/
Author: Глудкин О.П.
Tags: электротехника микрорадиоэлектронная аппаратура микроэлектроника электроника радиотехника радиоэлектроника вычислительная техника
ISBN: 5-06-001891-1
Year: 1991
Similar
Text
О. П. Глудкин
МЕТОДЫ
И УСТРОЙСТВА
ИСПЫТАНИЙ
Допущено
Государственным комитетом СССР
по народному образованию
в качестве учебника для студентов
вузов, обучающихся по специальностям
«Конструирование и технология РЭС»,
«Конструирование и технология ЭВС»
МОСКВА
«ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1991
ББК 32.844.1
Г 55
УДК 621.37/39
Рецензенты' кафедра микроэлектроники и технологии ра-
диоаппаратуры Ленинградского электротехнического института
им В И Ульянова-Ленина (зав. кафедрой — д-р техн, наук, проф.
И Г Мироненко); д-р техн наук, проф В Н Брюнин (Межотрас-
левой центр технических средств пропаганды и обучения при ГКНТ
Глудкин О. П.
Г 55 Методы и устройства испытаний РЭС и ЭВС:
Учеб, для вузов. — М.: Высш, шк., 1991. — 336 с.:
ил.
ISBN 5-06-001891-1
Рассмотрены вопросы теории и практики испытаний радиоэлект-
ронных и электронных вычислительных средств, подготовки и мето-
дики проведения испытаний прн воздействии климатических, механи-
ческих, биологических и радиационных факторов Описана автомати-
зированная система испытаний Дан анализ отказов ЭС. Приведены
примеры составления плана контроля надежности ЭС при заданном
и неизвестном законах распределения наработки до отказа, а также
примеры расчета рисков поставщика н заказчика Рассмотрен стати-
стический метод обработки результатов испытаний с использованием
необходимых критериев
2304040000(4309000000)—054 ББК 32.844.1
001(01)-91 6Ф2
Учебное издание
Глудкин Олег Павлович
МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ИСПЫТАНИЙ РЭС И ЭВС
Заведующий редакцией В. И. Трефилов Редактор Е В. Вязова. Младшие
редакторы С. А. Пацева, И. С. Скирдова. Художественный редактор
Т. М Скворцова Технический редактор В М Романова Корректор Г. И Ко-
стрикова
ИБ № 8942
Изд М> ЭР 532 Сдано в набор 28 06 90 Подп в печать 22 09 90 Формат
84ХЮ8'/з2 Бум тип № 2 Гарнитура литературная Печать высокая. Объем
17,64 усл печ л 17,64 усл кр отт 19 8 уч изд л Тираж 12 000 экз.
Зак № 589 Цена 95 коп
Издательство «Высшая школа», 101430, Москва, ГСП 4, Неглиниая ул„ д. 29/14
Владимирская типография Госкомпечати СССР
600000, г Владимир, Октябрьский проспект, д. 7
ISBN 5-06-001891-1
©ОП Глудкии, 1991
ПРЕДИСЛОВИЕ
Трудно назвать такую область народного хозяйства,
прогресс в которой не связан с достижениями в области
радиоэлектронных (РЭС) и электронных вычислитель-
ных средств (ЭВС). В основу функционирования РЭС и
ЭВС положены принципы радиотехники, электроники и
соответственно вычислительной техники, электроники.
Проектирование, конструирование и изготовление РЭС и
ЭВС осуществляют на базе электрорадиоэлементов
(элементов), как дискретных (транзисторы, диоды, ре-
зисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и др.),
так и интегральных схем (ИС). Так как методы и уст-
ройства для испытаний РЭС и ЭВС, как правило, анало-
гичны, то в дальнейшем нами принято общее наимено-
вание указанных средств — электронные средства (ЭС).
Наиболее перспективными в конструктивном и техно-
логическом отношении в настоящее время являются ЭС,
выполняемые на базе ИС и микросборок, соответствую-
щим образом закрепленные и скоммутированные на пе-
чатной плате. Современные ЭС характеризуются широ-
кими функциональными возможностями и высокой
степенью интеграции. Примером могут служить приме-
няемые в современной технике электронные блоки самых
сложных ЭС передачи, приема, хранения, преобразова-
ния и отображения информации, которые представляют
совокупность интегральных схем и функциональных уз-
лов, содержащих десятки и сотни тысяч элементов на
кристалле (пластине) площадью несколько квадратных
миллиметров.
Другим примером могут служить однокристальные
ЭВМ. Качество и надежность таких ЭС определяются
точностью и стабильностью технологического процесса,
которых вряд ли можно достичь без эффективного конт-
роля как в процессе производства ЭС, так и при после-
дующей эксплуатации. Существенную роль при этом от-
водят испытаниям, по результатам которых принимают
3
решения о целесообразности дальнейшего производства
ЭС, совершенствования их конструкции и технологии из-
готовления, уточняют условия эксплуатации. Именно
этим объясняется тот факт, что в большинстве ведущих
зарубежных фирм до 40 % стоимости выпускаемой про-
дукции приходится на долю ее испытаний. Недостаточ-
ное внимание, уделяемое в нашей стране этому вопросу,
послужило причиной введения Государственной прием-
ки, показавшей, в свою очередь, слабую подготовку в
вопросах контроля и испытаний инженерно-технических
работников, занимающихся разработкой и выпуском
продукции, низкое качество контрольно-измерительных
средств и устройств для испытаний, малую эффектив-
ность применяемых методов испытаний.
Одним из путей улучшения создавшегося положения
является подготовка соответствующей учебной литера-
туры. За последние два десятилетия для студентов, обу-
чающихся по специальностям «Конструирование и тех-
нология электронных вычислительных средств» и «Кон-
струирование и технология радиоэлектронных средств»,
было выпущено только два учебных пособия: О. П.Глуд-
кин, В. Н. Черняев «Технология испытаний микроэле-
ментов радиоэлектронной аппаратуры и интегральных
микросхем» (1980); О. П. Глудкин, А. Н. Енгалычев,
А. И. Коробов, Ю. В. Трегубов «Испытания РЭА, ЭВА и
испытательное оборудование» (1987). Наиболее полной
и близкой к учебной программе является также моно-
графия В. Д. Малинского «Контроль и испытания ра-.
диоаппаратуры» (1970). Однако в этих книгах не охва-
чены все современные аспекты испытаний ЭС.
В предлагаемом учебнике автором делается попытка,
используя все положительное из опубликованных учеб-
ных пособий и монографий, статей в журналах и норма-
тивно-технических документов, а также опираясь на
достижения в отечественной и зарубежной практике ис-
пытаний, более полно изложить современные аспекты
испытаний ЭС. Наряду с описанием эффективных мето-
дов испытаний в книге большое внимание уделяется уст-
ройствам для испытаний, позволяющим имитировать
внешние воздействия. Материал излагается так, чтобы
в результате его изучения студент умел правильно вы-
бирать устройства для испытаний, а также устанавли-
вать порядок их проведения для получения максималь-
ной информации о качестве ЭС.
4
В учебнике обосновывается необходимость проведе-
ния испытаний на стадиях исследования и проектирова-
ния изделий с целью повышения качества последних, а
на стадии изготовления — с целью оценки их качества.
Рассматриваются зависимость видов испытаний от
внешних воздействующих факторов, современные физи-
ческие и математические модели испытаний, содержа-
ние программ и методик испытаний, принцип действия
и конструктивные особенности устройств для испыта-
ний. На конкретных примерах показано влияние раз-
личных видов испытаний на свойства материалов, из ко-
торых изготовлены ЭС, на параметры и характеристики
изделий, а также зависимость результатов испытаний от
технических возможностей устройств для испытаний.
Для целенаправленного осмысления изложенного мате-
риала и творческого его усвоения в конце каждой гла-
вы приведены контрольные вопросы.
Учебник будет полезен студентам при выполнении
курсовых и дипломных проектов, изучении смежных дис-
циплин, а также инженерно-техническим работникам,
занимающимся конструированием и производством ЭС.
Автор надеется, что издание данного учебника будет спо-
собствовать подготовке специалистов данного профиля,
а также достижению взаимопонимания между специа-
листами различного профиля, работающими совместно
при проектировании и производстве сложных ЭС.
Большую помощь в улучшении содержания книги ав-
тору оказали рецензенты —• коллектив кафедры «Мик-
роэлектроника и технология радиоаппаратуры» ЛЭТИ
им. В. И. Ульянова-Ленина, возглавляемой д-ром техн,
наук, проф. И. Г. Мироненко, и директор Межотрасле-
вого центра технических средств пропаганды и обучения
при ГКНТ СССР д-р техн, наук, проф. В. Н. Брюнин,
а также научные сотрудники кафедры «Микропроцес-
сорные системы, электроника и электротехника» МАТИ
им. К. Э. Циолковского И. А. Котикова, Н. М. Исаков,
В. В. Смирнов. Автор выражает им свою искреннюю
благодарность. Автор признателен также С. Н. Игнать-
евой и Л. С. Резниковой за помощь в оформлении руко-
писи.
Отзывы и предложения следует направлять по адре-
су: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14, изда-
тельство «Высшая школа».
Автор
ВВЕДЕНИЕ
Контроль как средство повышения качества электрон-
ных средств. Под качеством ЭС понимают совокуп-
ность свойств, определяющих способность изделий удов-
летворять заданным требованиям потребителя. Качество
ЭС обусловливает их конструктивные, технологиче-
ские, экономические, эргономические и другие парамет-
ры. Качество как свойство закладывается в процессе раз-
работки и изготовления ЭС, а объективно оценивается
в процессе эксплуатации. Однако получаемая при этом
информация является, во-первых, недостаточной, по-
скольку не все параметры ЭС, необходимые для оценки
качества, измеряются в условиях эксплуатации, а во-
вторых, — запоздалой, так как на изготовление ЭС уже
затрачены большие средства. Эта проблема усугубляет-
ся по мере дальнейшей микроминиатюризации ЭС, когда
целые блоки выполняются в виде интегральных схем
(ИС), которые являются неремонтопригодными.
Одним из источников оценки качества служат теоре-
тические расчеты. Однако расчетные оценки нуждаются
в экспериментальном подтверждении, поскольку исход-
ные данные и модели являются приближенными. С раз-
витием микроминиатюризации и усложнением ЭС соз-
дание адекватных моделей становится проблематичным.
В этой связи существенный объем информации о качест-
ве ЭС получают путем контроля их параметров и прове-
дения испытаний на всех этапах, начиная с разработки
нормативно-технической документации (НТД) и кончая
анализом рекламаций и заключений потребителя о ка-
честве готовых изделий.
На рис. 1.1 представлена последовательность про-
цесса разработки, производства и эксплуатации ЭС, ко-
торая в общем виде показывает место и значимость
контрольных и испытательных операций в производстве
изделий. Как видно из рис. 1.1, контроль качества ЭС
может осуществляться на этапах: разработки (всестот
6
роннее исследование всех свойств ЭС, определяющих
качество изделий); выполнения технологических опера-
ций при изготовлении ЭС, включая входной контроль
параметров электрорадиоэлементов; испытания готовых
ЭС (аттестация изделий на соответствие требуемому ка-
честву); эксплуатации (проверка соответствия качества
Рис. 1.1. Последовательность процессов разработки произ-
водства и эксплуатации ЭС
ЭС требованиям НТД). Вопрос о проведении анализа и
контроля на том или ином этапе «жизненного» цикла
ЭС (проектирование, постановка на производство, изго-
товление, эксплуатация, ремонт, поставка на экспорт,
импортные закупки и др.) решается в каждом конкрет-
ном случае в зависимости от требований, предъявляе-
мых к ЭС, и возможностей осуществления контроля па-
раметров. Как показывает практика, наибольшее число
7
отказов ЭС происходит в период освоения изделий в
опытном производстве. В серийном производстве и в про-
цессе эксплуатации число отказов резко уменьшается.
Поэтому особое значение приобретает информация, по-
лучаемая в результате контроля и испытаний ЭС на раз-
личных этапах разработки и изготовления по вертика-
ли — от элементов до функционально и конструктивно
более сложных ЭС.
При изготовлении ЭС различают контроль готовых
изделий или полуфабрикатов и контроль технологиче-
ского процесса (ТП) их изготовления. Контроль из-
делий или полуфабрикатов — это совокуп-
ность операций, направленных на выявление дефектных
изделий или полуфабрикатов в процессе их производст-
ва. Под контролем ТП, как'правило, понимают
операционный контроль изделия или процесса во время
выполнения или после завершения технологической опе-
рации.
Испытания как основная форма контроля ЭС пред-
ставляют собой экспериментальное определение при раз-
личных воздействиях количественных и качественных
характеристик изделий при их функционировании. При
этом как сами испытываемые изделия, так и воздейст-
вия могут быть смоделированы. Цели испытаний различ-
ны на различных этапах проектирования и изготовления
ЭС. К основным целям испытания, общим для всех ЭС,
можно отнести: выбор оптимальных конструктивно-тех-
нологических решений при создании новых изделий;
доводку изделий до необходимого уровня качества; объ-
ективную оценку качества изделий при их постановке на
производство, в процессе производства и при техническом
обслуживании; гарантирование качества изделий при
международном товарообмене.
Испытания служат эффективным средством повыше-
ния качества, так как позволяют выявить: недостатки
конструкции и технологии изготовления ЭС, приводя-
щие к срыву выполнения заданных функций в условиях
эксплуатации; отклонения от выбранной конструкции
или принятой технологии, допущенные в производстве;
скрытые случайные дефекты материалов и элементов
конструкции, не поддающиеся обнаружению существую-
щими методами технического контроля; резервы повы-
шения качества и надежности разрабатываемого конст-
руктивно-технологического варианта изделия. По резуль*
8
тэтам испытаний изделий в производстве разработчик
ЭС устанавливает причины снижения качества. Ес- .
ли эти причины установить не удается, совершенствуют
методы и средства контроля изделий и ТП их изготов-
ления.
Для повышения качества выпускаемых ЭС на конеч-
ных операциях ТП их изготовления проводят предвари-
тельные испытания, позволяющие выявить изделия со
скрытыми дефектами. Режимы этих испытаний выбира-
ют такими, чтобы они обеспечивали отказы изделий, со-
держащих скрытые дефекты, и в то же время не выра-
батывали ресурса тех изделий, которые не содержат
дефектов, вызывающих при эксплуатации отказы. Такие
предварительные испытания часто называют техно-
логическими тренировками (термотоковая
тренировка, электротренировка, тренировка термоцик-
лами и др.).
Программа и методы проведения испытаний опреде-
ляются конкретными видом и назначением ЭС, а также
условиями эксплуатации. При испытаниях и оценке их
результатов, предприятия, организации и отдельные
должностные лица выступают как изготовители, испы-
татели, потребители ЭС. Нормальное взаимодействие
между ними возможно только в том случае, если разра-
ботаны: единый технический язык (терминология, клас-
сификация методов и устройств испытаний); форма и
содержание специальных технических документов (стан-
дартов, методик, программ, графиков, заключений, про-
токолов и т.п.); общие требования к методам и устрой-
ствам для испытаний в зависимости от видов испытаний
и ЭС; порядок проведения испытаний, определяемый
соответствующей стадией «жизненного» цикла ЭС; по-
ложения о правах и обязанностях предприятий, подраз-
делений и отдельных должностных лиц при проведении
испытаний.
Все перечисленные организационные требования являются объ-
ектами стандартизации Стандарты и методики, распространяющие-
ся на них, образуют группу основополагающих организационных
нормативно-методических документов Эти документы разрабатыва-
ют прежде всего на общегосударственном межотраслевом уровне,
а затем уже развивают и дополняют на уровне отраслей и в случае
необходимости — на уровне отдельных предприятий. При сущест-
вующей типовой организации и технологии проведения испытаний
стандартизации подлежат: 1) требования к испытаниям продукции;
2) процесс организации испытаний; 3) методы и устройства испыта-
ний; 4) планирование испытаний, что оговаривается в частных и об-
9
щих технических условиях (ЧТУ и ОТУ) на электронные средства
Стандарты технических условий — основной доку-
мент, по которому осуществляют контроль качества выпускаемых
ЭС. На основании этого документа по результатам испытаний при-
нимают решение о пригодности ЭС к поставке и последующему их
использованию, а также решают все спорные вопросы между изго-
товителем и потребителем изделий.
Следует отметить, что повышение эффективности
контроля процесса проектирования и ТП изготовления
изделий приводит к снижению роли испытаний готовой
продукции. Хорошо организованный автоматизированный
контроль ТП производства ЭС позволяет сократить
объем испытаний готовых изделий. Учитывая необходи-
мость оптимизации стоимости ЭС, следует находить ра-
зумный компромисс между объемом испытаний и эффек-
тивностью контроля ТП изготовления изделий.
Глава 1
ФАКТОРЫ, ВОЗДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ЭЛЕКТРОННЫЕ
СРЕДСТВА. ПРОБЛЕМЫ ИСПЫТАНИЙ
§ 1.1. Классификация воздействий и воздействующих
факторов
Современные ЭС, сконструированные на базе ИС и
полупроводниковых приборов, с физико-технологической
точки зрения представляют собой сложные структуры,
состоящие из полупроводниковых, диэлектрических, ме-
таллических и резистивных слоев или пленок, в которых
происходят процессы переноса вещества (диффузия,
электродиффузия), химического взаимодействия раз-
личных материалов между собой и с окружающей сре-
дой (реакции окисления, замещения, восстановления
и др.), изменения кристаллической структуры (кристал-
лизация, рекристаллизация). При этом в деталях _конст-
рукций ЭС протекают процессы теплообмена, образо-
вания магнитных и электрических полей, возникновения
упругих и пластических деформаций и т. п., носящие как
обратимый, так и необратимый характер.
Процессы являются обратимыми, если после снятия влияющих
на изделие воздействий его параметры принимают первоначальные
значения. Если же параметры изделия не принимают первоначаль-
ных значений после снятия воздействий, то это означает, что в его
физической структуре произошли необратимые процессы. В реаль-
ных условиях в ЭС происходят как обратимые, так и необратимые
процессы. Принципиальные и функциональные схемы, конструкция
и технология изготовления ЭС должны обеспечивать такое протека-
ние процессов, при котором изменение параметров изделий в опре-
деленных условиях в течение требуемого времени эксплуатации не
приводило бы ни к временной, ни к полной потере их работоспособ-
ности. При этом следует иметь в виду, что потеря работоспособности
ЭС может наступить как результат нестабильности * либо деграда-
ции ** параметров изделий из-за старения материалов и износа от-
дельных деталей конструкции. Под старением понимают
v * Нестабильность параметров — их обратимое изменение, т. е.
после прекращения воздействия параметры принимают исходные или
близкие им значения.
** Деградация параметров — их необратимое изменение, т.е.
после прекращения воздействия значения параметров отличаются
от исходных.
11
естественный процесс необратимого изменения свойств материалов
в процессе хранения, перевозки н эксплуатации изделий. Износ —
это особый вид разрушения элементов ЭС вследствие их механиче-
ского трения друг о друга или действия электрического тока.
Изменения, происходящие в физической структуре
элементов и деталях конструкций ЭС, зависят от воз-
действий. Природа этих воздействий различна, посколь-
ку различны условия эксплуатации ЭС./В соответствии
с условиями эксплуатации выделяют наземные, корабель-
ные и самолетные, к которым относят и космические ЭС.
'Стабильность (бесперебойность) функционирования ЭС
^связана с их устойчивостью к различным воздействиям.
Классификация воздействий. Все воздействия на ЭС
можно разделить на внешние и внутренние (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Классификация воздействий на ЭС
Внешние воздействия не связаны с режимом эксплуата-
ции ЭС и определяются условиями хранения, транспор-
тировки и эксплуатации изделий. Внешние воздействия
подразделяют на естественные воздействия и воздейст-
вия объекта, в составе которого находятся данные ЭС
(рис. 1.2). Под естественными воздействи-
ями понимают совокупность климатических, биологи-
ческих, космических и механических воздействий,
обусловленных состоянием окружающей среды в месте
нахождения объекта. Подробно они рассмотрены
в§ 1.2—1.4.
Воздействия объекта, на котором установле-
ны ЭС, связаны с его функционированием. К таким воз-
12
действиям относятся климатические, механические, ра-
диационные и др.; электрические и магнитные поля. На-
иболее важными из перечисленных являются механичс-
ческие воздействия, подробно рассмотренные в § 1.5.
Внутренние воздействия определяются режимами ра-
боты ЭС и характеризуются нагрузками, например элек-
трическими и механическими, связанными с функциони-
рованием ЭС. Электрические нагрузки, обусловленные
необходимостью формирования и преобразования элек-
трических сигналов в цепях ЭС, вызывают тепловые,
электрические и электрохимические процессы, приводя-
щие к старению. Механические нагрузки связаны с на-
личием в ЭС соединений материалов с различными тем-
пературными коэффициентами линейного расширения.
В процессе эксплуатации указанные компоненты под-
вергаются износу.
Под условиями эк с п л у а т а ц и и ЭС понима-
ют совокупность внешних и внутренних воздействий, ока-
зывающих влияние на работоспособность изделий.
Рис. 1 3. Классификация воздействующих факторов
Классификация воздействующих факторов. Каждый
вид воздействия характеризуется своим набором факто-
ров. Например, для климатических воздействий это тем-
пература, влажность, давление, скорость ветра и т. д.
Все воздействующие факторы по их происхождению
разделяют на две группы: объективные и субъективные
(рис. 1.3). Объективные факторы характеризуют воздей-
ствие внешних условий, в которых осуществляют хране-
ние, транспортировку и эксплуатацию ЭС. ..Различают -
прямые и косвенные объективные факторы. Первые ха-
13
растеризуют естественные воздействия, вторые — воз-
действия на ЭС объекта.
, Например, поверхность ЭС, соприкасающаяся при быстром
движении с нейтральными частицами, образующимися во время пы-
левых бурь, метелей, плавания в штормовую погоду, полетов в дождь
н снег, электризуется. Нейтральные частицы приобретают положи-
тельный заряд, а ЭС — отрицательный. Возникающий на поверхности
заряд пропорционален кубу скорости относительного движения ча-
стиц и ЭС. При напряженности поля накопленного электрического
заряда 450...600 В/см возникает «коронный» разряд в атмосферу, ко-
торый приводит к искажению электрического сигнала ЭС.
Тепловые воздействия в различных условиях применения ЭС
проявляются ие только как постоянно действующие температуры
(высокие или низкие) либо плавные их изменения, но и как перепа-
ды температур. Резкому перепаду температур подвергаются ЭС,
расположенные на объектах, достаточно быстро перемещающихся по
вертикали (летательные аппараты, батискафы, глубинные буры и др.).
Например, за короткий промежуток времени температура ЭС, уста-
новленных иа самолете вне герметизированного объема, может сни-
жаться от +50 до —40°C (набор высоты), а затем повышаться от
—40 до +100 °C (пикирование). При этом одновременно меняются
влажность и давление. Интенсивность перепада косвенных факторов
зависит от продолжительности набора или сброса высоты, скорости
полета, расположения приборов на объекте. Так, при дозвуковых
скоростях самолета скорость изменения температуры ЭС составляет
5...7 °С/мии, а при сверхзвуковых—20...30 °С/мин. Быстрое измене-
ние температуры возможно также при включении и выключении теп-
ловых источников на объекте или электрических нагрузок самих ЭС
при движении объекта через тепловые зоны или зоны инфракрасно-
го излучения н т. д.
Действие проникающей (ионизирующей) * радиации (излучения)
возможно при использовании ЭС на космических объектах, атомных
электростанциях, а также н зонах, зараженных радиоактивными
веществами. Различают корпускулярную и электромагнитную ионизи-
рующие радиации. Корпускулярная образуется элементарными ча-
стицами— нейтронами, протонами, бета- и альфа-частицами и ос-
колками ядер; электромагнитная — рентгеновским и гамма-излучени-
ем. Для обеспечения работоспособности ЭС в радиоактивных зонах
необходимо учитывать в первую очередь поток нейтронов и гамма-
излучение. Влияние на ЭС радиоактивных излучений подробно рас-
смотрено в § 6.2.
Субъективные факторы характеризуют человеческую
деятельность на этапах проектирования, производства и
эксплуатации ЭС. Результатом воздействия этих факто-
ров являются ошибки проектирования, производства
и эксплуатации, приводящие к дефектам изделий, кото-
рые при воздействии объективных факторов приводят, к
частичной или полной потере работоспособности ЭС.
* Проникающей или ионизирующей радиацией называют излу-
чение, проникающее в толщу вещества и вызывающее его ионизацию.
14
К ошибкам проектирования относятся недостатки электрических
и функциональных схем н конструктивно-технологических решений,
переоценка возможностей операторов, обслуживающих спроектиро-
ванные ЭС, и недостаточно эффективная система контроля работо-
способности изделий. Ошибки производства обусловлены прежде
всего нарушениями ТП, применением некачественных комплектующих
элементов и материалов, отсутствием достаточно жесткого контроля
иа отдельных стадиях производства ЭС. Ошибки эксплуатации свя-
заны в основном с нарушениями обслуживающим персоналом экс-
плуатационных требований, предусмотренных соответствующими
нормативными документами на ЭС.
Влияние объективных и субъективных факторов на
работоспособность ЭС существенно различно. Результат
воздействия объективных факторов зависит от их чис-
ловых значений. Так, физико-химические процессы в
структуре изделия, приводящие к отказам ЭС, протека-
ют, как правило, при повышенных значениях объектив-
ных факторов. Из-за наличия субъективных факторов
снижается устойчивость разрабатываемых изделий к
воздействию объективных факторов, в результате чего
уменьшаются предельно допустимые значения послед-
них, а следовательно, снижаются качество и надеж-
ность ЭС. Негативные последствия влияния субъектив-
ных факторов, как правило, скрыты от разработчиков
и изготовителей конкретных изделий. Для их выявления
на всех этапах «жизненного» цикла ЭС применяют раз-
личные виды контроля и испытаний.
§ 1.2. Климатические воздействия
Климатические воздействия при эксплуатации ЭС
подразделяют на естественные и искусственные. Естест-
венные климатические воздействия определяются погод-
ными условиями, включающими температуру, влаж-
ность, ветер, атмосферное давление и др. Искусственные
климатические воздействия создаются вследствие функ-
ционирования ЭС и расположенных рядом объектов.
Формирование естественных климатических воздей-
ствий. При составлении технических условий на ЭС,
а также программы и методики испытаний естественные
климатические воздействия, обычно называемые клима-
том, учитывают в виде усредненных климатических фак-
торов в тех или иных частях земной поверхности за
продолжительный период времени. Формирование кли-
мата на определенной территории происходит под влия-
нием радиационного процесса, циркуляции атмосферы,
15
влагооборота, определяющих тепловой и водный баланс
поверхности Земли в природной географической среде.
Радиационный процесс характеризуется распределением радиа-
ционного баланса R, учитывающего приход/расход энергии солнеч-
ной радиации. Составными частями радиационного баланса являют-
ся прямая (Q) и рассеянная (q) солнечная радиация, а также эф-
фективное излучение (£) Земли, под которым понимают разность
противоположно направленных потоков излучения земной поверх-
ности и атмосферы. Отношение отраженной энергии солнечной ра-
диации к падающей характеризуется числом а, называемым «аль-
бедо» и выражаемым обычно в процентах. Очевидно, что альбедо
зависит от местных физико-географических условий земной поверх-
ности, т. е. от близости моря, направлений морских течений, горных
хребтов, высоты местности и др.
Уравнение радиационного баланса
/?=((? + ?) (а—1)£.
На основании многочисленных исследований радиационных про-
цессов в отдельных районах Земли разработаны мировые карты со-
ставляющих радиационного баланса. Установлено также, что сум-
марная солнечная радиация при безоблачном небе имеет сравни-
тельно устойчивые среднемесячные суточные значения, которые
определяются в основном широтой местности и временем года
(рнс. 1 4).
Qa/^8 Дж/(смгсут)
90 70 50 30 W 0 10 30 50 70 90 град
Рис. 1.4. Среднемесячные суточные значения сум-
марной солнечной радиации при безоблачном небе
в зависимости ог широты местности и времени года
(I — ХП — месяцы года)
16
\К
Осадки
Он
i j
Рис. 1.5 Внутренний влаго-
оборот на ограниченной тер-
ритории
Суточный ход н часовые суммы солнечной радиации зависят
от места расположения климатической области и характерных для
нее погодных условий. Изменение солнечной радиации оценивается
отношением ее максимального значения к минимальному и выража-
ется в процентах. Наименьшее изменение суточных сумм радиации
наблюдается в пустынных районах Земли, что объясняется малой
облачностью и преобладанием обла-
ков верхнего яруса, незначительно
ослабляющих солнечную радиацию.
Наибольшее различие между макси-
мальным и минимальным значениями
солнечной радиации имеет место в
прибрежных районах умеренных ши-
рот в связи с частой переменой по-
годных условий. Наличие паров во-
ды и пыли в воздухе существенно
уменьшает интенсивность солнечной
радиации
Циркуляция атмосферы — это пе-
ремещение воздушных масс (течений
с различным содержанием теплоты
н влаги), а также изменение их
свойств, сопровождающееся образо-
ванием поверхностей раздела между
разными воздушными массами Ос-
новные причины общей циркуляции
атмосферы — неодинаковое нагрева-
ние Солнцем поверхности Земного шара и вращение Земли. Кроме
того, на общую циркуляцию атмосферы влияет изменение ландшаф-
та поверхности Земли, вызывающее постоянно действующие турбу-
лентные потоки отраженного тепла, которые приводят к изменению
температуры и плотности воздуха в тропосфере.
Влагооборот — это ряд последовательных физических процессов,
происходящих с водой (испарение, конденсация, образование обла-
ков, выпадение осадков), а также перенос влаги. Влагооборот оп-
ределяет континентальность климата н зависит от неравномерности
нагревания Солнцем суши н океана, наличия циркуляции воздуш-
ных масс и изменения ландшафта. Влагооборот между сушей
и океаном называют внешним, а в пределах ограниченной террито-
рии— внутренним. Внутренний влагооборот (рис 1.5) определяется
количеством К внешней влаги, которая частично выпадает на тер-
риторию в виде осадка О, а частично выносится за ее пределы
атмосферным стоком Са. Часть выпавших осадков Ои испаряется,
а часть образует поверхностный сток Сп. При гидрометеорологиче-
ских наблюдениях измеряют количество выпавших осадков и испа-
рившейся влаги. Остальные составные части влагооборота не учи-
тывают.
Одним из основных процессов влагооборота является испарение,
которое зависит от радиационного баланса (энергетических ресур-
сов) и увлажнения поверхности Земли. С увеличением широты ме-
стности и снижением солнечной радиации испарение уменьшается.
Вопросы классификации макроклиматических усло-
вий Земли с точки зрения их влияния на изделия явля-
ются предметом изучения международной технической
2-589
17
климатологии. В основу классификации положены ус-
редненные за много лет значения следующих климати-
ческих факторов: экстремальной (максимальной и ми-
нимальной) температуры за год; максимальной абсо-
лютной влажности воздуха; максимальной температуры
в сочетании с относительной влажностью воздуха, рав-
ной или превышающей 95 %. В табл. 1.1 приведены груп-
пы климатов, определяющие категорию применения эле-
ментов согласно данной классификации. Однако микро-
климатические условия использования элементов в раз-
личных электронных устройствах, комплексах и систе-
мах характеризуются более высокими значениями мак-
симальной температуры, чем приведенные в табл. 1.1.
Климатические факторы, существенно влияющие на
ЭС. На работу современных ЭС значительное влияние
оказывает температурный режим эксплуатаци, важней-
шие показатели которого — абсолютные годовые мини-
мумы и максимумы температуры. Основными фактора-
ми, определяющими изменение температуры, являются
широта местности, степень континентальности и топо-
графические условия. Влияние первых двух факторов
обусловливает плавное и последовательное изменение
температуры. Топографические условия (высота над
уровнем моря и форма рельефа) нарушают этот плав-
ный ход.
Подводя итог рассмотрению естественных климати-
ческих условий, можно сделать вывод, что для различ-
ных зон эксплуатации характерны различные сочетание
и длительность воздействия климатических факторов.
Под влиянием этих факторов в элементах протекают
сложные физико-химические процессы, изменяющие их
свойства и вызывающие отказы ЭС. Поэтому при кон-
струировании ЭС разработчику необходимо располагать
не только допустимыми значениями воздействующих
климатических факторов, при которых гарантируется
надежная работа ЭС, но и наиболее полной информаци-
ей об изменении характеристик элементов при воздей-
ствии этих факторов.
