ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.05.2019
Просмотров: 648
Скачиваний: 4
Нормальными климатическими условиями являются: температура +25±10 °С,
относительная влажность 45...80 %, атмосферное давление 83-106 кПа (630...800 мм рт. ст.),
отсутствие активных веществ в окружающей атмосфере.
К радиационным факторам относят:
– космическую радиацию,
– ядерную радиацию (от реакторов, атомных двигателей, радиационно-
опасных ситуаций),
– облучение потоком гамма-фотонов, нейтронов, бета- и др. частиц.
Радиационное воздействие вызывает как немедленную, так и накапливающуюся
реакцию элементов, составляющих конструкцию РЭА.
Наиболее устойчивы к воздействию облучения металлы. Наименьшей радиационной
стойкостью обладают магнитные материалы и электротехнические стали. Некоторые металлы,
например марганец, цинк, молибден и др., после облучения нейтронами сами становятся
радиоактивными. Воздействие излучения на полимеры приводит к разрушению межмо-
лекулярных связей, образованию зернистых структур и микротрещин. В результате полимерные
детали теряют эластичность, становятся хрупкими.
Наименее стойкими к облучению являются полупроводниковые приборы и интеграль-
ные микросхемы. Необратимые дефекты в полупроводниках приводят к потере
выпрямительных свойств диодов, транзисторы всех типов при облучении теряют усилительные
свойства, в них возрастают токи утечки, пробивное напряжение снижается.
1.3 Классификация аппаратуры по условиям эксплуатации
По виду объекта установки РЭА можно разделить на три группы: стационарные,
транспортируемые и портативные, техническое регламентирование которых приведено на
рис.1.3.
Рисунок 1.3 – Классификация РЕА по объектам установки и эксплуатации
Стационарная РЭА – это аппаратура, эксплуатируемая в отапливаемых и
неотапливаемых помещениях, помещениях с повышенной влажностью, на открытом воздухе, в
производственных цехах. Условия эксплуатации и транспортирования такой аппаратуры
характеризуются весьма широким диапазоном рабочих (-50...+50 °С) и предельных (-50... +65
°С) температур, влажностью до 90...98 %, вибрацией до 120 Гц при 4...6 g, наличием
многократных (до 5 g) и одиночных (до 75 g) ударов, воздействием дождя до 3 мм/мин и
соляного тумана с дисперсностью капель до 10 мкм и содержанием воды до 3 г/м
3
.
Транспортируемая РЭА – это аппаратура, устанавливаемая и эксплуатируемая на
автомобилях и автоприцепах, железнодорожном и гусеничном транспорте, на судах различных
классов, на борту самолетов и вертолетов. Специфика работы этого вида аппаратуры
предопределяет повышенное воздействие механических факторов. Каждый вид транспорта
имеет собственные вибрационные характеристики. Для предупреждения повреждения
аппаратуры необходимо, чтобы вся она и отдельные ее части имели собственные частоты
колебаний вне диапазона частот вибрации транспортного средства.
Портативная РЭА включает аппаратуру и специализированные вычислители,
находящиеся в распоряжении геолога, геофизика, топографа, строителя, и др. Сюда же можно
отнести и переносную радиоприемную и передающую аппаратуру. Условия работы
портативной РЭА должны соответствовать зоне комфорта человека, которая характеризуется
температурой окружающей среды 18...24 °С, уровнем акустического шума 70...85 дБ,
влажностью 20...90 % и высотой над уровнем моря до 3000 м.
1.4 Требования, предъявляемые к конструкции аппаратуры
Вновь разрабатываемая РЭА должна отвечать тактико-техническим, конструктивно-
технологическим, эксплуатационным, надежностным и экономическим требованиям. Все эти
требования взаимосвязаны, и оптимальное их удовлетворение представляет собой сложную
инженерную задачу.
Тактико-технические требования. Эти требования обычно содержатся в техническом
задании на аппаратуру и включают в себя такие характеристики, как вид измеряемой физической
величины, диапазон измерений, точность измерений, быстродействие, объем памяти для
регистрации данных, точность выполнения вычислительных операций и т. д.
