Способ контрольных испытаний на гамма-процентный ресурс невосстанавливаемых радиоэлектронных устройств с экспоненциальным законом распределения времени до отказа

Способ контрольных испытаний на гамма-процентный ресурс невосстанавливаемых радиоэлектронных устройств с экспоненциальным законом распределения времени до отказа

Реферат

Изобретение относится к области испытаний радиоэлектронной аппаратуры и изделий электронной техники.

Контрольные испытания радиоэлектронных устройств на долговечность являются, как правило, длительными и дорогостоящими испытаниями. Длительность испытаний связана с тем, что радиоэлектронные устройства могут использоваться в изделиях с длительными сроками эксплуатации без возможности доступа к изделиям в процессе их эксплуатации для их замены при выработке ресурса. Так, сроки активного существования (САС) современных космических аппаратов на орбите исчисляются годами. Современные радиоэлектронные устройства бортовых космических систем должны иметь гамма-процентный ресурс пять лет (43800 часов) и более [1, 2], а изделия электронной техники должны иметь минимальную наработку 100000 часов [3, 4], а следовательно, и гамма-процентный ресурс более 100000 часов.

Даже с учетом использования методов ускоренных испытаний на долговечность [5, 6] длительность контрольных испытаний радиоэлектронных устройств на гамма-процентный ресурс может составлять более полугода. Кроме того, контрольные испытания на гамма-процентный ресурс требуют обеспечения необходимых механических и климатических режимов, что также удорожает и усложняет проведение испытаний.

Известен способ контроля показателей надежности типа гамма-процент для заданного значения показателей типа Т (ГОСТ 27.410-87 Надежность в технике. Методы контроля показателей надежности и планы контрольных испытаний на надежность. Москва) [7].

Согласно этому способу план контроля показателей надежности должен содержать число испытуемых образцов, стратегию проведения испытаний с восстановлением и (или) заменой отказавших изделий, без восстановления и (или) замены отказавших изделий, правила прекращения испытаний, число независимых наблюдений и отрицательных исходов этих наблюдений, позволяющих принять решение о соответствии или несоответствии изделий заданным требованиям к уровню надежности, а также правила принятия решения.

При испытании на надежность наблюдением может быть время безотказной работы изделия, продолжительность его восстановления и т.п., отрицательным исходом наблюдения - наступление отказа (предельного состояния), невозможность восстановления в течение заданного времени и т.п. (Раздел 1 «Общие положения», п.1.4, с.2).

При контроле надежности невосстанавливаемых изделий объем выборки (число испытуемых образцов) равен необходимому числу наблюдений (Раздел 1 «Общие положения», п.1.4, с.2).

Параметры плана контроля определяют по таблицам 33-35 в зависимости от браковочного Р_β и приемочного Р_α уровней и рисков поставщика α и потребителя β (Раздел 2 «Контроль показателей надежности типа вероятность безотказной работы, вероятность восстановления за заданное время, гамма-процент для заданного значения показателей типа Т», с.32).

Для контроля организуется n независимых наблюдений, продолжительность каждого из которых равна наработке, для которой задана вероятность безотказной работы и в каждом наблюдении фиксируют результат: наличие или отсутствие отказа. После n-го наблюдения принимают решение о соответствии безотказности заданным требованиям, если число отказов не больше приемочного числа С_α. Решение о несоответствии принимают в случае, если число отказов больше приемочного числа (Раздел 2 «Контроль показателей надежности типа вероятность безотказной работы, вероятность восстановления за заданное время, гамма-процент для заданного значения показателей типа Т», с.32).

Недостатком приведенного в данном аналоге способа контрольных испытаний является большая длительность испытаний, равная заданному значению показателя типа Т гамма-процентного ресурса.

Известен способ испытаний на долговечность изделий электронной техники (ГОСТ 25359-82 Изделия электронной техники. Общие требования по надежности и методы испытаний. Государственный комитет СССР по стандартам) [8].

В качестве показателя надежности устанавливают интенсивность 1э отказов. Значение интенсивности λ_Э отказов принимают постоянным в течение наработки t_H (П.1.1, с.1).

Интенсивность λ_Э отказов и наработку t_н устанавливают в техническом задании (далее - ТЗ) и разделе «Технические требования» стандартов и ТУ на изделия (П.1.3, с.2).