В табл. 1.2 приведены допустимые значения факто-
ров естественных климатических воздействий для кон-
кретных способов монтажа элементов и размещения ЭС
на объекте. Допустимые значения этих факторов зависят
от конструктивного исполнения ЭС, что связано с тем,
что климатические условия, в которых функционирует
18
Таблица 1.1
Группы климатов, значения факторов (усредненные за много лет) естественных климатических воздействий
и категории применения элементов ЭС
Группа климата Минимальная темпе- ратура, °C Максимальная тем- пература, °C Максимальная тем- пература при отно- сительной влажнос- ти, равной нли пре- вышающей 95 %, °C Максимальная аб- солютная влажность воздуха, г-см~3 I Максимальное нзме- нение температуры воздуха за 8 ч, °C 1 Максимальная интег- ральиая плотность потока солнечной радиации, Вг м—2 Максимальная ин- тенсивность дождя, мм мин 1 Категория применения
Теплый умеренный —20 4-35 4-25 22 40 1125 3 Ограниченное
Холодный умеренный, теплый умеренный, теп- лый сухой —33 4-40 4-27 24 40 1125 3 Общее
Все климаты Земли, за исключением экстре- мально холодного и эк- стремально теплого —50 4-40 4-33 36 40 1125 5 Универсальное
Все климаты Земли —65 4-55 4-33 36 40 1125 5 В любой точке земного шара
Допустимые значения факторов естественных климатических
Климат в зоне эксплуатации
Воз де йству ющий фактор умеренный ХОЛОДНЫЙ
! | 2 3 4 1
Температура воз- духа, °C:
максимальная 4-40 +40 +40 +35 +40
минимальная Отн. влажность воздуха (макс, значение) —40 —40 —40 +1 —60
% 100 100 98 80 100
Температура, СС 25 25 25 25 25
Максимальная интегральная плотность пото- ка солнечной ра- диации, Вт-м““- 1125 1125
Максимально возможная тем- пература нагре- ва черной мато- вой поверхно- сти, °C +80 +80
Колебания тем- пературы возду- ха за 8 ч, °C +40 +30 +20 •— +40
Максимальная интенсивность дождя, мм-мнн-”1 3 3
Примечание. 1 — элементы наружного монтажа ЭС. размещаемых
под навесом, и внутреннего монтажа ЭС, размещаемых на открытом возду
рования климатических условий; 4 — элементы ЭС, размещаемых в помете
ЭС, есть совокупность естественных и искусственных
воздействий. Последние же, как правило, определяются
именно конструктивным исполнением ЭС, а следова-
тельно, влиянием этих воздействий можно управлять.
Из-за наличия в конструкции изделий сопряжений
частей из материалов с различными температурными
коэффициентами линейного расширения определенную
опасность для ЭС представляют резкие колебания тем-
пературы окружающей среды. При разности температур
АТ в сопряженных частях конструкции возникают ме-
ханические напряжения y=£(cti—аг) АТ, где Е — модуль
упругости; ai и аг—температурные коэффициенты ли-
нейного расширения материалов сопряженных частей
конструкции изделия.
20
Таблица 1.2
воздействий при эксплуатации элементов ЭС
и категории размещения изделий
тропический
2 3 4 > 2 3 i 4
4-40 -60 +40 -60 +35 +1 +45 — 10 +45 -10 +45 -10 +45 + 1
100 98 80 100 100 98 98
25 25 25 35 35 35 35
— — — 1125 — — —
— — — +90 — — —
+39 +20 — +40 +30 +20 —
— — — 5 — — —
на открытом воздухе; 2 — элементы наружного монтажа ЭС, размещаемых
хе; 3 — элементы ЭС, размещаемых в помещениях без искусственного регули-
ниях с искусственным регулированием климатических условий.
Механические напряжения определяют устойчивость
ЭС к температурным колебаниям. При значениях у,
превышающих допустимые, возможно разрушение кон-
струкции ЭС.
Опыт эксплуатации показывает, что для ЭС особен-
но опасна повышенная влажность окружающей среды.
Это объясняется исключительно агрессивным воздейст-
вием паров воды на большинство используемых в ЭС
материалов, приводящим к изменению их электрофизи-
ческих свойств и механических характеристик. Для за-
щиты от воздействия повышенной влажности элементы
ЭС, как правило, герметизируют, используя органиче-
ские полимерные материалы. Производят покрытие ла-
ками, эмалями, обволакивание компаундами, литьевое
прессование в пластмассу, герметизацию в готовые
21
пластмассовые корпуса и т. д. Однако ни один из спосо-
бов герметизации не обеспечивает идеальной влагозащи-
ты из-за микрополостей в сварных и паяных швах кор-
пусов, а при герметизации полимерными материалами —
из-за способности последних сорбировать и пропускать
пары воды.
§ 1.3. Биологические воздействия
Биологические воздействия, в которых находятся ЭС,
определяются совокупностью воздействующих биологи-
ческих факторов. Биологический фактор (био-
фактор) — это организмы или их сообщества, вызыва-
ющие нарушение работоспособного состояния объекта.
Событие, состоящее в выходе какого-либо параметра ЭС
под действием биофактора за границы, указанные в
НТД, называют биологическим повреждени-
ем (биоповреждением).
Виды биоповреждений. Анализ биоповреждений по-
зволяет выделить четыре их вида (рис. 1.6): 1) механи-
Рвс. 1.6. Классификация биоповреждений
чеекое разрушение при контакте организмов с ЭС; 2)'
ухудшение эксплуатационных параметров; 3) биохими-
ческое разрушение; 4) биокоррозия.
Механическое разрушение ЭС вызывается в основ-
ном макроорганизмами, т. е. организмами, имеющими
размеры, сравнимые с габаритами изделий. Макрораз-
рушение при контакте может произойти в результате
столкновения, прогрызания и уничтожения изделия, на-
22
пример при столкновении птиц с самолетами и антенна-
ми радиолокационных станций, прогрызании материалов
грызунами (крысами, зайцами, белками, слепышами
и др.), а также открыточелюстными насекомыми (глав-
ным образом различными видами термитов и муравьев).
Уничтожение материалов и изделий происходит в основ-
ном в процессе питания организмов.
Ухудшение эксплуатационных параметров ЭС вызы-
вается биозагрязнением, биозасорением и биообрастани-
ем. Биозагрязнением называют выделения организмов
и продукты их жизнедеятельности, воздействие которых
в результате смачивания водой или впитывания влаги
из воздуха приводит к изменению параметров изделий.
Биозасорение ЭС связано с наличием спор грибов и бак-
терий, семян растений, частей мицелия грибов, помета
птиц, выделений организмов, отмирающих организмов.
Обрастание бактериями, грибами, водорослями, губками,
моллюсками и другими организмами поверхностей ЭС
усиливает коррозию металлов.
Биохимическое разрушение — наиболее широко рас-
пространенный вид биоповреждений, но вместе с тем и
наиболее трудно поддающийся изучению, так как вызы-
вается в основном микроорганизмами — любыми
организмами, имеющими микроскопические размеры и
не видимыми невооруженным глазом. Этот вид разруше-
ния разделяют на два подвида: биологическое потребле-
ние материалов в процессе питания микроорганизмов и
химическое воздействие выделяющихся при этом ве-
ществ. Биологическое потребление связано с предвари-
тельным химическим разрушением ферментами исходно-
го материала иногда только одного компонента (обычно
низкомолекулярного соединения, например пластифика-
тора, стабилизатора). Такое разрушение открывает путь
физико-химической коррозии, приводит к ухудшению
термодинамических свойств материала и его механиче-
скому разрушению под действием эксплуатационных на-
грузок. Химическое действие продуктов обмена повыша-
ет агрессивность среды, стимулирует процессы коррозии.
Физико-химическая коррозия на границе материал —
организм обусловлена воздействием амино- и органиче-
ских кислот, а также продуктов гидролиза. В основе
этого вида биоповреждения, называемого биокоррозией,
лежат электрохимические процессы коррозии металлов
под действием микроорганизмов.
23
Характер процессов и механизмов биоповреждений
и их влияние на материалы и изделия тесно связаны с
ростом и размножением организмов, которым необходи-
мо постоянно пополнять энергию от внешних источни-
ков.
Биофактор как источник биоповреждения. Подавля-
ющее большинство (от 50 до 80%) повреждений ЭС
обусловлено воздействием на них микроорганизмов (бак-
терий, плесневых грибов и др.), развитие и жизнедея-
тельность которых определяются внешними воздейству-
ющими факторами: физическими (влажность и темпера-
тура среды, давление, радиация и т.д.), химическими
(состав и реакция среды, ее окислительно-восстанови-
тельные действия), биологическими. Наибольшее влия-
ние на активность микроорганизмов оказывают темпе-
ратура и влажность.
Бактерии — самая многочисленная и распространен-
ная группа микроорганизмов, имеющих одноклеточное
строение. Бактерии быстро размножаются и легко при-
спосабливаются к изменяющимся физическим, химиче-
ским и биологическим условиям среды благодаря тому,
что они могут адаптивно образовывать ферменты, необ-
ходимые для трансформации питательных сред. Одна
из особенностей микроорганизмов — их способность к
спорообразованию. Образование спор у бактерий не свя-
зано с процессом размножения, а служит приспособле-
нием к выживанию в неблагоприятных условиях внеш-
ней среды (недостатке питательных веществ, высушива-
нии, изменении pH среды и т. д.), причем из одной
клетки формируется только одна спора. Размножение
бактерий осуществляется путем деления клеток.
Плесневые грибы, играющие доминирующую роль
среди микроорганизмов, отличаются от бактерий более
сложным строением. Клетки грибов имеют сильно вытя-
нутую форму и напоминают нити — гифы. Гифы ветвят-
ся и переплетаются, образуя мицелий или грибницу. Осо-
бенность грибов — разнообразие способов их размноже-
ния: обрывками мицелия, спорами, оидиями, конидиями.
Оптимальными условиями для развития большинства
плесневых грибов являются высокая влажность (более
85%), температура +20...30°C и неподвижность возду-
ха. Большую роль при заселении материалов бактерия-
ми и грибами играет способность спор адсорбироваться
на гладкой поверхности.
24
Действие микроорганизмов на материалы и элементы ЭС объяс-
няется тем, что благодаря микроскопическим размерам гифы и спо-
ры проникают в углубления и трещины материала, прорастают
в них, образуя мицелий, который, быстро распространяясь по суб-
страту, вызывает изменение массы, водопоглощения и степени гид-
рофобности. Обрастание микроорганизмами зависит от химического
состава и строения материала, микрофлоры окружающей среды,
наличия загрязнений (органических и неорганических) в воздухе,
климатических условий и избирательности действия сообществ ор-
ганизмов. В первую очередь грибы поражают материалы, содержа-
щие питательные для них вещества. Это ткани из натуральных во-
локон, белковые клеи, углеводороды, пластмассы, краски, остатки
флюсов, растворителей и др. Используя эти материалы в качестве
источников углерода и энергии, грибы приводят их в негодность.
Однако порче подвергаются и материалы, не содержащие никаких
питательных веществ, например разрастание мицелия на поверхно-
сти оптического стекла. После удаления грибного налета на стекле
остаются следы, напоминающие мицелий, — «рисунок травления».
Это следствие разрушения стекла продуктами метаболизма, из ко-
торых наиболее агрессивными являются органические кислоты (ли-
монная, уксусная, щавелевая, винная, яблочная и др.).
Органические кислоты и другие метаболиты, обладая высокой
проводимостью, могут быть основной причиной снижения удельных
поверхностного и объемного сопротивлений материалов, напряжения
пробоя, увеличения тангенса угла диэлектрических потерь, разру-
шения лакокрасочных покрытий. Эти кислоты, как отмечалось, сти-
мулируют коррозию металлов, которая наносит не меньший вред,
чем бактерии.
Под влиянием плесени значительно возрастает интенсивность
старения пластмасс, а прочность некоторых стеклопластиков снижа-
ется на 20...30 %. Развитие плесневых грибов на электроизоляцион-
ных материалах ухудшает их диэлектрические свойства. Образование
плесени на поверхностях печатных плат вследствие высокого со-
держания влаги в клетках грибов (до 90%) приводит к коротким
замыканиям между токоведущими частями.
Исследования в электронной промышленности показали, что
45 % готовых ИС содержат споры плесневых грибов 19 видов. Ис-
точниками их являются руки рабочих, технологические среды и воз-
дух в помещениях. Зарастание ИС колониями «черной плесени» да-
ет 40,7 % брака. Применение горячих операций на начальных ста-
диях технологического процесса значительно снижает число
колоний Благоприятное действие оказывает и аэрация воздуха в про-
изводственных помещениях.
Среди насекомых наибольший вред причиняют терми-
ты — «белые муравьи», которые повреждают материа-
лы и изделия, расположенные на пути к пище, месту
окукливания и строительства гнезд. Наличие щелей,
углублений и других укрытий может привлекать насе-
комых. Шероховатая поверхность удобна для их пере-
движения. На холодные предметы насекомые не садят-
ся, а теплые их привлекают. Термиты сначала выгрыза-
25
ют в материале небольшие полости, затем их обживают,
вызывая биозасорение и биозагрязнение изделий.
Разрушениям подвергаются прежде всего целлюло-
зосодержащие (дерево, картон, бумага) и мягкие син-
тетические материалы и изделия из пенополиуретана,
губчатого полиэтилена, пенополистирола, фенопластов
с целлюлозными наполнителями, поливинилхлоридных
трубок, резины на основе натурального каучука, стекло-
пластика на основе ЭДМ-2-2, стеклоткани, пропитанной
клеем БФ-2, и т.д. Большие скопления насекомых часто
служат причиной коротких замыканий и прочих нару-
шений работы ЭС.
Среди других видов насекомых наиболее опасны моль
(повреждает натуральные и искусственные ткани), жуки-
кожееды (разрушают кабели и покрытия),муравьи (за-
соряют и загрязняют изделия).
Грызуны наносят в основном механические повреж-
дения, вызывающие обрывы, замыкания и нарушения
герметизации. В СССР известно около 140 видов грызу-
нов, из которых наибольший вред причиняют серая,
черная, пластинчатозубая и туркестанская крысы, до-
мовая, полевая, лесная и азиатская мыши, белки, боб-
ры, ондатры, кроты, слепыши, зайцы. Грызуны повреж-
дают различные приборы, тару и упаковку, теплоизоля-
ционные материалы, резино-технические изделия, плен-
ки, кабель и т.д. Помимо прямого уничтожения сырья,
материалов, изделий грызуны загрязняют их экскремен-
тами, шерстью.
§ 1.4. Космические воздействия
Космические воздействия при эксплуатации ЭС ха-
рактеризуются совокупностью следующих факторов:
электромагнитных и корпускулярных излучений, глубо-
кого вакуума, лучистых тепловых потоков, невесомости,
метеорных частиц, магнитных и гравитационных полей
планет и звезд и др. При изучении этих факторов выде-
ляют три среды: межзвездную, межпланетную, атмос-
феру планет и их спутников. Межзвездная среда состо-
ит из межзвездного газа и мельчайших твердых частиц,
пыли, заполняющих пространство между звездами в
галактиках. Газ почти равномерно перемешан с пылью.
Межзвездная среда вблизи Солнца переходит в меж-
26
планетную среду, которая заполняет пространство меж-
ду планетами Солнечной системы. Межпланетная среда
состоит из расширяющегося вещества солнечной коро-
ны — ионизированных атомов водорода (около 90%)
и атомов гелия (около 9 %).
Наибольший интерес для нас представляет атмосфе-
ра Земли, главным образом ее внешняя часть — экзо-
сфера. Изменение параметров атмосферы Земли с высо-
той иллюстрирует табл. 1.3.
Таблица 1.3
Изменение параметров атмосферы Земли с высотой
Высота, км Давление, Па Плотность, г/см3 Темпе- рату- ра, К Концентра- ция частиц, см-3 Характе- ристика вакуума
Уровень моря 1,33-105 1,2-10-3 293 2,7-Ю19 —
2- 10а 8,5-105 з- ю-13 1200 7-109 Глубокий
3- 10а 1 -10—6 2,5- IO-14 1500 8-Ю8
5-103 4-10—7 3-Ю-16 1600 2,5-10’
1-Ю3 4-10-9 1,5-IO-18 1600 1,5-Ю5 Очень
2-Ю3 8-Ю-10 2-Ю-19 1800 2-Ю4 глубокий
3-103 5.10-ю 1-10-ю 2000 1-Ю4
5-103 4-Ю-10 4-10~20 3000 4-Ю3
10-103 2,5-10-ю 110-ю 15 000 1-103 Сверх-
20-103 1-10-ю 2-10—21 50 000 1 • 10а глубокий
30-103 2,5-Ю-11 6- 10-22 1-Ю5 10
60U03 1,5-Ю-11 2,5-10-22 2- 10s 3—4
Температура характеризует лишь кинетическую энер-
гию частиц газа, которая не оказывает прямого влияния
на температуру открытых поверхностей ЭС, установлен»
ных на космических объектах, в силу большой разрежен-
ности среды.
Космические излучения в околоземном пространстве.
Условия эксплуатации ЭС в космосе характеризуются
воздействием на изделия корпускулярных излучений.
Поток элементарных частиц высокой энергии, преимуще-
ственно протонов, а также ядер гелия (а-частиц) и ядер
более тяжелых элементов приходит на Землю изотроп-
но из удаленных областей Галактики. Это первичные
космические лучи. Взаимодействуя с атомными ядрами
воздуха, они рождают в атмосфере Земли вторичное
27
излучение, которое включает практически все известные
элементарные частицы.
В первичных космических лучах различают галакти-
ческие лучи, приходящие извне Солнечной системы, и
солнечные лучи, связанные с активностью Солнца. Пер-
вые характеризуются очень большой энергией частиц
(до 1021 эВ), но низкой плотностью потоков частиц (1...
2 см^-с”1). Солнечные космические лучи испускаются
Солнцем только во время хромосферных вспышек, в то
время как радиальный поток плазмы солнечной короны
(солнечный ветер) присутствует в межпланетном прост-
ранстве постоянно. Энергия частиц солнечных космиче-
ских лучей (^1010 эВ) во много раз превышает энергию
солнечного ветра.
В 1958 г. были открыты радиационные пояса Земли,
которые представляют собой относительно стабильные
гигантские области скопления заряженных частиц
(электронов, протонов, а-частиц и ядер более тяжелых
химических элементов) высоких кинетических энер-
гий, захваченные и удерживаемые магнитным полем
Земли Радиационные пояса Земли имеют сложную
структуру (рис. 1.7). Обычно выделяют внутренний (от-
крыт американскими учеными Дж. Ван Алленом и др.) и
Солнечный
Рис. 1 7 Структура радиационных поясов Земли (сечение со-
ответствует полуденному меридиану) •
I — внутренний пояс, II —пояс протонов малых энергий, III—внеш-
ний пояс, IV—зона квазизахвата, и S-—магнитные полюсы Земли;
R — радиус Земли
28
рис. 1 8 Зависимость плотности q>
корпускулярных потоков от энергии
Е частиц в околоземном и межпла-
нетном пространствах
1 — молекулы, атомы н ноны Ог, N2, Не,
Н2. СО2 верхних слоев атмосферы Земли
и атмосфер других планет, 2 — протоны
солнечного ветра; 3 — электроны зон по-
лярных сияний, 4 — электроны радиаци-
онных поясов Земли, 5 — протоны в зо
нах полярных сияний, 6 — протоны радиа-
ционных поясов Земли, 7 — протоны сол
печных вспышек; 8 — космические лучи
галактического происхождения
внешний (открыт советскими
учеными С. Н. Верновым, А. Е.
Чудаковым и др.) радиацион-
ные пояса, пояс протонов ма-
лых энергий и зону квазиза-
хвата частиц. Внутренний пояс
характеризуется наличием про-
тонов высоких энергий (20...
800 МэВ). В этом поясе имеются также электроны с
энергиями 20 кэВ...1 МэВ. Во внешнем радиационном
поясе присутствуют электроны с энергиями 40 ..100 кэВ,
а в периоды повышенной солнечной активности в нем по-
являются электроны больших энергий (1 МэВ и более).
Пояс протонов малых энергий содержит протоны энер-
гий около 0,03... 10 МэВ. Зона квазизахвата расположена
за внешним поясом. Она имеет сложную пространствен-
ную структуру, обусловленную деформацией магнито-
сферы солнечным ветром. Основными частицами в зоне
квазизахвата являются электроны и протоны с энергия-
ми менее 100 кэВ.
Рассмотренные радиационные пояса Земли относят-
ся к естественным. Наряду с ними существуют и искус-
ственные радиационные пояса, которые образуются в
результате ядерных взрывов в верхних слоях атмосфе-
ры и состоят в основном из электронов. Источником
электронов является ₽-распад осколков деления ядер.
В зависимости от места, характера и мощности взрыва
искусственные радиационные пояса имеют различные
пространственное расположение, интенсивность и время
существования.
На рис. 1.8 изображены зависимости плотностей <j>
корпускулярных потоков от энергии Е частиц в около-
земном и межпланетном пространствах; в табл. 1.4 при-
29
Таблица 1.4
Характеристики корпускулярных излучений
Основная зона радиации Тип частиц Энергия частиц, кэВ Максимально наблюдаемые плотности потоков частиц, см-2 с-1
Протоносфера Земли р 10» :
Электроносфера Земли е -1 10»
Внутренний радиацион- р >100 10’
ный пояс Земли >30-103 10’
>40-10» 104
Внешний радиационный е >100 10’
пояс Земли >600 10’
>1500 10’
Искусственный раДиа- е >40 10»
ционный пояс Земли >10’ 10»
>5 № 10’
Потоки частиц, вызы- е 1...10 10”... 10”
вающие полярные сия- р 100 10’
НИЯ
Космические лучи сол- р >5-103 10s...10’
нечного происхождения а >5-103 104...10»
Сотнечный ветер р — 1,5 3-10’
(спокойное Солнце) а —5 5-10’
Солнечный ветер р 5...10 10”... 10”
(вспышки) а 5...20 10»... 10”
Корпускулярные излу- р 10’... 10” 3-104
чения галактического а 10’... 10” 3-10»
происхождения Легкие ядра 10’... 10” 50
(Z=3...5)
Средние ядра 10’. ..10” 200
(Z=6...9)
Тяжелые ядра 10’... 10” 40
(Z==10—30)
Примечание: р —протоны; е — электроны, а — ядра гелия (а части-
цы); Z — порядковый номер элемента в Периодической системе элементов.
ведены характеристики корпускулярных излучений, воз-
действующих на ЭС в космических условиях.
Ионизирующее излучение (нейтроны, протоны, элект-
роны, у-лучи и др.) вызывает дефекты, связанные с из-
менением структуры и ионизацией атомов облучаемого
материала. Взаимодействие излучения с веществом ил-
люстрирует рис. 1.9. Влияние проникающей радиации на
параметры ЭС рассмотрено в § 6.2.
30
Метеорные частицы заполняют как межзвездную, так
и межпланетную среду. Скорость метеоров относитель-
но Земли составляет 12...72 км/с, относительно Солнца
она не превышает 30...40 км/с. Кинетическая, энергия
метеорных тел много больше энергии, необходимой для
Ионизирующее излучение . Механизм взаимодействия
Рис. 1 9 Взаимодействие космического излучения с веществом
их полного испарения. Основные характеристики мете-
орных частиц приведены в табл. 1.5. Плотность потока
метеорных частиц быстро убывает с увеличением их мас-
сы. Для микрометеоров, поперечные размеры которых
составляют десятые доли микрометра, а масса — около
10~13 г, плотность потока близка 10-2 м~2-с-1. Для ча-
стиц размером в десятые доли миллиметра плотность
потока уменьшается на 6...7 порядков. Поэтому вероят-
ность столкновения космического аппарата с крупными
метеорами весьма мала.
Термовакуумные факторы космического простран-
ства. Как уже отмечалось, к факторам космического
пространства наряду с космическими ионизирующими из-
лучениями относятся глубокий вакуум, лучистые тепло-
вые потоки и невесомость. Эти факторы связаны с на-
рушением теплообмена в изделиях и специфическим
воздействием вакуума. Их называют термовакуумными.
31
Таблица 1.5
Характеристики метеорных частиц
Масса, г Радиус, мкм Скорость, км/ч Кинетичес- кая энергия, Дж Толщина пробиваемого алюминиево- го листа, мм
25 49 200 28 1-10’ 213
1,95 36 200 28 3,98-10в 157
1,58 19 600 28 6,31-108 84,8
0,25 10 600 28 1-10? 45,9
1,58-10-2 4220 28 5,87-103 17,9
2,5-Ю—з 2290 26 7,97-10? 9,17
3,58-10—4 910 23 38,9 3,35
9,95-10—6 362 20 1,83 1,21
3,96-10-8 57,4 15 4,55-Ю-з 0,164
6,28-10—11 2,51 15 7,21-Ю-з 0,0191
Глубокий вакуум характеризуется крайне низкими
концентрациями частиц, плотностью и давлением. На
высоте более 10 тыс. км атмосферное давление в косми-
ческом пространстве составляет 10-11 Па. Однако значе-
ния факторов открытого космоса не характеризуют
условия работы ЭС. На поверхности космического аппара-
та и в его отсеках, а также в негерметизированных бло-
ках ЭС за счет испарения материалов конструкций дав-
ление существенно выше (порядка 10~7...10~2 Па).
Таким образом, ЭС (и в первую очередь их элементы),
размещенные в негерметизированных отсеках космиче-
ского аппарата, работают при давлении не ниже 10~7 Па,
т. е. в условиях глубокого вакуума (см. табл. 1.3).
Тепловое воздействие вакуума проявляется в снижении тепло-
отвода от энерговыделяющих изделий из-за отсутствия конвективно-
го теплообмена и резкого падения теплопроводности газа. Передача
теплоты осуществляется только путем лучистого обмена и контакт-
ным способом. Ухудшение теплоотвода от изделий в глубоком ва-
кууме вызывает перегрев и выход из строя ЭС. Поэтому для изде-
лий, работающих при больших удельных мощностях рассеяния, воз-
никает проблема существенного снижения допустимой электрической
Нагрузки относительно номинального значения.
Одним из основных проявлений воздействия глубокого вакуума
на материалы является сублимация —потеря массы материалов и ок-
сидных пленок из-за испарения. Особую опасность сублимация пред-
ставляет для элементов и частей ЭС, имеющих незащищенные ме-
таллы с высоким давлением паров (кадмий, магний, цинк и др.).
В результате сублимации и осаждения испаряющихся частиц метал-
ла на более холодные поверхности может возникнуть шунтирование
32
участков поверхности окружающего диэлектрика вплоть до замыка-
ния накоротко отдельных токоведущих частей. Сублимация поверх-
ностных слоев металлов приводит к изменению их прочности, уста-
лостных характеристик, пластичности. Поверхностные трещины как
результат сублимации границ зерен и различных скоростей субли-
мации зерен микроструктуры могут уменьшить оптические отража-
тельную и поглотительную способности материала, изменив тем са-
мым условия теплопередачи через излучения. Скорость сублимации
(испарения) металлов и большинства неорганических соединений
описывается уравнением Лэнгмюра
G= (А/17,14) (т/Т)1''2,
где k—равновесная упругость пара при данной температуре; т~
масса материала; Т — абсолютная температура.
Уменьшение массы органических материалов (полимеров) свя-
зано в основном с диффузией легколетучих компонентов и деструк-
цией длипноцепочных полимеров на более короткие и подвижные
фракции Состав, молекулярная масса фракций и давление, при ко-
тором происходит деструкция, неизвестны. Поэтому теряемая масса
органических материалов в глубоком вакууме определяется экспери-
ментально.
Газовыделение из материалов и потеря легколетучих компонен-
тов при длительном пребывании материалов в вакууме приводят
к изменению параметров, что связано с изменением электрических
н теплофизических свойств (электропроводности, теплопроводности
н др). Вследствие удаления защитных газовых и оксидных пленок,
размеры которых соизмеримы с длиной световых волн, изменяются
излучательная способность и оптические свойства материалов в ус-
ловиях глубокого вакуума. Для создания мономолекулярного ад-
сорбированного газового слоя на поверхности твердого тела, од-
нажды очищенной в глубоком вакууме, требуется несколько тысяч
лет. Это означает, что такие поверхности сохраняются чистыми в те-
чение длительного времени. Контактирование очищенных поверхно-
стей характеризуется максимальной адгезией, а при больших пла-
стических деформациях может происходить «холодная» сварка по-
верхностей, причем прочность соединения достигает 90 % прочности
материалов
При контактировании твердых неметаллических материалов на-
блюдается также увеличение коэффициента трения. Так, у графита
он возрастает в вакууме в 10 раз, а износ в вакууме возрастает еще
более интенсивно — в 1000 раз Увеличение коэффициента трения
и наличие холодной сварки необходимо учитывать при конструиро-
вании элементов ЭС, предназначенных для работы в глубоком ва-
кууме.
В процессе изменения давления от нормального атмосферного до
глубокого вакуума между электродами изделий, находящихся под
напряжением 100 В и более, могут наблюдаться электрический про-
бой, коронный и тлеющий разряды, что приводит к нарушению ра-
ботоспособности ЭС. Наиболее опасной с точки зрения проявления
этих эффектов является область давлений 10-4...10~1 Па
Основным источником лучистых тепловых потоков
в космическом пространстве служит Солнце. На каждый
квадратный метр обращенной к Солнцу поверхности
3—589 33
космического аппарата в окрестности Земли ежесекунд-
но поступает около 1400 Дж энергии, переносимой сол-
нечным электромагнитным излучением. Энергия в спект-
ре излучения распределяется следующим образом: 9 %
приходится на ультрафиолетовое излучение; 46,1 — на
видимое излучение; 44,4 % — на инфракрасное; осталь-
ное — на рентгеновское и корпускулярное излучения.
В инфракрасном и видимом диапазонах энергия отдель-
ных квантов слишком мала, чтобы излучение могло
оказывать физико-химическое воздействие на вещество.
Инфракрасные лучи переносят тепловую энергию, вызы-
вая нагрев элементов и материалов открытых ЭС. При
уменьшении длины волны к энергия квантов излучения
возрастает и может стать достаточной для разрыва мо-
лекулярных связей или появления радиационных дефек-
тов в веществах.
Под действием ультрафиолетового излучения могут меняться
свойства оптических материалов и терморегулирующих покрытий,
красителей и органических материалов, поверхностная электропро-
водность и т. д. Однако с уменьшение1М длины волны Л резко пада-
ет интенсивность излучения. Поэтому ультрафиолетовое излучение
проникает в- большинство материалов на глубину несколько микро-
метров и все повреждения происходит лишь в поверхностном слое.
Земля, как и другие планеты, посылает на поверх-
ность космического объекта длинноволновое излуче-
ние — тепловой поток, который складывается из отра-
женного облаками, атмосферой и поверхностью Земли
солнечного излучения, а также собственного теплового
излучения. На низких орбитах плотность теплового по-
тока может достигать 40 % плотности потока прямого
солнечного излучения, но с увеличением высоты она
уменьшается.
Тепловые потоки, идущие на космический объект от
звезд, практически малы. Энергия излучений участков
межзвездного пространства, лишенных каких-либо ис-
точников, соответствует температуре 2,7...4 К. До такой
температуры охладилась бы поверхность космического
аппарата и, следовательно, ЭС, находящиеся в нем, при
отсутствии притока тепла от внешних или внутренних
источников. В тепловой баланс космического аппарата
и ЭС вносят определенный вклад лучистые тепловые
потоки.
Невесомость как фактор космического пространства
имеет место при свободном орбитальном полете косми-
ческого аппарата и является следствием уравновешива-
34
ния силы гравитации силами инерции. По воздействию
на ЭС невесомость следует рассматривать как фактор,
оказывающий влияние лишь на тепловой режим изделий
через изменение гидродинамики теплоносителей, про-
цессов кипения и конденсации хладагентов. Поэтому не-
весомость учитывают только для ЭС, размещаемых в
герметизированных отсеках космических аппаратов.
Тепловое воздействие невесомости, так же как и вакуума, ха-
рактеризуется отсутствием конвективной составляющей теплоотда-
чи от энерговыделяющих изделий. Использование для охлаждения
принудительной циркуляции газа в условиях орбитального полета
практически устраняет эффект воздействия невесомости. Однако если
при этом имеются «застойные» зоны, в которых скорость потока
газа близка нулю, то в них эффект невесомости проявляется доста-
точно сильно.
§ 1.5. Механические воздействия
При эксплуатации и транспортировке ЭС подверга
ются механическим воздействиям: вибрационным, удар
ным и линейным нагрузкам,
а также звуковому давле-
нию (акустическим шумам).
Это относится как к специ-
альным наземным и транс-
портным объектам, так и к
летательным аппаратам, в
которых применяются ЭС.
Уровни вибрационных воз-
действий показаны на рис.
1.10. Требования по механи-
ческим нагрузкам на ЭС,
работающим в нестационар-
ных условиях, например на
подвижных объектах, посто-
янно ужесточаются, что вид-
но из рис. 1.11.
Вибрация — один из са-
мых опасных и наиболее
Рис. 1.10. Уровни вибрацион-
ных воздействий, которым под-
вергаются ЭС:
/ — вибрация; 2 — вибрация, воз-
буждаемая ударом
часто встречающихся на практике видов механических
воздействий. В общем случае под вибрацией понимают
колебания самого изделия или каких-либо частей его кон-
струкции. Вибрации приводят к поломкам конструкции,
обрывам проводов и кабелей, нарушению герметичности,
к механическим напряжениям и деформациям в ЭС. На-
3*
35
иболее часто вибрационные нагрузки возникают на са-
молетах и ракетах. Вибрации зависят от типа летатель-
ного аппарата, места расположения ЭС, способа их
Рис. 1.11. Изменение требований по вибрационным (а),
линейным и ударным (б) нагрузкам
монтажа и крепления и обусловлены работой силовой
установки управления, а также аэродинамической виб-
рацией. Первые вызываются в основном автоколебания-
ми рулей и элеронов и характеризуются сравнительно
высокой частотой, кратной по-
Рис. 1.12 Схема линейного
осциллятора с вязким тре-
нием:
ловине скорости вращения дви-
гателя. Вторые обычно появ-
ляются при возникновении об-
ластей срыва воздушного по-
тока и образовании вихрей и
отличаются нерегулярностью.
Механическая прочность, не-
обходимая для нормального
функционирования ЭС во вре-
мя и после воздействия на них
различных вибрационных на-
грузок, должна быть заложе-
на на этапе проектирования
изделий. Для этого ЭС рас-
1 — пружина; 2 — груз; 3 —
демпфер; 4 — стол вибростен-
да
сматривают как механические
системы и применяют анали-
тические методы расчета их
механических характеристик.
