контроля испытательных режимов неисправ­
ными контрольно-измерительными приборами;
нарушение работоспособности аппаратуры в процессе ус­
тановки ее на стенде, подключения внешней аппаратуры.
Общей для всех видов испытаний является также и вось­
мая операция, которая служит для оценки результатов испы­
таний. В то же время содержание шестой и седьмой опера­
ции, а также методика их проведения зависят от вида испы­
таний. Немаловажным для получения достоверной информа­
ции при испытании РЭА является правильный выбор испыта­
тельного оборудования, которое должно обеспечивать прове­
дение испытаний в соответствии с требованиями технических
условий на аппаратуру, программы и методики испытаний. В
оборудовании должна быть предусмотрена возможность уста
новления заданных параметров режимов, их измерение, регу­
лировка. Желательно, чтобы оно позволяло вести автомати­
ческую запись и программное управление режимами испыта­
ний, имело счетчики наработки РЭА в процессе испытаний.
54
Оборудование должно иметь электроды, обеспечивающие по­
дачу питающих напряжений и испытательных сигналов на про­
веряемую аппаратуру, а также измерение ее электрических
параметров. Уровень электрических и магнитных помех, шу­
мов, создаваемый оборудованием, не должен превышать сани­
тарно-технические нормы и быть по возможности минималь­
ным. В оборудовании должны быть предусмотрены световая
и звуковая сигнализация его исправности и предельная ава­
рийная сигнализация отключения оборудования. Высоковольт­
ные цепи оборудования должны иметь автоблокировку.
6. ИСПЫТАНИЯ РЭА НА НАДЕЖНОСТЬ
6.1. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ
Под надежностью РЭА понимается свойство аппаратуры
выполнять заданные функции, сохраняя во времени установ­
ленные эксплуатационные параметры в пределах, соответст­
вующих заданным режимам и условиям использования. На­
дежность, как свойство, закладывается в изделие в процессе
его проектирования и изготовления. Для количественной
оценки уровня надежности служит ряд таких показателей,
как:
вероятность безотказной работы Р (¿);
вероятность отказа 0 (();
интенсивность отказа Л, (/);
средняя наработка до первого отказа ( с р ;
среднее время безотказной работы Т с р ;
■долговечность (технический ресурс);
срок службы; '
срок сохраняемости.
Рассмотрим более подробно некоторые из этих характе­
ристик [2].
Под вероятностью безотказной работы Р (/) понимается
вероятность того, что изделие будет выполнять заданные
функции и сохранять параметры в установленных пределах
в течение заданного времени и при определенных условиях
эксплуатации. Практически вероятность безотказной работы
за некоторый промежуток времени ‘А ( можно определить по
результатам наблюдений за выборкой как отношение числа
изделий, оставшихся исправными в конце рассматриваемого
интервала времени А Д к начальному числу изделий п, по­
ставленных на испытания, т. е.
Ри (Д7) =
п=
^ -
(36)
где Д</,— число отказавших изделий. При стремлении числа
изделий в выборке к числу изделий генеральной совокупности
величина Р„ (Д/) стремится к Р (/). На рис. 16 приведена
зависимость вероятности безотказной работы изделия во вре­
мени. Площадь, ограниченная кривой Р (/) и осью абсцисс,
Рис. 16. Зависимость вероятности безотказ­
ной работы РЭА от времени эксплуатации
равна средней наработке изделия на отказ Т ср , а производ­
ная Р (/) по времени является плотностью вероятности. Со­
ответственно вероятность отказа определяется из'выражения
,0 (/) = 1- Р (/).
(37)
Известно, что интенсивность отказов к (/) показывает
долю исправных в данный момент времени изделий в выбор­
ке, отказавших в единицу времени. Экспериментально эта
величина определяется по формуле
(38)
где ¿/( — число изделий, отказавших к началу интервала Д/¿;
А <7/— число отказавших изделий в течение времени Д /,.
Если определить
для различных значений /, и постро­
ить график, то получится зависимость интенсивности отказов
% (/) от времени (рис. 17). Эту функцию часто называют
лямбда-характеристикой. Она имеет три характерные области;
Рис. 17. Зависимость интенсивности отказов
от времени эксплуатации
/ — характеризуется высокой интенсивностью отказов и
обусловлена скрытыми дефектами, которые не удалось
вскрыть в процессе изготовления; II— рабочая область; III-—ха­
рактеризуется возрастанием интенсивности отказов за счет
износа и старения.