Испытание на долговечность проводят с целью подтверждения заданного значения 1з интенсивности отказов в течение наработки t_н (П.3.3, с.4).

Продолжительность испытаний на долговечность принимают равной наработке t_н и устанавливают в стандартах и ТУ на изделия (П.3.3.3, с.4).

Известно [9], что от наработки t_H можно перейти к гамма-процентному ресурсу и определить время испытаний для контроля гамма-процентного ресурса. Минимальная наработка соответствует гамма-проценту 99,99 ([9], с.9).

Недостатком приведенного способа контрольных испытаний на долговечность является большая длительность испытаний, равная заданному значению наработки t_н.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ контрольных испытаний на долговечность по ГОСТ 20699-75 Приборы и средства автоматизации ГСП. Надежность. Методы контрольных испытаний. Государственный комитет СССР по стандартам [10].

Согласно этому способу контроль гамма-процентного ресурса сводят к контролю вероятности ненаступления предельного состояния за время, равное заданному значению гамма-процентного ресурса (П.5.2, с.12).

В стандартах и технических условиях на конкретные изделия должны быть определены показатели предельного состояния, в качестве которых могут быть приняты:

- изменение значений параметров больше допустимых;

- изменение свойств изделия, при котором дальнейшая эксплуатация изделия становится невозможной;

- другие виды предельного состояния (П.5.3, с.12).

Контрольные испытания на долговечность рекомендуется проводить одноступенчатым методом с ограниченной продолжительностью испытания. План испытаний рассчитывают следующим образом:

- выбирают предельную продолжительность t_иp испытания;

- выбирают из стандартов, технических условий на изделие значение гамма-процентного ресурса и рассчитывают вероятность Р_р=γ/100 ненаступления предельного состояния за время, равное гамма-процентному ресурсу;

- определяют число n_р изделий, необходимое для проведения испытаний, и приемочное число С_р предельных состояний (П.5.6, с.13).

Предельную продолжительность t_ир испытания на долговечность выбирают равной заданному гамма-процентному ресурсу (П.5.7, с.13).

Приемочное Р_αр и браковочное Р_βр значения вероятности ненаступления предельного состояния за предельную продолжительность испытания рассчитывают:

а) если показатели безотказности входят в число параметров, определяющих предельное состояние изделия по формулам:

P_αp=P_p·P_α;

P_βp=P_p·P_β,

где P_α - приемочное значение вероятности безотказной работы;

Р_β - браковочное значение вероятности безотказной работы;

б) если показатели безотказности не входят в число параметров, определяющих предельное состояние изделия, то Р_αр принимают равным Р_р, а Р_βр - по ГОСТ 13216-74 (П.5.8, с.13).

Число изделий, необходимое для проведения испытаний, и приемочное число С_р предельных состояний определяют в зависимости от приемочного Р_αр и браковочного Р_βр значений вероятности ненаступления предельного состояния, риска изготовителя и риска потребителя по таблицам Приложения 1 (П.5.9, с.13). Каждая из таблиц Приложения 1 представляет приемочное число [С] и объем выборки [n] в зависимости от приемочного [А_α] и браковочного [А_β] уровней показателей надежности при различных значениях риска изготовителя α и риска потребителя β для одноступенчатого метода.

Образцы изделия, достигшие предельного состояния, снимают с испытания (П.5.10.1, с.14). По окончании испытаний проверяют образцы изделия, анализируют материалы, накопленные во время испытаний, и определяют общее число d_p, достигших предельного состояния за время испытаний.

Если d_p меньше или равно С_р, результаты испытаний считают положительными. Если d_p больше С_р, результаты испытаний считают отрицательными (П.5.10.2, с.14).

Недостатком приведенного способа контрольных испытаний на долговечность является большая длительность испытаний, равная заданному значению гамма-процентного ресурса.

Задачей изобретения является уменьшение времени контрольных испытаний на гамма-процентный ресурс невосстанавливаемых радиоэлектронных устройств с экспоненциальным законом распределения времени до отказа.