Приведем простой пример, когда изделие может быть
представлено в виде механической колебательной си-
стемы с одной степенью свободы (рис. 1.12). Система
состоит из груза массой т, пружины с жесткостью С и
36
демпфера вязкого трения с коэффициентом демпфирова-
ния т). Движение массы т определяется изменением
только одной координаты х под действием возбуждаю-
щей силы Росн. Уравнение движения системы может быть
получено на основе принципа Даламбера, согласно ко-
торому в каждый момент времени все силы, действую-
щие на систему, находятся в равновесии, если в их число
входит сила инерции. В общем случае дифференциаль-
ные уравнения движения любой колебательной механи-
ческой системы могут быть составлены па основе урав-
нения Лагранжа в обобщенных координатах. На систему,
изображенную на рис. 1.12, действуют: возбуждаю-
щая сила
F0CH = Л sin со/, (1.1)
приводящая к колебаниям опорного основания (напри-
мер, стола вибростенда) с частотой со и амплитудой А;
сила инерции тх (х — ускорение); сила вязкого демп-
фирования цх (х— скорость), пропорциональная мгно-
венной скорости массы и направленная в сторону, проти-
воположную этой скорости; сила упругости пружины
Сх (х — координата центра масс груза).
Уравнение движения массы т относительно поло-
жения статического равновесия имеет вид
тх + т]х + Сх = A sin со/. (1.2)
Разделив правую и левую части уравнения (1.2) на
т, после преобразования получим
х + 260 со0х + оЛ х = оЛ XCr sin со/, (1.3)
где 60 = T)/(2j/mC) — параметр, пропорциональный
коэффициенту демпфирования; соо = ’|/С/т— угловая
частота собственных недемпфированных колебаний си-
стемы; ХСт—Л/С — удлинение пружины, которое она
получила бы под действием статической силы, равной
амплитуде А возбуждающей силы.
Решение уравнения (1.3) может быть представлено
в виде суммы свободных и вынужденных колебаний:
х = Ле-б’““; sin (соо t — фо) + рХСт sin (и/ — ф), (1-4)
где фо и ф — начальные фазы;
р = (/462v2 + (l-v2)2 f1 (1 5)
37
— коэффициент динамичности, показывающий, во сколь-
ко раз амплитуда вынужденных колебаний при действии
возбуждающей силы вида (1.1) больше статического от-
клонения пружины; v=(o/coo — безразмерный параметр,
пропорциональный частоте возбуждающей силы.
Из первого слагаемого уравнения (1.4), представля-
ющего выражение для свободных колебаний системы
при наличии демпфирования, видно, что даже при ма-
лом значении 60 множитель е-б“““; с течением време-
ни t стремится к нулю и, следовательно, свободные ко-
лебания затухают.
Установившиеся вынужденные колебания определя-
ются вторым слагаемым (1.4). Особенность этих коле-
баний состоит в том, что их амплитуда зависит не толь-
ко от параметров системы и возбуждающей силы, но и
от частоты а>. При v = ]/~1 — 26^ коэффициент дина-
мичности максимален:
-- '/(ч/1^1) -(1-6)
где Q=l/(260) — добротность механической колеба-
тельной системы, зависящая от количества энергии, рас-
сеиваемой при вибрации.
Чем выше добротность, тем меньше затухание коле-
баний и тем острее пик резонансной кривой. Если часто-
та со возбуждающей силы совпадает с собственной час-
тотой со0 механической системы без трения (6о = О, v —
= 1), то происходит резонансное колебание. В этом слу-
чае нагрузки на ЭС возрастают в несколько раз. При
нулевых начальных условиях (в отсутствие трения)
уравнение (1.4) для предельного случая резонансного
состояния рассматриваемой системы принимает вид
х =—(со0 Хст /cos со0/)/2. (1.7)
Из формулы (1.7) видно, что амплитуда резонансных
колебаний линейно зависит от времени t и частоты и0
собственных колебаний. При наличии трения в механи-
ческой системе резонансный пик будет тем выше, чем
большее время изделие находится в резонансном режи-
ме и чем выше собственная частота конструкции.
Время достижения установившейся амплитуды резо-
нансных колебаний реальных изделий измеряется, как
правило, долями секунды. Ширина 2Af резонансной по-
лосы частот определяется разностью частот f" и f' (/">
38
>f'), при которых амплитуда А колебаний уменьшает-
ся до 1/1^2 ~ 0,7 своего значения при резонансе (рис.
1.13). Так как f'=f0[ 1-1/(2Q)], f=f0[l +1/(2Q)], где
fo — резонансная частота, то
2А/ = f-f = fo’Q. (1.8)
Отсюда
Q - WW)-
(1-9)
амплитуду колебании,
Рис. 1.13 Резонансная ха-
рактеристика механической
колебательной системы с
одной степенью свободы
зрения работоспособно-
Для расчета добротности изделия необходимо после
настройки на резонанс измерить
затем уменьшать частоту до
тех пор, пока амплитуда ко-
лебаний не станет равной 0,7
амплитуды при резонансе. По-
лученная частота будет соот-
ветствовать частоте f'. Анало-
гичные действия следует про-
вести, увеличивая частоту до
значения f". Тогда, вычислив
2Д/ по (1.8) и зная f0, можно
по (1.9) найти добротность Q.
Механическая модель, при-
веденная на рис. 1.12, прием-
лема для исследования харак-
теристик не всех видов ЭС, так
как большая их часть пред-
ставляет собой сложные ме-
ханические системы. Резонанс
конструкций этих систем — не
всегда худший случай с точки
сти ЭС. В то же время резонанс отдельного элемента
конструкции изделия независимо от резонанса всей его
конструкции может привести к нарушению работоспо-
собности всего изделия. Для расчета резонансных час-
тот элементов конструкции сложных систем целесооб-
разно изображать последние в виде совокупности изо-
лированных элементов, а связи между ними заменять
определенными условиями их закрепления. Метод ана-
лиза сложных механических систем путем расчета от-
дельных элементов получил в промышленности назва-
ние поузлового метода [7].
Удар. Ускорения, возникающие при резком измене-
нии скорости или направления движения объекта, в ко-
39
тором применяются ЭС, вызывают механическое воздей-
ствие на них в виде удара. Вследствие удара возникают
силы, деформирующие конструктивные элементы изде-
лий и приводящие к образованию в них механических
напряжений. Последние могут служить причиной разру-
шения изделий. Удар, как правило, сопровождается воз-
буждением затухающих колебаний, т.е. неустановив-
шейся вибрацией на частотах собственных колебаний кон-
структивных элементов изделий. Уровни разрушающих
усилий возрастают, если элементы конструкции резони-
руют на частотах возмущений, вызванных ударом. Если
на ЭС действует серия ударов в виде импульсов, следу-
ющих один за другим, то возникающую вибрацию назы-
вают тряской.
Акустический шум. Особый интерес представляют
так называемые баллистические волны, образующиеся
от артиллерийских или реактивных снарядов, а также
от самолетов, пролетающих через рассматриваемую среду
со сверхзвуковой скоростью. Некоторые виды вибра-
ции также сопровождаются выделением энергии звуко-
вой частоты. Это явление принято называть акусти-
ческим шумом или акустической вибра-
цией.
Выделение энергии колебаний звуковой частоты со-
провождается механическими колебаниями частиц сре-
ды воздуха, которые приводят к изменению давления по
сравнению с атмосферным (статическим). Разность меж-
ду статическим давлением и давлением в данной точке
звукового поля называется звуковым давлением.
Колебательное движение частиц среды при распростра-
нении звуковой волны характеризуется также колеба-
тельным смещением их от положения покоя. Скорость
распространения звуковых волн в воздухе зависит в ос-
новном от температуры среды по закону с ~ 3311/7/273.
При нормальном атмосферном давлении р = 101 300 Па
и 7 = 273 К (0°С) скорость звука равна 331 м/с. С по-
вышением температуры до 290 К она увеличивается до
340 м/с.
На распространение звуковых волн в атмосфере
большое влияние оказывают ее неоднородности. При этом
скорость звука зависит не только от температуры воз-
духа, но и от его влажности, а также направления и си-
лы ветра.
Акустический шум приводит к механическому воз-
40
Таблица 1.6
Обобщенные значения воздействующих факторов в зависимости
от места установки ЭС
Воздействующий фактор эс
наземные корабельные самолетные
Вибрация: 10...70 0...120
частота, Гц 5...2000
ускорение, g Многократные удары: 1...4 1,5...2 До 20
ускорение, g 10...15 15 6... 12
длительность, мс Одиночные удары: 5... 10 5... 10 До 15
ускорение, g 50...1000 До 1000 —
длительность, мс Температура максимальная, К: 0,5...10 0,5.. 2
рабочая 323 303...333 333...473
предельная Температура минимальная, к- 333 338 353...523
рабочая 233 233 213
предельная 223 223 213
Влажность относительная, 80...93 98...100 93...100
%, при температуре, К Акустические шумы: 213 308...323 320...330
уровень, дБ 85...125 75...140 130...150
частота, Гц Атмосферное давление, Па: 50...1000 50...1000 50...1000
максимальное 10,6-10* 10,6- Ю4 10,6-Ю4
минимальное Линейное ускорение, g'. 5,7-104 8,8-104 0,2- Ю4
замедленное 2...4 — 4.. .6
центробежное Ветровая нагрузка, м/с: 2...5 — 4. . . 10
рабочая До 50 До 50 —
предельная До 70 До 70 —
буждению различных конструктивных элементов изде-
лия, которые, в свою очередь, по-разному реагируют на
звуковую мощность шумового спектра. Под действием
энергии колебаний звуковой частоты в электронных лам-
пах возникает микрофонный эффект; начинают вибри-
ровать реле, отдельные малогабаритные комплектую-
щие элементы, объемные проводники.
В зависимости от места установки различают назем-
ные, корабельные и самолетные ЭС. Обобщенные зна-
чения воздействующих на них факторов и пределы их
41
Таблица 1.7
Влияние дестабилизирующих факторов на материалы,
конструктивные элементы* и готовые изделия
Воздействующий фактор Основные вызываемые нли ускоряемые процессы Характер проявления про- цессов
Вибрация Механические напря- жения Нарушение электричес- ких контактов Усталостные изменения Потеря механической прочности Неустойчивость функ- циональных параметров Ускорение износа; раз- рушение конструктив- ных элементов
Удары, линей- Механические напря- Разрушение конструк-
ное ускорение жения тивиых элементов
Высокая тем- пература Химические реакции Размягчение, плавле- ние, возгонка Изменение электричес- ких свойств; нарушение структуры Разрушение изоляции
Низкая темпе- ратура Образование льда Появление хрупкости Линейное сжатие Изменение электричес- ких свойств Потеря механической прочности; развитие трещин Разрушение конструк- ций; ускоренный износ подвижных частей
Термоудар Механические напря- жения Разрушение конструк- тивных элементов; на- рушение герметичности
Высокая отно- сительная влажность Поглощение влаги Коррозия Электролиз Вспучивание, разрыв корпуса; снижение элек- трической прочности, сопротивления изоляции Уменьшение механичес- кой прочности; неустой- чивость функциональ- ных параметров Ухудшение электричес- ких свойств; повыше ние проводимости изоля- торов
Низкое дав- Увеличение габаритных Растрескивание корну-
ление размеров изделия Обезгаживание (выде- ление газов) са; взрывное разруше- ние Изменение электричес- ких свойств; уменьше-
♦ Конструктивные элементы — механические элементы конструкции ЭС.
42
Продолжение табл. 1.7
Воздействующий фактор Основные вызываемые или ускоряемые процессы Характер проявления про- цессов
Снижение электричес- кой прочности воздуха ние механической проч- ности Пробой изоляции и об- разование дуги; возник- новение коронного раз- ряда и ионизация возду- ха (образование озона)
Солнечная ра- Фотохимические и фи- Разрушение поверхио-
диация зико-химические реак- ции сти; изменение элект- рических свойств; обра- зование озона
Песок н пыль Истирание Засорение Ускорение износа; не- устойчивость функцио- нальных параметров Изменение электричес- ких свойств
Соляной туман Коррозия Электролиз Ускорение износа; поте- ря механической проч- ности; изменение элект- рических свойств; неу- стойчивость параметров Разрушение поверхно- сти; увеличение прово- димости
Воздействие Нагрев Старение материалов
частиц с высо- Ядерные превращения и Изменение химических,
кими уровнями энергии (ядер- ная реакция) ионизация физических и электри- ческих свойств; образо- вание газов и вторичных частиц
Невесомость Отсутствие конвекци- онного охлаждения Усиление явлений, на- блюдаемых при высоких температурах
Агрессивные среды Химические реакции Растрескивание; появ- ление хрупкости Снижение электричес- кой прочности воздуха Изменение электрических свойств; неустойчивость функциональных пара- метров Потеря механической прочности Пробой изоляции и об- разование дуги
43
изменения приведены в табл. 1.6 и служат критериями
для проверки конструкции изделий.
При создании ЭС для ракетной техники руководствуются более
жесткими требованиями к условиям эксплуатации [16]: вибрация
в диапазоне 0...50 Гц при ускорении 20g; ударное сотрясение 5...10g
при длительности импульса действия 10... 12 мс со скоростью 40..
80 ударов в минуту; акустические шумы 130...170 дБ при частоте
50...1000 Гц; максимальная рабочая температура 323...473 К и мини-
мальная 223 К; линейное ускорение 5...50g; атмосферное давление
13,3 Па.
Результаты влияния дестабилизирующих факторов
на материалы, конструктивные элементы и готовые из-
делия представлены в табл. 1.7.
§ 1.6. Проблемы проведения испытаний ЭС
В производстве ЭС реальные условия их эксплуата-
ции обычно моделируют, проводя лабораторные испыта-
ния в специальных подразделениях контроля и испыта-
ний. В зависимости от характера воздействующих в ла-
бораторных и производственных условиях факторов
различают механические, климатические, биологические
и космические испытания. Особую группу испытаний со-
ставляют испытания на надежность. В результате про-
ведения испытаний определяют качество продукции.
Все свойства, определяющие качество продукции,
можно разбить приблизительно на два класса: 1) выявл
ляемые за очень короткое время (внешний вид изделий!
их геометрия, масса), а также характеризующиеся та|
ними параметрами изделий, которые не претерпеваю!
существенных изменений во времени; 2) выявляемые в»
время работы изделий под нагрузкой в течение некото-
рого промежутка времени. К последним относится, на-
пример, состояние поверхности ИС. Его можно оценить
с помощью таких параметров, как обратный ток и про-
бивное напряжение р-п-перехода, зависящие либо от
утечки тока по поверхности, либо от скорости поверхно-
стной рекомбинации и значительно изменяющиеся под
нагрузкой во времени. Изделия, обладающие дефекта-
ми, которые могут быть выявлены только по истечении
определенного времени работы под нагрузкой, называ-
ют потенциально ненадежными. Цель испы-
таний ЭС состоит в выявлении потенциально ненадеж-
ных изделий, так как явно дефектные изделия ле: ко
могут быть отбракованы по результатам разового измере-
44
ния контролируемых параметров и сравнения их с
требованиями НТД. Поэтому рассмотрим вопросы при-
емочного контроля качества потенциально ненадежных
изделий.
Под надежностью изделий понимают его
свойство сохранять во времени в установленных преде-
лах значения всех параметров, характеризующих спо-
собность выполнять требуемые функции в заданных ре-
жимах и условиях применения, технического обслужи-
вания, ремонтов, хранения и транспортирования.
Надежность является сложным свойством, которое в за-
висимости ог назначения изделия и условий его приме-
нения состоит из сочетаний свойств: безотказности, дол-
говечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Это
определение надежности справедливо как для восста-
навливаемых (ремонтопригодных), так и для невосста-
навливаемых (неремонтопригодных) изделий. Часть
ЭС относится к восстанавливаемым изделиям, так как
сборочные операции по их изготовлению, как правило,
обратимы, т. е. возможны разборка конструкций изде-
лий и замена отказавших элементов. В то же время, на-
пример, интегральные схемы — невосстанавливаемые
изделия. Более того, в большинстве случаев невозмож-
на даже частичная утилизация элементов и материалов
забракованных ИС. По мере микроминиатюризации ЭС
не только узлы, но и целые электронные устройства из-
готовляют в интегральном исполнении, и изделия все в
большей степени становятся неремонтопригодными, т. е.
большой класс ЭС начинает относиться к невосстанавли-
ваемым изделиям.
Надежность как свойство изделия закладывается в
процессе проектирования и изготовления, а при испыта-
ниях по показателям надежности производится ее оцен-
ка и сопоставление с требованиями эксплуатации.
Адекватность условий испытаний реальным услови-
ям эксплуатации ЭС. Исследования, анализ и опыт эксп-
луатации ЭС показывают, что существует значительное
расхождение между показателями надежности, получа-
емыми в условиях эксплуатации и расчетным путем или
при испытаниях в лабораторных и производственных ус-
ловиях. Это расхождение обусловлено тремя основны-
ми группами причин:
1) несоответствием внешних воздействий, моделиру-
45
емых при лабораторных испытаниях, реальным внеш-
ним воздействиям на ЭС;
2) наличием различных методик установления отка-
зов, что связано прежде всего с использованием раз-
личных критериев отказов при лабораторных испытани-
ях и эксплуатации;
3) отличием эксплуатационных режимов работы ЭС
от режимов при испытаниях.
Проблему адекватности условий испытаний реаль-
ным условиям эксплуатации ЭС можно решить умень-
шая по возможности указанные различия. При этом
особую сложность представляет минимизация причин
первой группы. Это связано с тем, что степень соответ-
ствия моделируемых внешних воздействий реальным
воздействиям определяется не только полнотой знаний
о многофакторных условиях эксплуатации, но и техни-
ческими возможностями используемых для испытаний
устройств, включающих испытательное оборудование
(как правило, испытательные стенды или камеры, слу-
жащие для воспроизведения условий испытаний), конт-
рольно-измерительную аппаратуру, приспособления и ос-
настку. С усложнением ЭС существенно возрастают
требования к устройствам для испытаний. Однако со-
вершенствование последних является не только сложной
технической, но и экономической проблемой. Например,
устройства для испытаний на широкополосную случай-
ную вибрацию, обеспечивающие высокую адекватность
условий испытаний и эксплуатации, стоят в 100...1000 раз
дороже устройств для испытаний на синусоидальную
вибрацию. Поэтому на практике при конструировании
испытательных устройств приходят к компромиссным
решениям, стремясь, с одной стороны, создать дешевые
устройства, а с другой — обеспечить адекватность усло-
вий испытаний реальным условиям эксплуатации. При
этом не следует упрощать испытания или заменять один
вид нагрузки другим без тщательного предварительного
анализа.
Изложенное можно продемонстрировать сравнением двух видов
наиболее распространенных нагрузок, применяемых при технологи-
ческой тренировке ИС: электрической и термической. Безусловно,
испытания под термической нагрузкой являются более дешевыми.
Но являются ли они более эффективными, чем испытания под элек-
трической нагрузкой, с точки зрения выявления потенциально не-
надежных изделий? Для ответа на этот вопрос рассмотрим приве-
денные на рис. 1.14 обобщенные зависимости интенсивности отказов
46
0,2 -
0,1
0,08
0,06
0,00
0,02
полупроводниковых приборов от нормализованной температуры *
и отношения рабочей мощности рассеяния к ее максимальному зна-
чению. Анализ кривых показывает, что при постоянстве мощности
рассеяния на коллекторе с ростом температуры окружающей среды
интенсивность отказов не меняется вплоть до определенного значе-
ния, после которого она резко воз-
растает. Это значение температуры q-j gj -qj
соответствует предельной темпера- Рк/Ркгпах~ ‘ ' ^,2
туре р-я-переходов приборов. Одна- /////// /
ко, как видно из рис 1 14, одной и ' 11 I I I I I I
той же предельной температуре пе-
рехода соответствует различная ин-
тенсивность отказов, что связано с
механизмом нагревания за счет по-
вышения мощности рассеяния на кол-
лекторе или температуры окружаю-
щей среды. В первом случае интен-
сивность отказов выше. Следователь-
но, для выявления потенциально
ненадежных приборов испытания под
электрической нагрузкой более эф-
фективны, чем испытания под тер-
мической нагрузкой. При этом сле-
дует учесть, что при работе полу-
проводниковых приборов и ИС под
электрической нагрузкой выявляют
такие отказы, которые зачастую не-
возможно обнаружить при термиче-
ских нагрузках.
проблему адекват-
ности испытаний реальным ус-
ловиям эксплуатации ЭС пы-
таются решать, увеличивая на-
грузки при испытаниях и вы-
бирая более жесткие допусти-
мые пределы изменения пара-
метров испытываемых изделий для ускорения их отказа.
Однако при этом следует иметь в виду следующие об-
стоятельства. Каждое изделие характеризуется опреде-
ленной прочностью, т. е. способностью сопротивляться
воздействию внешних сил, не разрушаясь и не получая
остаточных деформаций. Предположим, что изделие об-
ладает некоторой прочностью П и подвергается воздей-
ствию нагрузки G. До тех пор пока /7>G, изделие ра-
* Нормализованная температура Гн=(7'раб— Тсв)/(Тmax — 7'св),
где Граб — температура окружающей среды (для мощных приборов—
температура теплоотвода, при которой они работают); Ген — темпе-
ратура, начиная с которой требуется (по ТУ) ослабление электри-
ческого режима; Тгаах— максимально допустимая температура
р-я-перехода.
О 0,2 0,0 0,6 0,8 1,0 Гн
Рис. 1 14. Обобщенные кри-
вые зависимости интенсив-
ности отказов от нормали-
зованной температуры и от-
ношения рабочей мощности
рассеяния на коллекторе
к ее максимальному значе-
нию
47
ботоспособно; при IKG происходит отказ. Прочность
всех однотипных изделий не может быть абсолютно оди-
наковой. Различные дефекты материалов и технологии
уменьшают прочность. Для случаев, когда выполняет-
ся неравенство 77—G = g>0, где | — сколь угодно малая
величина, отказ не произойдет. Вероятность безотказ-
ной работы изделия в зависимости от значений величин
77 и G на любой момент времени имеет вполне опреде-
ленное распределение:
оо
Р= [ ф (g) dfe,
о
где <р(£) — функция распределения
Поэтому предельное значение воздействующей на-
грузки устанавливают, как правило, одинаковым для
всех изделий данного типа и с помощью известного за-
кона распределения выбирают равным предельному
значению нагрузки того изделия, которое имеет в этой
совокупности наименьшую прочность по сравнению со
всеми другими. Но прочность изделия в результате его
старения и износа со временем уменьшается, причем
скорость этого процесса зависит от приложенной на-
грузки. Чем больше нагрузка при испытании, тем быст-
рее произойдет накопление напряжений, которое может
привести либо к разрушению изделия во время испыта-
ний, либо к ускоренному старению и разрушению его
при эксплуатации в результате ускорения протекающих
в нем физико-химических процессов. Нагрузка, выбран-
ная с соответствующим запасом и рекомендованная по-
требителю при эксплуатации ЭС, называется предель-
но допустимой нагрузкой. Необходимый запас
прочности выбирается изготовителем исходя из возмож-
ности обеспечения в течение заданного времени уста-
новленных в ТУ показателей надежности выпускаемых
изделий. Поскольку эти показатели зависят от многих
переменных, характеризующих как отдельные, так и
совместные влияния нагрузок и внешней среды, пре-
дельно допустимую нагрузку, как правило, устанавли-
вают экспериментальным путем.
При установлении предельно допустимых нагрузок
ЭС в процессе эксплуатации наряду с обеспечением
требуемой надежности следует учитывать эффектив-
ность применения ЭС в определенном объекте. Это свя-
48
зано с тем, что создание чрезмерно большого запаса по
нагрузке уменьшает эффективность применения изде-
лий. Соблюдение указанных требований позволяет вы-
брать оптимальную предельно допустимую нагрузку.
Предельно допустимые нагрузки для вновь разрабаты-
ваемых изделий могут быть установлены в ТУ на основе
анализа результатов испытаний и эксплуатации ранее
освоенных и новых аналогичных изделий, а также
сконструированных специально для этих целей упрощен-
ных тестовых моделей изделий в целом или отдельных
их элементов. Весь комплекс работ по выбору предель-
но допустимых нагрузок ЭС в процессе их эксплуатации
и испытаний можно изобразить в виде схемы, представ-
ленной на рис. 1.15.
Рис 1 15. Комплекс работ по установлению предельно
допустимых нагрузок при эксплуатации и испытаниях
ЭС
Обеспечение заданных показателей надежности ЭС
в течение гарантируемого времени зависит не только от
правильно выбранной предельно допустимой нагрузки,
но и в не меньшей степени от правильного выбора до-
пустимых пределов изменения параметров изделий, т.е.
связано с причинами второй группы, определяющими
неадекватность испытаний условиям эксплуатации. Кон-
троль параметров изделий до испытаний производят,
как правило, по так называемым производственным це-
ховым нормам, устанавливаемым в технологической до-
кументации для производства в зависимости от погреш-
ностей контрольно-измерительной аппаратуры. Эти нор-
мы являются более жесткими, чем нормы,
устанавливаемые в ЧТУ. Запас по нормам, ко-
торый часто называют производственным запасом, не-
обходим, чтобы исключить поставку изделий, не соот-
ветствующих установленным в ЧТУ нормам. Поэтому
4—589
43
контрольно-измерительная аппаратура, используемая
при производстве изделий, должна обладать не боль-
шей погрешностью измерений, чем контрольно-измери-
тельная аппаратура, применяемая при сдаче готовой
продукции, В противном случае фактически негодные
изделия будут пропущены как годные и откажут при
проведении приемосдаточных испытаний (см. гл. 8).
Нормы на параметры качества зависят не только от
погрешностей контрольно-измерительной аппаратуры.
В производстве всегда наблюдается технологический
разброс значений параметров, обусловленный особенно-
стями технологии производства и прежде всего разбро-
сом характеристик исходных материалов и технологиче-
ского оборудования. Кроме того, как уже указывалось,
изменение значений параметров изделий во времени
происходит в связи с протекающими в них физико-хи-
мическими процессами, вызываемыми действием нагруз-
ки и окружающей среды (см. табл. 1.7). Поэтому для
обеспечения заданного показателя надежности изгото-
витель при сдаче продукции потребителю вынужден ус-
танавливать нормы — условные критерии — на пара-
метры изделий, отличающиеся от реальных значений в
сторону расширения пределов. Нормативный запас за-
висит от скорости изменения параметров во времени
при воздействии на изделия внешних факторов. При
этом очевидно, что чем шире установленные допусти-
мые пределы изменения параметров, тем ниже вероят-
ность выхода параметров за эти пределы в течение за-
данного времени, а следовательно, выше вероятность
безотказной работы изделия. Однако, как и при уста-
новлении предельно допустимой нагрузки, не следует
выбирать чрезмерно большие запасы по параметрам, так
как показатель надежности при этом практически не
меняется, а технические характеристики изделия и объ-
екта, в котором оно используется, ухудшаются.
Запас по параметрам, установленный в зависимости
от их технологического разброса и конструктивных осо-
бенностей изделия, называют конструктивно-тех-
нологическим запасом. Он выражается безраз-
мерной величиной — коэффициентом конструктивно-
технологического запаса для нижнего и верхнего конт-
рольных пределов:
Лзн = (хн — хнТу)/(М [X] — х„),
Язв = (хвту-хв)/(хв-ЛЛХ]), ’
50
где хн и хв — наименьшее и наибольшее значения пара-
метра в реальном распределении; хнту и хвту— нижнее
и верхнее значения норм, оговоренных в ТУ; Л4[Х] —
среднее значение параметра, заданное НТД.
При симметричном распределении параметров изде-
лий знаменатели приведенных выражений, характеризу-
ющих нестабильность ТП, равны и значение К3 в обоих
случаях определяется выбранными конструктивно-тех-
нологическими запасами по ха и хв.
При оценке результатов испытаний с помощью ус-
ловных критериев можно не рассматривать все парамет-
ры изделия. Достаточно выбрать для наблюдения наи-
более информативные из них. Параметры изделия, по
которым его считают годным или условно отказавшим,
называют параметрами — критериями год-
ности (ПКГ). Допустимые изменения значений ПКГ
ограничивают односторонними или двусторонними пре-
делами. При этом минимальное и максимальное значе-
ния П1<Г могут быть как абсолютными, так и относи-
тельными (отношение конечных значений параметров,
полученных в результате испытаний, к начальным зна-
чениям до начала испытаний). Однако, как уже отме-
чалось, целью испытаний является оценка надежности
изделий, характеризующейся изменением ПКГ во вре-
мени. В случае выбора абсолютных значений границ из-
мерения ПКГ не учитывается характер изменения этих
параметров в пределах данных границ. Абсолютные зна-
чения границ допустимых изменений контролируемых
параметров применяют при установлении значений ПКГ,
рекомендуемых потребителю. Относительными значени-
ями границ изменения ПКГ предпочтительнее пользо-
ваться изготовителю при испытании изделий. Однако
различный подход к установлению допустимых границ
изменения значений ПКГ для изготовителя и потреби-
теля приводит к различию значений показателей на-
дежности при испытаниях и эксплуатации ЭС.
Причины третьей группы, определяющие неадекват-
ность испытаний ЭС условиям их эксплуатации, связа-
ны с различием режимов работы изделий при испытани-
ях и эксплуатации. Некоторые изделия при эксплуата-
ции в течение длительного времени находятся в нерабо-
тающем состоянии. Установлено, что именно в этот
период происходит от 20 до 60% их отказов. Для физи-
ческих структур МДМ, МДП и др., являющихся состав-
4*
51
ной частью ИС, устойчивость к возникновению внезап-
ных отказов повышается при включении электрической
нагрузки.
С другой стороны, к довольно большому числу отка-
зов приводит эксплуатация ЭС в циклическом режиме,
связанном со сравнительно частыми их включениями и
выключениями. Это объясняется тем, что во время пере-
ходных процессов, обусловленных включениями/выклю-
чениями ЭС, в них возникают экстратоки и перенапря-
жения, значения которых часто намного превышают (хо-
тя бы кратковременно) допустимые по ТУ. Иногда для
упрощения испытаний ЭС, предназначенные для эксп-
луатации в циклическом режиме, испытывают в непре-
рывном. Однако, как показывает практика, надежность
ЭС, работающих при большой частоте включений/вы-
ключений (более одного включения/выключения в час),
может быть во много раз ниже надежности изделий, ра-
ботающих непрерывно в течение установленного време-
ни, например 10 ч в сутки.
При испытаниях ЭС на них должны воздействовать те же фак-
торы, что и при эксплуатации. Одновременно нужно исключить воз-
можность повреждения испытываемых изделий из-за воздействий, не
характерных для условий их эксплуатации. Так, при подготовке
к испытаниям некоторых типов изделий (например, точных гироско-
пов) их приходится устанавливать на жесткие юстировочные плиты,
жесткие платформы и т. п. Если в изделии имеются детали, повреж-
дающиеся при ударных перегрузках, то на установочные штифты
следует надевать защитные амортизаторы, предотвращающие жест-
кий удар и значительные ударные перегрузки (например, при опу-
скании изделия на юстировочную плиту с высоты 3...5 мм). Такие
амортизаторы являются технологическими — их зажимают, и во вре-
мя работы изделия они не действуют.
Чтобы уменьшить расхождение значений показателей
надежности на стадиях испытаний и эксплуатации ЭС,
проводят организационные и технические мероприятия.
Организационные мероприятия включают установление
единообразной процедуры сбора данных об отказах и
получение возможно более полной информации о них при
испытаниях и эксплуатации ЭС, использование корре-
лированных критериев отказов при испытаниях и экс-
плуатации, а также одинаковых промежутков времени,
в течение которых фиксируется число отказов. Техниче-
ские меры связаны с совершенствованием методов
и программ испытаний на надежность, модернизацией
имеющихся и разработкой новых устройств для испыта-
ний.
52
Проблема снижения трудоемкости испытаний, с ко-
торой прежде всего связано экспериментальное подтвер-
ждение высоких показателей надежности изделий, —
одна из важнейших. В“самокг^дёле, для того чтобы опре-
делить или подтвердить требуемое для современных из-
делий значение 2v~10~7 ч-1, необходимо испытывать
1000 изделий в течение 10 лет. Не только трудоемкость,
но и стоимость таких испытаний непомерно велика, а
полученная информация о надежности ЭС из-за дли-
тельного времени испытаний теряет ценность. Решение
проблемы идет в настоящее время по трем направле-
ниям:
1) развитие математических, физических и физико- j
статистических методов прогнозирования надежности/
ЭС; —
2) автоматизация испытаний ЭС с широким приме”^
нением вычислительной и прежде всего микропроцессор-,/
ной техники;
3) развитие методов неразрушающего контроляГ__)
В первом направлении наиболее интенсивно развива-
ются физико-статистические методы прогнозирования
надежности, основанные на тщательном изучении фи-
зико-химических процессов, протекающих в реальных
структурах. Методика испытаний ЭС в этом случае пре-
дусматривает ускорения протекания физико-химических
процессов, обусловливающих деградацию параметров
изделия, а следовательно, сокращение промежутка вре-
мени до отказа. Испытания проводят при повышенных
нагрузках в форсированных режимах работы ЭС и на-
зывают ускоренными. Подробно они рассмотрены в §7.7.
Второе направление обеспечивает снижение стоимос)
ти испытаний ЭС с одновременным повышением достою
верности их результатов и связано с широким примене^
нием вычислительной техники для автоматизации испы|
таний, что наиболее эффективно при крупносерийном!
