Лекции проф Давыдова УГГИ (lec04 Треб к РЭС по услов ЭКСПЛ)

Посмотреть архив целиком

10



КОНСТРУИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ

Development and creation of geophysical instruments. Conditions of usages

Тема 4: ТРЕБОВАНИЯ К РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЕ

ПО УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Всякое предсказывание зла только тогда доброе дело, когда оно сопровождается советом, как это зло отвести.

Цицерон. Римский политик, философ, писатель. 106-43 до н.э.

Главное зло условий эксплуатации, выводящее из строя любую аппаратуру надежно и надолго – дурак. Но в технических регламентах этот фактор пока отсутствует, а потому и защита от дураков к числу обязательных требований не относится.

Игорь Бреднев. Уральский геофизик. ХХ в.


Содержание:

    1. Условия эксплуатации аппаратуры. Климатические факторы. Механические факторы. Радиационные факторы.

    2. Классификация аппаратуры по условиям эксплуатации. Стационарная РЭА. Транспортируемая РЭА. Портативная РЭА. Значения воздействующих факторов на группы РЭА.

    3. Требования, предъявляемые к конструкции аппаратуры. Тактико-технические требования. Конструктивно-технологические требования. Эксплуатационные требования. Требования по надежности. Экономические требования.

    4. Показатели качества конструкции аппаратуры.

4.1. Условия эксплуатации АППАРАТУРЫ [1, 2]

Условия эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры и измерительно-вычислительных систем, особенно в геологии, имеют различную природу и изменяются в весьма широких пределах. Факторы, воздействующие на приборы и в определенной мере ограничивающие работоспособность аппаратуры, разделяют на климатические, механические и радиационные.

К климатическим факторам относят: изменение температуры и влажности окружающей среды, тепловой удар, атмосферное давление, присутствие агрессивных веществ и озона в окружающей среде, солнечное облучение, грибковые образования (плесень), наличие микроорганизмов, насекомых и грызунов, взрывоопасность и воспламеняемость атмосферы, водные воздействия (дождь, брызги).

К механическим факторам относят вибрацию, механические и акустические удары, линейные ускорения.

К радиационным факторам относят все виды космической, естественной и искусственной радиации.

Эти факторы принято называть дестабилизирующими факторами. Каждый из них может проявлять себя и независимо от остальных, и в совместном действии с другими факторами той или другой группы.

Так как РЭА принадлежит, как правило, к классу человеко-машинных систем, то большое влияние на работоспособность аппаратуры оказывает и субъективный человеческий фактор. Квалификация специалистов сказывается на качестве работы РЭА на всех этапах ее жизненного цикла.

Климатические факторы. 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.

Совокупность воздействующих на конструкцию РЭА кли­матических факторов и их характеристики определяются климатичес­кой зоной, в которой она эксплуатируется. Весь земной шар разделен на семь климатических зон, климат которых определяется как очень холодный, холодный, умеренный, тропически влажный, тропически сухой, умеренно холодный морской и тропический морской.

Очень холодный регион располагается в Антарктиде, средняя мини­мальная температура ниже -60 °С (рекорд -88,3 °С). Особенностью региона является сочетание низких температур с сильным ветром.

В холодную зону включены большая часть России и Канады, Аляска, Гренландия. Средняя минимальная температура здесь достигает -50 °С, го­довой перепад температур достигает 80 °С, средне­суточный до 40 °С. Особенностью этой климатической зоны является высокая прозрачность атмосферы, что благоприятно для ионизации воздуха и, как следствие, накоплению на поверхности аппаратуры статиче­ского электричества. Характерным также является обледенение, иней, ветер со снежной пылью.

В умеренный климатический регион включены часть территории Рос­сии, большая часть Европы, США, прибрежные территории Австралии, Южной Африки и Южной Америки. Для него характерно годовое измене­ние температур от -35 до +35 °С, образование инея, выпадение росы, нали­чие тумана, изменение давления воздуха от 86 до 106 кПа.

Влажная тропическая зона располагается вблизи экватора и включает большую часть Центральной и Южной Америки, среднюю часть Африки, Юг Индии, Индонезию, часть Юго-Восточной Азии. Для этой зоны харак­терны среднегодовые температуры +20...+25 °С с перепадом температуры за сутки не более 10 °С. Высокая влажность и повышенная концентрация солей (особенно вблизи побережья морей и океанов) делает атмосферу этой зоны коррозионно-агрессивной. Благоприятное сочетание температуры и влажности способствует существованию более 10000 видов плесневых грибков.