В основном данные требования удовлетворяются на ранних этапах разработки
аппаратуры, когда определяются состав изделия, его структура, математическое обеспечение,
основные требования к отдельным устройствам.
Конструктивно-технологические требования. К этим требованиям относят: обеспечение
функционально-узлового принципа построения конструкции РЭА, технологичность,
минимальную номенклатуру комплектующих изделий, минимальные габариты и массу, меры
защиты от воздействия климатических и механических факторов, ремонтоспособность.
Функционально-узловой принцип конструирования заключается в разбиении
принципиальной схемы изделия на такие функционально законченные узлы, которые могут
быть выполнены в виде идентичных конструктивно-технологических единиц. Применение этого
принципа конструирования позволяет автоматизировать процессы изготовления и контроля
конструктивных единиц, упростить их сборку, наладку и ремонт.
Технологичность конструкции в существенной степени определяется рациональным
выбором ее структуры, которая должна быть разработана с учетом автономного, раздельного
изготовления и наладки основных элементов, узлов, блоков. Конструкция РЭА тем более
технологична, чем меньше доводочных и регулировочных операций приходится выполнять
после окончательной сборки изделий.
Понятие технологичности тесно связано с понятием экономичности воспроизведения в
условиях производства. Наиболее технологичные конструкции, как правило, и наиболее
экономичны не только с точки зрения затрат материальных ресурсов и рабочей силы, но и с
точки зрения сокращения сроков освоения в производстве. Для них обычно характерны
взаимозаменяемость, регулируемость, контролепригодность, инструментальная доступность
элементов и узлов.
В технологичной конструкции должны максимально использоваться унифицированные,
нормализованные и стандартные детали и материалы. Аппаратура считается также более
технологичной, если в ней предусматривается минимальная номенклатура комплектующих
изделий, материалов, полуфабрикатов.
Необходимость разработки для изделий новых материалов с улучшенными свойствами
или новых технологических процессов определяется технико-экономическим эффектом их
использования в данной аппаратуре.
Конструкция РЭА должна иметь минимальные габариты и массу, что особенно важно
для бортовой аппаратуры, где ее объем и масса ограничиваются размерами и мощностью
летательного аппарата, и для переносных (носимых) приборов, предназначенных для
производства измерений в полевых условиях, в шахтах и горных выработках.
В конструкции аппаратуры необходимо предусматривать меры защиты от воздействия
климатических и механических факторов, состав и значение которых определяются объектом,
где будет эксплуатироваться разрабатываемая РЭА.
К числу важных характеристик конструкции РЭА следует также отнести
ремонтоспособность – качество конструкции к восстановлению работоспособности и
поддержанию заданной долговечности. Для повышения ремонтоспособности в конструкции
предусматривают:
а) доступность ко всем конструктивным элементам для осмотра и замены без
предварительного удаления других элементов;
б) наличие контрольных точек для подсоединения измерительной аппаратуры при
настройке и контроле за работой аппаратуры;
в) применение быстросъемных фиксаторов и т. д.
Конструкция аппаратуры тем ремонтоспособнее, чем меньшую конструктивную
единицу она позволяет оперативно заменять.
Эксплуатационные требования. К эксплуатационным требованиям относят: простоту
управления и обслуживания, различные меры сигнализации опасных режимов работы (выход
из строя, обрыв заземления и т. д.), наличие аппаратуры, обеспечивающей профилактический
контроль и наладку конструктивных элементов (стенды, имитаторы сигналов и т. д.). В
последнее время развивается направление построения систем высокой надежности и
живучести, имеющих в своем составе средства самодиагностики и автореконфигурации
системы.
С эксплуатационными требованиями тесно связаны требования обеспечения
нормальной работы оператора. Важна также такая организация органов управления РЭА,
которая бы отвечала современным эргономическим требованиям и требованиям инженерной
психологии.