или массовом производстве. —
Третье направление позволяет повысить точность
оценки качества и надежности ЭС и предусматривает
развитие методов неразрушающего контроля. Диагнос-
'тический характер этих методов при их технической реа-
лизации дает возможность, с одной строны, отказаться
от статистических методов оценки надежности, а с дру-
гой — оперативно и с высокой достоверностью осущест-
влять выборочную или сплошную оценку качества и на-
53
вышения надежности и
Рис. 1.16. Зависимость рас-
ходов на обеспечение качества
ЭС от вероятности их безот-
казной работы:
Зп — затраты на производство;
Зэ — затраты иа эксплуатацию;
3^, — суммарные затраты
дежности материалов, полуфабрикатов и готовых изде-
лий. Методы неразрушающего контроля наиболее пер-
спективны и могут стать основой для прогнозирования
надежности выпускаемых ЭС при создании автомати-
зированных системы управления ТП и качеством.
В заключение следует отметить, что проблема по-
качества ЭС перерастает в
экономическую. Существует
вполне определенная функ-
циональная зависимость
между требуемыми количе-
ственными показателями на-
дежности, издержками про-
изводства и планом. Если,
например, путем тщательно-
го контроля добиться чрез-
мерно высокой точности из-
готовления изделий, то не-
соразмерно возрастет их се-
бестоимость. Другим экст-
ремальным случаем являет-
ся 100 %-й брак в производ-
стве. Между этими крайни-
ми случаями лежит так на-
зываемый оптимальный ва-
риант, приводящий к наибо-
лее высокому экономическо-
му эффекту. Характерные
зависимости расходов на
т вероятности их безотказной
работы приведены на рис. 1.16, из которого видно, что
оптимальными количественными показателями надеж-
ности являются наиболее экономически выгодные пока-
затели, соответствующие минимальной сумме затрат при
производстве и эксплуатации ЭС. Однако в тех случаях,
когда надежность имеет решающее значение, экономи-
ческие соображения отходят на второй план.
обеспечение качества ЭС
Контрольные вопросы
1. На каких этапах «жизненного» цикла ЭС закладывается их
качество?
2. Назовите существующие виды контроля при изготовлении
ЭС. Какова роль испытаний в обеспечении качества ЭС?
3. Какие организационные требования обеспечивают нормаль-
54
ное взаимодействие между изготовителем, потребителем и испыта-
телем ЭС?
4. Как классифицируют ЭС в зависимости от условий их экс-
плуатации?
5. Что понимают под естественными воздействиями на ЭС и воз-
действиями на ЭС объекта?
6. Чем обусловлены внутренние воздействия на ЭС?
7. В чем отличие между объективными и субъективными факто-
рами, воздействующими на ЭС?
8. Под влиянием каких процессов в атмосфере происходит фор-
мирование климата?
9. Какие климатические факторы представляют для ЭС наи-
большую опасность и каковы методы защиты ЭС от воздействия этих
факторов?
10. Назовите источники и виды биоповреждений.
11. Назовите основные космические факторы, влияющие на ЭС.
12. Назовите наиболее опасные для ЭС механические воздей-
ствия.
13. В чем специфика потенциально ненадежных изделий и как
они могут быть выявлены?
14. Какими причинами обусловлено различие значений показа-
телей надежности при испытаниях и эксплуатации ЭС?
15. Назовите причины неадекватности условий испытаний и ус-
ловий эксплуатации ЭС. Каковы пути решения этой проблемы?
16. Каковы пути снижения трудоемкости испытаний?
17. В чем заключается экономическая проблема обеспечения
и оценки надежности ЭС?
Глава 2
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
§ 2.1. Некоторые понятия теории вероятностей,
применяемые при испытаниях ЭС
В процессе испытаний ЭС приходится иметь дело со
случайными событиями. Случайным событием
называется такое событие, которое может произойти
или не произойти при определенном комплексе условий,
тесно связанных с возможностью появления данного со-
бытия. Так, время работы до отказа каждого отказав-
шего образца, поставленного на испытание, случайно.
Объясняется это прежде всего тем, что при изготовле-
нии изделий практически невозможно строго выдержать
технологический режим и однородность физико-химиче-
ской структуры применяемых материалов. Поэтому слу-
чайные колебания параметров исходного сырья, режимов
работы, используемого технологического оборудования
и других факторов, существенных для производства,
влияют на продолжительность безотказной работы ЭС.
55
Это приводит к тому, что за рассматриваемый конечный
промежуток времени отказ каждого конкретного образ-
ца может произойти или не произойти, т.е. возникновение
отказов испытываемого изделия в разные промежутки
времени — случайное событие. Изучением случайных
событий занимается теория вероятностей. Рассмотрим
понятия теории вероятностей, применяемые при испыта-
ниях ЭС.
Предположим, что сдается партия изделий, состоя-
щая из N образцов. Заранее известно, что в ней имеется
D дефектных изделий. Вероятность извлечения из этой
партии дефектного образца
Q = D!N. (2.1)
Вероятность извлечения из N образцов одного безде-
фектного
Р = (N — D)/N = 1— Q. (2.2)
Очевидно, что значения Q и Р для данной партии изде-
лий постоянны и определяются числом D дефектных из-
делий в партии. Величины Q и Р называют генераль-
ными характеристиками.
Если в сдаваемой партии дефектные изделия отсутст-
вуют (0=0), то, согласно (2.2), вероятность извлечения
бездефектного изделия Р=1. Такое событие называют
достоверным. Если же партия состоит только из де-
фектных изделий (N=D), то, согласно (2.2), вероят-
ность извлечения бездефектного изделия Р = 0. Такое
событие в противоположность достоверному называют
невозможным. Все остальные значения вероятнос-
ти извлечения бездефектного изделия лежат в пределах
от 0 до 1.
На практике чаще приходится иметь дело с так
называемыми «практически невозможными» и «практиче-
ски достоверными» событиями. Практически не-
возможным событием называется событие, вероят-
ность которого близка нулю, а практически досто-
верным— событие, вероятность которого близка
единице. Вопрос о том, насколько мала должна быть
вероятность события, чтобы его можно было считать
практически невозможным, выходит за рамки матема-
тической теории и в каждом отдельном случае решается
в соответствии с той важностью, которую имеет жела-
емый результат опыта.
56
Например, если вероятность отказа ИС для телевизора состав-
ляет 0,01 за 10 лет, т. е. из 100 ИС за 10 лет работы откажет только
одна, то можно считать отказ ИС практически невозможным событи-
ем. Если, однако, вероятность отказа ИС, равная 0,01, связана
с риском для жизни человека, то такой отказ нельзя считать прак-
тически невозможным событием и следует добиваться большей на-
дежности ИС.
Предположим, что методом случайного отбора из
сдаваемой партии изделий составлена выборка (часть
изделий, отобранных из общей совокупности для полу-
чения информации о всей массе изделий) объемом п.
После проверки выяснилось, что из п изделий в выбор-
ке d изделий оказались дефектными. Доля дефектных
изделий в выборке, взятой из партии,
q^dln (2.Д
называется статистической вероятностью дефектных из-
делий в выборке.
Статистическая вероятность бездефектных изделий
в выборке
р = (ti — d)/n = 1 — q. (2.4)
Величины q и р называют выборочными ха-
рактеристиками. Очевидно, что значения их слу-
чайны. Поэтому сами величины q и р являются случай-
ными, т. е. некоторыми переменными величинами, при-
нимающими в зависимости от случая те или иные
значения с определенными вероятностями.
С ростом числа изделий в выборке статистические
вероятности q и р все более теряют случайный харак-
тер. Случайные обстоятельства, оказывающие сущест-
венное влияние при малых выборках, при увеличении
объема последних взаимо погашаются, а значения вы-
борочных характеристик q и р приближаются к значени-
ям генеральных характеристик Q и Р.
Изучение случайных событий предполагает ознаком-
ление со статистическим рядом и его характеристиками.
Предположим, что в партии изделий производят замер
какого-либо параметра, конкретное значение х,- которо-
го для каждого изделия является случайным. В резуль-
тате замеров получают совокупность случайных значе-
ний параметров. Если расположить эти значения в воз-
растающем порядке, то образуется упорядоченный, или
ранжированный, ряд случайных значений х,-. В таком
ряду повторяющиеся два (или более) раза значения хг
57
объединяют. Число повторяющихся значений обознача-
ют через m.i и называют абсолютной частотой или ста-
тистическим весом, а сам ряд значений случайной вели-
чины— статистическим рядом.
Статистический ряд имеет две важнейшие характе-
ристики, которые в сжатой форме отражают результаты
измерений. Одна из них описывает среднее положение
наблюдаемых значений, а другая — отклонения отдель-
ных значений от среднего. Среднее положение наблюда-
емых значений в ряду характеризуется с помощью сред-
него арифметического и медианы. Для простой статисти-
ческой совокупности, в которой каждое значение
случайной величины встречается только один раз, сред-
нее арифметическое
х — — (Xj 4- х2 + ... + хп)
п
(2.5)
Для статистического ряда, в котором каждому зна-
чению X; случайной величины соответствует некоторая
частота mt, среднее арифметическое
Xt mt + x2 тг+.. , + т,г тп
т1 + тп
В этом случае среднее арифметическое х называют
средним взвешенным значением случайной вели-
чины. Следует иметь в виду, что величина х только тог-
да является обобщающей характеристикой, когда она
применяется к однородной совокупности наблюдаемых
значений (совокупности значений одной и той же случай-
ной величины).
Медианой случайной величины X называют такое
ее значение Me, которое приходится на середину упоря-
доченного ряда, т.е. медиана делит упорядоченный ряд
на две равные по числу случайных значений группы. При
четном числе измерений медиана равна среднему ариф-
метическому двух соседних значений, расположенных в
середине ряда; при нечетном числе измерений — значе-
нию случайной величины, занимающему срединное по-
ложение в ряду.
58
Рассмотренные характеристики (х и Me) не учиты-
вают рассеивание около них отдельных значений случай-
ной величины. Для описания рассеивания значений слу-
чайных величин применяют ряд характеристик. Про-
стейшей из них является размах /?==хшах—xmin, где
••Vmax и xmin — максимальное и минимальное значения
случайной величины. Размах служит лишь для прибли-
зительной оценки рассеивания значений случайной ве-
личины.
В качестве меры колебания значений случайной ве-
личины в статистическом ряде наиболее часто применя-
ют средний квадрат отклонения, который называют
выборочной дисперсией. Выборочная дисперсия
2 Оу — *)2
S2 = . (2.7)
п — 1
При наличии соответствующих частот тг- вычисляется
взвешенная выборочная дисперсия:
(2.8)
Как видно из формул (2.7) и (2.8), дисперсия имеет
равномерность квадрата случайной величины.
Для наглядной характеристики рассеивания служит
среднее квадратическое отклонение, раз-
мерность которого совпадает с размерностью измеряемой
случайной величины:
Взвешенное среднее квадратическое отклонение
Для характеристики рассеивания случайной величины
59
используют также коэффициент вариации V,
равный отношению ее среднего квадратического отклоне-
ния к среднему арифметическому значению и выражае-
мый в процентах или долях единицы:
V =4-. 100.
х
Рассмотренные характеристики являются выборочны-
ми, так как они получены на основании выборки, сделан-
ной из генеральной совокупности. Для характеристики
среднего положения случайной величины в генеральной
совокупности служит математическое ожида-
ние случайной величины (Л4[Х]), которое иногда назы-
вают генеральным средним арифметическим. Оно может
быть получено следующим образом. Пусть случайная ве-
личина X принимает дискретные значения х\, х2, хз,...,
х,,..., хп с соответствующими вероятностями pi, р2, рз,—>
Pi..рп- Тогда
М [X] =
Х1 Р1 Ч~ Р2 ХП Рп
Р1 Pi + • • •+ Рп
Учитывая, что J^pt — 1, можно записать
i=i
MlX] = J?xiPi.
i=l
Следует заметить, что если выборочное среднее ариф-
метическое значение [см. (2.5), (2.6)] всегда содержит
элемент случайности, то математическое ожидание — ве-
личина постоянная для данной генеральной совокупности
(например, сдаваемой партии изделий).
Дисперсия случайной величины X в ге-
неральной совокупности
1 - '
& [X] = — V {xt — М [X]}2
п
для случая, когда значения X в генеральной совокупно-
60
сти не повторяются, и
ст2 [X] = ----------------
п
<=1
при повторяющихся значениях X.
Случайные величины могут быть дискретными
или непре рывными. Соответственно и распределе-
ния их вероятностей описываются законами распределе-
ния дискретных или непрерывных случайных величин.
Пример дискретной случайной величины — число изде-
лий в выборке, параметры которых не отвечают тем или
иным требованиям. Это число дефектных изделий может
быть только целым. Пример непрерывной случайной ве-
личины — время работы изделия до отказа, которое
может принимать как целые, так и дробные значения. Рас-
пределение вероятностей появления дискретных случай-
ных величин чаще всего описывается гипергеометричес-
ким или биномиальным законом или законом Пуассона;
распределение вероятностей появления непрерывных слу-
чайных величин — экспоненциальным или гауссовским
законом, а также законом Вейбулла.
При проведении испытаний ЭС и обработке их резуль-
татов часто встречаются с композицией и суперпозицией
распределений. Остановимся на этих понятиях более под-
робно. Пусть имеется ряд независимых случайных вели-
чин X], Х2, Х3,...,Хп с плотностями вероятностей* f(X}),
f(X2), f(X3),...,f(Xn). Просуммировав указанные величи-
ны, получим новую случайную величину Y=Х^ + Х2+—
...-{-Хп с плотностью вероятности f (У). Закон распределе-
ния случайной величины У называется композици-
ей законов распределения случайных величин
Хь Х2, Х3,...,Хп. Рассмотрим общие и частные свойства
композиции распределений.
Общими называют также свойства композиций рас-
пределений, которые не зависят от вида исходных зако-
нов распределения, составляющих композицию. Это сле-
дующие свойства.
* Плотность вероятности представляет отношение вероятности
попадания значений случайной величины в заданный интервал
к длине этого интервала.
61
1. Математическое ожидание случайной величины У
равно арифметической сумме математических ожиданий
случайных величин, законы распределения которых со-
ставляют композицию распределений:
M[Y] = М [XJ + М [Х2] + М [Х3] +„.+ М [Х„].
2. Дисперсия случайной величины У равна арифмети-
ческой сумме дисперсий случайных величин, законы рас-
пределения которых составляют композицию распределе-
ний: о2 [ У] ==ст2 [X,] + <у2[Х2]+<т2[Хз]+...+о2[Х„].
Из этих свойств можно вывести два следствия:
1) с ростом числа п изделий в выборке коэффициент
вариации убывает, а следовательно, мера точности воз-
растает пропорционально Угг,
2) если имеются две (или более) случайные величины
с резко отличными средними квадратическими отклоне-
ниями, то в композиции их распределений случайная ве-
личина с меньшей дисперсией практически не оказывает
влияния на суммарную дисперсию.
Рассмотрим частные свойства композиции распреде-
лений, т. е. такие свойства, которые зависят от конкрет-
ного вида исходных законов распределения, составляю-
щих композицию Предположим, что случайные величины
X] и Х2 имеют распределения, описываемые экспонен-
циальными законами с одним и тем же параметром X:
Л1[Х1]=М[Х2]=1Д; о[Х!]=о[Х2]=1Д.
Посмотрим, будет ли композиция этих законов также
описываться экспоненциальным законом распределения»
Согласно первому общему свойству для Y=Xl + Xi,
M[Y] = M [XJ + М [Х2] = 1/Л. + 1/X = 2/К-
ст2 [Г] = ст2 [XJ + о2 [Х2] = 1/V Ч- IX2 = 2/?А
Тогда коэффициент вариации
Р[Г] =а[У]/М[У]= J '2 2.
Таким образом, в результате композиции двух экспо-
ненциальных распределений новое распределение не под-
чиняется экспоненциальному закону, при котором коэф-
фициент вариации всегда равен единице.
Если взять два распределения Вейбулла, то в компо-
зиции также не получится распределение Вейбулла. То
же можно сказать и о других законах распределения, за
исключением законов Пуассона и Гаусса. При большом
числе распределений Пуассона их композиция имеет рас-
62
пределение,близкое гауссовскому, если значение мате-
матического ожидания более 20. Для большого числа би-
номиальных распределений распределение композиции
также очень близко к гауссовскому. Следовательно, при
большом числе распределений любого вида распределе-
ние их композиции близко к гауссовскому. Более того,
в результате композиции большого числа (п-»-оо) неоди-
наковых распределений независимых случайных вели-
чин с различными, но не очень сильно отличающимися
друг от друга дисперсиями и математическими ожидания-
ми получается также гауссовское распределение. Это
важное положение теории вероятностей называется цен-
тральной предельной теоремой, которая оп-
ределяет особую роль гауссовского распределения в тео-
рии вероятностей.
Композиция распределения встречается на практике
при обобщении результатов испытаний нескольких выбо-
рок, взятых из различных партий изделий.
Предположим, что на испытания предъявляется пар-
тия, состоящая из N изделий. Из них для Ni изделий
плотность вероятности случайной величины X составляет
fi(X), а для АС изделий — {г(Х). В этом случае получа-
ется суперпозиция распределений fi(X)
и f2(X):
f(Y) = aifl(X) + a2f2(X),
где Ю1=Л^1/Л^; ы2 = Х2/Х.
Математическое ожидание и дисперсия случайной ве-
личины У в суперпозиции распределений определяются
выражениями
М [У] = И1 [X] + ю2 М, [X],
о2 [У] = И] о2 [X] -f- w2 о2 [X] 4- И] ю2 (М, [X] — УИ2 [X]}2.
Суперпозиция распределений может иметь место, ког-
да партию изделий, предъявляемых заказчику, комплек-
туют из однотипных изделий, изготовленных из различ-
ных партий сырья и полуфабрикатов или на различных
технологических линиях.
§ 2.2. Выборочный метод испытаний.
Основные характеристики
Большинство методов испытаний ЭС являются либо
разрушающими, либо значительно сокращающими тех-
63
нический ресурс* изделий. Поэтому наиболее широкое
применение в практике испытаний получил выборочный
метод, который позволяет судить о всей генеральной со-
вокупности изделий по взятой из нее выборке. Если из-
делия, входящие в выборку, в полной мере отражают ха-
рактер и структуру генеральной совокупности, то такая
выборка называется представительной или репрезента-
тивной.
Выборки классифицируют по ряду признаков, напри-
мер по способу образования (повторные и бесповторные),
по преднамеренности отбора (преднамеренные и случай-
ные), по отношению ко времени образования (единовре-
менные и текущие), по целевому назначению (расслоен-
ные и общепроизводственные) и т. д.
Выборочные характеристики, с помощью которых де-
лают статистические выводы относительно генеральной
совокупности, называют оценками генеральных характе-
ристик. Так, при испытании ЭС с помощью выборочной
характеристики q оценивают генеральную характеристи-
ку Q для партии изделий, из которых взята данная вы-
борка, а выборочные среднее арифметическое х и среднее
квадратическое отклонение s служат оценками матема-
тического ожидания Л4[Х] и дисперсии а.
Чтобы дать представление о точности и надежности
оценки числа D дефектных изделий в генеральной сово-
купности с помощью полученного значения числа d де-
фектных изделий в выборке, пользуются так называемы-
ми доверительными границами. Вероятность нахождения
оцениваемого параметра в доверительных границах на-
зывают достоверностью. Достоверность Р* явля-
ется количественной характеристикой практически досто-
верного события и характеризует степень нашего доверия
к анализируемым событиям. Обычно достоверность бе-
рется близкой единице: 0,9; 0,95; 0,99. Достоверность
Р* называют односторонней, если она отражает степень
нашего доверия к тому, что Q^QH или Q^QB, где QH
и QB — нижняя и верхняя доверительные границы. Дву-
сторонняя достоверность Р*' отражает степень нашего
* Технический ресурс — наработка ЭС от начала эксплуатации
до наступления предельного состояния. Предельное — это такое со-
стояние ЭС, при котором дальнейшая их эксплуатация должна быть
прекращена из-за ухода заданных параметров за установленные
нормы или снижения показателей качества ниже допустимых. Кри-
терии предельного состояния устанавливаются НТД.
64
доверия к тому, что QH^Q^QB. Она несколько меньше
односторонней: Р*'=2Р*—1.
На практике для расчета доверительных границ обыч-
но пользуются специальной таблицей (см. табл. П.1),
в которой приведены коэффициенты К3 и К» для расчета
доверительных границ QB и QH с двусторонней достовер-
ностью 0,9 и коэффициент Кв для расчета доверительной
границы QB с односторонней достоверностью 0,95 в зави-
симости от числа дефектных изделий в выборке.
Значения QB и QH определяют соотношениями
<2В = Кв/п, (2.9)
QH = KH/n. (2.10)
Пример. В выборке объемом «=100 не обнаружено дефектных
изделий Определить с односторонней достоверностью Р*=0,95 чис-
ло дефектных изделий в партии, из которой взята данная выборка.
Из табл. П.1 находим дв —3. В соответствии с (2.9) определяем
верхнюю границу для Q: QB=0,03, т. е. в партии объемом, напри-
мер, 10 000 шт, число дефектных изделий не более 300, что мы ут-
верждаем с достоверностью 0,95.
Одним из основных вопросов при проведении испыта-
ний ЭС является определение объема выборки. Слишком
большой ее объем может привести к недопустимым поте-
рям времени и средств. Однако если выборка и время
испытаний слишком малы, то могут возникнуть сомнения
относительно достоверности полученных результатов. Оп-
тимальными были бы такие выборка и время испытаний,
которые бы позволили добиться достоверных результатов
при максимальной оперативности их получения и мини-
мальной стоимости испытаний.
Обычно при подготовке НТД поставщик по согласо-
ванию с заказчиком заранее устанавливает число дефект-
ных изделий ((/доп), которое допускается в выборке при
приемке партии. Это число устанавливается исходя из
заданного значения QB. Если окажется, что (/>(/ДОп, то
партия изделий заказчиком не принимается, так как она
% не удовлетворяет требованиям на надежность, которые
| оговариваются в ТУ на эти изделия. Наименьшее число
отказавших изделий в испытываемой выборке, при кото-
ром результаты испытаний считаются отрицательными,
называют браковочным числом С7. Наибольшее
число отказавших изделий в испытываемой выборке, при
котором результаты испытаний считаются положитель-
ными, называют приемочным числом С.
Кривая зависимости вероятности роп приемки партии
5-589
65
изделий по результатам испытания выборки объемом п
от заданной вероятности Q отказа изделий в партии, из
которой взята выборка, называется оперативной
характеристикой плана контроля надежности из-
делий.
Пусть для контролируемой партии изделий вероятность отка-
зов равна По оперативной кривой (рис. 2.1, а) находим вероят-
Рис. 2.1. Оперативные характеристики, построенные по результатам
выборочного контроля при постоянных п и С(а) и для нескольких
значений С при постоинном п(б)
ность приемки такой партии. Предположим, что она составляет 0,9.
Это означает, что даже в том случае, когда число дефектных изде-
лий в каждой предъявляемой партии является допустимым, следует
ожидать, что 10 % партий будет забраковано по результатам испы-
тания выборок, взятых из этих партий методом случайного отбора.
Вероятность забракования партии изделий (даже если эта партия
соответствует заданным требованиям по надежности) вследствие
плохой (пессимистической) выборки представляет риск изгото-
вителя а. В рассмотренном примере а=10%.
Предположим теперь, что партия изделий имеет вероятность
отказов <?2- По оперативной кривой вероятность приемки такой
партии равна 0,1. Это означает, что если каждая из предъявляемых
партий содержит дефектных изделий даже больше, чем это допусти-
мо по ТУ, то 10 % всех партий будет принято заказчиком как удо-
влетворяющие требованиям по надежности. Вероятность приемки
партии изделий (даже если число дефектных изделий в ней превы-
шает допустимое по ТУ) вследствие хорошей (оптимистической) вы-
борки представляет собой риск заказчика (р). В данном
примере р= 10 %.
При выборочном контроле надежности партии изде-
лий наихудший показатель надежности Q2, соответствую-
щий риску р заказчика, называют браковочным
66
(гарантированным) уровнем показателя на-
дежности. Аналогично, значение показателя надежности
изделий, вероятность забракования которых равна риску
а изготовителя (или вероятность приемки равна 1—а),
называют приемочным (приемлемым) уров-
нем Qi показателя надежности. Оба уровня могут быть
определены по оперативной характеристике (рис. 2.1,а)
для заданных значений риска заказчика и изготовителя.
На рис. 2.1,6 приведены оперативные характеристи-
ки для нескольких значений приемочного числа С. Как
видно из рисунка, чем больше С, тем оперативная кривая
круче (меньше различие между браковочным и приемоч-
ным уровнями показателя надежности изделий, и, наобо-
рот, чем меньше С, тем она положе (больше различие
между браковочным и приемочным уровнями).
Следует отметить, что выборочный контроль включа-
ет некоторый риск, связанный с принятием некачествен-
ной или браковкой качественной продукции. Однако, по-
скольку этот риск является неизбежным, выборочный ме-
тод контроля вполне оправдан.
§ 2.3. Классификация испытаний
Все испытания ЭС классифицируют (рис. 2.2) по ме-
тодам проведения, назначению, этапам проектирования,
изготовления и выпуска, виду испытаний готовой продук-
ции, продолжительности, уровню проведения, виду воз-
действия, определяемым характеристикам объекта.
Методы испытаний подразделяют на две большие
группы (рис. 2.3): 1) физические испытания реальных
ЭС или их макетов; 2) испытания с использованием мо-
делей. Физические испытания могут проводиться как при
внешних воздействующих факторах (ВВФ), создаваемых
искусственным путем с помощью испытательных стендов
(стендовые испытания) или специальных методов
и средств, применяемых в лабораторных условиях (лабо-
раторные испытания), так и при естественных ВВФ (по-
лигонные и натурные испытания).
Лабораторные и стендовые испытания ЭС отличаются
от реальной эксплуатации тем, что при их проведении
пока еще не представляется возможным моделировать
случайную совокупность всех внешних воздействий од-
новременно, как при реальной эксплуатации. Обычно при
лабораторных и стендовых испытаниях ЭС подвергают
5;
67
£
Классификация испытаний
по мето-
дам про-
ведения
по наз-
начению
по этапам
проекти-
рования,,
изготов-
ления и
выпуска
по виду
испытаний
готовой
продукции
по про-
должи-
тельности
по уров-
ню про-
ведения
по виду
воздействия
по резуль-
тату воз-
действия
по опреде-
ляемым
характе-
ристикам
объекта
физические
с использо-
ванием мо-
делей
исследова- тельские J ~ —JL — — - ц нормальные государст- венные^
доводочные квалифика- ционные
опреде- предвари- предъяви- ускорен- межве-
лительные тельные тельские ные домст-
сравни- приемочные приеме- сокра- венные
тельные сдаточные щенные ведом-
конт- рольные периоди- ческие ственные
тепловые
климати-
ческие
радиацион-
ные
механичес-
кие
инспекци-
онные
электри-
ческие
типовые
аттестаци-
онные
сертифика
ционные
Рис. 2.2. Классификация испытаний ЭС
неразру-
шающие
на надежность
--------- (гранимнью
разруша- I
ющие-----|технолог^-
--------- I ческие
на стой-
кость
на проч-
ность
на устой-
чивость
электро-
магнитные
магнитные
химические
биологи-
ческие
воздействию одной или нескольких определенных нагру-
зок. Это приводит к результатам, несколько отличаю-
щимся от получаемых при реальной эксплуатации. По-
этому при исследовании влияния ВВФ наряду с лабора-
торными и стендовыми испытаниями проводят также
испытания ЭС в естественных условиях.
Методы испытаний
физические испытания
реальных ЭС или их
макетов
с использованием
моделей
лабораторные
физическое
моделирование
стендовые
полигонные
математическое
моделирование
натурные
статистические
эксплуатационные
граничные
матричные
Рис. 2 3. Классификация
методов испытаний ЭС
В зависимости от условий и места проведения таких
испытаний различают полигонные и натурные испытания
ЭС. Полигонные испытания ЭС осуществляют на специ-
ально оборудованном полигоне при воздействии внешних
климатических факторов. При этом испытания ЭС, пред-
назначенных для эксплуатации и хранения только в оп-
ределенных климатических районах, проводят на полиго-
нах, расположенных в пунктах с соответствующим кли-
матом.
При проведении натурных испытаний ЭС предполага-
ется выполнение трех основных условий:
1) испытаниям подвергаются ЭС, а не их модели или
составные части;
2) испытания проводятся в условиях и при воздейст-
виях на ЭС, соответствующих условиям и воздействиям
при эксплуатации;
3) определяемые характеристики объекта испытаний
измеряются непосредственно, без использования анали-
тических зависимостей, отражающих физическую струк-
69
туру объекта испытаний и его составных частей. Пры
этом допускается применять математический аппарат
для статистической обработки экспериментальных дан-
ных.
Пример 1. На испытания представлена радиолокационная стан-
ция (РЛС) кругового обзора. Цель испытаний — определить даль-
ность обнаружения радиолокационной станцией летательного аппа-
рата заданного типа с заданной отражающей поверхностью. В про-
цессе испытаний летательный аппарат выполняет полеты по заранее
выбранным маршрутам. Дальность обнаружения РЛС находят
непосредственно (координаты РЛС известны заранее, координаты ле-
тательного аппарата известны для любого момента времени). Мо-
мент обнаружения аппарата определяется в процессе испытаний.
В данном случае все три приведенные условия выполняются,
т. е. испытания РЛС являются натурными. Испытания останутся
натурными, если вместо летательного аппарата будет использовано
некоторое физическое тело с параметрами движения, близкими па-
раметрам летательного аппарата заданного типа с заданной отра-
жающей поверхностью.
Пример 2. Проводятся испытания РЛС кругового обзора. В про-
цессе испытаний измеряются непосредственно чувствительность при-
емного тракта РЛС, мощность передатчика, частота излучаемого
сигнала и т. д. По результатам измерений с помощью формулы ра-
диолокации определяют дальность действия РЛС.
В этом случае не выполняется третье условие, так как фактиче-
ски используется математическая модель — формула радиолокации.
Поэтому рассмотренные испытания РЛС не являются натурными.
Цель полигонных и натурных испытаний — исследо-
вание комплексного влияния естественно воздействующих
факторов на изменение параметров, свойств и механиз-
мов отказов ЭС при их эксплуатации и хранении. Эти
испытания позволяют: исследовать характер реальных
физико-химических процессов, протекающих в материа-
лах и элементах испытываемых ЭС при воздействии есте-
ственных факторов; уточнять данные, получаемые при
испытаниях ЭС под воздействием внешних факторов,
создаваемых искусственным путем, а также нормы на
допустимые изменения параметров — критериев годно-
сти. По результатам полигонных и натурных испытаний
разрабатывают рекомендации по защите ЭС от влияния
внешних факторов.
Спецификой натурных испытаний являются их продолжитель-
ность, сложность и высокая стоимость. Эти испытания требуют чет-
кой организации и оптимального планирования. Для ограничения
объема натурных испытаний программа их проведения должна ба-
зироваться на анализе результатов эксплуатации, лабораторных
и стендовых испытаний, а также требований, предъявляемых к ЭС.
Это позволяет проводить испытания объекта только в тех естест-
венных условиях, в которых влияние дестабилизирующих факторов
70
наиболее значительно. Условия проведения натурных испытаний ЭС
должны максимально приближаться к реальным условиям эксплуа-
тации, для которых характерно чередование рабочих и нерабочих
периодов. Поэтому проводят натурные испытания двух видов: под
электрической нагрузкой (непрерывной или циклической) — для оп-
ределения надежности ЭС при функционировании; без электрической
нагрузки—для определения надежности ЭС при хранении.
Натурные испытания достаточно проводить только с типичными
«представителями» групп ЭС (ЭС, имеющих близкие конструктивно-
технологические решения), а затем результаты испытаний распрост-
ранять на всю группу. Это уменьшает объем и стоимость испытаний
и во многих случаях позволяет оценить влияние окружающей среды
на разрабатываемые ЭС.
В последнее время большое практическое значение приобретает
информация о надежности ЭС, получаемая в результате натурных
испытаний в условиях открытого космоса.
К физическим относятся также эксплуатационные ис-
пытания ЭС. Один из основных видов таких испытаний —
опытная эксплуатация. Иногда проводят подконтрольную
эксплуатацию, которую условно можно отнести к экс-
плуатационным испытаниям. При подготовке к подконт-
рольной эксплуатации обслуживающий персонал, руко-
водствуясь специально разработанной документацией,
осуществляет сбор, учет и первичную обработку инфор-
мации.
Испытания с использованием моделей осуществляют
методами физического и математического моделирова-
ния, которыми в ряде случаев можно заменить сложные
физические испытания реальных ЭС или их макетов. На
выходные параметры ЭС оказывают влияние изменения
параметров элементов, колебания напряжений питания,
температуры окружающей среды, влажности и др., т. е.
большая группа (часто взаимосвязанных) параметров,
которые при создании моделей отказов называют пер-
вичными (входными).
Физическое моделирование состоит в том, что первич-
ный параметр объекта испытаний заменяется простой
физической моделью, способной имитировать изменения
данного параметра.
Физические модели могут подвергаться статистиче-
ским испытаниям. Метод статистических испытаний (ме-
тод Монте-Карло) заключается в том, что путем много-
кратных случайных испытаний (вычислений, производи-
мых над случайными числами) определяют вероятность
появления некоторого случайного события (математиче-
ского ожидания случайной величины). Метод позволяет
71
определить характеристики надежности в предположе-
нии, что известен механизм отказов ЭС при различных
сочетаниях значений параметров, выбираемых случай-
ным образом согласно заданной статистической модели.
