Answers_for_TCM

31

на ТО и Р приходится на контрольно-диагностические работы, наиболее целесообразно преднамеренное создание отказов и неисправностей.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 9

1.Системный подход к конструированию авиационной приборной аппаратуры

2.Методы испытаний на надежность

1.Системный подход к конструированию авиационной приборной аппаратуры

Метод оптимального решения задачи проектирования системы, основанный на всестороннем целостном ее рассмотрении и изменении в процессе взаимодействия со средой, называется системным подходом. Каждый субъект системы является частью

системы высшего ранга («большой системы»), но в то же время он может быть и большой системой для подсистем низшего ранга.

На рис. 2.1 приведена укрупненная схема структурного представления системы. Все субъекты низшего ранга наследуют системные принципы и конструкторскотехнологические факторы от субъектов высшего ранга.

Представленная схема иллюстрирует основные принципы системности (системного подхода): принцип целостности, принцип структурности, принцип иерархичности и принцип взаимодействия с окружающей средой.

Принцип целостности опирается на определение системы как множества элементов (субъектов), находящихся в отношениях и связях друг с другом для функционирования с определенной целью. Целостность системы определяется как результат взаимодействия элементов целого при зависимости свойств и отношений между элементами от свойств целого. Другими словами, свойства целого наследуются его составными частями – элементами, взаимодействующими между собой и обеспечивающими функциональную и конструктивную законченность для реализации заданной цели.

Принцип структурности означает возможность описания системы (целого) через установление ее структуры, то есть сети связей и отношений системы, отражающих функционирование системы как результат поведения и состояния ее элементов.

Принцип иерархичности означает, что каждый элемент (часть) целой системы, в свою очередь, может рассматриваться как система, а исследуемая система представляет собой элемент системы более высокого уровня.

Принцип взаимодействия системы и среды отражает роль окружающей среды как условия существования и функционирования системы.

Перечисленные системные принципы используются начиная с формирования облика системы (стадия технического предложения) и до детальных разработок технического проекта. Системный подход необходим для решения задач формализации, разработки моделей, оптимизации. Целостное представление системы служит средством формирования области существования вариантов ее реализации. Совокупность функциональных свойств системы, определяемых техническим заданием, передается ее элементам в виде системных принципов построения и взаимодействия. Помимо этого элементы системы наделяются «приобретенными» свойствами целого (системы), получаемыми при проведении анализа путей реализации конструкторскотехнологических, надежностных и других требований. Это свойства надежности, массогабаритные, защиты от внешних воздействующих факторов, технологичности и др.

Принцип иерархичности построения авиационной приборной системы иллюстрируется рис. 2.2, где показан фрагмент системной иерархии летательного аппарата. Здесь уровни иерархии и их звенья (элементы) разбиты по функциональной

32

значимости решаемых задач, обеспечивающих выполнение основной целевой функции летательного аппарата и основных функций подсистем низшего ранга. Каждый уровень иерархии имеет свое обозначение St и группу данных Dl, где

l = 0, 1, 2, 3 ... – уровень иерархии, начиная с нулевого, соответствующего функциям элементной базы приборной аппаратуры. Представленная схема не является функциональной или конструктивной иерархией приборной аппаратуры, которые будут рассмотрены в последующих разделах. Группа данных l-го уровня иерархии состоит из совокупности данных на каждое j-ое звено уровня.

Одной из основных операций системного анализа является определение границ системы и структурных составляющих. Цель, вытекающая из постановки проблемы, дает ориентир для отбора того, что должно войти в систему и что образует окружающую среду. В систему включают конечное число элементов, которые необходимы для выполнения целевой задачи и элементы, необходимые для обеспечения качественного функционирования системы в целом.

Исходя из этого, можно представить границу между разрабатываемой системой и окружающей средой. Например, рассматривая конструкцию бортового приборного оборудования как систему, следует принять, что внешней средой будут с позиции эксплуатации внешние влияющие факторы (механические, климатические и др.), а с позиции изготовления – условия производства (технологические факторы). Следовательно, при определении границ системы необходимо учитывать факторы, воздействующие на нее [2,6,27].

Границы структурных составляющих определяются сложностью системы, функциональными задачами, принципами функционально-модульного подхода к конструированию, а также входами от окружающей среды.

Описанные возможности системного подхода как методологического приема, используемого при проектировании системы, исследовании ее свойств, на этом не исчерпываются. Наряду с проблемами построения системы, определения ее структуры и связей важной является проблема исследования функционирования. В эту область исследования входят такие понятия, как функция, состояние (и его производные – стабильность, устойчивость, равновесие), поведение и управление системой.

