книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

Железо, если бы не низкая его коррозионная стойкость, является наи­ лучшим материалом для магнитных экранов. В ЭА получили распростране­ ние экраны из стали и пермаллоев. Стальные экраны с малой начальной магнитной проницаемостью обеспечивают малое, но постоянное экраниро­ вание как на низких, так и на частотах вплоть до десяти килогерц. Экраны из пермаллоев с высокой начальной проницаемостью позволяют получать эффективное экранирование, но в узком диапазоне частот от нуля до не­ скольких сотен герц. С увеличением частоты возрастают вихревые токи эк­ рана, которые вытесняют магнитное поле из толщи экрана и уменьшают его магнитопроводимость, а это сказывается на эффективности экранирования.

Расчеты экранов сводятся к определению ослабления нежелательного поля внутри экранируемого пространства при выбранном материале и тол­ щины стенки экрана.

4.7. Надежность конструкции ЭА

Надежность — свойство ЭА выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в за­

132

4.7. Надежность конструкции ЭА

данных пределах, при соблюдении режимов эксплуатации, правил техниче­ ского обслуживания, хранения и транспортирования.

Ресурс — продолжительность работы ЭА до предельного состояния, установленного в нормативно-технической документации.

Случайное событие, приводящее к полной или частичной утрате рабо­ тоспособности ЭА, называется отказом.

Отказы по характеру изменения параметров аппаратуры до момента их возникновения подразделяют на внезапные (катастрофические) и по­ степенные. Постепенные отказы характеризуются временным изменением одного или нескольких параметров, внезапные — скачкообразно изменяю­ щимися.

По взаимосвязи между собой различают отказы независимые, не свя­ занные с другими отказами, и зависимые.

По повторяемости возникновения отказы бывают одноразовые (сбои) и перемежающиеся. Сбой — однократно возникающий самоустраняющийся отказ, перемежающийся — многократно возникающий сбой одного и того же характера.

По наличию внешних признаков различают отказы явные, т. е. имею­ щие внешние признаки после их появления, и неявные (скрытые), для обна­ ружения которых требуется провести соответствующие действия.

По причине возникновения отказы подразделяют на конструкцион­ ные, производственные и эксплуатационные, вызванные нарушением уста­ новленных норм и правил при конструировании, производстве и эксплуата­ ции ЭА.

По характеру устранения отказы делятся на устойчивые и самоустра­ няющиеся. Устойчивый отказ устраняется заменой отказавшего элемента (модуля), а самоустраняющийся исчезает сам, но может повториться. Само­ устраняющийся отказ может проявиться в виде сбоя или в форме переме­ жающегося отказа.

Возникновение отказов происходит как из-за внутренних свойств аппаратуры, так и из-за внешних воздействий и носит случайный харак­ тер. Для количественной оценки отказов используют вероятностные ме­ тоды.

Безотказность — способность ЭА непрерывно сохранять заданные функции в течение установленного в технической документации времени — характеризуется вероятностью безотказной работы P(t), частотой отказов J[(), интенсивностью отказов Х(/), средней наработкой на отказ (продолжи­ тельность работы изделия до появления отказа) Гер. В некоторых случаях надежность ЭА удобно оценивать вероятностью отказа q(t) = 1 - P{t).

Вероятность безотказной работы и частоту отказов можно найти ста­ тистически по данным об отказах эксплуатируемых изделий

133

4. Обеспечение надежнойработы конструкции ЭА

Р = ( N - n ) / N , / = я/(М ),

где N — число изделий в начале испытаний; п — число изделий, отказавших за время испытаний t (при значительном числе изделий вероятность Р сов­ падает с вероятностью P(t), а частота отказов/ — с Д/)).

Функцию частоты отказов можно записать в виде

/СО = [qif+ д0“ 4(f)]IAt.

При Д/ —> О вероятность отказа q{t) можно определить интегрирова­ нием функции частоты отказов

<7(0 - J/С О Л

о

= -dP(t)/dt = -P'(t). Таким образом, функция f( t ) характеризует скорость снижения надежности во времени.

Критерием, более полно определяющим надежность неремонтируемой ЭА и ее модулей, является интенсивность отказов Mi) — число отказов в еди­ ницу времени, отнесенное к среднему числу изделий, безотказно функциони­ рующих в указанный промежуток времени. Этот показатель характеризует на­ дежность ЭА в любой момент времени и рассчитывается по формуле

где Ди, = Nj - Ni+i— число отказов; A7cp=(7VI + NM)/2 — среднее число ра­

ботоспособных изделий; 7V, и TVJ+I — количество работоспособных изделий в начале и конце промежутка времени Д

Вероятность безотказной работы P(t) связана с интенсивностью отка­

Если ЭА содержит N последовательно соединенных однотипных эле­ ментов, то

134

4.7. Надежность конструкции ЭЛ

XK(t) = NX(t).

t — интервал времени, за который отказали все изделия; m — число времен­ ных интервалов испытаний.