Метод статистических испытаний предусматривает про-
ведение испытаний на реальных объектах или их физи-
ческих моделях. При испытаниях на реальных объектах •
производят исследование возможных причин отказов ЭС •
и их последствий, искусственно вводя в схему обрывы,
короткие замыкания или устанавливая элементы с пара-
метрами, выходящими за допустимые нормы. При испы-
таниях на моделях ЭС ряд элементов заменяют их физи-
ческими моделями, параметры которых можно менять.
Моделирование элементов осуществляют на специальных
Стендах, на которых воспроизводят случайные изменения
указанных параметров.
Частным видом статистических испытаний ЭС явля-
ются граничные испытания. Их проводят для определе-
ния зависимостей предельно допустимых значений па-
раметров ЭС от режимов эксплуатации.
Метод граничных испытаний состоит в нахождении
области таких значений параметров ЭС, при которых
значения выходных (вторичных или эксплуатационных)
параметров находятся в пределах допуска, т.е. области
безотказной работы ЭС.
Каждый выходной параметр У/ (а их в общем случае
может быть счетное множество) зависит от множества
входных параметров Xi, Xz,-.., Xlt..., Хп, т. е. для каждого
выходного параметра можно записать
У^Ш^,...,^,...,^), (2.11)
где Yt<=y, г = 1.k, / = 1,..., п.
Для безотказной работы ЭС должно выполняться ус-
ловие
l/imin У1 l/hnax. (2-12)
что соответствует изменению значения каждого входно-
го параметра в пределах X/min^X/^х/тах.
Таким образом, область безотказной работы ЭС опре-
деляется путем изменения значений входных параметров
и фиксации предельных значений выходных параметров,
превышение которых приводит к отказам ЭС.
Граничные испытания выполняют в процессе проекта»
рования и в процессе эксплуатации. Испытания могут.л
72
быть реализованы аналитическим, графическим и графо-
аналитическим способами.
Аналитический способ применяют для испытания не-
сложных изделий, имеющих простую математическую мо-
дель, характеризующуюся, как правило, функциональной
зависимостью одного выходного и одного входного пара-
метра. Границы области безотказной работы определя-
ют расчетным путем с помощью уравнения (2.11), кото-
рое в данном случае упрощают: Yt—f^Xj).
Графический способ используют для сложных изде-
лий, когда выходной параметр зависит от нескольких
входных. В этом случае определить область безотказной
работы ЭС при одновременном изменении многих пер-
вичных параметров практически невозможно. Поэтому
границы области безотказной работы определяют экспе-
риментально путем построения сечения функции (2.11)
для каждого входного параметра X, т. е. находят допус-
тимые пределы изменения значений этих параметров
в зависимости от значения выбранного параметра гра-
ничных испытаний.
Построение сечения функции выполняют следующим образом.
На основании анализа требований, предъявляемых к ЭС, выбирают
один или несколько критериев отказа. Один из параметров ЭС при-
нимают за так называемый параметр граничных испытаний Хгр.
Устанавливают номинальные значения входного параметра Л}, по
которому производится сечение функции (2.11), и параметра Хгр.
При этом значения остальных входных параметров сохраняют по-
стоянными.
Изменяют значение параметра Хгр в меньшую и большую сто-
рону от номинального значения до момента отказа ЭС — ухода зна-
чения выходного параметра У/ за границы поля допуска, опреде-
ляемые неравенством (2.12). Аналогичные испытания осуществляют
для других значений Xj, отличных от номинального значения. В ре-
зультате получают несколько точек, соответствующих предельным
значениям выходного параметра У;. Соединив эти точки, устанав-
ливают область безотказной работы ЭС.
Пример построения области безотказной работы (графика гра-
ничных испытаний) ЭС приведен на рис. 2.4, а. В качестве параметра
граничных испытаний выбрано напряжение питания Urp, а в качест-
ве изменяемого входного параметра — сопротивление Rx в коллек-
торной цепи /?С-усилителя. Точки 1 и Г, 2 и 2', 3 и З1, соответст-
вующие предельным значениям выходного параметра, получены при
изменении напряжения Urp в меньшую (/, 2, 3) и в большую (/',
2', 3') сторону от номинального значения при определенных значе-
ниях сопротивления RK. Кривая линия, соединяющая достаточное
число подобных точек, является границей, разделяющей область
безотказной работы и область отказов ЭС.
Аналогично проводят построение сечения функции (2.11) по
другому входному параметру—Xi (например, разделительной ем-
73
кости С 7?С-усилителя), сохраняя значения остальных входных па-
раметров ЭС постоянными. Изменяя значение параметра граничных
испытаний, получают другую область безотказной работы, соответ-
ствующую различным значениям X,. Таким образом для всех вход-
ных параметров строят ряд графиков, наложив которые друг на дру-
га можно получить область безотказной работы. При этом измене-
20т 150 200 250 300 350 WO Ulp,B ° С/ игр,в
th °
Рис. 2.4. Построение области безотказной работы ЭС при
изменении значений одного (а) и двух (б) входных пара-
метров:
С , U - номинальные значения параметров
ние входных параметров производят в пределах, значительно
превышающих заданные ТУ, с целью определения потенциального
запаса надежности ЭС На рис. 2.4,6 в качестве примера показано
построение области безотказной работы для двух входных парамет-
ров (/?к и С).
Изменение первичных параметров при проведении граничных
испытаний имитируют различными методами. Так, постоянные ре-
зисторы и конденсаторы испытываемого изделия заменяют перемен-
ными или осуществляют поочередную замену исследуемого элемен-
та однотипным с известными отклонениями его параметра от
номинала. Имитацию получают также последовательным или парал-
лельным включением в схему дополнительных элементов с соответ-
ствующими номиналами.
Графики граничных испытаний позволяют: прогнози-
ровать отказы ЭС; определять правильность выбора но-
минальных значений параметров элементов того или ино-
го изделия, питающих напряжений; сравнивать «запас»
надежности ЭС — по площади областей безотказной ра-
боты и положению рабочей точки. Чем больше площадь
области безотказной работы и чем дальше отстоит от ее
границ рабочая точка, тем больше запас надежности.
К недостаткам метода граничных испытаний относятся
невозможность количественной оценки надежности
и большая трудоемкость проведения экспериментов, что
не позволяет получать данные об изменении выходных
параметров ЭС при изменении комплекса внешних воз-
действий и взаимодействии элементов.
74
Снизить трудоемкость граничных испытаний позволя-
ет графоаналитический способ [14], сущность которого
состоит в следующем. Функцию (2.11) разлагают в ряд
Тейлора в окрестности рабочей точки, ограничиваясь чле-
нами первого порядка. В результате получают неравен-
ства (условия безотказной работы ЭС), в состав кото-
рых входят частные производные. Экспериментальная
часть данного метода испытаний заключается в опреде-
лении этих производных графическим путем. По значе-
ниям частных производных оценивают влияние каждого
из входных параметров.
Матричные испытания, являющиеся развитием метода
граничных испытаний, используют для решения следую-
щих задач: определения области безотказной работы
ЭС, вычисления вероятности нахождения значения выход-
ного параметра ЭС в этой области, оптимизации пара-
метров элементов схемы и допусков на них по заданной
работоспособности изделия. Эти испытания заключают-
ся в моделировании рабочей области ЭС при всех воз-
можных значениях первичных параметров, находящихся
в пределах допусков, и сопоставлении рабочей области
с областью безотказной работы.
Моделирование осуществляют следующим образом. Диапазон
Xi mm ... Xi max возможных изменений значений каждого входного па-
раметра разбивают на равные интервалы, называемые квантами.
Перебор всех возможных сочетаний квантов, т. е ситуаций, произво-
дят в соответствии с заранее составленной таблицей — матрицей си-
туаций Обычно такая матрица содержит число столбцов, равное
числу моделируемых параметров, и число строк, равное числу пере-
бираемых ситуаций. Результаты испытаний записываются в виде
матрицы-столб'ца с числом элементов, равным числу реализаций. Ис-
пользование ЭВМ позволяет ускорить перебор ситуаций, проверку
работоспособности ЭС в каждой ситуации в соответствии с задан-
ными критериями отказа, регистрацию числа и характера отказов.
Результаты испытаний печатаются на бумажной ленте в виде мат-
рицы.
Математическое моделирование базируется на исполь-
зовании уравнений, связывающих входные и выходные
параметры объекта испытаний (в предыдущих методах
такая связь реализуется непосредственно в физической
модели) Эти уравнения выводят, изучая конкретные ЭС
и их внутренние функциональные связи, после чего вы-
полняют математическое описание установленных связей
с учетом влияния на ЭС различных факторов. Основной
недостаток метода — огромный объем теоретических
и экспериментальных исследований для определения со-
75
отношений, характеризующих математическую модель
изделия, что требует применения ЭВМ с высоким быст-
родействием и большой емкостью памяти, а также зна-
ния законов распределения входных и выходных пара-
метров изделия.
Значительная трудоемкость экспериментальных ис-
следований, технические сложности реализации физиче-
ских моделей ряда изделий (например, высокочастотных,
импульсных), высокая стоимость и длительность прове-
дения испытаний ограничивают использование методов
физического и математического моделирования в прак-
тике испытаний ЭС.
По назначению испытания можно разделить на иссле-
довательские, определительные, сравнительные и конт-
рольные. Исследовательские испытания проводят для
изучения определенных характеристик свойств ЭС. Ре-
зультаты этих испытаний служат для решения следую-
щих задач: определения или оценки показателей каче-
ства функционирования испытываемых ЭС в определен-
ных условиях эксплуатации; выбора оптимальных
режимов работы и показателей надежности ЭС; сравне-
ния множества вариантов реализации ЭС при проектиро-
вании и аттестации; построения математической модели
функционирования ЭС (оценки параметров математиче-
ской модели); отбора существенных факторов, влияю-
щих на показатели качества функционирования ЭС; вы-
бора математической модели ЭС из заданного множест-
ва вариантов. Примером исследовательских испытаний
могут служить испытания моделей. Особенностью иссле-
довательских испытаний является факультативный ха-
рактер их проведения; они, как правило, не применяются
при сдаче готовой продукции.
Определительные испытания проводят для определе-
ния количественных показателей надежности ЭС с за-
данной достоверностью. Показатели определяют экспери-
ментально путем испытаний и последующих измерений,
анализа диагностирования, с помощью органолептиче-
ских методов* регистрации отказов, повреждений и дру-
гих событий.
Сравнительные испытания служат для сравнения по-
• Органолептические методы основаны на восприятии органами
чувств такой информации, которая не может быть представлена
численно.
76
казателей надежности аналогичных или одинаковых объ-
ектов. Так, на практике иногда возникает необходимость
сопоставить качество аналогичных по характеристикам
или даже одинаковых ЭС, выпускаемых различными
предприятиями. Для этого сравниваемые объекты испы-
тывают в идентичных условиях.
Контрольные испытания, составляющие наиболее
многочисленную группу испытаний, проводят для уста-
новления соответствия характеристик ЭС заданным.
Испытания на этапах проектирования, изготовления и выпуска
изделий. Как уже отмечалось, цели и задачи испытаний меняются
в течение жизненного цикла изделия. В связи с этим понятно выде-
ление испытаний по этапам. На указанных этапах проводят доводоч-
ные, предварительные и приемочные испытания Эти испытания по
своему назначению могут быть исследовательскими, контрольными,
сравнительными, определительными. Так, доводочные испытания —
исследовательские, и проводят их при проектировании изделий
с целью оценки влияния вносимых в ЭС изменений (конструктивных,
схемотехнических и др.) для достижения заданных значений пока-
зателей качества; предварительные испытания являются контроль-
ными для опытных образцов н/или опытных партий продукции
н проводятся с целью определения возможности их предъявления
на приемочные испытания; приемочные испытания также являются
контрольными для опытных образцов, опытных партий продукции
или единичных изделий. Эти испытания проводят для решения во-
проса о целесообразности постановки продукции на производство
(в случае опытных образцов) или передачи ее в эксплуатацию (в слу-
чае производства единичных изделий).
Испытания готовой продукции подразделяют на ква-
лификационные, предъявительские, приемосдаточные, пе-
риодические, инспекционные, типовые, аттестационные,
сертификационные.
Квалификационные испытания проводят на установочной серии
или первой промышленной партии изделий, т. е. на стадии освоения
производства ЭС. Цель их — оценка готовности предприятия к вы-
пуску продукции данного типа в заданном объеме. Предъявитель-
ские испытания проводит служба технического контроля предприя-
тия-изготовителя перед предъявлением ЭС для приемки представи-
телем заказчика, потребителем или другими органами приемки.
Приемосдаточные испытания проводят в освоенном производстве.
Это контрольные испытания изготовленной продукции при приемоч-
ном контроле Как правило, их осуществляет изготовитель продук-
ции. Если же на предприятии-изготовителе имеется представитель
заказчика, приемосдаточные испытания проводятся им в присутст-
вии представителя предприятия-изготовителя.
С целью контроля стабильности качества продукции и возмож-
ности продолжения ее выпуска проводят периодические испытания
продукции в объеме и в сроки, установленные НТР, обычно каждый
месяц или квартал, а также в начале выпуска ЭС и при возобновле-
нии производства после временного прекращения Периодические
77
испытания включают в себя такие испытания, при которых выраба-
тывается часть ресурса ЭС (длительная вибрация, многократные уда-
ры, термоциклы). Это сравнительно дорогостоящие испытания, и по-
этому они всегда являются выборочными Результаты периодических
испытаний распространяют на все партии, выпущенные в течение
определенного времени.
И нспекционные испытания — это особый вид контрольных испы-
таний. Их осуществляют выборочно для контроля стабильности ка-
чества установленных видов продукции специально уполномоченны-
ми организациями. Типовые испытания — это испытания выпускаемой
продукции, проводимые с целью оценки эффективности внесения кон-
структивных изменений, применения новых материалов или ТП
Электронные средства могут оцениваться по категориям качества
или на соответствие их характеристик требованиям национальных
и международных стандартов. Для оценки качества продукции при
ее аттестации по категориям качества проводят аттестационные ис-
пытания, а для установления соответствия показателей качества ЭС
национальным и/или международным НТД — сертификационные ис-
пытания продукции.
По продолжительности все испытания подразделяют на нор-
мальные, ускоренные и сокращенные Под нормальными понимают
испытания, методы и условия проведения которых обеспечивают по-
лучение в необходимом объеме информации о показателях надеж-
ности изделия за такое же время, что и при эксплуатации. Методы
и условия проведения ускоренных испытаний обеспечивают получе-
ние необходимой информации о качестве ЭС в более короткий срок,
чем при нормальных испытаниях. Сокращенные испытания выпол-
няют по сокращенной программе.
По уровню проведения испытаний ЭС их можно разделить на
государственные, межведомственные и ведомственные К государ-
ственным относят испытания важнейших видов ЭС, проводимые
головной организацией по государственным испытаниям, или при-
емочные испытания, проводимые государственной комиссией. Меж-
ведомственные— это приемочные испытания ЭС, разработанных
совместно несколькими ведомствами. Эти испытания проводит ко-
миссия из представителей нескольких заинтересованных министерств
и ведомств Ведомственные испытания осуществляются комиссией из
представителей заинтересованных министерства и ведомства.
По виду воздействия различают механические, климатические,
тепловые, радиационные, электрические, магнитные, электромагнит-
ные, химические (воздействие специальных сред) и биологические
(воздействие биологических факторов) испытания.
По результату воздействия на ЭС испытания делят на разру-
шающие и неразрушающие, а также испытания на стойкость, проч-
ность, устойчивость. Испытания являются разрушающими, если
в процессе их проведения применяют разрушающие методы контро-
ля или в результате воздействия внешних факторов испытываемые
объекты становятся непригодными для дальнейшего использования.
Методы неразрушающего контроля применяют как взамен разруша-
ющих, так и в дополнение к ним. При этом сокращается время
анализа отказов, а в ряде случаев более точно устанавливаются ме-
сто и вид дефекта.
По определяемым характеристикам объекта различают испыта-
ния на надежность, граничные и технологические. Наиболее важ-
ными из них являются испытания на надежность. Надежность лю-
78
бого изделия характеризуется безотказностью, долговечностью, со-
храняемостью и ремонтопригодностью.
Под безотказностью понимают свойство ЭС непрерыв-
но сохранять работоспособность в течение заданного времени в опре-
деленных режимах и условиях эксплуатации. С течением времени
происходят износ и старение, вызывающие отказы ЭС. Долговеч-
ность невосстанавливаемого изделия характеризуется его нара-
боткой до отказа, т. е. продолжительностью работы изделия от на-
чала его эксплуатации (испытаний) до возникновения первого от-
каза. Для восстанавливаемых изделий (к ним относятся отдельные
виды ЭС), конструкция которых включает навесной монтаж элемен-
тов, в понятие «долговечность» вкладывается несколько иной смысл.
Долговечность таких ЭС ограничивается соображениями техниче-
ской и экономической целесообразности их дальнейшего использо-
вания. При этом ЭС могут иметь большое число отказов за время
эксплуатации, для устранения которых изделия ремонтируют, заме-
няя отказавшие элементы. Поэтому под долговечностью
восстанавливаемого изделия понимают его свойство
сохранять работоспособность до наступления предельного состояния
при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.
Календарная продолжительность эксплуатации ЭС от ее начала до
наступления предельного состояния составляет срок службы ЭС. По-
мимо понятия «срок службы» в практике существует понятие «га-
рантийный срок службы» ЭС, устанавливающий взаимоотношения
между заказчиком и изготовителем Гарантийный срок службы из-
делия всегда меньше его действительного срока службы. Если в те-
чение гарантийного срока происходит отказ изделия, то ответствен-
ность за него несет изготовитель, который должен выполнить ремонт
отказавшего изделия, а в случае невозможности ремонта заменить
изделие исправным. По истечении гарантийного срока службы пред-
приятие-изготовитель не несет ответственности за отказы ЭС, но
при этом не исключается, что изделия остаются надежными и тех-
нически пригодными для дальнейшей эксплуатации.
Сохраняемость — свойство ЭС сохранять зна-
чения показателей безотказности, долговечности и ре-
монтопригодности в течение и после хранения и/или
транспортирования. Под ремонтопригодностью
для восстанавливаемых изделий понимают свойство ЭС,
заключающееся в приспособленности к восстановлению
и поддержанию заданного технического ресурса путем
предупреждения, обнаружения и устранения неисправ-
ностей и отказов. Количественно ремонтопригодность
оценивается трудоемкостью восстановления работоспо-
собности изделий, которая определяется затратами вре-
мени и средств на диагностику отказов с учетом необхо-
димой квалификации обслуживающего персонала, уров-
ня технической оснащенности и системы организации
ремонта. Под ремонтопригодностью невосстанавливае-
мых изделий понимается их приспособленность к провер-
ке технического состояния и удобной замене.
79
Надежность как свойство закладывается в ЭС при
разработке и изготовлении, а оценивается в процессе ис-
пытаний и эксплуатации с помощью количественных и ка-
чественных показателей надежности (см. § 7.1). Испы-
тания, в результате которых оценивается надежность
ЭС, называют испытаниями на надежность.
Эти испытания могут быть как определительными, так
и контрольными. Результатами определительных испы-
таний на надежность пользуются для установления фак-
тических показателей надежности. Контрольные испыта-
ния на надежность проводят для оценки соответствия
показателей надежности ЭС требованиям, установлен-
ным ТЗ и ТУ.
Большое разнообразие условий эксплуатации и видов
нагрузок, которым могут подвергаться ЭС, не позволяет
ограничиваться проведением какого-либо одного из рас-
смотренных видов испытаний для того, чтобы гарантиро-
вать их надежную работу в различных условиях приме-
нения. Только по результатам всех видов испытаний
оценивается качество ЭС в целом и принимается соответ-
ствующее решение о возможности предъявления их на
приемочные испытания, постановки на производство, об
окончании освоения серийного производства или о его
продолжении, о присвоении категории качества и т. д.
§ 2.4. Проведение лабораторных и стендовых испытаний
В настоящее время применяют следующие способы
проведения лабораторных и стендовых испытаний: после-
довательный, параллельный, последовательно-параллель-
ный и комбинированный. При последовательном способе
одно и то же ЭС последовательно подвергают всем пре-
дусмотренным программой видам испытаний. Исключе-
ние составляют испытания, проводимые при воздействии
большинства химических и биологических внешних фак-
торов, которые, как правило, осуществляют на различных
рыборках. Последовательность испытаний предусмат-
ривает обычно первоочередное выявление наиболее гру-
бых дефектов изделий, например ошибок маркировки,
коротких замыканий и обрывов при приемосдаточных ис-
пытаниях.
Важное условие проведения последовательных испытаний — со-
блюдение определенного порядка воздействия внешних факторов.
Иногда при составлении программы испытаний предусматривают
80
такую последовательность воздействия внешних факторов, согласно
которой вначале действуют наиболее сильно влияющие на данное
ЭС внешние факторы. Этим достигается скорейшее выявление по-
тенциально ненадежных образцов и сокращается время испытаний.
Однако при этом теряется большая часть информации о влиянии
других факторов, которая могла быть получена при их воздействии.
Поэтому на практике чаще рекомендуется начинать испытания
с воздействия наименее жестких внешних факторов, оказывающих
наименьшее влияние на ЭС. Такой способ испытаний позволяет точ-
нее определить причины наблюдаемых отказов и составить более
полную картину о наличии потенциальных дефектов ЭС. С другой
стороны, если наиболее опасные для объекта ВВФ воздействуют
в конце последовательных испытаний, то значительно увеличивается
время их проведения.
Установление единой последовательности проведения испытаний
ЭС различных видов вряд ли оправдано. Оптимальная последова-
тельность проведения испытаний зависит от назначения ЭС и пред-
полагаемых условий эксплуатации. Поэтому для конкретных ЭС по-
следовательность проведения испытаний указывается в ТУ или про-
грамме испытаний. В то же время рекомендуется, например, перед
проверкой герметичности и влагоустойчивости ЭС проводить меха-
нические испытания, способные вызвать разгерметизацию изделий.
По этой же причине все климатические испытания целесообразно
проводить после механических.
Недостатком последовательного способа проведения
испытаний является накопление деградационных измене-
ний в физической структуре объекта испытаний по мере
перехода от одного ВВФ к другому. В результате каждое
воздействие предыдущего фактора оказывает влияние на
результаты испытаний при воздействии последующего,
что усложняет интерпретацию результатов испытаний
и ускоряет износ ЭС.
При параллельном способе проведения испытаний из-
делия подвергают воздействию различных ВВФ одновре-
менно (параллельно) на нескольких выборках. Такой
способ позволяет получить большой объем информации
за значительно более короткий промежуток времени, чем
последовательный способ, при минимальном износе ис-
пытываемых образцов. Однако параллельный способ тре-
бует существенно большего числа испытываемых изде-
лий, чем последовательный.
Компромиссным является последовательно-парал-
лельный способ испытаний, позволяющий в каждом кон-
кретном случае более эффективно использовать преиму-
щества того или иного способа и находить оптимальные
варианты их сочетания. При последовательно-параллель-
ном способе все изделия, отобранные для испытаний, раз-
бивают на несколько групп, которые испытывают парал-
6-589
81
лельно. В каждой группе испытания проводят последова-
тельным способом.
Все виды испытаний также разбивают на группы, число кото-
рых равно числу групп испытываемых изделий Группы испытаний
формируют по видам испытаний таким образом, чтобы, с одной
стероны, продолжительность испытании во всех группах была при-
мерно одинаковой, а с другой—условия проведения объединенных
в одну группу испытаний были близки к реальным В то же время
испытания на грибоустойчивость, длительное воздействие тепла
и морского тумана, воздействие солнечной радиации рекомендуется
проводить иа образцах, ие подвергшихся другим видам климатиче-
ских и механических воздействий Приведем возможный вариант
группирования видов испытании и последовательности их проведе-
ния в каждой группе
Группа I виброустойчивость, вибропрочиость при длительном
воздействии вибрации, ударная прочность, ударная
устойчивость, устойчивость к воздействию центро-
бежного ускорения, воздействие одиночных ударов
с большим ускорением, циклическое воздействие
температуры, воздействие солнечной радиации, воз-
, действие пылн
Группа ]]• теплоустойчивость при длительном воздействии по-
вышенной температуры, воздействие морского ту-
мана
Группа III: влагоустойчивость при длительном воздействии
влаги, холодоустойчивость, воздействие инея и росы.
Группа IV: грибоустойчивость.
В каждом способе испытаний предусматривается, как
правило, раздельное воздействие на ЭС внешних факто-
ров, что является существенным отличием от реальных
условий их эксплуатации. Поскольку при лабораторных
и стендовых испытаниях практически невозможно имити-
ровать реальные условия эксплуатации ЭС, ограничива-
ются определенным комплексом стандартных испытаний.
Простые и универсальные, они сложились на эмпириче-
ских принципах. Не имитируя реальных условий экс-
плуатации, эти испытания тем не менее позволяют полу-
чить информацию, дающую уверенность в том, что вновь
разрабатываемые изделия будут обладать в эксплуата-
ции не худшими характеристиками, чем предшествующие
изделия.
С целью приближения лабораторных условий испыта-
ний ЭС к реальным условиям эксплуатации все большее
распространение находит комбинированный способ испы-
таний, при котором на ЭС одновременно воздействуют не-
сколько внешних факторов
Так, для имитации условий вибрации в космическом пространст-
ве проводят лабораторные испытания на вибрацию при одиовремен-
82
о
Комбинированное воздействие внешних факторов
Внешнее воздействие Повышенная температура Пониженная : температура । о я £ а Дождь [уман (мор- ской) Солнечная радиация
Повышенная темпера- 1 X 6 !
тура Пониженная темпера- 1 1— X 6
тура
Влажность 1 ! 4 4 1—
Дождь X 1 — 4 2 7
Туман (морской) 6 X 4 2 6
Солнечная радиация 1 6 1 — 7 6
Грибообразование 4 6 4 4 4 6
Пыль и песок G 1 — 1 — X 1 — 1 —
Низкое атмосферное 1 3— 1 X X 1 —
давление
Ветер 1 — 3 X 3 6 !
Загрязнение воздуха X X 1 5 1 X
Соляной туман 1 6 6 6 1 — )
Вибрация 1 1 1 — X X 1
Звуковое давление 1 1— X X X X
Удар 1 1 X X X X
Ионизационные газы 1 6 X X X 1
Космическая радиация X X X X X 5
Обозначения 1 — механический износ. 2- ухудшение
эаботоспособности, 4 — взаимосвязанные факторы 5 — один <Ьак
совместимые факторы, X — сочетание факторов не рассматривав
сл Факторов уменьшает их влияние
Таблица 2.1
=<
0>
о
S3
£
03
>5
ном воздействии на ЭС низкой температуры и вакуума. Механичч
ские испытания самолетных ЭС, эксплуатируемых при низких гем
пературах проводят также в аналогичных условиях. При этом
требуемая температура обеспечивается подачей охлаждающего реа-
гента непосредственно к испытываемому образцу.
Выбор сочетаний совместных воздействий различных
факторов на испытываемые ЭС можно производить с по-
мощью табл. 2.1.
Основное ограничение широкого применения комби-
нированного воздействия при лабораторных и стендовых
испытаниях связано с отсутствием необходимого обору-
дования, а также со сложностью и высокой стоимостью
проведения таких испытаний
Многообразие разрабатываемых и выпускаемых ЭС
не позволяет дать однозначной рекомендации по выбору
способа проведения лабораторных и стендовых испыта-
ний и последовательности воздействия внешних факто-
ров. Однако алгоритм испытаний всегда должен выби-
раться исходя из результатов воздействий того или ино-
го фактора на конкретный объект испытаний и условий
его последующей эксплуатации. При этом следует обра-
щать внимание на то, что в процессе испытаний механизм
отказов ЭС усиливался и все потенциально ненадежные
образцы были обязательно выявлены.
§ 2.5. Программа испытаний ЭС
Программа испытаний (ПИ)—это обязательный для
выполнения организационно-методический документ, оформляемый
следующим образом [10] На титульном листе размещают:
наименование программы (например, «Типовые испытания мик-
росборок на поликоровых и металлических подложках»);
название темы, по которой ведется разработка изделия;
согласующие и утверждающие программу подписи руководите-
лей организации — разработчика ЭС и (при необходимости) пред-
ставителя заказчика.
Программа испытаний состоит из шести разделов. Раздел I
«Объект испытаний» включает наименование, чертежный и заводской
номера, дату выпуска объекта испытаний. В разделе 2 «Цель ис-
пытаний» ставится конкретная цель (или цели) испытаний. В разде-
ле 3 «Обоснование необходимости проведения испытаний» указы-
ваются плановые документы, в которых регламентирована необхо-
димость проведения испытаний (например, программа обеспечения
качества). Раздел 4 «Место проведения и обеспечение испытаний»
содержит наименование подразделения, в котором проводятся ис-
пытания, а также план работ по их подготовке и проведению с ука-
занием объема, срока исполнения и соответствующих исполнителей
работ. Раздел 5 «Объем и методика испытаний», раскрывающий
содержание испытаний, разбивается на два подраздела. В первом
84
указываются условия испытаний (число образцов, распределение их
иа группы, последовательность прохождения испытаний различными
группами по видам воздействий с регламентацией количественной
оценки каждого воздействия) и номера чертежей оснастки, необ-
ходимой для их проведения Второй подраздел включает сведения
о контролируемых параметрах изделия с указанием документации,
по которой требуется измерить или определить эти параметры. В раз-
деле 6 «Оформление результатов испытаний» регламентируется фор-
ма представления результатов испытаний: протокол, отчет, техниче-
ская справка.
Содержание основных разделов ПИ и рекомендации
по их выполнению. При составлении раздела 1 следует
учитывать, что по результатам испытаний объекта при-
нимается то или иное решение по данному объекту —
о его годности или забраковании, предъявлении на сле-
дующие испытания или возможности серийного выпуска
и др. Объектами испытаний могут быть: макеты, модели,
экспериментальные образцы изделия, изготовленные при
выполнении научно-исследовательских работ (НИР) на
этапах проектирования; опытные образцы изделия, изго-
товленные при выполнении опытно-конструкторских ра-
бот (ОКР); образцы, изготовленные при освоении изде-
лия в производстве; образцы, изготовленные в ходе се-
рийного производства.
Испытаниям подвергают изделия, соответствующие НТД по
конструкции, внешнему виду, а также параметрам, определяемым
при нормальных климатических условиях. Изделия следует испыты-
вать в тех условиях, в которых их эксплуатируют. Если составные
части изделия при монтаже, транспортировке и эксплуатации нахо-
дятся в неодинаковых условиях, их можно испытывать раздельно
в соответствии с условиями эксплуатации каждой части В этом
случае допускается также проводить испытания изделия в целом, но
по программе, учитывающей условия эксплуатации Но если, на-
пример, производится испытание ЭВМ, в состав которой входят уст-
ройства ввода — вывода, запоминающее и арифметическое устрой-
ства и др., то объектом испытаний считается ЭВМ в целом.
Если масса и габаритные размеры изделия не позволяют его
испытывать в условиях лаборатории, то необходимую информацию
о работоспособности и сохранности внешнего вида после воздейст-
вия объективных факторов получают по результатам анализа испы-
таний составных частей изделия. В том случае, когда изделие конст-
руктивно не может быть разделено на составные части, допускается
испытывать макеты, если конструкция и технология изготовления
Макетов обеспечивают их адекватность реальному изделию.
В зависимости от вида и этапа разработки продукции объектом
испытаний может быть единичное изделие или партия изделий, под-
вергаемая сплошному или выборочному контролю. Например, на
испытания предъявляется партия телевизоров объемом N. Йз М
изделий делается выборка п изделий, характеристики которых опре-
деляются. Результаты оценки и контроля выборочными методами
85
распространяются на всю партию из N телевизоров. В этом случае
объектом испытаний является вся партия телевизоров.
Если объектом испытаний служит макет или модель изделия,
то результаты испытаний относятся непосредственно к макету или
модели. Однако если при испытании какого-либо изделия некоторые
его элементы заменяют моделями и отдельные характеристики из-
делия определяют на основе испытаний этих моделей, то объектом
испытаний остается само изделие.
При выборе объекта испытаний следует исходить из
того, что в процессе испытаний должна быть подтверж-
дена работоспособность изделия/изделий при указанных
в НТД условиях эксплуатации, а также соответствие зна-
чений показателей надежности изделия/изделий требуе-
мым НТД. При этом должно быть предусмотрено: нали-
чие соответствующих устройств для проведения испыта-
ний, минимальные стоимость (включая затраты на
устройства для испытаний) и продолжительность испы-
таний, взаимозаменяемость испытываемых изделий или
отдельных функциональных узлов и блоков (для ремон-
топригодных изделий) в процессе испытаний.
Для отдельных видов испытаний целесообразно вы-
брать типопредставитель из номенклатуры изделий, изго-
товляемых по близкому конструктивно-технологическому
решению. Для этого разработана методика, направлен-
ная на то, чтобы результаты испытаний выбранного объ-
екта можно было распространить на всю номенклатуру
изделий данного конструктивно-технологического вари-
анта. В соответствии с этой методикой в каждом изделии
рассматриваемого варианта выявляют номенклатуру
и число элементов, определяющих надежность изделия
(например, переходов со слоя на слой в коммутационной
плате, элементов критических размеров пленочных и по-
лупроводниковых ЙС и т. д.). Из сравниваемых изделий
выбирают изделие, обладающее широкой номенклатурой
и насыщенностью такими элементами. Это изделие и ре-
комендуется использовать в качестве типичного для рас-
сматриваемого конструктивно-технологического вариан-
та при проведении испытаний.