2. Методы испытаний на надежность

Испытания на надежность проводятся с целью получения необходимой информации о показателях надежности изделия. Они необходимы, так как на стадии проектирования конструктор не располагает нужными априорными сведениями, которые позволили бы заранее определить показатели надежности будущего изделия с достаточно высокой достоверностью. Однако испытания на надежность часто требуют длительного времени и значительных материальных затрат.

Взависимости от характера требований к надежности сформулированных в ТЗ на вновь разрабатываемые изделия, применяют различные методы проведения испытаний на надежность [24,25,54]. Основными из них являются контрольные и определительные.

Применение этих методов в испытаниях, проводимых в процессе разработки и изготовления показано в табл.3.6.

Взависимости от этапа разработки и стадии освоения в производстве приборное оборудование подвергается различным видам испытаний (табл.3.7). Целесообразность проведения испытаний, отмеченных знаком

“- “ устанавливается разработчиком или заказчиком.

Впрограммы почти всех видов испытаний приборного оборудования включаются испытания на надежность по методике предусмотренной в табл.3.6.

Определительные испытания проводятся с целью нахождения количественных значений показателей надежности испытываемых изделий. Так как получаемая при определительных испытаниях информация является статистической, то получают

33

значения усредненных показателей - средняя наработка, среднее время восстановления и т.д.

Контрольные испытания заключаются в установлении факта нахождения значения показателей надежности испытываемого изделия не ниже (не выше) некоторого установленного значения с определенной (обычно заданной в ТЗ) вероятностью (например, средняя наработка до отказа не меньше 150ч. с вероятностью 0.9). Такая оценка менее информативна по сравнению с оценкой при определительных испытаниях, но требует значительно меньших затрат времени и средств на проведение испытаний.

Определительные испытания в зависимости от плана организации их проведения делятся на следующие основные группы:

NVNиспытания при которых испытывается N изделий без восстановления отказавших в процессе испытаний до отказа всех N изделий, поставленных на испытание (V означает, что в процессе испытаний отказавшие изделия не восстанавливаются);

NVr - испытания при которых испытывается N изделий без восстановления отказавших до

34

Таблица 3.7 Виды испытаний изделий в зависимости от этапа разработки и стадии освоения в производстве

Используя свойство экспоненциального закона распределения (равенство среднеквадратического отклонения среднему времени работы σ (t) = Tср ), имеем

Вероятность возникновения отказа при экспоненциальном законе распределения и продолжительность испытаний связаны между собой следующей зависимостью

t

Q(t) = 1 − e Tср , откуда t = -Tср ln[1 - Q(t)].

Применение восстановления позволяет увеличить информативность испытаний без увеличения числа испытываемых изделий. Для этого используется план NRT или NRr.

Средняя наработка до отказа при испытаниях по плану NRr

где t p∑ - суммарная наработка испытываемых изделий. Если не учитывать время на восстановление, то

Tср = tr × N , r -1

где t r - время фиксации последнего отказа.

Число испытываемых изделий можно определить, используя выражение для определения среднеквадратического значения средней наработки

σ (Tср ) = σ (t) .

N

В целях сокращения временных и материальных затрат в ряде случаев стремятся проводить ускоренные испытания на надежность, которые позволяют оценить требуемые показатели надежности в более короткие сроки. При ускоренных испытания на надежность за время испытаний t И можно получить оценку надежности исследуемого

изделия в течение времени t непосредственного его использования по назначению, где t > t И .

35

В зависимости от способов сокращения времени можно выделить следующие основные направления проведения ускоренных испытаний на надежность:

испытания, при которых режимы работы изделий соответствуют нормальным (эксплуатационным) условиям, а сокращение времени испытаний достигается за счет использования определенных статистических моделей, т.е. за счет более рационального планирования эксперимента (методы последовательных испытаний); форсированные испытания с последующим пересчетом результатов для нормальных условий; сокращение времени испытаний достигается интенсификацией процессов

разрушения, ведущих к быстрому исчерпанию ресурса работоспособности и появлению отказов; комбинированные испытания, при которых используются оба из указанных выше путей.

Ускоренные испытания на надежность являются весьма перспективным направлением развития теории и практики испытаний на надежность. Сложность представляет пересчет форсированных режимов испытаний по отношению к нормальным эксплуатационным режимам и определение коэффициентов ускорения.