Между величинами X (0 и Р (¿) существует взаимосвязь,
которая определяется следующими формулами:
(39)
Р (0 = ехр[ — [ А Ю С
о
(40)
где / (0
—плотность вероятности безотказной работы
изделия.
Под долговечностью понимается наработка РЭА от на­
чала эксплуатации до наступления предельного состояния,
когда дальнейшая эксплуатация прекращается из-за неустра­
нимого ухода параметров или снижения эффективности экс­
плуатации.
Под сроком службы изделия понимается календарная про­
должительность эксплуатации РЭА от ее начала до наступле­
ния предельного состояния РЭА.
57
Под сроком сохраняемости понимается календарная про­
должительность хранения РЭА в заданных условиях, при ко­
торых показатели надежности остаются в заданных пределах.
Надежность изделия определяется в первую очередь на­
дежностью элементов, из которых оно состоит. Выходные
параметры РЭА, которые можно рассматривать как пг- мер­
ный вектор
У = (УъУ2,Уз, - У,, - Ут)
(41)
связаны с внутренними параметрами, которые можно рас­
сматривать как п -мерный вектор
X = (*1, х 2, ... х,, ... х п )
(42)
определенной функциональной связью
У = Г(Х)_.
(43)
Под внутренними параметрами в этом случае понимаются
значения параметров элементов' схемы (емкость конденса­
тора, сопротивление резистора и т.п.), значения питающих
напряжений и входных сигналов. Объективные эксплуатаци­
онные факторы, воздействия на РЭА, приводят к изменению
внутренних параметров X, которые в силу условия (43)
приводят к изменении? выходных параметров У.
Для практического использования статистических оценок
параметров надежности применяются следующие методы
испытаний:
с ограниченной продолжительностью без замены отказав­
ших изделий (ГОСТ 18333-73);
с ограниченной продолжительностью и заменой отказав­
ших изделий (ГОСТ 18049-72);
с ограниченным числом отказов (ГОСТ 17572-72);
последовательный (ГОСТ 17331-71).
Рассмотрим несколько подробнее эти методы испытаний.
Испытания на надежность ограниченной продолжительности
без замены отказавших изделий проводят для проверки соот­
ветствия уровня надежности изделий заданному. Таким испы­
таниям могут подвергаться невосстанавливаемые изделия, а
также восстанавливаемые, если по условиям испытаний они
после первого отказа не восстанавливаются и не заменяются
новыми. При этом ограничение длительности испытаний вы­
звано соображениями организационного или служебного ха­
рактера. Оценка этим методом производится по числу отка­
зов д, возникших за время испытаний
Исходными данными для составления и расчета плана
58
испытаний являются значения риска поставщика а и потре­
бителя р, приемочного То и браковочного Т1 чисел, сред­
ней наработки до первого отказа / ср> объема выборки п й
продолжительности испытаний / и .
Значения риска поставщика и потребителя выбирают
в зависимости от специфики изделий, возможностей произ­
водства, требований потребителя и особенностей функциони
рования изделий. Испытания должны прекращаться до исте­
чения времени испытаний, если число отказов становится рав­
ным или превышает значения, указанные в специальных
таблицах [1].
План данных испытаний будет следующим.
1. Для установленных значений То и Т1 определяется
отношение Т]/Т о .
.
2. Для заданного /и определяется отношение Ц/То и по
таблицам / 2 — распределения для вычисленного отношения
Т1/То и заданных а и р находится объем выборки п и брако­
вочное ЧИСЛО Й; пред .
3. Для заданных значений а, р, п' и вычисленного Т1/То
по той же таблице определяется значение п, близкое к п'.
Умножив значение п на То , получают
Партия считается принятой, если за время /„ число отка­
завших изделий меньше й иред ■
Цель второго метода испытаний аналогична цели выше­
рассмотренного метода. Планирование и оценка результатов
испытаний производится по наработке на отказ Цр . Значе­
ния а, р, То, Т1 согласуются между заказчиком, разработ­
чиком и изготовителем и указываются в технической доку­
ментации. Испытания прекращают в заранее установленный
предельный момент времени или в момент возникновения по­
следнего из установленного количества отказов, если число
этих отказов достигнуто раньше. Замена отказавших изделий
новыми производится в момент отказа изделия.
План испытаний для второго метода будет следующим.
1. Для заданных значений То и Т 1 определяется отноше­
ние То/Т|.
2. По таблице х2 -распределения для заданных а и р
определяем число, ближайшее к З Д , По найденному числу
определяют код плана испытаний, значения ¿ пред и Ц /То,
где
суммарная наработка изделий, поставленных на ис­
пытания.