Цели испытаний, которые должны быть сформулиро-
ваны в разделе 2, достаточно разнообразны. Они опреде-
ляются как видом испытаний, так и этапом жизненного
цикла изделий и описаны в § 1.6, 2.3.
Цели испытаний раскрывают их назначение, которое должно
б.зт!> отражено в названии. Поэтому, чтобы сформулировать назва-
ние испытании, необходимо установить их назначение, т. е. опреде-
лить по цели проведения испытаний, к какой из четырех групп (ис-
86
следовательские, контрольные, сравнительные, определительные} их
можно отнести. Аналогично в названии испытаний должны быть
учтены и другие признаки вида испытаний (стадия проведения ис-
пытаний, продолжительность, вид и результат воздействий и др,).
Соответственно название испытаний может содержать два и боЛее
признаков из числа перечисленных, например межведомственные
и периодические стендовые испытания на надежность.
План проведения испытаний, входящих в раздел 4 ПИ,
содержит перечень работ, необходимых для проведения
испытаний: изготовление образцов, приемка образцов
'ОТК, измерение и определение параметров образцов ис-
пытаний, подготовка устройств для испытаний, проведе-
ние испытаний, оформление результатов испытаний, со-
гласование и утверждение протокола испытаний и др.
Уникальность и многообразие свойств современных ЭС не поз-
воляют определить на испытаниях все свойства изделий во всех воз-
можных при эксплуатации режимах. Поэтому план испытаний со-
держит выборку проверяемых свойств. Для устранения субъективиз-
ма при выборе проверяемых свойств применяется методика
распределения их по степени важности. В соответствии с этой ме-
тодикой каждое свойство классифицируется как критичное или вто-
ростепенное в зависимости от его влияния на функционирование,
технический ресурс и взаимозаменяемость испытываемых изделий.
Определению приоритетных свойств ЭС в значительной мере помо-
гает знание физики их отказов Изучение природы дефектов позво-
ляет выделить наиболее информативные параметры контроля, с по-
мощью которых выявляют потенциально ненадежные изделия.
Под условиями испытаний, входящих в раздел 5 ПИ,
понимают совокупность воздействий на объект и режимов
функционирования объекта. Как указывалось ранее, ус-
ловия испытаний характеризуются воздействием на объ-
ект как объективных, так и субъективных факторов. По-
скольку основная цель испытаний состоит в получении
информации о потенциально ненадежных изделиях, вы-
бору воздействующих факторов придают первостепенное
значение. При этом учитывают: местоположение объек-
та, в составе которого используются ЭС (наземные, само-
летные, корабельные и др.); уровень разукрупнения ис-
пытываемых ЭС (система, комплекс, устройство, функ-
циональный узел), что определяет число выбранных для
испытаний ВВФ; климатический район эксплуатации ЭС,
условия эксплуатации, транспортировки и хранения. Од-
нако основные принципы выбора воздействующих фак-
торов следующие: адекватность условий испытаний усло-
виям эксплуатации; учет механизма старения или разви-
тия отказа; учет потенциальной надежности всех
элементов конструкции.
87
Для установления адекватности условий испытаний
условиям эксплуатации необходим физический подход
к выбору воздействующих факторов, который предпола-
гает знание закономерностей возникновения и развития
отказов и определение влияния различных факторов на
скорость изменения запаса прочности изделия. Анализ
диагностики отказов позволяет выявить физико-химиче-
ские процессы, происходящие в физической структуре
элементов и деталях конструкции ЭС. При этом очевид-
ны причинно-следственные связи между указанными про-
цессами и внешними и внутренними воздействиями. Це-
лесообразно элементы физической структуры исследуе-
мого изделия, изменение состояния которых вызывает его
отказы, разделить в зависимости от их основных функ-
ций на следующие группы: конструктивные, обеспечи-
вающие необходимую геометрию изделий, сочленение
его с другими изделиями и соединение элементов друг
с другом; активные (рабочие области), физические про-
цессы в которых обеспечивают функционирование изде-
ция; защитные, потеря свойств которых приводит к воз-
никновению и усилению деградационных процессов в ак-
тивных элементах. Например, в ИС можно выделить
кристалл, оксид, металлизацию, внутрисхемные контак-
ты (термокомпрессионные или ультразвуковые), провод-
ники для соединения металлизации с выводами корпуса,
корпус. Указанные элементы физической структуры вы-
полняют различные функции: кристалл — активные, кон-
структивные; оксид — защитные; проводники — актив-
ные, конструктивные и т. д. Таким образом, физическую
структуру ИС можно разделить на активные, конструк-
тивные и защитные элементы.
Условное разделение физической структуры на эле-
менты позволяет: установить основные характеристики
ЭС и определить критичные для них виды воздействий,
а следовательно, и факторы, вызывающие появление де-
градационных процессов; выявить элементы с наимень-
шей потенциальной надежностью, что обеспечивает объ-
ективность выбора номенклатуры и уровней воздейству-
ющих факторов, которые приводят к наиболее быстрому
изменению определенного вида прочности (механической,
электрической, тепловой). При выборе ВВФ следует по-
мнить, что результат их совместного действия не являет-
ся результатом аддитивного действия отдельных факто-
ров и что определенные виды отказов имеют место толь-
88
ко при совместном действии факторов. Например,
возникновение короткого замыкания между близлежа-
щими на поверхности печатной платы проводниками наи-
более вероятно при наличии повышенной влажности
и электрического напряжения.
На основании приведенных соображений необходимо
при определении условий испытаний выбирать номенкла-
туру ВВФ, характерную для условий эксплуатации, чтобы
обеспечить адекватность условий испытаний условиям
эксплуатации. В то же время при эксплуатации, как пра-
вило, имеет место более жесткое воздействие на ЭС по
сравнению с лабораторными или стендовыми испытания-
ми. Поэтому для испытаний на надежность следует вы-
бирать значения ВВФ, превышающие характерные для
нормальных условий эксплуатации ЭС.
Уровень воздействия должен учитывать наличие двух типов
процессов, вызывающих изменение состояния элементов физической
структуры испытываемых изделий — обратимых и необратимых.
Изменение характера процессов определяется как граница измене-
ний значений факторов — от допустимых или предельно допустимых
(при которых имеют место только обратимые процессы) до недо-
пустимых (при которых происходят необратимые процессы). Вы-
бранные значения воздействующих факторов должны быть такими,
чтобы за время испытаний наступили отказы тех потенциально не-
надежных ЭС, на качество которых на более ранних этапах жиз-
ненного цикла отрицательно повлияли субъективные факторы. В то
же время выбранные значения должны быть такими, чтобы после
их воздействия на испытываемые ЭС, разработанные без ошибок
(без влияния субъективных факторов), технический ресурс этих ЭС
вырабатывался не более чем на 10 %.
Наиболее эффективно выявить потенциально ненадежные.ЭС 1
позволяют удары, теплоГ~влага и электрические нагрузки Испыта-
ния на вибрацию можно рассматривать как средство контроля ка-
чества ЭС после сборки При испытаниях на вибрацию вероятность
обнаружения неустойчивости работы электрической схемы, ослаб-
ленных и треснувших частей конструкции, дефектов монтажа выше,
чем при испытаниях на воздействие любых других внешних факто-
ров Однако при выборе значения вибрационной нагрузки следует
проявлять известную осторожность, так как интенсивная вибрация
может привести к разрушению некоторых хрупких элементов.
Большое число протекающих в элементах физической структу-
ры процессов ускоряется воздействием либо температуры, либо элек-
трических нагрузок. При этом учитывают механизмы старения и раз-
вития отказа. При определенных достаточно высоких значениях
указанных факторов механизм старения может не изменяться, од-
нако интенсивность самого процесса существенно возрастает. Это
обстоятельство используют для составления программ ускоренных
испытаний.
При физическом подходе к определению условий ис-
пытаний ЭС и воздействующих на них факторов необхо-
89
димо учитывать все элементы физической структуры ЭС,
принимая во внимание деградационные процессы в них
и ускоряющие эти процессы объективные факторы. На-
пример, такой анализ может быть проведен для ИС, ко-
торую можно представить состоящей из элементов со
свойственными им показателями надежности (рис. 2.5).
Рис 2 5 Элементы физической структуры ИС со свойственны-
ми им показателями надежности:
t и Л—t0— время наработки (ч) до отказа ИС и соответствующих
конструктивных элементов s
По характеру воздействующих на ЭС факторов мож-
но выделить испытания с парциальным и комплексным
воздействием объективных факторов. В том случае, ког-
да ЭС характеризуется существенно меньшим запасом
прочности (механической, электрической, тепловой), для
установления его надежности применяется парциальное
воздействие того фактора, который приводит к значитель-
ному снижению прочности. Если же ЭС несущественно
различаются по запасу прочности, а смена факторов во
время эксплуатации не приводит к выделению домини-
рующего процесса деградации, целесообразно проводить
комплексное воздействие нескольких факторов. Это необ-
ходимо также в тех случаях, когда воздействие опреде-
ляющего фактора совместно с другими эффективнее его
одиночного воздействия. Примером комплексного воздей-
ствия могут служить испытания в «камерах космоса», где
на испытываемое изделие одновременно действуют меха-
нические нагрузки (вибрации и удары),тепловые и ради-
ационные потоки.
В ряде случаев ЭС представляют совокупность функ-
ционально взаимодействующих автономных электронных
блоков и ячеек, сконструированных, в свою очередь, на
различных электрорадиоэлементах. Все они перед сбор-
90
Таблица 22
Карта основных видов испытаний на воздействия внешних факторов,
проводимых на этапе разработки изделий
Наименование радела про'раммы испытаний Вид испытаний
исследователь- ские доводочны^ контрольные предварительные контрольные приемочные
Цель испыта- Оценка влия- Определение Решение вопро-
НИЙ НИЯ вносимых в конструкцию и технологию изготовления изделия изме- нений для до- стижения за- данных значе- ний показате- лей качества возможности предъявления на приемоч- ные испытания са о постанов- ке изделия на производство или использо- вание его по назначению
Объем испы- Определяется Определяется Определяется
таний главным кон- структором нтд нтд
Объект испы- Макетные из- Экс перимен- Изделия опыт-
таний делия тальный обра- зец, изготов- ленный в опыт- ном производ- стве ной партии
Техническая Лабораторные Утвержденная Утвержденные
документация эскизы; техни- ческая записка о проведении испытаний конструктор- ская докумен- тация конструктор- ская докумен- тация, ТУ, ме- тодика испы- таний
Контроль Регистрация в журнале всех изменений, вно- симых в конст- рукцию изде- лия Оформление изменений в установленном порядке для опытного про- изводства Оформление изменений в ус- тановленном порядке для опытного про- изводства
Методика ис- Определяется В соответст- В соответст-
пытаиий заданием на испытание или вырабатывает- ся по указанию главного кон- структора из- делия вии с НТД вии с НТД, уточненной из- готовителем по согласованию с заказчиком
91
Продолжение табг 2.2
Наименование раздела программы испытаний Вид испытаний
исследовательские доводочные контрольные предварительные контрольные приемочные
Документация на испытатель- ное оборудо- вание Не требуется Все испыта- тельное обору- дование аттес- товано Все испыта- тельное обору- дование аттес- товано
Участие пред- ставителя службы обес- печения каче- ства в испыта- ниях Не участвует Участвует в качестве чле- на бригады, проводящей ис- пытания Проводит ис- пытания
Отчеты об ис- пытаниях Служебная ра- бочая тетрадь и технический отчет Отчет, содер- жащий все дан- ные об испыта- ниях Сводка резуль- татов испыта- ний и краткие выводы
Участие пред- ставителя за- казчика в ис- пытаниях Не требуется Контролирует методику ис- пытаний, со- гласует отче- ты испытаний Контролирует и согласует программы и методики, уча- ствует в прием- ке опытной пар- тии, согласует отчет по испы- таниям
График прове- дения испыта- ний Утверждается главным кон- структором из- делия Контролирует- ся плановой службой обес- печения каче- ства Контролируется плановой служ бой и предста- вителем заказ- чика
кой и после нее, как правило, проходят испытания по
своим частным программам. Для согласования частных
программ готовят комплексную программу испытаний.
Такое согласование необходимо для исключения нео-
правданного дублирования и наиболее полной системати-
зации результатов испытаний. Испытания, проводимые
на ЭС различной конструктивной сложности, обладают
как определенными достоинствами, так и некоторыми не-
достатками, что учитывают при составлении комплекс-
ной ПИ. Так, проведение испытаний менее сложных
в конструктивном исполнении ЭС позволяет: быстро об-
92
наружить «слабые места» изделий; оценить качество
элементов и в случае необходимости заменить их более
качественными; определить причины и механизмы отка-
зов отдельных элементов. Недостаток испытаний таких
ЭС — невозможность оценки некоторых параметров, вли-
яющих на совместную работу элементов.
Испытания, проводимые на более сложных в конст-
руктивном исполнении ЭС, позволяют оценить после сбор-
t ки характеристики ЭС в целом, обнаружить взаимное
^влияние элементов, ячеек и блоков и проверить возмож-
ность их заменяемости. К недостаткам таких испытаний
относятся: невозможность оценки параметров ячеек и бло-
||ков, входящих в состав ЭС; трудности определения мес-
та отказа и замены отказавшего элемента.
Информацию о содержании тон или иной ПИ, составе докумен-
тации и взаимодействии подразделения главного конструктора со
службой обеспечения качества и заказчиком дает карта испытаний.
Такая карта представляет собой таблицу, в которой перечислены
основные раздели ПИ и общие требования к ним. Примером карты
основных видов испытаний на ВВФ, осуществляемых на этапе раз-
работки, служит табл 2.2
§ 2.6. Методика испытаний
Одна из задач, решаемых при подготовке испыта-
ний,— разработка и выпуск методики испытаний. Ме-
тодика испытаний (как и ПИ)—это организаци-
онно-методический документ, обязательный к выполне-
нию. В нем сформулированы: метод испытаний, средства
и условия испытаний; порядок отбора проб; алгоритмы
выполнения операций по определению одной из несколь-
ких взаимосвязанных характеристик испытываемого из-
делия; формы представления и оценки точности, досто-
верности результатов; требования техники безопасности
и охраны окружающей среды. Методика испытаний оп-
ределяет процесс их проведения. Она может быть изло-
жена в самостоятельном документе или в ПИ. Методика
является также составной частью НТД (стандарты, ТУ)
на изготовляемые ЭС.
Воспроизводимость результатов испытаний определя-
ется качеством методики испытаний и свойствами объек-
та испытаний. При оценке погрешностей результатов ис-
пытаний очень важно выделить погрешности, обусловлен-
ные методикой. Поэтому основное требование к методи-
ке— обеспечение максимальной эффективности процесса
93
Испытаний и минимальных погрешностей результатов.
Общие требования к методике испытаний включают тре-
бования к методу испытаний, техническим средствам
и условиям проведения испытаний. Выбор метода — наи-
более ответственный момент при разработке методики ис-
пытаний.
Метод испытаний — совокупность правил при-
менения определенных принципов и средств для реали-
зации испытаний, позволяющих обеспечить проверку из-
делий на соответствие требованиям НТД. При выборе
метода учитывают конструктивно-технологические осо-
бенности изделий, нормы контролируемых параметров
И заданной точности их измерения, требования безопас-
ности проведения испытаний.
В методах испытаний конкретных ЭС должно быть
предусмотрено воздействие на изделия объективных фак-
торов (прямых и косвенных) по нормам, установленным
НТД. Для большинства испытаний воздействующие фак-
торы и их значения разбивают по степеням жесткости,
соответствующим различным условиям эксплуатации
ЭС. При этом учитывается возможность возникновения
в элементах физической структуры деградацнонных про-
цессов или известных механизмов отказов.
Все испытания должны обеспечивать минимальные за-
траты при максимальном техническом эффекте. Эффек-
тивность испытаний повышается при использовании ме-
тодов, в которых автоматически поддерживаются испы-
тательные режимы. Экономический анализ испытаний
показал преимущество неразрушающих методов, особен-
но актуальных для невосстанавливаемых ЭС, функцио-
нальная сложность, а следовательно, и стоимость кото-
рых значительны.
При выборе методов испытаний, применяемых на раз-
личных этапах создания ЭС, необходимо учитывать, что
допустимые нормы на параметры отличаются на ранних
и поздних периодах жизненного цикла изделий. При этом
устройства для испытаний должны быть выполне-
ны в полном соответствии с требованиями Единой систе-
мы конструкторской документации и своевременно ат-
тестованы. Аттестация их предусматривает определение
нормированных точностных характеристик, проверку их
соответствия НТД и установление пригодности к работе.
В методике испытаний предусмотрено описание сле-
дующих этапов процесса испытаний: проверки устройств
94
для испытаний, подготовки изделий к испытаниям, сов-
местной проверки устройств для испытаний и испыты-
ваемого изделия, регистрации результатов испытаний
и данных об условиях их проведения.
Проверка устройств для испытаний и подготовка их
к испытаниям имеют решающее значение для успешного
проведения последних. По техническим возможностям
устройства для испытаний должны соответствовать эта-
пам жизненного цикла испытываемого изделия. При этом
требования к характеристикам этих устройств повыша-
ются по мере перехода от этапа проектирования ЭС к экс-
плуатации. Устройства, удовлетворительно обеспечиваю-
щие проведение испытаний на этапе проектирования, не
могут быть применены на последующих этапах без учета
требуемой точности измерений и заданной точности под-
держания значений воздействующих факторов.
По результатам измерений параметров испытываемого изделия
устанавливают соответствие характеристик изделия ТУ, воспроизво-
димость полученных результатов (показатель стабильности производ-
ственного процесса), необходимость принятия мер по устранению
недостатков производственного процесса или конструкции изделия
и т. д Поэтому должна быть обеспечена высокая точность показа-
ний устройств для испытаний, что достигается периодическим прове-
дением калибровки.
Подготовка изделий к испытаниям включает выбор
параметров, характеризующих качество изделий, их
внешний осмотр и измерение параметров качества. Из-
делия контролируют по функциональным и физическим
параметрам, а также по внешним признакам. При вы-
боре параметров, подлежащих измерениям и контролю
в процессе испытаний, необходимо исходить из требова-
ний их максимальной информативности, чувствительно-
сти к воздействиям и объективной оценки качества испы-
тываемых ЭС.
Полученные в процессе испытаний закономерности
изменения информативных параметров могут быть поло-
жены в основу методов прогнозирования состояния из-
делий в условиях эксплуатации.
Рациональный выбор ограниченного числа информа-
тивных параметров, критичных к воздействию объектив-
ных факторов, сокращает объем измерений при испыта-
ниях, а следовательно, и стоимость испытаний в целом.
Критерием выбора информативного параметра является
соответствие изменения его значений во время испытания
основному процессу деградации, приводящему к отказу.
Перед началом испытаний отобранные изделия следует выдер-
жать в нормальных * климатических условиях в течение времени,
необходимого для стабилизации значений параметров — критериев
годности Внешний осмотр изделий и первоначальные измерения их
параметров целесообразно проводить в нормальных условиях. Дан-
ные первоначальных измерений и контроля внешнего вида необходи-
мо анализировать, чтобы установить соответствие параметров изде-
лий требованиям НТД и отметить особенности каждого изделия
(дефекты внешнего вида, неустойчивость электрических параметров).
Нередки случаи, когда в соответствии с ПИ требуется распре-
делить образцы по партиям, группам, подгруппам. Такое распреде-
ление производят случайным методом. Все изделия до постановки
их на испытание следует промаркировать. Способ маркировки дол-
жен обеспечивать устойчивость сделанной записи и не влиять иа
Качество маркируемого изделия.
Совместная проверка устройств для испытания и ис-
пытываемого изделия должна показать, выполняют ли
устройства свои функции при испытании изделия, не по-
вреждаются ли устройства при возможных перегрузках
в процессе испытаний, а испытываемые изделия — вслед-
ствие несогласованности их параметров с параметрами
устройств для испытаний. Такая проверка имеет особен-
но важное значение, если устройства впервые применя-
ют для испытания этих изделий.
Проверку устройств для испытаний ЭС выполняют либо с макет-
ным образцом изделия, либо с самим изделием. В результате про-
верки убеждаются в том, что с их помощью можно измерять и кон-
тролировать все требуемые по НТД параметры испытываемого из-
делия в установленной последовательности и с заданной точностью.
Параметры устройств измеряют сначала без объекта испытания (при
последовательном включении всех частей испытательной системы),
а затем с ним. Во время этих испытаний проверяют методику ка-
либровки устройств с внесением в нее поправок в ходе испытаний,
что позволяет в дальнейшем избежать повреждения дорогостоящих
изделий в процессе испытаний и получения неточных результатов.
Методика проверки устройств для испытаний совместно с испы-
тываемыми изделиями должна содержать определенные правила по
расположению или закреплению испытываемых образцов на испы-
тательном стенде. Например, испытываемое изделие не должно под-
вергаться воздействию прямого излучения от нагревательных эле-
ментов камеры (если в НТД не предусмотрено испытание воздейст-
вием прямого излучения).
Способ крепления изделия для проведения испытаний и физи-
ческие свойства деталей крепления должны быть указаны в НТД
иа изделие с учетом возможных положений изделия при эксплуата-
ции. Изделия, имеющие амортизаторы, следует испытывать с ними.
* Под нормальными климатическими условиями понимают ус-
ловия, которым соответствует температура воздуха (25±10)°С, от-
носительная влажность 45...75 %, давление окружающей среды
(0,86...1,06) • 105 Па.
96
При испытаниях ЭС с целью изучения деградацион-
ных процессов параметры образцов измеряют после вы-
держки в нормальных климатических условиях; время
выдержки должно обеспечивать стабилизацию парамет-
ров. При изучении обратимых процессов выдержка об-
разцов в нормальных условиях не рекомендуется. Изме-
рение параметров должно производиться в одной и той
же заранее установленной последовательности.
Для регистрации результатов испытаний следует вес-
ти записи в развернутой форме, давать подробное описа-
ние выполняемых регулировок, операций с переключе-
ниями, схем расположения приборов и монтажных схем.
Такая запись, гарантирующая регистрацию всех входных
и выходных данных с указанием единиц измерения, при-
веденных к одной системе, должна включать: перечень
параметров, характеризующих окружающие условия
(температура, влажность, запыленность); даты регист-
рации; сведения о лицах, проводящих испытания; описа-
ние точной конфигурации испытываемого изделия; све-
дения о критериях приемки или браковки в случае при-
емосдаточных испытаний.
§ 2.7. Классификация и анализ отказов ЭС
Отказом называется событие, заключающееся
в нарушении работоспособного состояния изделия. Физи-
ко-химические процессы, приводящие к отказам изделий,
называют обычно механизмами от к а з о в. Крите-
рии отказов (например, максимально допустимое значе-
ние параметра, при превышении которого изделие счита-
ется отказавшим) устанавливаются НТД на данное из-
делие. Отказы делятся на внезапные, постепенные
и перемежающиеся.
Внезапный отказ характеризуется скачкообразным из-
менением одного или нескольких заданных параметров
изделия. Внезапные отказы связаны с недостатками кон-
струкции изделия, а также с неотработанностью или на-
рушениями ТП. Они проявляются в изменении электри-
ческой и механической прочности изделия и приводят
к его разрушению. Поэтому внезапные отказы часто на-
зывают катастрофическими. Эти отказы обычно не под-
даются прогнозированию и при отсутствии резервирова-
ния ведут к отказу ЭС.
Постепенный отказ характеризуется постепенным из-
7—589
97
менением во времени одного или нескольких контроли-
руемых параметров изделия. Он возникает в результате
отклонения значений этих параметров от ранее установ-
ленной нормы, которая называется критерием годности.
Как уже указывалось, годность изделия оценивается по
параметрам — критериям годности. Постепенные отказы
часто называют условными, так как при одном и том же
значении критерия годности они в одном случае могут
приводить к потере работоспособности объекта, в кото-
ром применяется изделие, а в другом — не влиять на нее.
В связи с тем что постепенные отказы характеризуются
закономерным изменением параметра за время, предше-
ствующее отказу, они могут быть заранее предсказаны.
Перемежающиеся отказы, возникающие в изделии
при приложении к нему внешних воздействий и исчезаю-
щие после их снятия, часто встречаются в практике на-
ряду с внезапными и постепенными отказами. Например,
в полупроводниковых приборах при воздействии внешних
нагрузок перемежающийся отказ проявляется в кратко-
временном повышении сопротивления между двумя элек-
тродами, что приводит к уменьшению тока (вплоть до
его исчезновения), протекающего через контролируемую
цепь; после снятия нагрузок исходная проводимость вос-
станавливается. Перемежающиеся отказы выявляют
в процессе механических и климатических испытаний ЭС
в электрическом режиме При механических испытаниях
нагрузками для выявления этих отказов служат вибра-
ция и многократные удары, а при климатических — тер-
мические нагрузки.
В зависимости от стадии жизненного цикла изделия,
на которой следует устранить причину отказа, все отка-
зы разделяют на конструкционные, производственные
и эксплуатационные; возникают они соответственно в ре-
зультате нарушения установленных правил (условий):
конструирования изделий или его элементов, ТП изготов-
ления изделия или его элементов, эксплуатации изделия.
Такое разделение позволяет регулировать правовые вза-
имоотношения между изготовителем и потребителем из-
делий по вопросу качества выпускаемой продукции. Те
же отказы, которые по причинам их возникновения не
могут быть отнесены ни к одному из указанных видов,
следует учитывать отдельно, чтобы изготовитель обра-
тил внимание на повышение надежности конкретных из-
делий.
98
С увеличением надежности ЭС уменьшается число
отказов, а следовательно, и объем информации о Недос-
татках ТП изготовления, необходимый для организации
обратной связи. Поэтому в программе обеспечения ка-
чества особое значение приобретает анализ отказов. При
этом на этапах производства, испытаний и эксплуатации
устанавливают виды отказов и обобщают данные по от-
казам для изучения их количественных изменений во вре-
мени и для классификации. На основании полученных
сведений строят гипотезы о механизмах и причинах от-
казов, разрабатывают рекомендации по устранению этих
причин.
Анализ отказов составляет основу физического под-
хода к проблеме надежности. Он должен быть отработан
и систематизирован. Эта задача усложняется при исполь-
зовании в качестве элементной базы ИС, поскольку для
проведения анализа отказов в этом случае необходимо
выполнить больший объем измерений и исследований,
привлекая широкий круг специалистов, а следовательно,
затрачивая значительное время на выработку оконча-
тельного решения. Между тем условия производства тре-
буют оперативного принятия мер по уменьшению веро-
ятности отказов обнаруженного вида Для устранения
этого противоречия анализ отказов в случае применения
ИС разбиваю! на два этапа: первичный и вторичный
При первичном анализе определяют признаки отка-
зов, выявляют отказавшие элементы ЭС, устанавливают
виды и причины отказов и составляют рекомендации по
устранению этих причин или по проведению вторичного
анализа. Схематически методика проведения первичною
анализа отказа ИС показана на рис 2 6 По представ-
ленной методике получают полный объем первоначаль-
ных данных об отказах, который для более простых об-
разцов ЭС может быть сокращен за счет исключения от-
дельных операций анализа. Первичный анализ обычно
занимает несколько суток Он не всегда позволяет окон-
чательно установить причину отказа, однако, как пра-
вило, обеспечивает получение необходимой первичной ин-
формации (например, каким от казом следует заниматься
в первую очередь и на какой операции ТП искать его
причину). Чтобы наиболее полно раскрыть причинно-след-
ственные связи отказов, проводят их вторичный анализ.
Вторичный анализ — это процесс исследования при-
чин и механизмов отказов ЭС с привлечением статистиче-
7*
99
Первый этап (неразрушающие методы исследования)
Рис. 2.6. Методика проведения первичного анализа
отказов ИС
ских, физических и физико-химических методов. В ре-
зультате его проведения выявляют механизмы отказов
и составляют их физические модели, уточняют причины
отказов и вырабатывают рекомендации по устранению
этих причин. Объектами вторичного анализа могут яв-
ляться отказавшие ЭС, ТП их изготовления, режимы
и условия применения изделий, а также режимы и усло-
вия приемочных испытаний. Формализовать вторичный
100
Рис. 2.7. Ориентировочная методика проведения вторичного ана-
лиза отказов
анализ отказов очень сложно, поэтому его осуществля-
ют по специально разработанным программам, в которых
оговаривают цель, методы и сроки выполнения анализа.
Некоторые методы и средства вторичного анализа для
ИС приведены на рис. 2.7.
Анализ причин отказов ЭС позволяет разрабатывать
методики обнаружения и предупреждения дефектов. На
базе первичного и вторичного анализов создают класси-
фикационные схемы отказов (рис. 2.8).
Наиболее сложным в техническом отношении является анализ
эксплуатационных отказов, который выполняют в такой последо-
101
вательности- учитывают все виды отказов ЭС у различных потре-
бителей, чтобы выяснить, как влияют на них различные условия
применения изделий; проводят физическое моделирование отказов
ЭС, воспроизводя физические воздействия, эквивалентные реальным
воздействиям, которые могут иметь место в процессе изготовления
Причины отказов изделий
Дефекты
разработки
Дефекты
производства
Превышение
нагрузки
конструкции
технологии
контроля
нарушение
технологии
дефекты
комплектации
дефекты
контроля
электрической
механической
климатической
агрессивной
среды
Рис 2 8 Классификационная схема причин отказов
и испытаний ЭС; анализируют ТП изготовления ЭС Для получения
объективной информации о причинах эксплуатационных отказов ЭС
необходимы организация хорошей связи изготовителя с потребите-
лем и внедрение единой формы учета неисправностей и анализа
отказов При этом потребитель обязан' сообщать подробные сведе-
ния о характере отказов, условиях их возникновения, продолжитель-
ности исправной работы отказавших изделий; высылать изготовите-
лю без задержки вышедшее из строя изделие для последующего
анализа, поскольку, как показывает практика, при длительном хра-
нении отказавших изделий может произойти изменение или само-
устранение некоторых видов отказов, что, в свою очередь, приведет
к потере информации о физике отказов
Установление истинных причин и механизмов отказов
позволяет оптимизировать конструкции изделий, ТП их
изготовления и нагрузки на изделия с целью устранения
или сокращения числа определенных видов отказов.
Контрольные вопросы
1. Что понимают под «практически невозможным» и «практиче-
ски достоверным» событиями?
2. Назовите генеральные и выборочные характеристики, приме-
няемые при контроле качества продукции.
3 В каких практических случаях при контроле и испытании ЭС
приходится сталкиваться с композицией, и суперпозицией распреде-
лений?
4. Каков смысл оперативной характеристики и в чем заключает-
ся риск поставщика и заказчика при сдаче готовой продукции?
5. Каковы принципы классификации испытаний ЭС?
102
6 В чем отличие стендовых и лабораторных испытаний ЭС от
их реальной эксплуатации?
7. Какие испытания ЭС с использованием моделей Вы знаете?
8 Как определяют область безотказной работы ЭС?
9 Какие испытания в зависимости от их назначения Вам извё-
стньС Каковы цели этих испытаний?
10 Совокупностью каких свойств характеризуется надежность
ЭС>
11 В чем преимущества последовательно-параллельного спосо-
ба проведения испытания?
12. Каковы основные разделы программы испытаний и .их ха-
рактеристики?
13 Каковы основные принципы выбора воздействующих факто-
ров при испытании ЭС?
14. В чем состоит сущность физического подхода к выбору воз-
действующих факторов?
15. В чем состоит подготовка изделий к испытаниям согласно
методике испытаний?
16. По каким принципам классифицируют отказы ЭС? Какие
виды отказов Вы знаете?
17. Чем вызвана необходимость проведения первичного и. вто-
ричного анализов отказов ЭС?
Глава 3
ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
§ 3.1. Общие сведения
Существуют следующие виды механических испыта-
ний: на обнаружение резонансных частот конструкции
ЭС и проверку отсутствия их в заданном диапазоне час-
тот; на виброустойчивость и вибропрочность; на ударную
прочность и ударную устойчивость; на воздействия оди-
ночных ударов, линейного ускорения и акустического
шума. Все механические испытания ЭС проводят при
нормальных климатических условиях под электрической
нагрузкой или без нее. Повышение температуры окружа-
ющего воздуха при испытаниях за счет выделения тепла
стендом и ЭС допускается при условии, что она не пре-
высит верхнего значения рабочей температуры среды,
заданного в НТД на ЭС; при этом допускается обдув
стендов.
Способ крепления ЭС при механических испытаниях
указывается в НТД и программе испытаний на изделие
с учетом возможных вариантов его расположения при
эксплуатации. Однако для обеспечения эффективного
контроля стабильности производства и выявления устой-
103
чивости ЭС к соответствующему виду механических воз-
действий допускается использовать и другие способы
крепления. Изделия, имеющие собственные амортизато-
ры, следует крепить на них. Время выдержки в задан-
ном режиме отсчитывают, как правило, с момента
достижения параметров испытательного режима.
Исследования показали, что наибольшее влияние на
ЭС оказывает сочетание вибрационных нагрузок и оди-
ночных ударов. Поэтому испытания на указанные воз-
действия проводят в первую очередь. Испытания на ос-
тальные механические воздействия являются дополни-
тельными. Так, испытания на воздействие акустических
шумов позволяют выявить те дефекты ЭС, которые не
удается обнаружить при воздействии вибрации из-за
влияния амортизирующих свойств конструкции изделия
и его крепления.
Виды механических испытаний и их последователь-
ность указаны в программе испытаний и зависят от на-
значения ЭС, условий эксплуатации, типа производства.
Например, в программу определительных испытаний
опытного образца и образцов установочной серии обыч-
но включают все виды механических испытаний, а для
образцов, изготовляемых в серийном производстве, т. е.
периодически испытываемых, — только испытания, пре-
дусмотренные в стандартах и ТУ на ЭС.