36

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 10

1.Структура конструкций приборных систем

2.Методика расчета основных показателей надежности

1.Структура конструкций приборных систем

Любую приборную систему можно изучать с двух позиций: извне и изнутри. Этим подходам соответствует внешняя и внутренняя области проектного задания и, естественно, внешняя и внутренняя области конструкторских решений.

Формально внешнее рассмотрение системы определяет область ее взаимодействия с окружающей средой и в проектном задании выражается исходным множеством целевых задач, формулируемых как требования по назначению ПА.

В соответствии с рассмотренными в разд. 2.2 условиями системности, процесс конструирования внутрисистемной области означает, что в результате должно быть найдено и отражено в конструкторской документации новое структурное образование – конструкция прибора (комплекса), составленное из входящих в него унифицированных и вновь спроектированных (оригинальных) частей, причем это структурное образование должно обладать новыми качествами, не равными сумме свойств входящих в него частей.

Иерархичность системы проявляется в разделении конструкции на структурные уровни, или уровни входимости. Это значит, что высокий уровень структуры конструкции составляется из ее частей, относящихся к более низким уровням, или выражаясь терминами конструкторской документации: составная часть, относящаяся к более низкому уровню входимости, входит в спецификацию части более высокого структурного уровня.

Структурное дробление конструкции дает положительный эффект при разработке, производстве и эксплуатации ПА и преследует три цели:

1) параллельное конструирование составных частей; 2) параллельное изготовление составных частей; 3) повышение ремонтопригодности.

Каждая конструкция ПА в зависимости от назначения имеет свою, присущую ей конкретную структуру. Однако требования стандартизации налагают ограничительные рамки на это разнообразие и на рис. 2.4 представлена типовая обобщенная структура приборной системы. Нулевой структурный уровень составляют: навесные компоненты электронных узлов, микросхемы, электрорадиоизделия (ЭРИ), которые являются исходным функциональным материалом – элементной базой, входящей в перечень элементов принципиальной схемы прибора. В этот структурный уровень входят также изделия электропривода, электротехнические намоточные изделия, элементы автоматики, коммутационные и индикационные изделия, микропроцессорные комплекты, различные микроэлектронные узлы (в том числе микросборки) и детали конструкций различных структурных уровней.

Собственно конструкция прибора начинается с функционального узла. Функциональный узел представляет собой первичное структурное образование и относится к первому структурному уровню [27,41].

Вхождение низших уровней в высшие не обязательно должно осуществляться строго по порядку номеров уровней. Функциональные узлы первого уровня непосредственно входят во второй уровень (блоки), но могут входить в третий уровень (пульты, стойки), как вставной конструктивный элемент, минуя второй уровень. Отдельные ЭРИ и детали из нулевого уровня могут входить во второй и третий, минуя второй (навесные ЭРИ лицевых панелей, соединители, детали конструкций и т.п.).

37

Низшие уровни конструкций (нулевой и первый) наиболее универсальны. Унификация конструкции достигается в основном за счет оптимального конструктивного решения первого структурного уровня.

Высшие структурные уровни конструкции более специализированы, особенно третий, в значительной степени зависящий от специфики назначения и использования изделия.

2. Методика расчета основных показателей надежности

Основной количественной характеристикой безотказности аппаратуры принято считать вероятность безотказной работы на заданном временном интервале, т.е. вероятность того, что наработка до первого отказа превышает заданную величину t . Принимая момент первого включения аппаратуры за начало отсчета, записываем вероятность ее безотказной

работы в виде р(t)=Р(tотк >t), t ³ 0.

Функция р(t) монотонно убывает от единицы до нуля (предполагается, что в момент включения аппаратура работоспособна). Из числовых характеристик случайной величины tотк чаще всего используют математичес-кое ожидание М(tотк), которое обозначают символом Тср и называют средней наработкой до отказа (или средним временем безотказной работы):

∞

Тср=М(tотк)= ∫ р(t)dt.

0

Помимо перечисленных количественных показателей надежности необходимо отметить распространенную функцию λ , называемую интенсивностью отказов. Вероятность безотказной работы и интенсивность отказов связаны взаимно-однозначным соответствием

t

р(t)=exp { −∫ λ(τ )dτ }.

0

Влияние отказа элементов на отказ аппаратуры определяется двумя основными способами соединения элементов с точки зрения надежности: последовательным и параллельным. При последовательном соединении элементов отказ хотя бы одного из них приводит к отказу аппаратуры в целом. Вероятность безотказной работы последовательно соединенных элементов рассчитывается следующим образом:

n

р(t)= ∑ p j (t),

j =1

где pj(t) – вероятность безотказной работы j-го элемента, j=1, n.