3. Объем выборки п определяют из выражения
"
Тп р „ / Т 0
'
(4 4 >
59
Испытания заканчиваются при /„ = / поед , если за это
время (1 < ¿пред, при этом партия принимается. Либо испыта­
ния заканчиваются при (1 =. ¿ пред за /и < /пред, но при этом пар­
тия бракуется.
Отличительной особенностью третьего метода испытаний
является прекращение их только в момент возникнове­
ния последнего из заданного числа отказов, которое, нахо­
дится по специальным таблицам на основании исходных
данных.
'
План испытаний в данном случае выглядит следующим
образом.
1. Для заданных значений То и Т! определяется отно­
шение То/Т1.
.
2. Для заданных а, р по таблицам у2 распределения оп­
ределяется число, ближайшее к отношению Т0/Т ь и код
плана испытаний.
3. По коду определяют предельное число отказов ¿ пред
и значение отношения а/Т 0 . .
4. При испытаниях без восстановления и замены отказав­
ших изделий новыми объем выборки п должен быть не ме­
нее С1пред •
5. При испытаниях с восстановлением или заменой п мо­
жет быть любым.
.
Затем после испытаний проводятся следующие расчеты
[5].
1. Определяется суммарная наработка /¡¡изделий.
1.1. При испытаниях без восстановления и замены / г вы­
числяется по отношению суммарной наработки изделий в дан­
ный момент времени / к значению То, а сумма отрезков, па­
раллельных оси г, равна числу отказов изделий к моменту
времени испытаний. При отсутствии отказов график пред­
ставляется прямой линией с началом в точке О и концом на
оси /а /Т о длиной /¡¡ = п/.
При испытаниях с восстановлением
/ = Щ— £ //;,,
(45)
2=1
где /¿в — длительность восстановления работоспособности для
отказавших изделий.
При испытаниях без восстановления
Ь = (п -г )/+
60
¿¿л
¡='
(46)
где tj — наработка от отказа /-го из г отказавших изделий.
Испытания заканчиваются положительно, если график
(рис. 18) последних испытаний достигает линии II, когда
изделия считаются принятыми. Кроме того, испыта­
ния заканчиваются положительно, если г < гусеч и i s > / s y Ce4
(линия IV).
.
Испытания заканчиваются отрицательно, если график до­
стигает линии несоответствия I, т. е. когда
, или
если график достигает отрезка III, т., е. когда г —г усеч и
^усеч •
6.2. ВЫБОР НАГРУЗКИ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ
Любая аппаратура подвергается самым различным на­
грузкам. Это и механические воздействия в виде вибраций,
ударов, тряски, электрические, температурные и климатиче­
ские воздействия [2]. Каждое изделие характеризуется опре­
деленной прочностью, т. е. способностью сопротивляться воз61
действию внешних сил, не разрушаясь при этом и не получая
остаточных деформаций. Предельное значение нагрузки, ус­
танавливаемое Для всей генеральной совокупности, берется
равным предельной нагрузке того изделия, которое имеет
наименьшую прочность. Прочность со временем изменяется
-в основном из-за старения и износа, которые в свою очередь
зависят от нагрузки. Нагрузка, выбранная с соответствую­
щим запасом и рекомендованная потребителю, называется
предельно-допустимой. Запас прочности выбирается изгото­
вителем с тем, чтобы гарантировать показатели надежности
РЭА. Так как эти показатели зависят от многих' факторов
(нагрузок), то предельно допустимая нагрузка устанавли­
вается экспериментально. Следует иметь в виду, что слиш­
ком большой запас при установлении предела надежности
уменьшает эффективность применения РЭА.
6.3. ИСПЫТАНИЯ НА ПОВРЕЖДАЮЩУЮ НАГРУЗКУ
Целью проведения испытаний на повреждающую нагрузку
является оценка стойкости элементов всей РЭА к внешним
воздействиям. Эти испытания дают сведения о возможности
использования элементов РЭА при определенной нагрузке,
однако определить характеристики надежности нельзя, хотя
Р
1,0
з зап ас проаадста
Рис. 19.
62
Зависимость вероятности безотказной
работы от запаса прочности
известно, что вероятность безотказной работы зависит от за­
паса прочности (рис. 19).
В процессе испытаний внешнее воздействие (нагрузки)
увеличивается постепенно до момента возникновения отказа,
а значение нагрузки фиксируется как в процессе увеличения
ее, так и в момент отказа РЭА. Эмпирически установлено,
что испытания следует прекратить, если РЭА выдерживает
четырехкратное превышение допустимого значения нагрузки.