К зоне с сухим тропическим климатом относят северную часть Афри­ки, центральную Австралию, засушливые районы Средней Азии, Аравий­ский полуостров, часть Северной Америки. Этот регион характеризуется высокими температурами (до +55 °С), низкой влажностью, интенсивным солнечным излучением (до 1500 Вт/м2), высоким содержанием пыли и песка в атмосфере с абразивным и хими­ческим воздействием на аппаратуру.

Умеренно холодная морская зона включает моря, океаны и прибреж­ные территории, расположенные севернее 30° северной широты и южнее 30° южной широты. Остальная часть морей, океанов и прибрежных терри­торий относится к тропически морской зоне. Климат морских зон отличает­ся сравнительно небольшими суточными перепадами температур, наличием высокой влажности и значительной концентрацией хлоридов в атмосфере.

Учитывая специфику каждой из климатических зон, РЭА наземного ба­зирования, предназначенная для работы в тропических зонах, должна быть изготовлена в соответствующем исполнении, что отмечается в документа­ции индексом Т. РЭА, устанавливаемая на судах имеет обозначение ОМ. РЭА, пригодная для эксплуатации на суше и на море, имеет индекс В.

Температурные условия влияют на место уста­новки РЭА, расположение источников внешнего подогрева, выделение тепла активными элементами внутри. Необходимо обеспечивать, чтобы температура нагрева чувстви­тельных к температуре радиоэлементов находилась в допустимых пределах. Кроме того, для многих конструктивных материа­лов характерно теп­ловое старение.

Работоспособность РЭА определяется температурным диапазоном работы, в котором РЭА должна выполнять заданные функции в рабочем состоянии. Для исключения выхода из строя РЭА в процессе хранения и транспортирования в нерабочем состоянии необходимо, чтобы она выдерживала температуры, большие рабочего диапазона. Эти предельные температуры характеризуют тепло- и холодопрочность конструкции РЭА.

Тепловой удар – это резкое изменение температуры окружающей среды, при котором время изменения температуры исчисляется минутами, а ее перепад - десятками градусов. Наиболее сильно тепловой удар проявляется в элементах конструкции, где имеются локальные механические напряжения, способствуя образованию микротрещин.

Влажность - один из наиболее агрессивных воздействующих факторов, проявляющий себя при погружении аппаратуры в воду, воздействии капель дождя и брызг, водяных паров, образовании росы и инея. Адсорбция воды на поверхности элементов РЭА способствует коррозии металлических деталей, старению неметаллов, изменению электроизоляционных характеристик изоляторов. Способность воды смачивать поверхность и проникать в поры материалов и микротрещины увеличивается с по­вышением температуры.

Вода в атмосфере всегда загрязнена активными веще­ствами - углекислыми и сернистыми солями кальция, магния, железа, хло­ристым кальцием, газами - что способствует проявлению кор­розии. Выпадение росы на поверхность аппаратуры происходит при опреде­ленной температуре (точка росы), значение которой зависит от относитель­ной влажности атмосферы:

Относительная влажность, % ……… 100 80 60 40 20

Точка росы, °С ……………………… 15,5 12,1 7,8 2,0 -6,6

Давление воздушной среды и диапазон его изменения зависит от высоты над уровнем моря места, где эксплуатируется РЭА. На высоте 5 км давление воздуха может падать до 40 кПа, при этом ухудшается отвод тепла конвективным теп­лообменом, уменьшается электрическая прочность воздуха, повышается ионизация воздуха и образование химически активных ионов и радикалов. Содержание влаги в атмосфере с ростом высоты уменьшается. Температура в тро­посфере (80 % всей воздушной массы) убывает в среднем на 6 град на каждом километре.

Атмосферная пыль содержит углекислые и сернокислые соли и хлориды, которые, взаимодей­ствуя с влагой, ускоряют процессы коррозии, способствует утечке зарядов и может вызвать пробой между контактами с высоким потенциалом. Стандар­тами определены три уровня концентрации пыли: 0,18; 1,0; 2,0 г/м3.

Грибковые образования (плесень) относят к низшим растениям, не имеющим фотосинтеза. Они выделяют лимонную, уксусную, щавелевую кислоты и другие химические вещества, под действием которых ухудшаются электроизоляционные свойства полимерных материа­лов. Защита от этих образований обязательна для аппаратуры тропической зоны.