Соединение элементов называют параллельным, если отказ аппаратуры происходит тогда и только тогда, когда откажут все элементы. Вероятность безотказной работы в этом случае

n

p(t)=1 −∑[1− pi (t)],

i =1

где рi(t) - вероятность безотказной работы i-го элемента, i=1, m. Параллельные элементы в

системе являются избыточными. Однако система, обладающая избыточностью по сравнению с системой, имеющей минимальную структуру , необходимую для выполнения заданных функций, будет и более надежной. Метод повышения надежности аппаратуры путем введения избыточных элементов называют резервированием.

Вероятность безотказной работы с учетом внезапных и постепенных отказов p(t)=P(tотк>t)P(t1отк>t)P( tгр >tгр=t, угр),

38

где Р(tотк>t) – вероятность безотказной работы по внезапным отказам; Р(t1отк>t) – вероятность безотказной работы по внезапным отказам за счет накапливающихся

необратимых изменений; Р( tгр >tгр=t, yгр) - вероятность безотказной работы по

постепенным отказам за счет достижения параметром

y граничного значения yгр; tгр – время достижения параметром y граничного значения yгр

.

Для расчета надежности по внезапным отказам используется экспоненциальное распределение вероятности безотказной работы (экспоненциальная модель отказов). Определение количественных характеристик надежности по отказам, связанным с постепенными и необратимыми изменениями, осуществляется на основе квазидетерминированной модели необратимых изменений параметров приборной аппаратуры.

При расчете надежности на основе экспоненциальной модели отказов используется функция экспоненциального распределения вероятности безотказной работы

р(t) = e−λt , t > 0, λ > 0.

Экспоненциальный закон определяется одним параметром λ , представляющим постоянную интенсивность отказов. Верно и обратное утверждение: если интенсивность отказов постоянна, то вероятность безотказной работы как функция времени подчиняется экспоненциальному закону. Среднее время безотказной работы в этом случае

т.е. равно величине, обратной интенсивности отказов.

Для экспоненциальной модели может быть определена интенсивность отказов последовательно соединенных элементов

n

λ = ∑λj , где λ j - интенсивность отказов j-го элемента.

j=1

Расчет вероятности безотказной работы по хаотическим внезапным отказам на основе экспоненциальной модели осуществляется в следующей последовательности.

1.Составляется перечень элементов, входящих приборную аппаратуру (j=1, n ).

2.Для каждого элемента по таблице П…. Приложения или по справочной литературе определяется интенсивность отказов в номинальном режиме

λjн ( j = 1, n).

3.Рассчитываются коэффициенты нагрузки для элементов электрической цепи прибора

[ ].

4. По справочной литературе в зависимости от коэффициента нагрузки и значений внешних воздействий определяются поправочные коэффициенты

k jλ и рассчитываются интенсивности отказов элементов с учетом условий их эксплуатации λj =λjнkjλ (j=1, n ).

n

5. Рассчитываются интенсивность отказов λ = ∑λj и вероятность безотказной работы

j=1

39

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 11

1.Выбор направления и метода конструирования

2.Расчет надежности микросборок электронных узлов приборов по внезапным отказам

1.Выбор направления и метода конструирования

Направление конструирования ПА зависит от назначения, объекта установки, требований к габаритам и массе. Выбор направления конструирования осуществляется на основе типа конструктивного исполнения, установленного ТЗ или выбранного по результатам анализа возможных принципиальных решений на основе показателей качества конструкции (см.

разд. 1.4) . Определяющим элементом направления конструирования является тип основного модуля конструкции, то есть конструктив 1-го уровня разукрупнения.

Модульное построение авиационной ПА (АПА) позволяет использовать методы агрегатирования при проектировании комплексов и систем. Использование в разработках стандартных или унифицированных конструктивных модулей дает существенное сокращение сроков, стоимости проектирования и изготовления образцов авиационной ПА.

Модульное направление конструирования АПА реализуется на основе базовых методов модульного конструирования. Выбор метода в значительной степени определяется назначением АПА и объектом установки [2,7,41]. Использование базовых методов конструирования АПА в зависимости от объекта установки иллюстрируется рис.

2.5.

Функционально-модульный метод заключается в создании аппаратуры на основе каталога стандартных по функциям модулей (конструирование на основе стандартизированного параметрического ряда модулей).