Пример. Из 15 неремонтируемых изделий в первый год эксплуатации отка­ зало 10, во второй — 5. Определить вероятность безотказной работы, частоту отка­ зов, интенсивность отказов в первый год эксплуатации, а также среднюю наработку до первого отказа.

Решение:

Вероятность безотказной работы ЭА

Возникновение отказов в ЭА носит случайный характер. Следова­ тельно, время безотказной работы есть случайная величина, для описания которой используют разные распределения: Вейбулла, экспоненциальный, Релея, Пуассона.

Отказы в ЭА, содержащей большое число однотипных неремонтируе­ мых элементов, достаточно хорошо подчиняются распределению Вейбулла, а вероятность безотказной работы P(t), частота отказов f(t), средняя нара­

ботка на отказ вычисляются по следующим формулам:

135

оо

где Г — гамма-функция; Хо и Ь — параметры распределения. Из (4.10) и (4.11) получим

X(t) = f(t)/P{t) = X0btb-'.

Пример. Время безотказной работы системы подчиняется закону Вейбулла с параметрами ft = 1,5 и Хо = 10“4ч-1. Определить параметры надежности системы за время работы t = 100 ч.

Решение:

• />(100) = ехр(-10^'°°и) = ехр(-0,1) = 0,9;

• /(100) = КГ4 l,5 100°'s 0,9= 1,35- 10~*ч-1;

• X(100) = l,35 105/0,9 = 1,5 10 V ;

• Гч>=(10^)| / и Г(1,67) = 418ч.

Экспоненциальное распределение (частный случай распределения Вейбулла при ft = l) основано на предположении постоянной во времени интенсивности отказов и успешно может быть использовано при расчетах надежности аппаратуры одноразового применения, содержащей большое число неремонтируемых компонентов.

Характеристики надежности при этом распределении выглядят Сле­ дующим образом:

P(t) = exp(-Xt); f ( t ) = X ехр(-Х/);

X(t) = f ( t ) / P ( ‘) = X = const;

00

T"= Jexp(-Xf) = i a ,

о

где X — параметр распределения.

Пример. Время безотказной работы системы подчиняется экспоненциально­ му закону с параметром Хо =10'* ч 1. Определить параметры надежности системы за время работы t = 100 ч.

136

4.7. Надежность конструкции ЭА

Реш ение:

При длительной работе ЭА при планировании ее ремонта важно знать не вероятность возникновения отказов, а их число за определенный период эксплуатации. В этом случае применяют распределение Пуассона, позво­ ляющее подсчитать вероятность появления любого числа случайных собы­ тий за некоторый период времени. При расчетах для распределения Пуассо­ на характерны те же ограничения, что и для экспоненциального. Распреде­ ление Пуассона применимо для оценки надежности ремонтируемой ЭА с простейшим потоком отказов.

Вероятность отсутствия отказа за время t составляет Р0 = ехр(-Ял), а

вероятность появления i отказов за то же время /> = X‘t‘ ехр(-Ал)//'!, где / = 0,1,2,..., п — число отказов.

Пример. Вероятность безотказной работы ЭВМ с параметром А. = 10'3 ч"1 подчиняется закону Пуассона. Определить вероятность отсутствия отказа и появле­ ния двух отказов в продолжении 1000 ч работы ЭВМ.

Р еш ение:

•/> = ехр(-10‘3 ■1000) = 0,36;

•f t - l f f 6- 106 - 0,36/2 = 0,18.

Распределение Релея описывает поведение ЭА и составляющих ее элементов с явно выраженными признаками их старения и износа. При этом

P(t) = ехр(-/2 / 2С2);

f ( t ) = t / C 2ехр(-/2 / 2С2);

X(t) = t / C 2;

где С — параметр распределения.

Пример. Время безотказной работы ЭА подчиняется распределению Релея с па­ раметром С - 500 ч. Определил» параметры надежности ЭА за время работы / = 100 ч.

Реш ение:

• />(100) = ехр(-1002/25002) = 0,980; •/1 0 0 ) = 100/5002 • ехр(-1002/2-5002)) = 3,92 • 1<Г* ч-1;

•А(100) = 100/5002 =4-10"* ч‘‘;

•Г, = 5 0 С Т й ? = 626 ч.

137

4. Обеспечение надежной работы конструкции ЭА

Повышение надежности ЭА резервированием

Резервирование — способ повышения надежности аппаратуры, за­ ключающийся в дублировании (иногда и многократном) ЭА в целом или отдельных ее модулей или элементов. Различают следующие виды резер­ вирования: постоянное (резервные элементы включены вместе с основ­ ным и функционируют в тех же режимах); резервирование замещением (обнаружение отказавшего элемента и замена его резервным); скользящее резервирование (любой резервный элемент может замещать любой отка­ завший).

Если Pc(t) — вероятность безотказной работы системы (модуля), то установка и включение параллельно нескольких таких же систем (модулей) приводит к увеличению результирующей вероятности безотказной работы резервированной системы Pf(t), которую можно определить из

т о - i - [ i - / ц о г ' ,

где т — число включенных параллельно основной системе (модулю) ре­ зервных.