Требования по надежности. Данные требования включают в себя обеспечение:
1) вероятности безотказной работы,
2) наработки на отказ,
3) среднего времени восстановления работоспособности,
4) долговечности,
5) сохраняемости.
Вероятность безотказной работы есть вероятность того, что в заданном интервале
времени при заданных режимах и условиях работы в аппаратуре не произойдет ни одного отказа.
Наработкой на отказ называют среднюю продолжительность работы аппаратуры между
отказами.
Среднее время восстановления работоспособности определяет среднее время на
обнаружение и устранение одного отказа. Эта характеристика надежности является также
важным эксплуатационным параметром.
Долговечностью прибора называют продолжительность его работы до полного износа с
необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонта. Под полным износом
при этом понимают состояние аппаратуры, не позволяющее ее дальнейшую эксплуатацию.
Сохраняемость аппаратуры – способность сохранять все технические характеристики
после заданного срока хранения и транспортирования в определенных условиях.
Экономические требования. К экономическим требованиям относят:
1) минимально возможные затраты времени, труда и материальных средств на
разработку, изготовление и эксплуатацию изделия;
2) минимальную стоимость аппаратуры после освоения в производстве.
1.5 Показатели качества конструкции аппаратуры
Большое разнообразие РЭА требует от разработчиков знания наборов показателей, по
которым можно сравнивать существующие модели РЭА. Важнейшую роль при этом будут
играть эксплуатационные и экономические показатели. С ними непосредственно связаны пара-
метры, характеризующие РЭА как объект конструкторско-технологической разработки. К таким
показателям следует в первую очередь отнести следующие:
Сложность конструкции ЭА:
C = K
1
(K
2
N + K
3
M), (1.2)
где N – число составляющих элементов, М - число соединений; К
i
- масштабный и весовые
коэффициенты соответственно.
Выражение (1.2) связывает число составляющих РЭА интегральных микросхем,
полупроводниковых приборов, электрорадиоэлементов, элементов коммутации с числом
разъемных и неразъемных соединений между ними, что определяет габариты, массу,
надежность и другие общие параметры РЭА.
Число элементов, образующих ЭА:
N =
Ny
1
j
Kn
1
i
n
ji
, (1.3)
где N
y
– число устройств в РЭА, К
n
– число типов применяемых элементов; n
ji
- число
элементов i-го типа, входящих в j –ое устройство.
Объем РЭА:
V = V
N
+ V
C
+ V
K
+ V
УТ
,
где V
N
– общий объем интегральных микросхем и электрорадиоэлементов, образующих ПЭА,
V
C
– объем, занимаемый всеми видами соединений, V
K
- объем несущей конструкции,
обеспечивающей прочность и защиту ПЭА при транспортировании и эксплуатации, V
УТ
– объем
теплоотводящего устройства.
Коэффициент интеграции, или коэффициент использования физического объема
q
и
= V
N
/V
характеризует степень использования физического объема РЭА элементами, выполняющими
полезную функциональную нагрузку, т. е. непосредственно определяющими электрическую
схему РЭА (q
и
всегда меньше 1 и приближается к ней с использованием больших
интегральных схем).
Общая масса РЭА, определяемая как сумма масс, входящих в состав РЭА устройств:
m = m
N
+ m
C
+ m
К
+m
УТ
.
Общая мощность потребления ЭА:
P =
Ny
1
j
p
j
,
где p
j
– мощность потребления j -го устройства. Для цифровых устройств потребляемая ими
мощность зависит от средней мощности потребления электронных компонентов. Известно, что
80 — 90 % мощности потребления рассеивается в виде теплоты и определяет тепловой режим
РЭА и соответствующие перегревы элементов конструкции.
Общая площадь, занимаемая РЭА:
S =
Ny
1
j
s
j
,
где s
j
– площадь, требуемая для эксплуатации j – устройства РЭА.
Собственная частота колебаний конструкции (элемента, устройства или всей ЭА):
f
o
= (1/2
)
K/m
,
где К - коэффициент жесткости конструкции, m - масса конструкции РЭА.