Время безотказной работы во время испытаний не фикси­
руется, причем стараются его по возможности уменьшить.
Таким испытаниям подвергают аппаратуру однократного или
кратковременного действия. Нагрузки могут быть одиноч­
ными и комплексными, однако повреждающая нагрузка
должна быть одной при постоянстве на нормальном уровне
всех других.
Для удобства повреждающая нагрузка увеличивается
скачками (рис. 20) с. выдержкой по времени А I, зависящей
Рис. 20. Зависимость изменения нагрузки во вре­
мени
от характера нагрузки [3]. Значения скачка Ах выбирают
большими, но не настолько, чтобы значительно увеличить
ошибку определения надежности. По результатам испыта­
ний строят гистрограмму, в которой за' начало отсчета при­
нимают нагрузку, соответствующую максимальной вероятно­
сти отказов.
63
6.4. ИСПЫТАНИЯ РЭА НА ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ХРАНЕНИЯ
(СОХРАНЯЕМОСТЬ)
При испытаниях на длительность хранения изделия раз­
мещают в упаковке предприятия изготовителя. Обычно такие
испытания проводят в условиях отапливаемого склада, в ряде
случаев под навесом (испытания в полевых условиях более
жесткие).
Параметры критериев годности изделий должны оста­
ваться в пределах норм нормативно-технической докумен­
тации (НТД) в течение всего срока хранения.
Целью испытаний является:
проверка изделий на сохранность, установленную в НТД;
накопление информации о техническом ресурсе сохраняе­
мости;
.
•
разработка рекомендаций по увеличению сохраняемости;
уточнение норм на показатели сохраняемости.
Критерием оценки сохраняемости изделий является гамма­
процентный срок сохраняемости у с [2].
Этот срок определяется временем хранения, при котором
вероятность безотказной работы изделий достигает заданной
величины ус - процентов (рис. 21). На испытания заклады­
вается выборка не единовременная, а постепенная ежеквар­
тальная в течение 2-х лет. Перед началом испытаний выбор­
ку выдерживают в нормальных климатических условиях:
Т = 20 ± 5°С, отн. вл. 45...80% .
Рис. 21. Зависимость -вероятности безотказ­
ной работы от времени хранения
64
Приборы нумеруют, осматривают и проводят первоначаль­
ные изменения параметров годности. Неисправные изделия
заменяют исправными, замена не учитывается.
К каждой выборке прилагается сопроводительный доку­
мент, включающий в себя следующие сведения: наименова­
ние изделия, количество изделий в выборке, условия и дли­
тельность испытаний, предприятие изготовитель, период изготовления, измеряемые параметры, отметка об очередной проверке.
Изделия, которые в процессе хранения перестали соот­
ветствовать нормам, оставляют для дальнейшего хранения
с целью определения размера отклонения параметров в тече­
ние всего срока хранения. Если изделие полностью отказало,
то его снцмают с испытаний длявыявления причин отказа.
Экспериментальное значение ус - процентного срока хранения
определяется по формуле
.
Уе= ( 1— 4 ) 1 0 0 % ’
(4 ? )
где с1— число отказов за время хранения;
п — объем выборки.
Если у с больше значения, указанного в технических ус­
ловиях, то результаты испытаний считаются положительными.
Испытания могут быть продолжены для выявления фактиче­
ского времени сохраняемости.
6.5. ПРОГНОЗИ РОВАНИ Е НАДЕЖ НОСТИ РЭА
При проектировании и производстве РЭА очень важно
прогнозировать ее техническое состояние и надежность.
На стадии проектирования целью прогнозирования яв­
ляется:
разработка конструкции, наилучшим образом удовлетво­
ряющей по надежности условиям работы;
выбор технологических режимов;
определение требований по надежности.
На стадии производства прогнозирование служит управ­
лению технологическим процессом, отбраковке ненадежных
изделий на отдельных операциях, оценке и контролю надеж­
ности готовой продукции.
На стадии эксплуатации целью прогнозирования является
своевременное предупреждение отказов и применение таких
условий эксплуатации, которые бы обеспечивали заданную
надежность и. эффективность.
65
Если в результате прогнозирования получают предпола­
гаемое значение параметров в будущие моменты времени, то
такое прогнозирование называется прямым. Если же в ре­
зультате получают момент времени выхода параметра за до­
пустимые пределы, то прогнозирование называют обратным
(рис .22).
Рис. 22.