Функционально-узловой метод основан на разбиении всей электрической схемы на функционально законченные узлы и использовании унифицированных конструкций 1-го структурного уровня выбранной (или заданной в ТЗ) системы БНК.

При функционально-блочном методе компоновка ПА производится из крупных функционально законченных устройств, в виде блоков преобразования, памяти, питания и др. (моноблочное конструирование на основе унифицированных блоков).

Как видно из рис. 2.5, выбор метода определяется такими факторами, как обслуживаемость оборудования, ремонтопригодность, ограничениями на время восстановления. Использование двух методов конструирования для определенной группы объектов объясняется большим разнообразием видов АПА на объекте, наличием электротехнических, гидравлических и др. устройств, для которых в большей степени рационально применение функционально-блочного метода.

В целом все методы модульного конструирования АПА базируются на общетехническом принципе агрегатирования, который состоит в следующем:

1)системы и другие сложные технические устройства представляют собой агрегат, состоящий из некоторого числа конструктивно самостоятельных устройств (модулей);

2)расчленение на эти устройства (модули) производится так, чтобы каждый из них выполнял определенную функцию, присущую ряду агрегатов и имел конструктивнотехнологическую законченность;

3)виды сопряжений устройств выбираются так, чтобы их можно было собирать в агрегат с заданными технико-эксплуатационными характеристиками;

4)функциональное многообразие агрегатов достигается различным сочетанием устройств (модулей), а также возможностью наращивания структуры агрегатов в процессе их эксплуатации;

40

5)средства одного функционального назначения должны образовывать параметрические ряды.

Основным условием агрегатирования является совместимость агрегатных средств (модулей). Концепция совместимости, включающая требования удовлетворения таким ее видам, как энергетическая (электрическая), электромагнитная, информационная, метрологическая, конструктивная и эксплуатационная, основана на последовательных унификациях и стандартизациях свойств и параметров модулей. Учитывая, что основные конструктивные параметры модулей стандартизованы, при разработке ПА необходимо обеспечить:

1)совместимость разрабатываемого модуля с другими модулями соответствующего конструктивного уровня ПА;

2)функциональную и конструктивную законченность модуля, обеспечивающую гибкость его применения в составе систем;

3)достижение рационально высокого уровня интеграции, как функциональной, так

иэлементной, за счет использования современных средств микроэлектроники и прогрессивных схемотехнических решений;

4)выполнение автоматизированного контроля работоспособности, выявления неисправностей, прогнозирования состояний;

5)достижение конструктивными приемами и средствами конструктивной совместимости, оптимального теплового режима для всех элементов модуля и минимального воздействия тепловыделяющих элементов на окружающие;

6)полную взаимозаменяемость модулей, выполняющих одинаковые функции и имеющих одну маркировку по механическим и электрическим параметрам;

7)высокую эксплуатационную надежность всех модулей и ремонтопригодность обслуживаемой ПА.

2. Расчет надежности микросборок электронных узлов приборов по внезапным

отказам

В основу оценочного расчета надежности корпусированной микросборки по внезапным отказам положены следующие допущения:

показателем надежности микросборки является вероятность безотказной работу P(t); для всех элементов и компонентов микросборки справедлив экспоненциальный закон надежности; установлены элементы (компоненты) отказ которых приводит к отказу микроструктуры в

целом; эти элементы считаются с точки зрения надежности соединенными последовательно, образуя последовательную структурную схему надежности.

Интенсивность отказа микросборки λ мс зависит от интенсивности отказов тонкопленочных элементов λ п л, навесных компонентов λ н ав и соединений lсоед, уровня воздействующих при эксплуатации вибраций и ударов.

λМСБ=КВ(λпл+λнаб+λсоед) ,

где Кв в зависимости от жесткости требований выбирается из диапазона значений от 2 до 3 и характеризует рост интенсивности отказов за счет вибраций и ударов при использовании электронно-приборной аппаратуры на летательном аппарате. Интенсивность отказов тонкопленочных элементов микросборки

lпл = ПТ .lКс . аК + ПС . lс0 . ас, где ПТ, ПС количество тонкопленочных резисторов и конденсаторов; lR0 = 0.1×10-8r-1; lс0 = 0.5×10-8r-1 – средние интенсивности отказов элементов в нормальных (лабораторных) условиях; аr, ас – поправочные коэффициенты, учитывающие влияние температуры окружающей среды на рост интенсивности отказов – табл. 3.9.