Механические факторы. В процессе транспортирования и эксплуатации РЭА подвергается воз­действию вибраций, в основном, от внешних источников колеба­ний. Особо опасны вибрации, частота которых близка к собственным часто­там колебаний узлов и элементов конструкции. Свойство аппаратуры про­тиводействовать их влиянию характеризуется вибропрочностью и вибро­устойчивостью. Виброустойчивость определяет способность РЭА выполнять заданные функции во включенном состоянии в условиях воздействия виб­раций. Вибропрочность характеризует способность противостоять разрушающему воздействию вибрации в не­рабочем состоянии и нормально работать после снятия вибрационных нагрузок. Воздействующие на конструкцию РЭА вибрации характеризуются диапазоном частот и величиной ускорения (в единицах g).

Явление удара в конструкции РЭА возникает при быстрых изменениях ускоре­ния. Удар характеризуется ускорением, длительностью и числом ударных импульсов. Различают удары одиночные и многократные. Линейное ускорение характеризуется ускорением (в единицах g) и длительностью воздействия.

При воздействии вибрации и ударных нагрузок на элементы конст­рукции РЭА в них возникают статические и динамические деформации, так как любой элемент конструкции представляет собой колебательную систе­му, имеющую сосредоточенную и распределенную нагрузку. Ударно-вибрационные нагрузки воздействуют на элементы конструкции РЭА через их точки крепления. Эффективность воздействия определяется также положением элементов относительно его на­правленности. Детали крепления элементов в определенной мере являются демпферами, ослабляющими действие источника вибраций.

Акустический шум от внешних источников характеризуется давлением звука, мощно­стью колебаний источника звука, силой звука, спектром звуковых частот. Акустический шум подвергает механическим нагрузкам практически в равной степени все элемен­ты конструкции. При прочих равных условиях действие акустического шума более разрушительно, чем действие ударно-вибрационных нагрузок.

Все более расширяющиеся сферы применения РЭА ужесточают требования к устойчи­вости их конструкции воздействию механических факторов.

Радиационные факторы. Радиационное воздействие вызывает как немедленную, так и накапли­вающуюся реакцию элементов, составляющих конструкцию РЭА. Среди существующих видов излучений наибольшую опасность представляют элек­тромагнитные излучения и ионизирующие частицы высоких энергий.

Полный спектр электромагнитных излучений охватывает диапазон длин волн от десятков тысяч метров до тысячных долей нанометра. Наибо­лее значимое воздействие на РЭА оказывают гамма- и рентгеновское излучение (длина волн менее 10 нм). Эти виды излучения обладают зна­чительной проникающей и ионизирующей способностью.

Существенное воздействие на конструкцию РЭА могут также оказывать заряжен­ные частицы: альфа, бета и протоны, а также нейтроны, обладающие вы­сокой проникающей способностью.

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 межмо­лекулярных связей, образованию зернистых структур и микротрещин. В ре­зультате полимерные детали теряют эластичность, становятся хрупкими.

Наименее стойкими к облучению являются полупроводниковые приборы и интеграль­ные 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. Их радиационная стойкость составляет 1012...1014 нейтронов/см2 при облучении нейтронами и 104...107 рад при гамма-облучении.

В интегральных микросхемах (МС) при облучении существенно изме­няются характеристики вследствие изменения параметров входящих в них ре­зисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов. Так же изменяются изолирую­щие свойства разделительных p-n-переходов, возрастают токи утечки, появля­ются многочисленные паразитные связи между элементами структуры микросхем, что в результате приводит к нарушению их функционирования.

4.2. КЛАССИФИКАЦИЯ АППАРАТУРЫ ПО УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ [1, 2]

Объекты и методы использования аппаратуры. Характер и интенсивность воздействия внешних дестабилизирующих факторов зависят от методов использования и объекта установки радиоэлектронной аппаратуры. По виду объекта установки РЭА можно разде­лить на три группы: стационарные, транспортируемые и портатив­ные, техническое регламентирование которых приведено на рисунке.

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/м3.

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.

На РЭА, установленную на автомобильном транспорте, могут воздей­ствовать вибрация частотой до 200 Гц и удары, вызванные неровной доро­гой. При движении железнодорожного транспорта возможны внезапные толчки (при маневрировании - удары с ускорением до 40 g). Биение колес о стыки рельсов вы­зывают вибрацию с частотой до 400 Гц при ускорении до 2 g. Особо жест­ким воздействиям подвергается конструкция РЭА, эксплуатируемая на гусе­ничном транспорте. Здесь вследствие «стука» гусениц частота вибраций может доходить до 7000 Гц с амплитудой ±0,025 мм. Кроме того, постоянно воздей­ствие акустического шума.