Изменение параметра РЭА в течение времени
Существует много различных методов прогнозирования,
которые можно сгруппировать в математические, физические
и физико-статистические [2,5].
Математическое прогнозирование имеет цель определить
характер протекания процесса в РЭА в будущем на основа­
нии найденных экстраполяционных связей с информацией
о процессе в контролируемом периоде времени. Точность про­
гнозирования зависит от точности описания связей. Чем боль­
шее влияние на параметры РЭА оказывают случайные фак­
торы, тем хуже прогноз, соответственно, чем большее значе­
ние имеют систематические факторы, тем прогноз точнее.
Для построения экстраполяционной зависимости необходимо
иметь графическую зависимость изменения прогнозируемого
параметра во времени. Если на параметр влияет несколько
факторов, то необходимо определить градиент вектора пара66
метра РЭА. Этот метод используется в основном при прогно­
зировании параметров РЭА, изменяющихся по закону, близ­
кому к линейному. При вероятностном подходе к экстраполя­
ционной зависимости учитывают изменения математического
ожидания и дисперсии выходной величины.
Физические методы прогнозирования надежности (причин­
ные) основаны на анализе физических и физико-химических
процессов. Процессы износа локализованы и зависят от кон­
кретных причин, поэтому моделью надежности РЭА может
служить модель, основанная на суммировании компонентов
ненадежности. Компонентами ненадежности считают состав
ные элементы изделия. Их выделяют так, чтобы они обладали
технологической независимостью. Изучение и моделирование
кинетики процессов в выделенных компонентах ненадежности
позволяет установить причинную связь ме^<ду геометрией
компонентов, свойствами материалов, эксплуатационными
факторами и временем наработки изделия до отказа. В ком­
поненте могут действовать несколько механизмов отказа,
которые рассматривать следует отдельно.
Физико-статистический метод прогнозирования надежно­
сти заключается в отыскании корреляционных зависимостей
между статистическими показателями надежности и явления
ми, локализованными в различных конструктивно-технологи­
ческих областях РЭА. Модели строят на основе анализа фи­
зико-химических процессов в элементах РЭА и результатов
специальных испытаний, называемых ускоренными испыта­
ниями, при которых физико-химические процессы, приводя­
щие к отказам, ускоряются за счет повышения уровня воз­
действующих внешних факторов (температур, напряжений,
токов, вибраций и т. д.). При ускоренных испытаниях изделия
испытывают в форсированных режимах с последующей экст­
раполяцией результатов испытаний к условиям испытаний при
нормальных нагрузках. Физический смысл ускоренных испы­
таний заключается в ускорении только того механизма отка­
зов, который является характерным для испытываемых РЭА
при работе под номинальной нагрузкой. При этом следует
сохранять неизменным механизм отказов, что является самым
трудным, т. к. выявить сам механизм отказа очень сложно. .
67
6.6. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАКОНОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ЧИСЛЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ
Для решения теоретических и практических задач надеж­
ности необходимо знать законы распределения численных по­
казателей надежности. Получить их можно путем обобщения
большого статистического материала, полученного в процессе
испытаний на надежность. Наглядное представление о зако­
нах распределения дают статистические графики, наиболее
распространенными из которых являются полигон, гистограм­
ма, статистическая функция распределения. Статистические
графики, построенные на основании ограниченного числа экс
периментальных данных, изображаются в виде ломаной
кривой, которая тем больше приближается к теоретической,
чем больше количество опытов в эксперименте.
Полигон строится следующим образом: на оси абсцисс
откладываются интервалы значений величины, в серединах
интервалов строятся ординаты, пропорциональные частотам,
и концы ординат соединяются (рис. 23) [5].
Рис. 23. Построение полигона и гистограммы по результатам
экспериментальных данных
68
Гистограмма (полигон частот) строится так. Над каждым
отрезком оси абсцисс, изображающим интервал значений
величины, строится прямоугольник, площадь которого про­
порциональна частоте в этом интервале. Если все интервалы
имеют одинаковую ширину, то высота прямоугольника также
пропорциональна частотам. Из построения гистограммы сле­
дует, что полная ее площадь равна единице. При увеличении
числа опытов Л/о для каждого интервала можно брать все
меньшую продолжительность. При этом гистограмма будет
приближаться к некоторой плавной кривой. Такая кривая
соответствует графику плотности распределения случайной
величины. Следовательно в результате построения гистограм­
мы можно получить представление о дифференциальном за­
коне распределения случайной величины и установить вид
функции плотности распределения.