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе контрольных испытаний на гамма-процентный ресурс невосстанавливаемых радиоэлектронных устройств с экспоненциальным законом распределения времени до отказа, испытания проводят одноступенчатым методом с ограниченной продолжительностью испытания и сводят к контролю вероятности ненаступления предельного состояния за время испытаний, в качестве предельного состояния принимают отказ радиоэлектронного устройства, выбирают предельную продолжительность t_иp испытания и заданное значение гамма-процентного ресурса. Затем рассчитывают вероятность Р_р ненаступления отказа за время, равное гамма-процентному ресурсу, и выбирают или рассчитывают приемочное Р_αр и браковочное Р_βр значения вероятности ненаступления отказа. В зависимости от Р_αр, Р_βр, риска изготовителя и риска потребителя определяют, как указано в прототипе, количество n_р радиоэлектронных устройств. Первым отличительным признаком является то, что это число увеличивают в m раз, где m - целое положительное число, большее единицы, и полученное таким образом количество радиоэлектронных устройств разделяют на одинаковые группы по m радиоэлектронных устройств. Далее, как указано в прототипе, определяют приемочное число С_р отказов. Второй отличительный признак - за t_иp берут уменьшенное в m раз заданное значение гамма-процентного ресурса. Согласно прототипу в процессе испытаний достигшие предельного состояния радиоэлектронные устройства не заменяют. По окончании испытаний определяют отказавшие радиоэлектронные устройства. Третий отличительный признак заключается в том, что из отказавших радиоэлектронных устройств отбирают по одному из каждой группы, имеющей отказавшие радиоэлектронные устройства. При этом, если общее число отобранных таким образом радиоэлектронных устройств меньше или равно С_р, то результаты испытаний считают положительными, в противном случае - отрицательными.

Суть предлагаемого изобретения основана на физическом принципе (законе) надежности, полученном в работах Н.М.Седякина [11], [12], в которых показано, что при вероятности безотказной работы элемента или системы (далее по тексту элемента) за время (0, t), определяемой выражением:

p ( t ) = e − ∫ 0 t λ ( z ) d z ,                               ( 1 )

мера ресурса, выработанного элементом в интервале времени (0, t), определяется выражением:

r ( t ) = ∫ 0 t λ ( z ) d z .                               ( 2 )

Из выражений (1) и (2) следует, что, если вероятности безотказной работы (1) двух изделий равны, то равны и выработанные ими ресурсы.

Для радиоэлектронных изделий с экспоненциальным законом распределения времени до отказа выражения (1) и (2) принимают вид [13]

p ( t ) = e − λ t ,                         ( 3 )

r ( t ) = λ t .                                 ( 4 )

Суть предлагаемого изобретения базируется на выражениях (3), (4).

Пусть одно радиоэлектронное устройство u₁ с экспоненциальным законом распределения времени до отказа имеет интенсивность отказов λ₁ и вероятность безотказной работы за время t₁

p 1 ( t ) = e − λ 1 t 1 ,                         ( 5 )

и, в соответствии с (4), выработанный ресурс за время t₁

r 1 ( t ) = λ 1 t 1 .                                 ( 6 )

Рассмотрим второе радиоэлектронное устройство u₂ с экспоненциальным законом распределения времени до отказа, которое имеет интенсивность отказов λ₂ и вероятность безотказной работы за время t₂

p 2 ( t ) = e − λ 2 t 2 ,                         ( 7 )

и выработанный ресурс, соответственно

r 2 ( t ) = λ 2 t 2 .                                 ( 8 )

Приравняв вероятности безотказной работы радиоэлектронных устройств u₁ и u₂, и, соответственно, их выработанные ресурсы, получим из выражений (5)-(8)

λ 1 t 1 = λ 2 t 2 .                                       ( 9 )

Введя условие λ₂=кλ₁ (к>0), получим из выражения (9)

t 2 = t 1 /к .                                                                        (10)

Таким образом, увеличивая в «к» раз интенсивность отказов и одновременно сокращая в «к» раз время работы радиоэлектронного устройства, мы оставляем неизменным выработанный ресурс.

Способ осуществляется следующим образом.

В предлагаемом изобретении число n_р радиоэлектронных устройств, необходимое для проведения испытаний, полученное исходя из одноступенчатого метода контроля за заданное время приемочного и браковочного уровней, рисков изготовителя потребителя и приемочного числа, увеличивают в m раз, где m - целое положительное число, большее единицы. Полученное таким образом количество радиоэлектронных устройств разделяют на одинаковые группы по m радиоэлектронных устройств в группе, а время t_иp испытаний принимают равным уменьшенному в m раз заданному значению гамма-процентного ресурса.