Надежная работа ЭС обеспечивается благодаря нали-
чию конструктивных запасов по вибропрочности, вибро-
устойчивости, резонансной частоте и другим характерис-
тикам. Конструктивный запас ЭС по резонансной часто-
те оценивают с помощью коэффициента конструктивного
запаса
Кз =
где /он — наименьшая резонансная частота испытываемо-
го изделия; /в— верхняя частота рабочего диапазона, за-
данная в НТД.
Из приведенной формулы видно, что чем выше значе-
ние /он, тем больше /С, а следовательно, выше вибропроч-
ность при равных рабочих условиях.
§ 3.2. Виды вибраций
В зависимости от характера колебаний ЭС различа-
ют детерминированную и случайную вибрации.
104
Детерминированная вибрация изменяется по перио-
дическому закону, если функция x(t), описывающая ее,
изменяет значения через одинаковые интервалы времени
Т (периоды колебания) (рис. 3.1, а). Кривая x(t) в этих
интервалах имеет произвольную форму. Разновидностью
периодической вибрации является гармоническая, при
которой кривая x(t) изменяется с течением времени по
синусоидальному закону (рис. 3.1,6). В практике испы-
таний гармоническую вибрацию часто называют синусо-
Рис. 3.1. Периодическая вибрация (а); гармоническая вибрация и ее
спектр частот (б); периодическая вибрация как сумма гармониче-
ских колебаний и ее спектр частот (в)
105
идальной. Если начальной фазой колебаний пренебре-
гают, то для гармонической вибрации справедливо урав-
нение
х(0 = Л sin (и/), (3.1)
где x(t) — смещение от положения равновесия в момент
t; А — амплитуда смещения; co = 2jrf— угловая частота.
Спектр такой вибрации (рис. 3.1,6) состоит из одной
составляющей f= l/T. ,
Периодическое колебание может быть представлено
как сумма ряда гармонических колебаний с различными
амплитудами и частотами (рис. 3 1,в). Аналитически это
выполняется путем разложения периодического колеба-
ния в ряд Фурье — сумму бесконечного числа гармони-
ческих составляющих с амплитудами Ак и частотами
kf, т е.
х (/) = Ао + 2 &k cos (2л^/),
' *=i
где k — номер гармоники; Ак— амплитуда k-й гармо-
ники.
В сцязи с этим периодическое колебание часто назы-
вают полигармоническим. Частоты всех гармоник крат-
ны основной частоте h = \ll\ периодического колебания,
имеющего дискретный (линейчатый) спектр (рис. 3.1, в).
На практике наиболее распространенной является пе-
риодическая вибрация. Периодическую вибрацию с не-
большими нелинейными искажениями часто относят
к гармоническим колебаниям. Степень искажения мож-
но подсчитать с помощью коэффициента гармоник (ко-
эффициента нелинейных искажений)
Л? + Л3 -j- • • • + Л^ + • • •
л?
где А, — амплитуда i-й гармоники.
Случайная вибрация в отличие от детерминированной
не может быть описана точными математическими соот-
ношениями. По виду такой вибрации (рис. 3.2) невозмож-
но точно предсказать значения ее параметров в ближай-
ший момент времени. Однако можно с определенной ве-
роятностью предсказать, что мгновенное значение x(t)
вибрации попадает в произвольно выбранный интервал
значений от Xi до Xi-j-Дх. Как видно из рис. 3.2, эта ве-
106
роятноеть
Р Ixj < х (t) < jq + Axl = lim (— V A/;
X—>oc \ T
n
где ^A/;—суммарная продолжительность нахождения
i=i
амплитуды вибрации в интервале от хх до Х]-|-Ах за вре-
мя наблюдения т.
Рис. 3 2. Случайная вибрация
При т->оо отношение в правой части приведенного
уравнения все более точно описывает вероятность собы-
тия. Учитывая, что эта вероятность зависит от ширины
интервала Ах, для описания непрерывной случайной ве-
личины Л удобнее пользоваться плотностью вероятности
lim р * (0 « *1 + М
дх=о Ах
Вид функции плотности вероятности характеризует
закон распределения случайной величины. Так как слу-
чайную вибрацию можно рассматривать как сумму мно-
жества независимых и мало отличающихся мгновенных
случайных воздействий, то в соответствии с центральной
предельной теоремой распределение такой вибрации под-
чиняется закону Гаусса. В этом случае вибрацию можно
характеризовать математическим ожиданием и генераль-
ной (или выборочной) дисперсией. Математическое ожи-
107
дание М[Х] представляет собой среднее арифметическое
мгновенных значений случайной вибрации за время на-
блюдения, а генеральная дисперсия а2 — разброс мгно-
венных значений случайной вибрации относительно ее
среднего значения.
Однако возможны случаи, когда колебательные про-
цессы с одинаковыми значениями М[Х] и о2 отличаются
друг от друга за счет различной частоты, т. е. растянуто-
сти их вдоль оси времени. Поэтому удобнее исследовать
случайную вибрацию с помощью метода частотного ана-
лиза, позволяющего описывать случайный процесс не во
временной, а в частотной области. В связи с этим целе-
сообразно рассматривать случайную вибрацию как сум-
му бесконечно большого числа гармонических колебаний.
Тогда мощность ее, называемая в данном случае спект-
ральной мощностью, представляет суммарную мощность
всех синусоидальных составляющих в рассматриваемом
диапазоне частот. Спектральная мощность пропорцио-
нальна сумме квадратов амплитуд всех синусоидальных
составляющих, заключенных в пределах рассматриваемой
частотной полосы.
При анализе случайной вибрации в частотной облас-
ти пользуются не мгновенным значением амплитуд гар-
монических составляющих, а их дисперсией. Дисперсия
о2, отнесенная к рассматриваемой полосе частот Д/ —
— fz—fiy называется спектральной пло тностью
мощности случайной вибрации в этой полосе частот:
S(f) = oW-
Как видно из данного соотношения, спектральная плот-
ность характеризует мощность колебательного процесса,
Зу Вт Гц'1
Рис. 3 3. Спектральная плот-
ность мощности вибрации типа
белого шума
?ср f
приходящуюся на единицу
частотного диапазона. Пло-
щадь под кривой зависимо-
сти спектральной плотности
от частоты равна дисперсии
амплитуд гармонических со-
ставляющих. Две случайные
вибрации с одинаковыми па-
раметрами закона Гаусса
могут отличаться тем, что
их мощности сосредоточены
в различных частотных диа-
пазонах.
108
Среднее значение дисперсии случайной вибрации в ин-
тервале частот А.../2 можно измерить подавая эту вибра-
цию на вход полосового фильтра с узкой полосой пропус-
кания и усредняя возведенную в квадрат функцию на вы-
ходе фильтра.
Одной из разновидностей случайной вибрации явля-
ется так называемый «белый шум» — шумовой сигнал,
частотный спектр которого постоянен и равномерен, по-
этому и мощность его постоянна в рассматриваемом диа-
пазоне частот (рис. 3.3). Спектральная плотность ограни-
ченного по частоте fcp белого шума
s (/) = J при f fw
( 0 при />/ср,
где fcP — частота среза.
§ 3.3. Обнаружение резонансных частот
При разработке новых конструкций ЭС перед испыта-
ниями на воздействие вибраций часто проводят испыта-
ния на обнаружение резонансных частот этих конструк-
ций. Такие испытания служат для проверки механичес-
ких свойств изделий и получения исходной информации
при выборе методов испытаний на вибропрочность и воз-
действие акустического шума, а также для выбора дли-
тельности действия ударного ускорения при испытаниях
на воздействие механических ударов (одиночных и мно-
гократных). Резонансные частоты ЭС или их отдельных
элементов и узлов определяют в трех перпендикулярных
направлениях.
Обычно конструкции испытываемых ЭС являются
сложными механическими колебательными системами,
обладающими несколькими резонансными частотами.
При анализе таких конструкций наибольший интерес
представляют наинизшие резонансные частоты, так как
на них возникают максимальные напряжения и дефор-
мации. В случае совпадения резонансной частоты элемен-
та испытываемой конструкции с частотой возмущающей
силы наступает явление резонанса, которое сопровожда-
ется увеличением амплитуды колебаний более чем в два
раза и изменением их фазы на 90°.
Для определения резонансных частот изделие под-
вергают воздействию гармонической вибрации при пони-
женных ускорениях (1...5)£ в диапазоне частот (0,2...
109
l,5)fop, где foP — расчетная резонансная частота изделия.
Конкретный диапазон частот испытаний устанавливает-
ся в программе испытаний. Поиск резонансных частот
производят плавно изменяя частоту при поддержании
постоянной амплитуды ускорения (1...5)g или амплитуды
смещения (не более 1,5 мм). Резонансную частоту ЭС
определяют как среднее арифметическое значение резо-
нансных частот, полученных при испытаниях выборки.
Погрешность измерений частот должна составлять 0,5 %
или 0,5 Гц, причем учитывается большее значение. В тех
случаях, когда регистрация резонансных колебаний эле-
ментов невозможна, резонансные частоты могут быть
определены по изменению значений выходных парамет-
ров ЭС.
Пьезоэлектрический метод, являющийся наиболее от-
работанным, основан на пьезоэлектрическом эффекте,
Рис 3 4 Структурная схема
устройства для определения
резонансных частот пьезоэлект-
рическим методом.
1 — стол вибростенда; 2 — приспо-
собление для крепления изделия:
S — испытываемое изделие, 4. /9 —
пьезопреобразователн: 5, 9 —со-
гласующие устройства; 6, 8 — из-
мерительные устройства, 7 — ос-
циллограф
заключающемся в преобразовании механических коле-
баний в электрический сигнал, снимаемый с пьезоэлек-
трического преобразователя, прикрепляемого к испытыва-
емому образцу. Метод обеспечивает достаточную точность
в том случае, когда размеры и масса испытываемо-
го изделия в 10 раз и более превышают размеры и массу
пьезопреобразователя. Схема определения резонансных
частот пьезоэлектрическим методом представлена на рис.
3 4. При плавном изменении частоты колебаний стенда
и поддержания постоянным ускорения крепежной платы
на резонансной частоте ЭС наблюдается увеличение на-
пряжения на пьезопреобразователе и поворот на 90° эл-
липса на экране осциллографа.
В настоящее время растет интерес к бесконтактным
методам измерения параметров вибрации, не оказываю-
110
щим влияния на характеристики объекта измерения.
Однолучевой оптический метод — один из них. Он осно-
ван на изменении угла сходимости лазерного луча, от-
раженного от поверхности вибрирующего изделия. Оп-
ределение резонансной частоты данным методом поясня-
ет рис. 3 5.
Рис 3 5 Формирование отраженною светового пучка при вибрации
испытываемого изделия.
/—коллиматор, 2 — экран; 3 — фокусирующая линза, 4 — поверхность испы-
тываемого изделия,--------падающий луч;---------отраженный от по-
верхности изделия луч при нахождении ее в положении I и II. F и F' — пе-
редний и задний фокусы линзы
Световой поток лазера, расширенный с помощью коллиматора
1, фокусируется линзой 3 в точке F' (заднем фокусе линзы) вбли-
зи поверхности 4 испытываемого изделия, которая расположена пер-
пендикулярно направлению распространения светового потока От-
раженный от поверхности изделия свет вновь формируется той же
самой фокусирующей линзой в сходящийся световой поток, угол
сходимости которого зависит от расстояния между задним фокусом
линзы и отражающей поверхностью изделия При вибрации изде-
лия (положения I и //) это расстояние меняется и соответственно
меняется диаметр отраженного светового потока, спроецированного
иа экран 2, а следовательно, поверхностная плотность энергии из-
лучения Установив вместо экрана фотоэлектронный умножитель, на
который с помощью диафрагмы пропускают только центральною
часть отраженного светового потока, можно контролировать изме-
нение его плотности энергии по регистрирующему прибору на вы-
ходе умножителя, а при соответствующей калибровке устройства—•
контролировать и амплитуду механических колебаний испытываемого
изделия Момент наступления резонанса определяют по резкому воз-
растанию амплиту'ды выходного сигнала
Достоинством метода является не только простота
проведения измерений, но и высокая чувствительность,
которая ограничивается полосами пропускания фотоэлек-
тронного умножителя и регистрирующей аппаратуры.
Результаты испытаний, как уже отмечалось, исполь-
111
зуют для выбора других видов механических испытаний.
Так, если foH> 1000 Гц, то из механических испытаний ис-
ключают испытания на ударопрочность; если foH>
>2000 Гц, то исключают испытания на удароустойчи-
вость; если /он>2/в, то исключают испытания на вибро-
устойчивость.
Устройства, предназначенные для испытания ЭС на
обнаружение резонансных частот, описаны в § 3.4.
§ 3.4. Испытания на виброустойчивость и вибропрочность
Испытание на виброустойчивость проводят с целью
проверки способности ЭС выполнять свои функции и со-
хранять параметры в пределах значений, указанных
в ТУ, в условиях вибрации в заданных диапазонах час-
тот и ускорений. Испытание проводят под электрической
нагрузкой, контролируя в процессе его параметры ЭС.
Для проверки виброустойчивости выбирают такие пара-
метры испытываемых изделий, по изменению которых
можно судить о виброустойчивости (например, уровень
виброшумов, искажение выходного сигнала, целостность
электрической цепи, нестабильность контактного сопро-
тивления и т. д.). Степень жесткости испытания опреде-
ляется сочетанием следующих параметров (табл. 3.1):
Таблица 3.1
Параметры, характеризующие воздействие вибрации при
испытании ЭС иа виброустойчивость
Степень нсесткости Диапазон частот, Гц Амплитуда перемещения, мм Частота перехода, Гц Амплитуда ускорения, g
I 10. ..35 0,5
II 10. .55 — — 1
III 10. ..55 0,5 32 2
IV 10. . 55 0,5 — —
V 10. .80 0,5 32 2
VI 10. .80 0,5 50 5
VII 10. .150 0,5 50 5
VIII 10. .200 0,5 50 5
IX 10. .500 0,5 50 5
X 10. .500 1 50 10
XI 10. .2000 1 50 10
XII 10. .2000 2 50 20
XIII 10. .2000 4 50 40
XIV 10. .5000 4 50 40
112
диапазона частот воздействия вибрации, амплитуд пере-
мещения и ускорения, частоты перехода — частоты, при
которой происходит изменение режима испытания (от ре-
жима с постоянной амплитудой перемещения к режиму
с постоянной амплитудой ускорения). Продолжитель-
ность испытания в каждом направлении воздействия оп-
ределяется временем проверки работоспособности изде-
лий.
Испытание на вибропрочность проводят с целью про-
верки способности изделий противостоять разрушающе-
му действию вибрации и выполнять свои функции при со-
хранении параметров после механического воздействия
в пределах значений, указанных в ТУ и ПИ на изделия.
Испытания ЭС на виброустойчивость и вибропроч-
ность осуществляют методами фиксированных частот,
качающейся частоты, случайной вибрации. Выбор того
или иного метода испытания определяется резонансными
частотами изделия: если резонансная частота изделия
превышает верхнюю частоту рабочего диапазона частот
более чем в 1,5 раза, проводят испытание на одной фик-
сированной частоте; если резонансные частоты не уста-
новлены, используют метод качающейся частоты; если
испытываемое изделие имеет не менее четырех резонан-
сов в заданном диапазоне частот — метод случайной виб-
рации.
Метод качающейся частоты является в настоящее вре-
мя основным методом испытаний на виброустойчивость
и вибропрочность. Сущность его заключается в измене-
нии частоты вибрации в заданном диапазоне — от мини-
мальной до максимальной и наоборот (цикл качания),
с тем чтобы последовательно возбуждать резонансы кон-
струкции ЭС, которые приходятся на область частот ис-
пытания. Необходимость не только повышения, но и по-
нижения частоты обусловлена возможным наличием
нелинейных резонансов конструкции испытываемого из-
делия, появление которых в значительной степени зави-
сит от направления изменения частоты вибрации. Струк-
турная схема испытания методом качающейся частоты
приведена на рис. 3.6.
Генератор качания частоты (ГКЧ) управляет частотой задаю-
щего генератора 1 звуковой частоты. Автоматический регулятор
уровня вибрации (АРУВ) изменяет выходное напряжение генерато-
ра, а следовательно и мощность колебаний на выходе усилителя
мощности 2, подводимых к подвижной катушке электродинамиче-
8—589
ИЗ
ского вибратора 3 Таким образом, ГКЧ осуществляет компенсацию
колебаний частотной характеристики, а АРУВ поддерживает необ-
ходимый уровень вибрации на столе вибратора Этот уровень реги-
стрируется впбропреобразователем 5. Для достижения равномерно-
сти амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) вибратора регуля-
тор уровня вибрации должен обеспечивать глубину регулировки
в несколько десятков децибел
Рис. 3 6 Структурная схема устройства для испы-
тания методом качающейся частоты:
ГКЧ — генератор качания частоты; АРУВ — автоматиче-
ский регулятор уровня вибрации; 1 — задающий генера-
тор; 2 — усилитель мощности, 3 — вибратор; 4 — испы-
тываемое изделие, 5 — виброизмерительиый преобразо-
ватель, 6 — виброизмерительная аппаратура
При испытании ЭС методом качающейся частоты лю-
бая резонансная частота, соответствующая диапазону
частот испытания, возбуждается дважды за цикл кача-
ния. В этом состоит основное преимущество данного ме-
тода перед методом фиксированных частот. Ускорение
вибрации, равное второй производной от перемещения
(3.1) по времени, изменяется по закону
а = х = Аа sin [со (/) t\, (3.2)
где Аа= (2nf)2A — амплитуда вибрационного ускорения;
со (0 —частота, медленно меняющаяся во времени от ми-
нимального значения до максимального и обратно.
Чтобы амплитуда Аа ускорения оставалась постоян-
ной, необходимо с изменением частоты f соответственно
изменять амплитуду А перемещения стола вибростенда.
При низких частотах, значения которых в зависимости от
степени жесткости испытаний устанавливаются в преде-
лах 40...70 Гц, испытание методом качающейся частоты
114
проводят при перемещении стола вибростенда по закону
х(/) = 4 sin [со (/)/], (3.3)
где А — постоянная амплитуда перемещения стола виб-
ростенда.
В отличие от выражения (3.1), с помощью которого
описывается гармоническая вибрация с постоянными па-
раметрами, выражение (3.3) описывает гармоническую
вибрацию с одним переменным параметром — частотой
вибрации. Таким образом, испытание методом качаю-
щейся частоты на низких частотах проводят плавно ме-
няя частоту при постоянной амплитуде перемещения сто-
ла вибростенда.
При испытании на частотах, превышающих частоту
перехода, поддерживается постоянной амплитуда Аа ус-
корения. Тогда в соответствии с (3.2) должна меняться
(с изменением частоты) амплитуда перемещения А.
Частота вибрации в процессе испытания меняется во
времени обычно по экспоненциальному закону
где f„-—нижняя частота рабочего диапазона; k — пока-
затель степени, характеризующий скорость изменения
(качания) частоты.
Скорость качания частоты вибрации при испытании
ЭС на виброустойчивость должна быть такой, чтобы вре-
мя t\f изменения частоты в резонансной полосе частот
Af испытываемых изделий удовлетворяло условию
6iap> (3.4)
Здесь /чар — время нарастания амплитуды вибрации из-
делия при резонансе до установившегося значения; /у—
время окончательного установления подвижной части из-
мерительного или регистрирующего прибора. Время на-
растания определяется соотношением
^нар К QJf0, (3.5)
где ki — коэффициент, учитывающий значение времени
/наР в результате отклонения изменений амплитуды ви-
брации от линейного закона; Q — добротность механиче-
ской колебательной системы (испытываемого изделия),
зависящая от количества энергии, рассеиваемой системой
при вибрации; fo — резонансная частота. Значение ki ре-
комендуется принимать равным 2...3, а значения Q и f0
либо измеряют, либо используют данные конструктив-
8*
115
них аналогов испытываемых изделий. Понятие доброт-
ности было рассмотрено в § 1.5.
Требуемая при испытании скорость качания частоты
вибрации
цк = -4- -2001g(3.6)
к S\2Q- 1/
Время t\f выбирают в соответствии с условием (3.4).
Уменьшение скорости качания частоты приводит к уве-
личению продолжительности испытаний, что экономиче-
ски невыгодно. При испытании ЭС на виброустойчивость
обычно выбирают ок^2 окт./мин*. Если значение vK,
найденное по формуле (3.6), превышает 2 окт./мин, то
vK следует брать равным 2 окт./мин. Если же скорость
vK<2 окт./мин, то ее следует округлить до ближайшего
меньшего значения, которое может быть установлено на
приборе управления вибрационной установкой.
Пример. Предположим, что /о=2ООО Гц, <2=100 и регистрацию
нарушений функционирования изделия производят при помощи ос-
циллографа с 1У = 0,01 с. Требуется определить скорость качания ча-
стоты вибрации.
Порядок расчета.
1. По (3 5) находим £иар=2-100/2000=0,1 с.
2. Из условия (3 4) выбираем время изменения частоты в резо-
нансной полосе частот /д^ = 0,1 с.
3. В соответствии с (3 6) получаем
200 1g (201/199)
Vh =----~------ — 9 окт./с.
4 Согласно условию (3.7) выбираем Vh — 2 окт./мин.
В том случае, когда значения резонансных частот из-
делия неизвестны, испытание методом качающейся час-
тоты проводят во всем диапазоне частот. Знание меха-
нических характеристик испытываемых изделий позво-
ляет получить результаты испытания в более короткие
сроки при действии вибрационной нагрузки в наиболее
опасном диапазоне частот. Например, из рис. 3.7 видно,
что испытания на воздействия вибрации необходимо про-
водить в резонансной области II, где нагрузки (кривая
2) превышают допустимые; возможно проведение испы-
таний в дорезонансной области I, но бессмысленны испы-
тания в зарезонансной области III, где ускорение ниже
установленного.
* Октавой называют интервал между двумя частотами /2 и /ь
для которых выполняется условие fz/fi = 2 или log2(f2/fi) = 1.
116
После испытания на виброустойчивость образцы из-
делий подвергают испытанию на вибропрочность, кото-
рое осуществляют, как правило, без электрической на-
грузки. Однако в отличие от испытания на виброустойчи-
вость испытание на вибропрочность проводят не за один
цикл качания частоты, а за
несколько. Число циклов ка-
чания зависит от заданной
жесткости испытания. Так,
для степеней жесткости
XVI—XIX оно равно 30, а
для степени жесткости XX—
двум.
Если до начала испыта-
ния на вибропрочность из-
вестны значения резонанс-
ных частот испытываемого
изделия, то целесообразно
проводить ускоренные ис-
пытания, что позволяет со-
кратить время и объем ис-
пытания без потери инфор-
мации об испытываемом из-
делии. Сокращение времени
испытания ЭС основано на
грузок на долговечность изделий по закону
устойчивость изде-
устойчивость изде-
III — дорезонансная,
зарезонансная об-
Рис. 3 7. Характеристика устой-
чивости изделий при воздейст-
вии вибрации.
1 — идеальная . _
лий, 2 — нагрузка при испытании;
3 — реальная
лия, /, II,
резонансная и
ласти частот
влиянии вибрационных на-
(^ауск/" Т'/Т'усю (3-7)
где Дауск и Аа — амплитуды вибрационного ускорения
при ускоренном и обычном испытаниях; Z = 2...1O-—пока-
затель степени, значение которого зависит от особеннос-
тей конструкции и материала изделия; т и тУск — продол-
жительность обычного и ускоренного испытания. Наибо-
лее жесткому испытанию соответствует к — 2, поскольку
при этом максимальна продолжительность испытания.
С увеличением амплитуды Дяуск ускорения вибрации
необходимо следить за тем, чтобы механизм отказов ис-
пытываемых изделий оставался неизменным по сравне-
нию с обычными условиями испытания. Для ЭС, резо-
нансная частота конструкции которого лежит в полосе
частот, соответствующей заданной жесткости, пли пре-
вышает верхнее значение этой полосы, результаты испы-
тания удается получить в короткие сроки, сосредоточивая
вибрационную нагрузку в наиболее опасном диапазоне
117
частот. При этом необходимо точно знать резонансную
частоту для правильного выбора диапазона частот испы-
тания, который рекомендуется устанавливать в преде-
лах (О,75...1,4)/о.
Метод фиксированных частот применяют редко из-за отсутствия
информации о резонансных частотах испытываемых ЭС. Но даже
если перед испытанием установить частоту, равную известной резо-
нансной частоте изделия, в процессе испытания может произойти ее
смещение в сторону уменьшения, что приведет к снижению эффек-
тивности испытания. Ввиду малой информативности данного метода
испытаний обычно устанавливаемая их длительность в полтора раза
превышает длительность испытаний методом качающейся частоты.
Метод фиксированных частот применяют в тех исключительно ред-
ких случаях, когда проведение испытаний методом качающейся ча-
стоты технически неосуществимо, например при отсутствии соответ-
ствующего испытательного оборудования.
В реальных условиях эксплуатации на ЭС воздейст-
вуют, как правило, не одиночные гармонические колеба-
ния, а колебания со сложным спектром частот, чему
в большей степени соответствуют испытания ЭС на воз-
действие случайной вибрации. Такое испытание может
быть выполнено методами широкополосной случайной
вибрации и узкополосной случайной вибрации со скани-
рованием полосы частот.
Метод широкополосной случайной вибрации (ШСВ).
При использовании метода ШСВ предусматривается по-
стоянная плотность энергии каждой гармонической со-
ставляющей колебательного процесса для чего на испы-
тываемые изделия воздействует белый шум и испытание
Рис. 3 8 Структурная схема испытания методом ши-
рокополосной случайной вибрации:
j -- генератор ujjva, 2 —-усилитель мощности; 3—вибрэ-
тср 4~ испытываемое изделие; 5 — виброизмерительный
преобразователь; 6 — вибропзмернтелъная аппаратура; 7 —
ачалиенрующее устройство, &— регистрирующая аппарату-
ра
проводят при определенных значениях среднего квад-
ратического ускорения. Структурная схема испытания на
ШСВ приведена на рис. 3.8.
В качестве сигнала возбуждения задающего устройства / ис-
пользуют либо белый шум (см. рис. 3 3), либо сигнал из п состав-
ляющих (рис. 3.9, а), огибаемых кривой А, изображающей жела-
Рис. 3 9. График выравнивания случайного процесса {а) и заданная
спектральная плотность ускорения (б)
С,
2000 f, Гц
20 too ООО
6)
тельную спектральную плотность ускорения в заданной точке иа
вибростоле Указанные сигналы подают на блок фильтров Ф| — Фп
(см. рис. 3 8), состоящий из многочисленных узкополосных фильтров
фиксированной частоты, перекрывающих спектр частот сигнала воз-
буждения. Необходимое значение ускорения в узкой полосе Д/ до-
стигается интегрированием спектральной плотности ускорения по А).
Фильтры настраивают так, чтобы получить заданную характеристи-
ку спектральной плотности ускорения вибростола с учетом компен-
сации неравномерности АЧХ вибратора и приспособления для креп-
ления Программа испытания задается в виде графика спектральной
плотности ускорения. Пример такого графика показан на рис. 3.9, б.
Таблица 3.2
Параметры, характеризующие воздействие ШСВ при испытании ЭС
Степень жестко- сти испытания Среднее квадратическое — 2 ускорение, м-с Спектральная плотность ускорения, м с“2•1ц~ 1
1 109 0,05
11 200 0,2
III 200 0,2
IV 200 0,2
Примечание. Продолжительность воздействия вибрации 34 с; диа-
пазон частот 20. .2000 Гц.
119
Степень жесткости испытания (табл. 3.2) на ШСВ
определяется сочетанием диапазона частот вибрации,
среднего квадратического ускорения, спектральной плот-
ности ускорения и продолжительности испытания.
Важная особенность рассматриваемого метода испы-
таний— использование белого шума — сигнала, при ко-
тором все резонансные частоты в заданной полосе частот
возбуждаются одновременно, что позволяет учесть их
взаимное влияние и приближает испытание к реальным
условиям эксплуатации изделий. В этом состоит главное
преимущество метода ШСВ перед методом испытания из-
делий на узкополосное вибрационное воздействие, и по-
этому он является основным методом испытаний. Одна-
ко реализация метода ШСВ требует весьма сложного
и дорогостоящего оборудования. Поэтому в ряде случа-
ев он заменяется более простым с точки зрения техниче-
ской реализации методом узкополосной случайной виб-
рации со сканированием в диапазоне частот, когда слу-
чайная вибрация возбуждается в узкой полосе частот,
центральная частота которой по экспоненциальному за-
кону медленно сканирует по диапазону в процессе испы-
тания от минимального значения до максимального и на-
оборот. Таким образом обеспечивается эквивалентность
методов испытаний широкополосным сигналом и синусо-
идальным с изменяющейся частотой. При этом должно
выполняться условие
grad а = а/]Л2л/ = const,
где grad а — градиент ускорения, g-c1/2; о — среднее
квадратическое ускорение вибрации в узкой полосе час-
тот, измеряемое в контрольной точке, g; f-—центральная
частота полосы, Гц.
Степень жесткости испытания в этом случае опреде-
ляется сочетанием диапазона частот, шириной полосы
сканирования, градиента ускорения и длительности испы-
тания. Диапазон частот выбирают из того же ряда, что
и при испытании методом ШСВ (см. табл. 3.2). Градиент
ускорения grada = 0,22 ]/G(/), где G(/) —спектральная
плотность ускорения вибрации при испытании методом
ШСВ. Длительность испытания GK = 2£ш In (/в//н), где
/ш — длительность испытания на ШСВ; /в и /н— верхняя
и нижняя границы диапазона частот испытания.
Типовая структурная схема испытания на узкополосную случай-
ную вибрацию приведена на рис 3 10. Случайный сигнал с выхода
генератора шума 1 поступает на полосовой фильтр 2, пропускаю-
120
щий заданную полосу спектра. Схема АРУВ 3 обеспечивает посто-
янное значение градиента ускорения при частотной развертке сиг-
нала в узкой полосе случайных вибраций
Рис. 3 10 Структурная схема испытания методом уз-
кополосной случайной вибрации.
/ — генератор шума, 2— полосовой фильтр, 3 — усилитель
с автоматическим регулированием уровня вибрации, 4 —
усилитель мощности, 5 — вибратор, 6 — испытываемое изде-
лие; 7 виброизмерительиый преобразователь; 8 — вибро-
измерительная аппаратура
Устройства для испытания. В лабораторных условиях
испытание на вибрационные нагрузки проводят на виб-
рационном стенде (вибростенде), представляющем систе-
му, состоящую из создающего вибрацию возбудителя ме-
ханических колебаний (вибратора) и специальной плат-
формы (стола), на котором крепятся испытываемые из-
делия. Вибростенд входит в состав вибрационной уста-
новки (виброустановки).
Основные требования, которым должны удовлетво-
рять виброустановки, — это возможность получения гар-
монических вибраций в требуемом диапазоне ускорений
и частот, устойчивость и надежность в работе при дли-
тельной эксплуатации.
Виброустановки классифицируют:
1) по способу возбуждения вибрации — механические
с'кинематическим и центробежным возбуждением, элек-
тродинамические, электромагнитные, гидравлические,
гидромеханические, гидроэлектромагнитные, гидроэлек-
тродинамические, пьезоэлектрические и др.;
2) по частотным диапазонам воспроизводимой вибра-
ции — низкочастотные и высокочастотные, узкополос-
ные и широкополосные;
3) по методу проведения испытаний — на фиксиро-
121
ванных частотах и качающейся частоте (для гармониче-
ской вибрации), на ШСВ и сканированием полосы частот
/для случайной вибрации);
4) по предельным значениям основных параметров
в заданных диапазонах частот — силе возбуждения, вы-
талкивающему усилию, перемещению, скорости, ускоре-
нию, полезной нагрузке, расходуемой мощности и т. п.;
5) по кинематическим и конструктивным признакам—
для создания возвратно-поступательной или угловой виб-
рации; для воспроизведения вибрации в одном или не-
скольких направлениях (одно- или многокомпонентные);
с вибрационным столом, стержнями или другими при-
способлениями для крепления изделий; стационарные
или переносные.
Особенности различных способов возбуждения виб-
рации в виброустановках в основном определяют их час-
тотные, силовые и другие характеристики. Табл. 3.3 ил-
люстрирует возможности существующих вибрационных
установок при различных способах возбуждения вибра-
ции. Практически в ряде конструкций гиброустановок
и системах управления достигаются значения только не-
которых параметров, указанных в табл. 3.3. Назначение
виброустановок, подводимая к ним мощность, конструк-
ция вибровозбудителя, схемы управления и контроля оп-
ределяют конкретные значения параметров установок,
приведенные в табл. 3.3.
Виброустановки с механическим возбуждением явля-
ются низкочастотными. Они пригодны для длительных
испытаний в диапазоне частот 50...80 Гц в основном круп-
ногабаритных и тяжелых изделий массой 7... 100 кг. По-
вышение частоты испытания приводит к быстрому выхо-
Таблица 3.3
Возможности вибрационных испытательных установок
Способ возбуждения ви'рации Диапазон частот. I ц
ДО to 10.. ДО2 103.. 101 и выше
Механический ++ ++ X
Электродинамический + ++ ++ ++
Электромагнитный + ++ х —
Г идравлический + ++ X —
Г1 .езоэлектрический — — — ++
122
Продолжение табл. 3.3
Способ возбуждения вибрации Амплитуда гармонической возмущающей силы, Н Вид ви'рации
до 10s Ю3..,Ю4 и выше г армони- ческая случай- ная
Механический ++ ++
Электродинамический ++ ++ + ++ ++
Электромагнитный ++ + — + —
Гидравлический ++ ++ ++ + X
Пьезоэлектрический + — + —
Примечание. «++»—достижимо для распространенных конструк-
ций виброустановок; « + »—достижимо для отдельных конструкций; «—» —
недостижимо: «X» — достижимо в отдельных случаях —до (2...4) • 102 Гц.