Статистическая функция распределения (полигон накоп­
ленных частот) строится следующим образом. Над каждым
отрезком ,изображающим начало и конец интервала, прово­
дится горизонтальная линия на уровне ординаты, равной
величине накопленной частоты. Концы горизонтальных от­
резков соединяются вертикальными линиями. Статистическая
функция распределения Е*(/) представляет собой частоту
событий Т < I в данной выборке
/■*(/)= Р*(Т < 0 ,
(48)
где Р * — частота или статистическая вероятность события.
При неограниченном увеличении числа опытов, согласнотеореме Бернулли, при любом / частота событий Р*(Т'</) при­
ближается (сходится по вероятности) к вероятности этого
события.
Если Т - непрерывная величина, то при увеличении числа
опытов число скачков функции Е*(А) увеличивается, вели­
чина скачков уменьшается и график функции Е* (¿) прибли­
жается к плавной кривой Е ( / ) — интегральной функции рас­
пределения величины Т или к . вероятности отказа <7(/)
(см. рис. 23).
.
Для определения теоретического закона распределения
производится так называемое выравнивание статистического
ряда. Под ним потразумевается такая обработка статистиче­
ских данных, при которой обеспечивается подбор наиболее
подходящего 'теоретического закона распределения. При этом
закон распределения может быть задан либо функцией рас­
пределения /'(/), либо плотностью распределения £ (/).
69
Для оценки степени расхождения полученного статисти­
ческого распределения У7* (У) с теоретическим У7 (У) сущест­
вуют различные критерии. Из множества критериев выби­
рается мера расхождения, по значению которой можно судить
о том, вызвано ли расхождение случайными причинами или
разница между ними настолько велика, что выбранный теоре­
тический закон Р (У) непригоден.
Сущность применения критериев согласия заключается
в следующем. Предполагается, что случайная величина Т,
полученная в виде статистического ряда, подчинена некото­
рому определенному закону распределения, описываемому
функцией УД/). Для проверки справедливости такой гипо­
тезы вводится вспомогательная величина Д, которая может
быть выбрана разными способами, но так, чтобы она могла
служить мерой расхождения между теоретическим законом
распределения и статистическим распределением, получен­
ным при проведении испытаний.
Наиболее употребляемыми критериями согласия являются
критерий х2 Пирсона и критерий А. Н. Колмогорова. В ка­
честве меры расхождения А для критерия х2 выбрана вели­
чина, определяемая выражением
(49)
где No — общее число опытов,
К — число интервалов статистического ряда,
Р,* = Л с— частота /-го интервала статистического ряда,
’
■
„
Р, — теоретическая вероятность попадания случайной
величины’в /-й интервал. Она определяется выра­
жением
Р,:=
.[ / ( 0 ^ -
(50)
I
Определив величину расхождения Д, находят вероятность
события Р ( Д > х 2 )- Определяется эта вероятность по спе­
циальным таблицам. Если вероятность очень мала (<0,1),
то выбранное теоретическое распределение следует считать
неудачным. При относительно большом значении вероятности
Р (Д' >,х 2 ) выбранное теоретическое распределение можно
признать не противоречащим опытным данным.
Критерий согласия Колмогорова отличается своей просто­
той. Сущность применения его сводится к следующему. На
70
график наносят значения функции распределения' и выбран­
ной аппроксимирующей функции Е
За меру расхождения между ними выбирается величина
О - У Т ^ , где О определяется графически как
О = шах.| Е(^)—
(51)
Затем по таблице находится значение вероятности
Р
> X). Если окажется, что Р (£> / Мо > X) > 0,25,
то функцию Г (/) принимают за рабочую гипотезу, если
Р (О | / No к) < 0,05, функцию Е (7) отвергают. Следует
отметить, что применение критерия Колмогорова ограничено
требованием предварительного знания параметров для Е(/).
Для того чтобы найти закон распределения случайной
величины, необходимо провести сравнительно большое число
опытов No. На практике чаще всего приходится иметь дело
со статистическим материалом весьма ограниченного объема,
который оказывается недостаточным, чтобы определить закон
распределения случайной величины численного показателя
надежности. Однако такой материал может быть подвергнут
статистической обработке,'позволяющей получить некоторые
сведения о случайной величине Т путем ориентировочной
оценки ее числовых характеристик. Любое значение искомого
параметра, вычисленное на основе ограниченного числа опы­
тов, называется оценкой параметра.
Существуют соответствующие правила и методы наилуч­
шей статистической обработки опытных данных для досто­
верной оценки неизвестных значений параметров с требуемой
точностью и достоверностью.