РЭА в морском исполнении устанавливаются на больших сравнительно тихоходных кораблях и малых быстроходных судах. Характерными усло­виями работы является наличие вибраций, ударных нагрузок и агрессивной (морской) атмосферы. Вибрация на судне вызывается работой винтов, гребного вала, двигателей и гидродинамическими силами при движении судна по неспокойному морю. Диапазон частот вибраций на кораблях обычно не превышает 25 Гц с небольшой амплитудой вибраций.

На самолетах электронная аппаратура на­ходится, как правило, в фюзеляже. При этом на нее воздействуют вибраци­онные нагрузки частотой до 500 Гц с амплитудой до 10 мм и акустический шум, уровень которого достигает 150 дБ при частоте 50... 10000 Гц.

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. Если температура становится меньше -17 °С или выше +43,5 °С, уровень шума достигает 120 дБ, влажность со­ставляет меньше 1 %, а высота над уровнем моря больше 6000 м, то счита­ется, что такие условия превышают физиологические возможности челове­к, но предельные условия для перемещения аппаратуры могут быть много выше. С точки зрения физических возможностей человека портативная аппаратура делится на легкую (до 29 кг для мужчин и до 16 кг для женщин), среднюю (соответственно до 147 кг и 80 кг) и тяжелую (до 390 кг и до 216 кг). На портативную аппаратуру может воздействовать вибрация частотой до 20 Гц с ускорением до 2 g и удары до 10 g при длительности 5... 10 мс.

Различают и специальные виды РЭА, эксплуатируемые, например, в условиях химического производства. Для них характерны сверхбольшие значения одного - трех внешних факторов, на устойчивость к которым и проектируется конструк­ция такой РЭА.

Каждой из групп аппаратуры соответствует совокупность кли­матических и механических факторов, которой она должна соответствовать.

Значения воздействующих факторов на группы РЭА



Внешние факторы

Группа РЭА



1

2

3

4

5

6

7

8

Климатические









Пониженная температура, °С.









предельная 1 степень

-40

-40

-40

-40

-40

5

-40

-60

2 степень

-50

-50

-50

-50

-50

5

-50

-60

рабочая 1 степень

5

-10

-25

-10

-25

5

-10

-40

2 степень

5

-25

-40

-10

-40

5

-25

-50

Повышенная температура, °С.









предельная

55

60

60

60

60

50

60

75

рабочая

40

50

50

50

50

40

50

60

Относительная влажность, % при температуре, °С.

86

93

93

93

93

80

93

98

1 степень

25

25

25

25

25

25

25

25

2 степень

25

40

40

40

40

40

40

25

время выдержки, ч.

48

72

72

72

72

36

72

48

Интенсивность дождя, мм/мин

3

3

3

3

-

3

3

время выдержки, ч.

0,33

0,33

0,33

0,33

-

0.33

0,33

Пониженное давление, кПа

61

61

61

61

61

61

61

61

время выдержки, ч.

2...6

2...6

2...6

2...6

2...6

2…6

2…6

2...6

Поток пыли:









скорость потока, м/с.

10

10

10

-

10

время выдержки, ч.

1

1

1

-

1

Морской туман:









температура, °С.

27

27

27

27

27

-

27

27

содержание воды, г/м3

2...3

2...3

2...3

2...3

2...3

-

2…3

2...3

время выдержки, ч.

24

48

48

48

48

-

48

48

Механические









Вибрация на одной частоте:









частота, Гц

20

20

20

20

20

20

20

20

ускорение, g

2

2

2

2

2

2

2

2

время выдержки, ч.

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

Вибрация в диапазоне частот:









частота, Гц, от 1 до

200

200

300

2500

ускорение, g

10

5

2

1..13

время выдержки, ч.

12

4

12

12

Одиночные удары:









длительность, мс, от 15 до

75

500

40

150

число ударов в 1 мин

15

15

15

15

общее число ударов

60

60

60

60

Удары многократные:









длительность, мс

5-10

5-15

5-15

2-10

число ударов в 1 мин

40-80

40-80

40-80

40-80

ускорение, g

15

15

25

5-15

общее число ударов

12000

12000

12000

6000

Линейная перегрузка, g

10-80

4.3. 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, и ГИП в особенности с учетом условий ее эксплуатации, 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.

Тесная связь предъявляемых к аппаратуре требований приводит к тому, что стремление максимально удовлет­ворить одному из них ведет к необходимости снизить зна­чение других. Так, желание увеличить надежность вве­дением структурной избыточности неизбежно влечет за собой увеличение габаритов, массы, мощности потребления, стои­мости. В данном случае выходом служит дальнейшее повышение степени интеграции микросхем.