При этом вместо каждого из n_р испытуемых радиоэлектронных устройств по прототипу предлагается испытывать m радиоэлектронных устройств. Причем отказ каждой группы из m радиоэлектронных устройств фиксируется при отказе хотя бы одного из входящих в данную группу радиоэлектронных устройств, что в смысле надежности равносильно их последовательному соединению в группе и увеличению интенсивности λ отказов группы радиоэлектронных устройств в m раз по отношению к одному радиоэлектронному устройству.

Учитывая, что испытуемые радиоэлектронные устройства являются радиоэлектронными устройствами с экспоненциальным законом распределения времени до отказа, невосстанавливаемыми, для которых отказ является предельным состоянием, сокращение времени испытаний на гамма-процентный ресурс в m раз по отношению к заданному обосновано выражением (10).

Таким образом, предлагаемое изобретение решает задачу уменьшения времени контрольных испытаний на гамма-процентный ресурс невосстанавливаемых радиоэлектронных устройств с экспоненциальным законом распределения времени до отказа за счет увеличения числа испытуемых радиоэлектронных устройств.

Необходимо заметить, что сокращение времени контрольных испытаний на безотказность путем увеличения числа испытуемых изделий для изделий с экспоненциальным законом распределения времени до отказа известно ([10], п.2.3.2, с.4), однако распространить эту возможность на контрольные испытания на долговечность можно только на основании результатов работ [11], [12], а именно выражений (1), (2).

Пример

Пусть необходимо провести контрольные ресурсные испытания радиоэлектронного устройства, состоящего из последовательно соединенных радиоэлектронных элементов. Каждый радиоэлектронный элемент невосстанавливаемый, и время до отказа каждого элемента подчиняется экспоненциальному закону. Отказ каждого из элементов приводит к отказу радиоэлектронного устройства. Следовательно, время до отказа радиоэлектронного устройства подчиняется экспоненциальному закону ([13], с.134).

Пусть в технических условиях на радиоэлектронное устройство задан гамма-процентный ресурс, равный 50000 ч при γ=90%.

Рассмотрим сначала порядок проведения контрольных испытаний на гамма-процентный ресурс согласно прототипу [10].

Рассчитывают Р_р

Р_р=90/100=0,90

Принимают:

Р_αр=0,95;

Р_βр=0,8.

Риски принимают: α=β=0,2.

Принимают С_р=1.

По таблицам приложения 1 [10] определяют (А_α=95, А_β=0,8 и С_р=1) n_р=12.

Таким образом, согласно [10], ставят на испытания 12 радиоэлектронных устройств. Длительность испытаний должна составлять 50000 часов или 5,7 года.

Радиоэлектронные устройства считают отвечающими заданным требованиям к гамма-процентному ресурсу, если за время испытаний имело место не более одного отказа. Если число отказов более одного - радиоэлектронные устройства считают не отвечающими заданным требованиям к гамма-процентному ресурсу.

Теперь рассмотрим порядок проведения контрольных испытаний на гамма-процентный ресурс согласно предлагаемому изобретению.

Пусть необходимо провести ресурсные испытания радиоэлектронного устройства, состоящего из последовательно соединенных радиоэлектронных элементов. Каждый радиоэлектронный элемент невосстанавливаемый, и время до отказа каждого элемента подчиняется экспоненциальному закону. Отказ каждого из элементов приводит к отказу радиоэлектронного устройства. Следовательно, время до отказа радиоэлектронного устройства подчиняется экспоненциальному закону ([13], с.134).

Пусть в технических условиях на радиоэлектронное устройство задан гамма-процентный ресурс, равный 50000 ч при γ=90%.

Рассчитывают Р_р

Р_р=90/100=0,90

Принимают:

Р_αр=0,95;

Р_βр=0,8.

Риски принимают: α=β=0,2.

Принимают С_р=1.

По таблицам приложения 1 [10] определяют (А_α=95, А_β=0,8 и С_р=1) n_р=12.

Принимают m=5, следовательно, ставят на испытания 5n_р=60 радиоэлектронных устройств.

При этом длительность испытаний составит 10000 часов или 1,14 года.