Если в процессе испытаний получают некоторый статис­
тический ряд Т — /2> /з>
к,
1п , то, располагая им,
можно найти некоторую величину Т£р , являющуюся функ­
цией No случайных реализаций Е. Величину Т*р называют
статистической оценкой Тс р , полагая, что Т*р ~ Т. Спра­
ведливость этого приближенного равенства будет тем более
обоснованной, чем больше объем статистики No и чем лучше
подобрана функция Т*р . Возможность применения Т*р для
приближенного определения среднего времени до отказа ба­
зируется на. положении теории вероятностей, согласно кото­
рой среднее арифметическое значений случайной величины
является состоятельной и несмещенной оценкой математиче­
ского ожидания. Состоятельность оценки заключается в том,
что при увеличении числа опытов No она приближается (схо71
дится по вероятности) к истинному значению математического
ожидания. Несмещённость оценки выражается в том, что при
Использовании среднего арифметического значения не делает­
ся систематической ошибки в сторону завышения или зани­
жения.
Таким образом, использованные в качестве оценки при
ограниченном числе опытов величины Т*Р ,позволяет свести
неизбежные ошибки при определении Т ср к минимально воз­
можным.' Задача заключается в том, чтобы определить, на­
сколько эти неизбежные ошибки влияют на точность и досто­
верность вычисленных значений Тср , т. е. если в качестве
оценки параметра Тср принимается среднее арифметическое
значений Т*Р , то надлежит установить, с какой вероятностью
можно утверждать, что допущенная при этом ошибка не пре­
высит некоторой наперед заданной величины е.
Решение этой задачи сводится к нахождению вероятности
того, что истинное неизвестное значение параметра Тср будет
заключено в пределах Т сР — е < Т ср < Т £ р + е . Обозначим
эту вероятность через у (гамму), тогда
У = Р[(ТсР — е) < Т ср < (Т*Р + е)], или у = Р[|Т?Р - Т с р |< е ].
(52)
Вероятность у принято называть доверительной вероятно­
стью. Это вероятность того,. что ошибка от замены Т ср его
оценкой Тс Р не превышает по абсолютной величине некото­
рого произвольного числа е. Или, по другому говоря, у есть
Рис. 24.
72
Зависимость точности оценки от- числа
испытаний
вероятность того, что случайный интервал Л:[Т*р—е), (Т*г +
4- е)] накроет точку Тер . Этот интервал называется довери­
тельным интервалом, т. е. // = Т*р±е. Границы интервал
Тср 1 = ТсР — е и Т ср 2 = Т£р + е называются доверительными
границами.
Доверительный интервал характеризует точность полу­
ченного результата, а доверительная вероятность — его
достоверность. Располагая зависимостью доверительной веро­
ятности у от задаваемой точности оценки е, можно определить с помощью таблиц или графиков — номограмм, позво­
ляющих осуществить статистическую оценку параметра Т ср
для различных.чисел испытуемых РЭА No (рис. 24).
6.7. УСКОРЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ РЭА
Методами математической статистики можно установить
допустимые пределы изменения нагрузок, при которых меха­
низмы отказов остаются неизменными. Если закон распреде­
ления вероятности безотказной работы РЭА не изменяется
для номинальной и форсированной нагрузки, то считают, что
механизм отказов неизменен и тогда можно экстраполировать
результаты ускоренных испытаний к нормальным условиям.
Термическая нагрузка наиболее изучена. Для отказов,
связанных с температурой, используют уравнение Аррениуса
[5], справедливое для кинетики химических реакций в стати­
ческих условиях,
(53)
где М — масса, / время, ¿/ — заряд электрона, К — посто­
янная Больцмана, Е энергия активации молекул вещества,
С — константа, характеризующая вещество.
Интегрируя уравнение Аррениуса, получаем
/
(М/С)-е*г ,
(54)
после логарифмирования имеем
(55)
Зависимость (55) легко представить графически (рис. 25):
чем больше Е, а следовательно и ср, тем изделие надежнее.
Прогнозирующую зависимость можно построить следую73
Рис. 25. Общая зависимость времени испы­
таний от. нагрузки
щим образом: берем две или несколько групп изделий и каж­
дую из них разбиваем на части;
для каждой части устанавливаем свою температуру при
испытаниях;
фиксируем время наработки до отказов в 1-й, 2-й и др.
группах (например на уровнях 20% и 50% отказов).
Строим в логарифмических масштабах графики (рис. 26).