Степень герметичности конструкции ЭА, определяемая количеством газа, истекшем из
определенного объема конструкции за известный отрезок времени:
D = V
o
P/
сл
.
где V
o
– объем герметизированной части РЭА,
сл
– срок службы РЭА,
P – избыточное давление
газа в конструкции РЭА.
Вероятность безотказной работы РЭА p(t) и средняя наработка на отказ Т
ср
-
показатели надежности ЭА (будут рассмотрены далее).
Степень унификации РЭА:
К
ун
= N
ун
/N,
где N
yн
– количество унифицированных элементов, a N - общее количество примененных в
РЭА элементов.
Коэффициент автоматизации конструкторских работ:
К
а
= М
а
/М,
где М
а
– количество конструкторских работ, выполненных с применением ЭВМ, М –общее
число конструкторских работ при проектировании РЭА.
Важнейшим
параметром,
определяющим
большинство
эксплуатационных,
конструкторских и экономических характеристик разрабатываемой РЭА, является
технологичность, общее понятие о которой будет рассмотрено отдельно.
1.6 Обеспечение надежности электронных средств
Понятие надежности. Один из основных параметров РЭА – надежность, зависит как
от надежности используемой элементной базы, так и от принятых схемотехнических и
конструкторских решений. Учитывая значимость современной аппаратуры в человеческой
деятельности, требования к надежности аппаратуры постоянно повышаются.
Под надежностью понимают свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя
свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка
времени или требуемой наработки при соблюдении режимов эксплуатации, правил
технического обслуживания, хранения и транспортировки. Продолжительность работы РЭА до
предельного состояния, установленного в нормативно-технической документации, называют
ресурсом изделия.
Надежность – это сложное комплексное понятие, с помощью которого оценивают такие
важнейшие характеристики изделий, как работоспособность, долговечность, безотказность,
ремонтопригодность, восстанавливаемость и др.
В любой момент времени РЭА может находиться в исправном или неисправном
состоянии. Если РЭА в данный момент времени удовлетворяет всем требованиям,
установленным как в отношении основных параметров, характеризующих нормальное
выполнение вычислительных процессов (точность, быстродействие и др.), так и в отношении
второстепенных параметров, характеризующих внешний вид и удобство эксплуатации, то такое
состояние называют исправным состоянием.
Неисправное состояние – это состояние РЭА, при котором она в данный момент
времени не удовлетворяет хотя бы одному из этих требований, установленных в отношении как
основных, так и второстепенных параметров.
Не каждая неисправность приводит к невыполнению РЭА заданных функций. Различают
неисправности основные и второстепенные. Второстепенные неисправности называют
дефектами. Например, образование вмятин или ржавчины на корпусе аппаратуры, выход из
строя лампочек подсветки не могут препятствовать эксплуатации РЭА.
Основные эксплуатационные свойства изделий с позиций обеспечения надежной
работы: безотказность, ремонтоспособность, долговечность и сохраняемость.
Наработка – продолжительность (или объем) работы изделия, измеряемая временем,
циклами, периодами и т. п. В процессе эксплуатации или испытания изделия в зависимости от
его назначения различают суточную или месячную наработку, наработку на отказ, среднюю
наработку до первого отказа, гарантийную наработку и т. п. Суточная и месячная наработки
оцениваются временем (циклами, периодами), которое изделие проработало в течение суток или
месяца.
Наработка на отказ - среднее значение наработки ремонтируемого изделия между
отказами. Если наработка выражена в единицах времени, то используют термин среднее время
безотказной работы. Под средней наработкой до первого отказа понимают среднее значение
наработки изделий в партии до первого отказа. Для неремонтируемых изделий этот термин
равнозначен понятию средней наработки до отказа.
Гарантийная наработка представляет собой наработку изделия, до завершения
которой изготовитель гарантирует и обеспечивает выполнение определенных требований к
изделию, при условии соблюдения потребителем правил эксплуатации, в том числе правил
хранения и транспортировки. Срок гарантии устанавливается в технической документации или
договорах между изготовителем и заказчиком.