Пример. Система, имеющая вероятность безотказной работы 0,7, при вклю­ чении одной резервной повысит вероятность безотказной работы до 0,91, а двух — до 0,973.

ВЭА применяется общее, когда резервируются отдельные модули ЭА,

ипоэлементное резервирование, когда резервирование осуществляется на. уровне микросхем или отдельных элементов. При одинаковом количестве резервных элементов поэлементное резервирование эффективнее общего, но требует большого числа дополнительных электрических связей.

Резервирование, хотя и может дать значительный положительный эф» фект, реально трудно реализовать из-за требований разработки дополни­ тельных схем по обнаружению отказов, введению разнообразных переклю­ чателей при установке резерва, что приводит к увеличению стоимости аппа­ ратуры, ее объемов и массы. Практически резервирование при разработке вычислительных систем общего назначения не используется.

Расчет надежности ЭА

Определив из ТЗ требуемую вероятность безотказной работы аппара­ туры, конструктор распределяет эту вероятность по составляющим ЭА мо­ дулям, подбирает элементы с необходимыми интенсивностями отказов, вы­ являет потребность и глубину резервирования, принимает меры по защите аппаратуры от воздействий дестабилизирующих факторов.

138

4.7, Надежность конструкции ЭА

Расчет надежности ЭА состоит в определении числовых показателей надежности P(t) и Тср по известным интенсивностям отказов комплектую­ щих ЭА элементов. При этом считается, что, если выход из строя любого элемента приводит к выходу из строя всей ЭА, то имеет место последова­ тельное включение элементов. Усредненные данные по интенсивностям от­ казов микросхем, электрорадиоэлементов, узлов и электрическим соедине­ ниям приведены в табл. 4.14.

При конструировании необходимы данные об ожидаемых изменениях характеристик элементов в течение всего срока службы ЭА. Например, если разрабатывается аппаратура со сроком службы 10 лет, то необходимо пред­ варительно в течение 10 лет, если не используется какой-либо метод уско­ ренных испытаний, собирать данные об изменении параметров комплек­ тующих элементов, что в общем случае нереально, так как за это время мо­ жет устареть как элементная база, так и сама разрабатываемая ЭА.

Таблица 4.14. Интенсивности отказов комплектующих и электрических соединений

139

4. Обеспечение надежной работы конструкции ЭА

Поэтому трудно ожидать совпадения реального и рассчитанного по­ ведения системы, но расчеты надежности необходимо выполнять, так как в ТЗ на разработку всегда указываются требуемые показатели надежности.

Вероятность безотказной работы системы будет

р.(о=ПМ,(0]«ГРко, (4.13)

где q,(/) и />(0 — соответственно вероятность отказа и вероятность безот­

казной работы /-го модуля за время t\n — число модулей системы. Из (4.8) и (4.13) получим

где Ц /) — интенсивность отказов i-го модуля системы.

Обозначив ^А,ДО = Л(/), получим Pc(t) = exp - \ к № /*1

Модули одного иерархического уровня имеют приблизительно рав­ ную надежность. Тогда для системы из К групп модулей одного уровня

Л(0=1>Л(0,

^ ( 0 = ехр

где я, — число модулей /-го уровня иерархии.

Для экспоненциального закона распределения, когда интенсивность отказов можно считать величиной постоянной,

к

X (0 = Л (/) = Л = const,

i=l

Рс(0 = ехр(-Л/).

В общем случае надежность конструкции зависит от соотношения прочности и устойчивости, закладываемых в конструкцию при разработке, к нагрузке, которую приходится выдерживать аппаратуре в процессе эксплуа­ тации. Под прочностью здесь понимается способность аппаратуры выдер­ живать без разрушений внешние температурные, механические, влажност­ ные и прочие воздействия, под устойчивостью — способность к работе при тех же воздействиях.

140

4.7. Надежность конструкции ЭА

Создание аппаратуры без излишних запасов прочности — важная и сложная задача, поскольку конструктор не всегда имеет четкие количест­ венные параметры внешних воздействий, отсутствуют или имеются неточ­ ные математические модели, позволяющие весьма ориентировочно произве­ сти указанную оценку. Эго приводит к внесению в конструкцию завышен­ ных запасов прочности и устойчивости, так называемых коэффициентов незнания, уточнение которых — условие успешного обеспечения заданной надежности при минимальной себестоимости.

Контрольные вопросы

1.Назовите внешние воздействия на ЭА и основные факторы их влияния на сни­ жение надежности.

2.Укажите основные способы отвода теплоты от аппаратуры.

3.Как оптимально ориентировать прибор с позиций теплосьема от его поверхно­ стей, если боковая, лицевая и горизонтальная поверхности корпуса имеют от­ ношение площадей как 1 :2 :3 ?

4.Причины воздействия на аппаратуру вибраций и ударов.

5.Как определяется собственная частота колебаний конструктивных элементов ЭА?

6.Назовите наиболее эффективные способы защиты аппаратуры от влажностных воздействий (воздействий пыли).

7.Как защищают ЭА от переохлаждения?

8.Для чего нужно знать характеристику аэродинамического сопротивления аппа­ ратуры?

141