Рис. 26. Кривые уравнения Аррениуса при раз­
личном проценте накопленных отказов
Затем для заданного времени
определяем Т„ и Т в и
строим график зависимости
с/ от температуры (1/Т).
Рис. 27. Зависимость уровня отказов от воздей­
ствующей температуры
По этому графику (рис. 27) определяют вероятность безот­
казной работы для любой другой температуры окружающей
среды, т. е. решают прямую задачу прогнозирования. Исходя
из этой модели старения, описываемой уравнением Аррениу­
са, можно ускорить испытания за счет того, что увеличение
нагрузки позволяет получить кривую для меньшего времени
испытаний.
Экономия времени связана с величиной нагрузки при ис­
пытаниях. Так, если время испытаний при нормальной на­
грузке Т обозначить /, а при форсированной нагрузке Т'—
то фактор ускорения т = //Л можно определить из уравне­
ния Аррениуса как
Г <7е ( 1 - 1 п
[
к ( Т1
тМ
При неизменном механизме отказов в условиях изменяю­
щейся нагрузки по результатам испытаний изделия*в форси­
рованном режиме в течение времени /' можно судить об эк­
вивалентном времени испытаний изделий в условиях нор­
мальных нагрузок, которые можно определить как £ = тГ.
75
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппар<1туры и испытательное оборудование: Учебное пособие для вузов/ О: П.
Глудкин, А. Н. Енгалычев, А. И. Коробов, Ю. В. Трегубов; Под ред.
А. И. Коробова. М.: Радио и связь, 1987. — 272 с.
2. Глудкин О. П., Черняев В. И. Технология испытаний микроэлемен­
тов радиоэлектронной аппаратуры и интегральных микросхем. А1.: Энер­
гия, 1980.— 350 с.
3. Малинский В. Д. Контроль и испытания радиоаппаратуры. М.:
Энергия, 1970. — 336 с.
4. Ошер Д. Н. и др. Регулировка и испытание радиоаппаратуры.
М.: Энергия, 1978. — 384 с.
5. Глудкин О. П. и др. Статистические методы в технологии произ­
водства радиоэлектронной аппаратуры / Под ред. В. Н. Черняева. М.:
Энергия, 1977. — 296 с.
СОДЕРЖ АНИЕ
В ведение
.
. . .
.
.
.
.
.
.
.
3
1. Место и роль испытаний в единой системе управления качест­
вом РЭА
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5
2. Эксплуатационные, факторы, влияющие на функционирование РЭА 11
2.1. Факторы, определяющие качество РЭА .
.
.
.1 1
2.2. Воздействие эксплуатационных факторов на свойства РЭЛ 18
3. Система организации испытаний РЭА
.
.
.
.2 6
. 4. Экономические и статистические аспекты планирования испытаний 30
5. Методы испытаний РЭА
.
.
.
.
.
.
.
45
5.1. Классификация методов испытаний .
.
.
.
.4 5
5.2. Общая методология испытаний .
.
.
.
.
-5 1
6. Испытания РЭА на надежность
.
.
.
.
.
.
55
6.1. Показатели надежности ' .
.
.
.
.
.
.
55
6.2. Выбор нагрузки при испытаниях
.
.
.
-6 1
6.3. Испытания на повреждающую нагрузку .
62
6.4. Испытание РЭА на длительность хранения (сохраняемость) 64
6.5. Прогнозирование надежности РЭА .
.
.6 5
6.6. Статистическая оценка законов распределении численных
показателей надежности .
.
.
.
.
-6 8
6.7. Ускоренные испытания РЭА .
. ' ...................................... 73
Библиографический список
.
.
.
.
.
.
.
76
77.
Александр Васильевич Кагщов,
Валерий Александрович Медников
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИСПЫТАНИИ РЭА
Редактор Е. Д. Антонова
Техн, редактор Н. М. К.аленюк
Корректор Н. С. Куприянова
Свод. тем. пл. поз. 1038
' •
*
Сдано в набор 10.03.89 г. Подписано в печать 1.06.89 г.
ЕО 00199.Формат 60X84 1/16. Бумага оберточная.
Гарнитура литературная. Печать высокая.
Усл. п. Л. 4,8. Уч-изд. л. 5,0. Т. 500 экз. Цена 25 к<.
Куйбышевский ордена Трудового Красного Знамени
авиационный институт имени академика С. П. Королева.
443001, Куйбышев, ул. Молодогвардейская, 151.
Тип. ЭОЗ Куйбышевского авиационного института,
443001, г,- Куйбышев, ул. Ульяновская, 18.