Расчет надежности элементной базы

 

В зависимости от полноты учета факторов, влияющих на надежность объекта, могут проводиться прикидочный расчет надежности, расчет с учетом условий эксплуатации (расчет при подборе типов элементов), уточненный расчет.

Расчет производится в предположении, что имеет место экспоненциальный закон надежности, т.е. время работы объекта между отказами имеет экспоненциальное (показательное) распределение. Основаниями для этого служат: 1) большое число элементов и высокая надежность каждого элемента (срок службы каждого элемента значительно превышает период рабочей эксплуатации РЭС); 2) все отказы, обусловленные некачественным изготовлением, проявляются в период настройки и испытания РЭС перед эксплуатацией; 3) отказы, связанные со старением элементов, в период эксплуатации РЭС составляют незначительную долю от общего числа отказов; 4) вероятность возникновения отказов элементов примерно одинакова в любые интервалы времени эксплуатации; 5) отказы элементов независимы.

4.1 Прикидочный расчет производится на этапе проектирования, когда принципиальных схем блоков объекта еще нет. Количество элементов в блоках определяется путем сравнения проектируемого объекта с аналогичными, ранее разработанными объектами. Интенсивность отказов проектируемого нерезервированного объекта определяют путем суммирования значений интенсивностей отказов всех его элементов.

Прикидочный расчет надежности проводится в следующих целях:

- проверить выполнимость требований по надежности, содержащихся в техническом задании;

- сравнить по показателям надежности различные варианты проектируемой системы.

Для расчета надежности необходимо иметь логическую модель безотказной работы системы (структурная схема надежности). Так как проектируемый объект без резерва, то его схема надежности последовательная.

Средние, минимальные и максимальные значения интенсивности отказов каждого типа элементов определяю из приложения 3 [2].

Составляю сводную таблицу данных (табл. 2).

 

Таблица 2

Порядковый номер и тип элемента		Число элементов каждого типа nj	Границы и среднее значение интенсивности отказов *10^6, 1/ч			Суммарные значения интенсивности отказов элементов определенного типа *10^6, 1/ч
			λj min	λj cp	λj max	njλj min	njλj cp	njλj max
1. Резисторы	Непроволочные	30	0,010	0,020	0,040	0,300	0,600	1,200
	Переменные	4	0,020	0,260	0,500	0,080	1,040	2,000
2. Конденсаторы	Керамические	8	0,042	0,150	1,640	0,336	1,200	13,120
	Электролитические	2	0,003	0,035	0,513	0,006	0,070	1,026
3. Диоды		4	0,021	0,200	0,452	0,084	0,800	1,808
4. Транзисторы		14	0,160	0,500	1,670	2,240	7,000	23,380
7. Катушки индуктивности		4	0,001	0,008	0,020	0,004	0,032	0,080
10. Плата (гетинакс)		1	0,100	0,100	0,100	0,100	0,100	0,100
11. Пайка (печатный монтаж)		149	0,010	0,080	0,150	1,490	11,920	22,350

 

По данным таблицы 2 рассчитываю граничные и средние значения интенсивностей отказов, а также другие показатели безотказности электрической схемы по формулам:

 

где, m – число типов элементов схемы.

 

1/ч, 1/ч, ;

, ,

;

 ч,  ч,  ч.

Проверка: >  (215517>4500).

4.2 Расчет с учетом условий эксплуатации аппаратуры, т.е. с учетом влияния механических воздействий, высотности и климатических факторов производится с помощью поправочных коэффициентов по формуле , где - интенсивность отказов j –го элемента в номинальном режиме (температура окружающей среды 20 ˚С, коэффициент нагрузки равен 1; - поправочные коэффициенты, учитывающие соответственно воздействие влажности и температуры; - коэффициент, учитывающий одновременное воздействие вибрации и ударных нагрузок. Если в объекте имеется - однотипных элементов, имеющих одинаковые  и значения поправочных коэффициентов, то для всей электрической схемы интенсивность  определяется по формуле

 

 