Соотношение между различными требо­ваниями может быть установлено исходя из типа, назначения и характера эксплуатации проектируемых изделий.

Для больших универсальных ГИВС наиболее важное тре­бование — обеспечение максимального быстродействия, посколь­ку оно в существенной степени определяет их производи­тельность. Наименее важное требование - обеспечение неболь­ших габаритов и массы.

Для универсальных встраиваемых приборов наиболее важные требования - высокая надежность и малая стоимость в серийном про­изводстве.

Приборы для массового потреб­ления должны, прежде всего, иметь малую стоимость. Дости­жение высокого быстродействия для этого класса приборов - желательное, но не обязательное требование. Обычно стремятся достичь относительного высокого быстродействия, доступного в определенной ценовой категории.

Бортовые изделия должны обладать высокой степенью надежности. При этом стоимость приборов в некоторых случаях не имеет существенного значения.

Применение РЭА в комплексах геофизической техники накладывает на их конструкцию дополнительные жесткие требования. Это связано с тем, что при комплексном использовании успех выполняемой технологической операции в целом, например, каротажа скважины, может зависеть от правильной и безот­казной работы даже одного прибора.

О ремонте какого-либо прибора в составе ГИВС в процессе эксплуатации не может быть и речи. Здесь должна быть обеспечена воз­можность быстрой замены вышедших из строя блоков запас­ными. Поэтому основным требованием к приборам, установленным в ГИВС, является надежность. Не менее важные требования - способность работать практически во всех извест­ных условиях эксплуатации, ремонтоспособность, малые габа­риты, масса, мощность потребления.

4.4. Показатели качества конструкции аппаратуры [1, 2]

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 пара­метры, характеризующие РЭА как объект конструкторско-технологической разработки. К таким показателям следует в первую очередь отнести сле­дующие:

Сложность конструкции ЭА:

C = K1(K2N + K3M), (4.4.1)

где N - число составляющих элементов, М - число соединений; Кi - масштабный и весовые коэффициенты соответственно.

Выражение (4.4.1) 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 =nji, (4.4.2)

где Ny - число устройств в РЭА, Кn - число типов применяемых элементов; nji - число элементов i - типа, входящих в j - устройство.

Объем РЭА:

V = VN + VC + VK + VУТ,

где VN - общий объем интегральных микросхем и электрорадиоэлементов, образующих ПЭА, VC - объем, занимаемый всеми видами соединений, VK - объем несущей конструкции, обеспечивающей прочность и защиту ПЭА при транспортировании и эксплуатации, VУТ - объем теплоотводящего устройства.

Коэффициент интеграции, или коэффициент использования физиче­ского объема

qи = VN/V

характеризует степень использования физического объема РЭА элементами, выполняющими полезную функциональную нагрузку, т. е. непосредственно определяющими электрическую схему РЭА (qи 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 = mN + mC + mК +mУТ.

Общая мощность потребления ЭА:

P =pj,

где pj - мощность потребления j - 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 = sj,

где sj - площадь, требуемая для эксплуатации j - устройства РЭА.

Собственная частота колебаний конструкции (элемента, устройства или всей ЭА):

fo = (1/2),

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 = VoP/сл.

где Vo - 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 Тср - показатели надежности ЭА (будут рассмотрены далее).

Степень унификации РЭА:

Кун = Nун/N,

где N - количество унифицированных элементов, a N - общее количе­ство примененных в РЭА элементов.

Коэффициент автоматизации конструкторских работ:

Ка = Ма/М,

где Ма - 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.


Литература

  1. Ивченко В.Г. Конструирование и технология ЭВМ. Конспект лекций. - /Таганрог: ТГРУ, Кафедра конструирования электронных средств. – 2001. - http://www2.fep.tsure.ru/russian/kes/books/kitevm/lekpart1.doc

  2. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учебник для вузов. – М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 528 с. URL: http://slil.ru/22574041/529407141/Konstruktorsko-tehnologicheskoe_proektirovanie_elektronnoj_apparatury.rar

  3. ГОСТ Р 15.201-2000. Система разработки и постановки продукции на производство. Продукция производственно-технического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство.


Главный сайт автора ~ Лекции по конструированию аппаратуры

О замеченных опечатках, ошибках и предложениях по дополнению: davpro@yandex.ru.

Copyright ©2006 Davydov А.V.




Случайные файлы

Файл
114228.rtf
21787.doc
49067.rtf
18879.rtf
129863.rtf