Если в процессе испытаний число групп, в которых имелись отказы радиоэлектронных устройств, не более одного - радиоэлектронные устройства считают отвечающими заданным требованиям к гамма-процентному ресурсу. Если в процессе испытаний число групп, в которых имелись отказы радиоэлектронных устройств, более одного - радиоэлектронные устройства считаются не отвечающими заданным требованиям к гамма-процентному ресурсу.

Библиография

1. ГЕНЕРАТОРЫ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОСТАТИРОВАННЫЕ ГК54-ТС-К. Дополнение к техническим условиям АДКШ.433530.003 ТУ-Д1 (Взамен АДКШ.433530.003 ТУ-Д1 изм. «7»).

2. ГЕНЕРАТОРЫ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОСТАТИРОВАННЫЕ ГК54-ТС-Д14, ГК-54-ТС-К-Д14. Дополнение к техническим условиям АДКШ.433530.003 ТУ-Д14.

3. Резисторы постоянные непроволочные. Р1-12. Технические условия ШКАБ.434110.002 ТУ.

4. Микросхемы интегральные серии 564 В, Б564 В-4. Технические условия 6КО.347.064 ТУ/02. 1994.

5. ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

6. Резиновский А.Я. Нормирование показателей надежности технических изделий и их оценка по данным эксплуатации. Ордена Ленина Всесоюзное общество «Знание». Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический музей. Государственный комитет СССР по управлению качеством. Союз научных и инженерных Обществ СССР. Качество и надежность изделий №3 (15), с.96.

7. ГОСТ 27.410-87. Надежность в технике. Методы контроля показателей надежности и планы контрольных испытаний на надежность. Москва.

8. ГОСТ 25359-82 Изделия электронной техники. Общие требования по надежности и методы испытаний. Государственный комитет СССР по стандартам. Москва.

9. Боровиков С.М., Цырельчук И.Н., Троян Ф.Д. Расчет показателей надежности радиоэлектронных средств. Под редакцией С.М.Боровикова. Минск БГУИР 2010.

10. ГОСТ 20699-75 Приборы и средства автоматизации ГСП. Надежность, Методы контрольных испытаний.

11. Седякин Н.М. Об одном физическом принципе теории надежности. Известия академии наук СССР. Техническая кибернетика, №3, 1966.

12. Седякин Н.М. Об одном физическом принципе теории надежности и некоторых его приложениях. ЛЕНИНГРАДСКАЯ ВОЕННАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ КРАСНОЗНАМЕННАЯ АКАДЕМИЯ им. А.Ф.Можайского. Ленинград, - 1965.

13. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. Издательство "Наука". М., 1965.

Способ контрольных испытаний на гамма-процентный ресурс невосстанавливаемых радиоэлектронных устройств с экспоненциальным законом распределения времени до отказа, согласно которому испытания проводят одноступенчатым методом с ограниченной продолжительностью испытания и сводят к контролю вероятности ненаступления предельного состояния за заданное время, в качестве предельного состояния принимают отказ радиоэлектронного устройства, выбирают предельную продолжительность t_иp испытания и заданное значение гамма-процентного ресурса, рассчитывают вероятность Р_р ненаступления отказа за время, равное гамма-процентному ресурсу, выбирают или рассчитывают приемочное Р_αр и браковочное Р_βр значения вероятности ненаступления отказа, в зависимости от Р_αр, Р_βр, риска изготовителя и риска потребителя определяют количество n_р радиоэлектронных устройств, необходимое для проведения испытаний, и приемочное число С_р отказов, в процессе испытаний отказавшие радиоэлектронные устройства не заменяют, по окончании испытаний определяют отказавшие радиоэлектронные устройства, отличающийся тем, что число n_р увеличивают в m раз, где m - целое положительное число большее единицы, полученное таким образом количество радиоэлектронных устройств разделяют на одинаковые группы по m радиоэлектронных устройств, t_иp принимают равным уменьшенному в m раз заданному значению гамма-процентного ресурса, из отказавших радиоэлектронных устройств отбирают по одному из каждой группы, имеющей отказавшие радиоэлектронные устройства, при этом, если общее число отобранных таким образом радиоэлектронных устройств меньше или равно С_р, то результаты испытаний считают положительными, в противном случае - отрицательными.