В приложении 3 [2] нахожу интенсивность отказов элементов для нормальных условий работы, а поправочные коэффициенты в приложении 4 [2]. Составляю сводную таблицу данных (табл.3)

Таблица 3

Номер и наименование элемента	Обозначение на схеме	Тип элемента	Кол-во элементов j-го типа nj, шт	Интенсивность отказов в номинальном режиме λ0j*106, 1/час	Поправочные коэффициенты			Интенсивность отказов элементов j-го типа с учетом условий эксплуатации, njλ0j К1,2,jК3,jК4,j*106, 1/час
					К1,2,j	К3,j	К4,j
Резисторы	R1-R4,R6-R14, R16-R26, R28, R29, R31-R34	Металлодиэлектрические	30	0,2	1,07	1	1	6,420
	R5, R15, R27,R30	Переменные	4	0,26				1,113
Конденсаторы	С2-С5, С7-С10	Керамические	8	1,4				11.984
	C1, C6	Электролитические	2	2,4				5.1360
Диоды	VD1-VD4	Кремниевые	4	0,7				2,996
Транзисторы	VT1-VT14	Кремниевые высокочастотные мощностью менее 1Вт	14	2,6				38,948
Катушки индуктивности	L1.1, L1.2, L2.1, L2.2	-	4	0,5				2,140
Плата	-	-	1	0,1				0,107
Пайка	-	Печ. мон.	149	0,15				23,916

По данным таблицы 3 рассчитываю суммарное значение интенсивности отказов для всей электрической схемы  1/ч. На основе значения  определяю другие показатели надежности с учетом условий эксплуатации  и  ч.

Проверка: >  (10780>4500).

 

4.3 Уточненный расчет производится, когда конструкция объекта в основном определена. Здесь, прежде всего, учитывается отклонение электрической нагрузки элементов схемы и окружающей их температуры от номинальных значений. Интенсивность отказов элемента j–го типа уточненная и всей схемы  рассчитываются по формулам:

 

 

где - поправочный коэффициент, определяемый как функция коэффициента , учитывающего электрическую нагрузку, и температуры  для элемента j–го типа.

Поправочные коэффициенты  для элементов выбираю в приложении 4 [1,2]. Температуру  принимаю равной +40 ˚С (как максимальную температуру для умеренного климата) плюс +10 ˚С (за счет нагрева самих элементов) для расчета надежности объекта при работе в наихудшем для него режиме. Составляю сводную таблицу данных (табл. 4).

По данным таблицы 4 рассчитываю суммарное значение интенсивности отказов для всей электрической схемы

=77,709*10^-6 1/ч.

 

На основе значения  определяю уточненные значения показателей надежности

 

=exp[-77,709*10^-6 *t], =12686 ч.

Проверка: >  (12686>4500).

 

Таблица 4

Номер и наименование элемента	Обозначение на схеме	Тип элемента	Кол-во элементов j–го типа nj, шт	Поправочные коэффициенты			Интенсивность отказов элементов j–го типа с учетом условий эксплуат. , 1/ч	Уточненная интенсивность отказов элементов j–го типа   , 1/ч
Резисторы	R1-R4,R6-R14, R16-R26, R28, R29, R31-R34	Металлодиэлектрические	30	0,6	50	0,92	5,906	5,434
	R5, R15, R27,R30	Переменные	4	0,6		0,92	1,024	0,942
Конденсаторы	С2-С5, С7-С10	Керамические	8	0,7		0,46	5,513	2,536
	C1, C6	Электролитические	2	0,7		1,73	8,885	15,372
Диоды	VD1-VD4	Выпрямительные	4	0,5		0,76	2,277	1,730
Транзисторы	VT1-VT14	Высокочастотные	14	0,5		0,84	32,716	27,482
Кат. Индуктивности	L1.1, L1.2, L2.1, L2.2	-	4	0,5		0,3	0,624	0,193
Плата	-	-	1	-		1	0,107	0,107
Пайка	-	Печ. мон	149	-		1	23,9145	23,9145