ду из строя механизма привода и прежде всего подшип-
ников основных узлов.
Наиболее простыми по конструкции являются вибро-
установки с электромагнитным возбуждением. Они при-
меняются чаще всего для испытаний на фиксированных
частотах 50 или 100 Гц. Эти установки, как и механичес-
кие, имеют существенные искажения синусоидальной
формы колебаний. Их достоинство — практически полное
отсутствие магнитных полей в зоне проведения испыта-
ний.
В виброустановках с гидравлическим возбуждением
гидросистема служит для преобразования и усиления
вибрации, получаемой от задающего устройства первич-
ного возбудителя механического, электродинамического
или электромагнитного типа. Виброустановки, в которых
применена гидравлическая система, позволяют создавать
очень большие переменные возбуждающие усилия (до
106 Н). Они весьма эффективны при проведении испыта-
ний на очень низких частотах (0,01...! Гц). При этом
в некоторых конструкциях максимальная амплитуда ви-
брации может достигать 200 мм. Гидравлические вибро-
установки пригодны главным образом для испытаний из-
делий сверхбольших габаритов и массы в относительно
узком диапазоне низких частот.
Пьезоэлектрические виброустановки ввиду чрезвы-
чайно малой грузоподъемности (до 0,5...! Н), возможно-
сти работы в области высоких частот (свыше 1000 Гц)
и малых амплитуд возбуждаемых вибраций используют
только в калибровочной аппаратуре и в системах для ис-
123
следования резонансных частот конструктивных элемен-
тов ЭС.
Практика исследования и испытаний показала, что
наиболее совершенными являются установки с электро-
Рис. 3.11. Структурная схема элек-
тродинамической вибрационной
установки:
I __ прибор управления вибрационной
установкой; 2 — усилитель мощности;
3 — согласующее устройство; 4 — виб-
ростеид; 5 — виброизмерительиый пре-
образователь; 6 — измерительная ап-
паратура
динамическим вибровоз-
будителем. Их отличают
широкий диапазон вос-
производимых частот, хо-
рошая направленность
вибрации (малые попе-
речные составляющие ви-
брации), незначительный
коэффициент нелинейных
искажений, сравнительно
слабые магнитные поля
в зоне испытаний и др.
Применение специальной
аппаратуры управления
на электродинамических
виброустановках позво-
ляет реализовать все ос-
новные режимы вибраци-
онных испытаний. Струк-
турная схема электроди-
намической установки
приведена на рис. 3.11.
Важная составная часть установки — аппаратура управления
(выделена штрихпуиктиром на рис. 3.11), которая служит для вы-
работки сигнала звуковой частоты и для измерения амплитуд уско-
рения и перемещения стола внбростенда. Аппаратура управления
включает устройство 1 автоматического поддержания заданного ус-
корения и автоматического качания частоты в заданном диапазоне
с заданной скоростью. Обычно это задающий генератор и автома-
тический регулятор амплитуды. После усилителя мощности 2 сиг-
нал переменного тока поступает в подвижную катушку вибростен-
да 4, реактивная составляющая мощности которой изменяется в ши-
роких пределах вследствие изменения частоты тока возбуждения.
Поэтому для согласования выходного сопротивления усилителя мощ-
ности с входным сопротивлением подвижной катушки используют
согласующее устройство 3 — набор последовательно включенных ем-
костей. Виброизмерительиый преобразователь 5 крепят либо на сто-
ле вибростенда, либо на испытываемом изделии. Он служит для
выработки пропорциональных амплитудам ускорений электрических
сигналов, которые поступают на измерительное устройство 6 аппа-
ратуры управления и на схему поддержания заданной амплитуды
ускорения или перемещения.
Типовая конструкция электродинамического вибростенда (ЭДВ)
приведена на рис. 3.12. Катушка подмагничивания 8, по которой
124
протекает постоянный ток, создает в магнитопроводе 6 постоянный
магнитный поток 7, пересекающий воздушный зазор магнитопрово-
да. Если в этот воздушный зазор поместить проводник — катушку
5, через которую пропустить постоянный ток, то возникающий вокруг
нее магнитный поток взаимодействует с магнитным потоком 7. Ес-
ли магнитный поток катушки направлен так, что его силовые линии
складываются с силовыми линиями магнитного потока 7 над катуш-
Рис. 3.12. Типовая конструкция электродинамиче-
ского вибростенда:
1 — испытываемое изделие; 2— стол вибростеида; 3 —
упругая подвеска стола; 4— магнитный экран; 5 — под-
вижная катушка; 6— магнитопровод; 7 — магнитный
поток; 8— катушка подмагничивания; 9— основание
кой и вычитаются под ней, то в результате такого взаимодействия
на катушку действует выталкивающая сила по правилу левой руки.
Если через цилиндрическую подвижную катушку 5 пропустить
переменный ток, то катушка начнет совершать колебательное дви-
жение вверх-вниз с частотой и амплитудой, соответствующими час-
тоте и амплитуде подводимого электрического сигнала. В рассматри-
ваемом случае катушка, жестко соединенная с рабочим столом 2,
образует подвижную систему вибростенда, которая подвешена на
упругих элементах 3 — подвесках. Чаще применяют механические
подвески в виде пружин или дисковых диафрагм, в отдельных об-
разцах ЭДВ — пневматические или электромагнитные. Подвески по-
зволяют системе двигаться в строго вертикальном направлении.
125
По конструкции магнитной системы различают ЭДВ
с одностержневым и двухстержневым вибратором (рис.
3.13). В случае одностержневого вибратора рабочий стол
и подвижная катушка расположены в противоположных
частях магнитной цепи (рис. 3.13, а); в случае двухстерж-
Рис. 3 13. Конструкции одностержневого (а) и двухстержне-
вого (б) вибраторов
невого вибратора рабочий стол соединен непосредствен-
но с подвижной катушкой (рис. 3.13,6). Достоинствами
одностержневого вибратора являются простота конструк-
ции, малые потери, удобство крепления и центровки под-
вижной системы. К недостаткам можно отнести значи-
тельные поля рассеяния магнитного потока в плоскости
рабочего стола (что требует использования специальных
магнитных экранов защиты испытываемых изделий), по-
ниженную жесткость конструкции подвижной системы
из-за большой ее длины.
Более совершенна магнитная система двухстержне-
вого вибратора, обмотки которой выполнены так, что их
магнитодвижущие силы равны и направлены навстречу
друг другу. Л4агнитные потоки обеих обмоток в воздуш-
ном зазоре складываются и оказывают совместное дей-
ствие на подвижную обмотку. Потери мощности в двух-
стержневом вибраторе почти вдвое меньше, чем в одно-
стержневом. Конструкция двухстержневого вибратора
позволяет получать большие возмущающие силы и созда-
вать колебания с высокими ускорениями.
126
- При использовании данной конструкции необходимо применять
магнитный экран (см. рис. 3.12), обеспечивающий защиту испыты-
ваемого изделия от влияния магнитного поля ЭДВ, рассеиваёмого
из воздушного зазора. Эффективным способом ослабления магнит-
ного поля рассеивания, которое не должно превышать 5 Э на рас-
стоянии 20 мм от поверхности стола, является применение компен-
сирующей размагничивающей катушки, расположенной выше воз-
душного зазора и включенной таким образом, что ее постоянное
магнитное поле направлено навстречу магнитному полю рассеива-
ния. Для лучшего сглаживания результирующего поля и дополни-
тельной компенсации магнитного поля компенсирующую катушку
и магнитный экран (одинарный или двойной) используют совмест-
но; магнитное поле рассеяния ослабляется более чем в 60 раз.
Важное значение при работе ЭДВ имеет охлаждение
подвижной катушки, через которую проходит переменный
ток от единиц до сотен ампер. При этом обмотка сильно
разогревается и может выйти из строя. Для отвода теп-
ла применяют различные способы охлаждения.
Электродинамические вибростенды малой мощности принуди-
тельного охлаждения не имеют: ЭДВ средней мощности охлаждают,
как правило, сжатым воздухом, подведенным из воздушной маги-
страли, или воздухом от специальной воздуходувки. Подвижные ка-
тушки мощных ЭДВ охлаждают чаще всего дистиллированной во-
дой или трансформаторным маслом. Иногда в ЭДВ средней и боль-
шой мощности применяют комбинированную систему охлаждения,
в которой подвижная катушка охлаждается потоком воздуха, а ка-
тушка подмагничивания и кольцевой зазор магнитопровода — про-
точным маслом. Использование масляного охлаждения очень часто
позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения воспроиз-
водимых вибраций, особенно при испытаниях ЭС, чувствительных
к этому параметру ЭДВ.
Стол-платформа при всей своей кажущейся просто-
те— один из важнейших конструктивных элементов
ЭДВ, существенно влияющий на его характеристики.
Верхнюю часть стола выполняют в виде плоского диска
с впрессованными втулками, через которые к столу кре-
пят приспособления с испытываемым изделием. Стол
ЭДВ должен быть прочным, жестким и в то же время
по возможности легким, так как его масса влияет на ос-
новную характеристику ЭДВ — максимально развивае-
мое ускорение.
Электродинамический вибростенд располагают на специальном
фундаменте, значительно снижающем вибрации здания. Помещение,
в котором находится ЭДВ, должно обладать хорошей звукоизоля-
цией, позволяющей уменьшить шум до безопасного для обслужива-
ющего персонала уровня.
Основные технические характеристики ЭДВ, рекомен-
дуемые для широкого класса ЭС, приведены в табл. 3.4.
.127
Таблица 3.4
Основные технические характеристики электродинамических
вибростендов
Тип вибростеида Выталкиваю- щая сила, Н Максимальная нагрузка (гру- зоподъем- ность) , кг Максимальное перемещение, мм Масса под- вижной систе- мы. кг Частота пер- вого высоко- частотного резонанса, Гц Коэффициент гармоник, % Ток подмаг- ничивания , А
ВЭДС-10 100 1,9 6 0,6 4000 3 0,5
ВЭДС-100Б 1000 22 7,5 2,4 3400 8 1,6
ВЭДС-200А 2000 45 12,5 5 — 8 2,0
ВЭДС-400А 4000 90 12,5 9,2 — 8 3,5
ВЭДС-800А 8000 150 12,5 16 — 8 4,4
ВЭДС-1500 15 000 300 6 30 1850 10 6,7
Примечание Диапазон рабочих частот 5. .5000 Гц;
ускорение без нагрузки 1000 м/с2.
максимальное
Трудной технической задачей является создание и эксплуатация
виброустановок, предназначенных для испытания ЭС методом ши-
рокополосной случайной вибрации. Так как среднее квадратическое
ускорение создается на столе вибростенда, то из-за нелинейности
АЧХ системы вибростенд — приспособление — изделие спектральная
плотность ускорения в процессе испытания может искажаться. По-
этому для обеспечения воспроизводимости необходимо так сформи-
ровать входной сшнал, чтобы на испытываемых изделиях получить
постоянную спектральную плотность ускорения в диапазоне частот
испытания. С этой цепью входной сигнал с помощью фильтров раз-
деляется на ряд узких частотных полос. Регулировка уровня вибра-
ции в каждой полосе частот происходит раздельно На вибрационных
установках, не имеющих устройств автоматического выравнива-
ния спектральной плотности ускорения, для получения ее постоян-
ного уровня во всем диапазоне частот испытания снимают АЧХ си-
стемы вибростенд — приспособление — изделие при постоянном на-
пряжении на выходе усилителя мощности. Изменяя уровни вибрации
на выходе в каждой полосе частот, выравнивают АЧХ вибрацион-
ного стенда таким образом, чтобы на испытываемых изделиях в кон-
трольной точке получить постоянную спектральную плотность уско-
рения в диапазоне частот испытания.
Изделия на столе вибростенда крепят с помощью
специальных приспособлений. При этом должны выпол-
няться следующие требования: изделие должно крепить-
ся в приспособлении с минимальными зазорами и тем же
способом, что при эксплуатации; резонансная частота
fon приспособления должна быть в 1,5...2 раза выше верх-
него значения частоты вибрации изделия; центр тяжести
изделия должен быть на оси виброштока. Наиболее прос-
128
то крепление изделия к платформе вибростенда осущест-
вляется с помощью пазовых болтов. В составе виброус-
тановки приспособление служит источником наибольших
погрешностей испытательного режима. С целью их умень-
шения необходимо повышать жесткость приспособления
при одновременном уменьшении его массы и поперечных
колебаний при консольном нагружении испытываемыми
изделиями. Для этого приспособления изготовляют из
материала с максимальной удельной жесткостью и ми-
нимальной удельной массой, выбирая рациональную
форму приспособления и вводя в его конструкцию допол-
нительные элементы жесткости.
Для изготовления приспособлений широко используют сплавы
алюминия: АЛ-9, АЛ23-1. Более перспективным материалом явля-
ется магниевый сплав МЛ5. Благодаря его существенно меньшей
плотности (в 1,5 раза по сравнению с алюминиевыми сплавами)
можно уменьшить массу приспособлений. С этой целью допускает-
ся также высверливать в приспособлении несквозные отверстия диа-
метром до !/3 толщины его стенки. Однако, как показывает опыт,
снижение массы таким путем приводит к значительному ухудшению
технических характеристик приспособлений.
Для одновременного испытания нескольких образцов миниатюр-
ных ЭС целесообразно использовать приспособления в форме много-
гранников (треугольников, кубов, пятигранников и др). Наиболее
предпочтительны приспособления в форме куба, позволяющие кре-
пить испытываемые изделия сразу в трех плоскостях Длину I реб-
ра куба определяют исходя из размеров и числа испытываемых из-
делий, размещаемых иа одной грани. Резонансная частота куба свя-
зана с длиной его ребра соотношением /о=8-1О8//
При конструировании приспособлений с учетом возможности од-
новременного испытания нескольких образцов миниатюрных ЭС
особое внимание следует обращать на центровку системы стол виб-
ратора— приспособление — испытываемое изделие, т е на совмеще-
ние центра тяжести приспособления с испытываемым изделием
и продольной оси подвижной части вибратора. Особенно важно со-
блюдать центровку при испытаниях на частотах от 1000 до 5000 Гц,
так как на этих частотах даже незначительная расцентровка приво-
дит к существенным поперечным перегрузкам приспособлений, пре-
вышающим в некоторых случаях в 2...3 раза вибрацию в основном
направлении Наряду с центровкой указанной системы в многопо-
зиционном приспособлении следует строго соблюдать его симмет-
ричное нагружение испытываемыми изделиями. При этом на при-
способлении предусматривается место для установки датчика в конт-
рольной точке — единственной, в которой получают контрольный
сигнал, соответствующий требованиям испытания, а также информа-
цию о движении испытываемого изделия. Контрольную точку выби-
рают по возможности ближе к точке крепления приспособления на
платформе вибратора. Для уменьшения числа местных резонансов
соединения испытываемых изделий нужно крепить изделие к плат-
форме с наибольшей жесткостью при небольшом числе крепежных
деталей.
9—589
129
Основные характеристики некоторых типов виброизмерите^ьной
Тип виброизмеритель- ной аппаратуры Диапазон частот, Гц Диапазон измерения
перемещения, мм скорости, м/с
ВА-2 5.. .10 000 1...25 10—3... 16
5...2000 0,3...100 3- 10Е..5
ПИУ-1М 40...3000 —
УП-ЗМ 20...5000 — —
СУВУ-3 5... 10 000 25 —
* Погрешность измерений приведена без учета погрешностей источников
После изготовления приспособление должно быть ат-
тестовано на правильность передачи воздействия. С этой
целью снимают частотную характеристику приспособле-
ния, для чего приспособление закрепляют предусмотрен-
ным способом на платформе вибростенда. На основании
показаний датчика, установленного в контрольной точ-
ке, поддерживают постоянное ускорение, а с помощью
датчика, установленного в точке приспособления, наибо-
лее удаленной от контрольной, производят измерение
ускорения Если в рабочем диапазоне частот ускорения
в данной и контрольной точках не отличаются более чем
на ±25 %, то приспособление можно считать пригодным
для одновременного испытания нескольких изделий.
Для измерения параметров вибрации применяют спе-
циальную виброизмерительную аппаратуру. Основные
технические характеристики некоторых типов такой ап-
паратуры, выпускаемой серийно отечественной промыш-
ленностью, приведены в табл. 3.5. Так как наиболее важ-
ными параметрами гармонической вибрации являются
амплитуда ускорения/перемещения и виброскорость/час-
тота, а случайной вибрации — спектральная плотность
ускорения, то в зависимости от измеряемого параметра
вибрации шкалы приборов виброизмерительной аппара-
туры отградуированы в единицах перемещения, скорости
и ускорения.
При отсутствии измерительных приборов амплитуду вибрации
можно Определить приближенно Для этого на столе вибростеида
перпендикулярно его рабочей оси закрепляют карандащ, под которым
130
Таблица 35
аппаратуры
Тип виброиз- мерительного преобразова- теля Погрешность измерений* Масса, кг
ускорения, м/с2
1О-2...1О5 Д14 ±12% 25
0,3-10-2...2 Д13 ±1,5дБ 25
0...5000 0...500 ПДУ-1 ±15 дБ 5,5
0...1000 ИС-318 ±5% (60...5000 Гц) 6
2500 ИС-313 ±5% (20... 10 000 Гц) 45
вторичного электропитания
располагают полосу белой бумаги При протягивании бумаги каран-
даш оставляет след, повторяющий движение стола вибростенда, —
кривую колебания Измеряя расстояние между двумя соседними
максимумами и минимумами полученной кривой и деля это рассто-
яние пополам, получают приближенное значение амплитуды вибра-
ции.
§ 3.5. Воздействие ударной нагрузки
Механизм воздействия удара. В механике абсолютно
твердого тела удар рассматривается как некоторый скач-
кообразный процесс, продолжительность которого беско-
нечно мала. Во время удара в точке соприкосновения со-
ударяющихся тел возникают большие, но мгновенно дей-
ствующие силы, приводящие к конечному изменению
количества движения В реальных системах всегда дейст-
вуют конечные силы в течение конечного интервала вре-
мени, и соударение двух движущихся тел связано с их
деформацией вблизи точки соприкосновения и распрост-
ранением волны сжатия внутри этих тел. Продолжитель-
ность удара зависит от многих физических факторов: уп-
ругих характеристик материалов соударяющихся тел, их
формы и размеров, относительной скорости сближения
и т. д.
Изменение ускорения во времени принято называть
импульсом ударного ускорения или ударным им-
пульсом, а закон изменения ускорения во времени —
формой ударного импульса. К основным параметрам
ударного импульса относят пиковое ударное ускорение
9*
131
(перегрузку), длительность действия ударного ускорения
и форму ударного импульса. Результат воздействия уда-
ра на изделие (реакция изделия) зависит от его динами-
ческих свойств — массы, жесткости и частоты собствен-
ных колебаний. Под реакцией ЭС на воздействие
ударного импульса понимают отклик изделия на это воз-
действие. Различают несколько основных видов реакции
ЭС, соответствующих баллистическому (или квазиамор-
тизационному), квазирезонансному и статическому (или
квазистатическому) режимам возбуждения.
Рассмотрим реакцию на удар линейной механической системы
с одной степенью свободы, у которой отсутствует демпфирование
(рис. 3.14). Пример импульса возбуждения при ударе приведен на
Рис. 3 14. Механическая
система с одной степенью
свободы (а) и схема при-
ложения сил (б)
Рис. 3.15. Пример импульса воз-
буждения при ударе:
1 — воздействующий полусинусоидаль-
ный ударный импульс; 2— искажение
формы ударного импульса
рис. 3.15. Искажение формы ударного импульса длительностью Т
происходит вследствие наложения колебаний, возникающих в меха-
нической системе стол — приспособление — изделие. Уравнение дви-
жения изделия при отсутствии потерь на трение
тх + Сх = СТосн,
где т и х — масса и ускорение изделия; С — жесткость пружины;
х — смещение изделия при ударе; F0CB — ударная сила импульса,
приводящая в движение опорное основание (стол стенда, шасси или
плату), получающее первичный удар.
Характеристики ускорения x=d'2xldt2 для изделий
с различными периодами Toi собственных колебаний при-
ведены на рис. 3.16. При T’oi^t — баллистический режим
132
Рис. 3 16. Кривые возбуждения изделий при ударе:
amii‘ ат2Г am3i — максимальные положительные ускорения
во время удара: ат12' атп22’ °тп32 “ то же* после УДаРа»
°7П23 — максимальное отрицательное ускорение во время
удара; aml4. am2J, атз4 — то же. после удара
возбуждения — максимальное значение ат12 ускорения
изделия всегда меньше максимального (пикового) зна-
чения а„ ускорения воздействующего ударного импуль-
са: ami2<an (рис. 3.16, а). При Tqi^t — квазирезонанс-
ный режим возбуждения — am2i>an (рис. 3.16,6). При
Toi<t?r наблюдается статический режим возбуждения —
изделие повторяет воздействующий ударный импульс,
поэтому атз1 = «п (рис. 3.16, в). В этом случае после дей-
133
ствия импульса имеют место остаточные колебания соб-
ственной частотой f0 изделия.
Отклик изделия на воздействие ударного импульса (рис. 3.16)
можно условно разбить на два участка: отклик изделия в течение
действия ударною импульса (текущий отклик) и после его окон-
чания (отклик последействия). Для удобства анализа воздействия на
изделие ударной нагрузки строят огибающие текущего отклика
и отклика последействия При этом учитывают, что результаты ис-
пытания оценивают на практике по максимальному значению уско-
рения отклика. В то же время, как видно из рис 3 16, отрицатель-
ные значения ускорения изделия во время действия ударного
импульса меньше положительных, а отрицательные значения ускоре-
ния изделия после действия ударного импульса либо меньше по-
ложительных, либо равны им Поэтому при построении огибающих
отклика отрицательные значения ускорения не учитывают, а из по-
ложительных значений учитывают только максимальные значения
ускорения текущего отклика и отклика последействия. По оси ор-
динат откладывают коэффициент динамичности ц, равный отноше-
нию максимального значения ат ускорения изделия к максимально-
му значению ап ускорения ударного импульса (рис 3 17). При этом
в случае огибающей текущего отклика (кривая Q) под ат понима-
ют максимальное ускорение изделия в течение действия ударного
импульса, а в случае огибающей отклика последействия (кривая
М) максимальное ускорение отклика последействия. По оси аб-
сцисс откладывают обобщенную частоту — безразмерную величину
f0T Поэтому графики зависимостей ц от /от в существующей норма-
тивно-технической документации называют ударными спек-
трами.
Поскольку отрицательное ускорение во время удара всегда мень-
ше положительного, изделия с неизвестными направлениями воз-
действий рекомендуется испытывать в положительном и отрицатель-
ном направлениях С учетом того, что изделие может быть испыта-
но в трех взаимно перпендикулярных направлениях, общее число
направлений воздействия при испытании на удар должно быть рав-
но шести.
На спектрах (рис. 3.17) в соответствии с рис. 3.16
можно выделить баллистическую, квазирезонансную
и статическую области. Баллистической области соответ-
ствует участок обобщенных частот, при которых коэффи-
циент динамичности ц<1 (для полусинусоидального им-
пульса /от <0,25). В этой области результаты испытания
существенно зависят от длительности и формы импуль-
са. Поэтому для обеспечения воспроизводимости резуль-
татов следует избегать испытания в данной области спек-
тра или более строго выдерживать параметры удара.
Квазирезонансной области соответствует часть спект-
ра от верхней границы баллистической области до обоб-
щенной частоты, при которой р">1. Верхняя граница этой
области не определена. Например, для лолусинусоидаль-
134
Рис. 3.17. Огибающие откликов ЭС при воздействии симметричных
трапецеидального (а) и полусинусоидальиого (б) импульсов, пило-
образного импульса (в)
ного импульса Международная электротехничесекая ко-
миссия рекомендует за верхнюю границу принимать for=
= 10. В практике испытаний достаточно принимать fox —
= 5, что соответствует ц = 1,2. Допускается принимать
f0x = 2 (ц = 1,3). Квазирезонансная область отражает са-
мый тяжелый режим испытания, при котором наблюда-
ются наибольшие коэффициенты динамичности при уда-
ре. Поскольку в этом случае вероятность разрушения ЭС
максимальная, при проведении такого испытания наибо-
135
лее достоверно определяют запас прочности испытывае-
мого изделия.
В статической области, соответствующей остальной
части спектра, ц~1 и результаты испытания не зависят
ни от формы импульса, ни от его длительности. Испы-
тание на воздействие ударных нагрузок в статической
области равноценно испытанию на воздействие линейного
ускорения, так как последнее можно рассматривать как
удар бесконечной длительности.
Характеристики режимов испытания. Различают два
вида испытания изделий на ударную нагрузку: на удар-
ную прочность и ударную устойчивость. Испытание на
ударную прочность проводят с целью проверки способ-
ности ЭС противостоять разрушающему действию меха-
нических ударов, сохраняя свои параметры после воздей-
ствия ударов в пределах, указанных в НТД на изделие.
Испытание на ударную устойчивость проводят с целью
проверки способности ЭС выполнять свои функции в ус-
ловиях действия механических ударов.
При испытании на ударную нагрузку испытываемые
ЭС подвергают воздействию либо одиночных, либо мно-
гократных ударов. В последнем случае частота следова-
ния ударов должна быть такой, чтобы можно было
выполнить контроль проверяемых параметров ЭС. Основ-
ные характеристики режимов испытания ЭС при много-
кратном воздействии ударов — пиковое ударное ускоре-
ние и общее число ударов — задаются в соответствии со
степенью жесткости испытаний (табл. 3.6).
Форма ударного импульса как одна из важнейших
характеристик, обеспечивающих единство испытаний,
должна регламентироваться в ЧТУ. Самым опасным для
изделия является трапецеидальный импульс, поскольку
Таблица 3.6
Основные характеристики режимов испытания
Степень жест- кости Пиковое ударное ускорение, g Общее число ударов для преду- смотренной в стандартах и ТУ на изделия выборки объемом
3 и менее | более 3
I 15 12 000 10 000
II 40 12С0Э 10 000
III 75 6 000 4 000
IV 150 6 000 4 000
136
он имеет наиболее широкую область квазирезонансного
возбуждения и наибольший коэффициент динамичности
в этой области. Однако импульс трапецеидальной фор-
мы трудно воспроизводится на лабораторном оборудо-
вании. Пилообразный импульс позволяет достигнуть наи-
лучшей воспроизводимости испытаний, так как в силу
несимметричности его остаточный спектр является непе-
риодическим. Но получить пилообразный импульс труд-
нее, чем импульсы другой формы. На практике при ис-
пытании чаще всего используют полусинусоидальный
ударный импульс, формирование которого наиболее про-
сто и требует наименьших затрат энергии.
Испытание на ударную нагрузку проводят в квазире-
зонансном режиме возбуждения. Длительность действия
ударного ускорения т выбирают в зависимости от значе-
ния низшей резонансной частоты /Он изделия:
f0II, Гц 60 и менее 60. ..100 100. ..200 200. ..500 500... 1000 Свыше
1000
т, мс 18+5 11±4 6±2 3± 1 2±0,5 1±0,3
Если изделия имеют амортизаторы, то при выборе
длительности действия ударного ускорения учитывают
низшие резонансные частоты самих изделий, а не эле-
ментов защиты. В качестве проверяемых выбирают па-
раметры, по изменению которых можно судить об удар-
ной устойчивости ЭС в целом (искажение выходного си-
гнала, стабильность характеристик функционирования
и т. д.).
При разработке программы испытаний направления
воздействий ударов устанавливают в зависимости от кон-
кретных свойств испытываемых ЭС. Если свойства ЭС
неизвестны, то испытание следует проводить в трех вза-
имно перпендикулярных направлениях. При этом реко-
мендуется выбирать (из диапазона, оговоренного в ЧТУ)
длительность ударов, вызывающих резонансное возбуж-
дение испытываемых ЭС.
Ударную прочность оценивают по целостности конст-
рукции (например, отсутствию трещин, наличию контак-
та). Изделия считают выдержавшими испытание на удар-
ную прочность, если после испытания они удовлетворя-
ют требованиям стандартов и ПИ для данного вида
испытания.
137
Испытание на ударную устойчивость рекомендуется
проводить после испытания на ударную прочность. Часто
их совмещают. В отличие от испытания на ударную проч-
ность испытание на ударную устойчивость осуществля-
ют под электрической нагрузкой, характер и параметры
которой устанавливают в ЧТУ и ПИ При этом контроль
параметров ЭС производят в процессе удара для про-
верки работоспособности изделий и выявления ложных
срабатываний Изделия считают выдержавшими испыта-
ние, если в процессе и после него они удовлетворяют тре-
бованиям, установленным в стандартах и ПИ для дан-
ного вида испытания.
Устройства для испытания. Ударные стенды класси-
фицируют по следующим признакам:
по характеру воспроизводимых ударов — стенды оди-
ночных и многократных ударов;
по способу получения ударных перегрузок — стенды
свободного падения и принудительного разгона платфор-
мы с испытываемым изделием;
по конструкции тормозных устройств — с жесткой на-
ковальней, с пружинящей наковальней, с амортизирую-
щими резиновыми и фетровыми прокладками, со сминаю-
щимися деформируемыми тормозными устройствами,
с гидравлическими тормозными устройствами и т. д.
В зависимости от конструкции ударного стенда и в
особенности от применяемого в нем тормозного устройст-
ва получают ударные импульсы полусинусоидальной,
треугольной и трапецеидальной формы.
Для испытания ЭС на одиночные удары служат удар-
ные стенды копрового типа, а на многократные — стенды
кулачкового типа, воспроизводящие удары полусинусо-
идальной формы. В этих стендах используется принцип
свободного падения платформы с испытываемым издели-
ем на амортизирующие прокладки.
Основными элементами ударного стенда копрового типа (рис.
3 18) являются стол 3, основание 7, служащее для гашения скоро-
сти стола в момент удара, направляющая 4, обеспечивающая гори-
зонтальное положение стола в момент удара; прокладки 5, форми-
рующие ударный импульс.
Энергия, необходимая для создания удара, накапливается в ре-
зультате подъема стола с закрепленным на нем испытываемым из-
делием на заданную высоту. Для подъема стола и последующего
его сбрасывания стенд снабжается приводом и механизмом сбро-
са Кинетическая энергия, приобретенная телом в процессе предва-
рительного разгона, гасится в результате соударения с неподвижной
138
преградой Длительность ударного воздействия складывается из дли-
тельности торможения ударяющего тела (активный этап удара)
и длительности восстановления упругих деформаций соударяющихся
тел (пассивный этап удара) Ускорение определяется скоростью со-
Рис 3 18 Схема установки для
испытания ЭС на воздействие
одиночных ударов
1 — стойка 2 — изделие. 3 — стол,
4 — направляющая 5 — амортизи
рующие прокладки, 6 — накладка,
7 — основание
Рис 3 19 Эксплуатационные
зависимости длительности
фронта ударного импульса от
ударного ускорения при огра-
ничении по скорости соударе-
ния (/) и по пути торможе-
ния (2)
ударения и зависит от высоты падения В конце торможения ударя-
ющего тела скорость соударения падает до нуля, а ударное уско-
рение и перемещение тел относительно друг друга достигают мак-
симальных значений Условия воспроизведения закона изменения
ударного ускорения во времени определяются начальной скоростью
соударения тел, максимальным перемещением при соударении и мак-
симальным ударным ускорением Стенды копрового типа с жесткой
наковальней используют для получения ударных импульсов с боль-
шим ударным ускорением и очень малой длительностью (единицы
микросекунд)
Ограничивающими условиями при воспроизведении
ударной нагрузки являются соблюдение требуемой ско-
рости и заданного пути торможения, соответствующих
максимальной деформации тормозного устройства. Пре-
дельные эксплуатационные характеристики ударного
139
стенда можно получить используя зависимости
h = vnp/(Aa), (3.8)
ts = ]/Snp/(Ba), (3.9)
где /о и ts — длительности фронта воспроизводимого
ударного импульса с учетом ограничения по предельным
скорости и пути торможения ударяющего тела; ип₽
и 5пр—предельная скорость и предельно допустимый тор-
мозной путь ударяющего тела; А и В—коэффициенты,
значения которых зависят от формы фронта ударного
импульса; а — ударное ускорение.
Тогда ударное ускорение aSv и длительность tSv фрон-
та воспроизводимого ударного импульса, удовлетворяю-
щие одновременно ограничениям по скорости и пути тор-
можения ударяющего тела,
На рис. 3.19 приведены эксплуатационные характе-
ристики tv^=Ha) и ts—f(a) ударного стенда. Заштрихо-
ванная область показывает, какие длительности фронта
ударного импульса и ударные ускорения можно воспро-
изводить па ударном стенде. Значения amax, famln, £Smax
соответствуют предельным эксплуатационным характе-
ристикам стенда и определяются по формулам (3.8),
(3.9).
На рис. 3.20 показано устройство механического стенда кулач-
кового типа. Стол 1 представляет собой стальную плиту с пазом для
крепления изделия, на нижней стороне которой имеются направля-
ющие 4, перемещающиеся во втулках, укрепленных в кронштейнах
станины. На специальных упорах чугунной станины расположены
амортизирующие прокладки 5 для регулирования ударного уско-
рения, а в нижней части станины имеются резиновые амортизато-
ры 8, поглощающие часть энергии удара. Приводной механизм, со-
стоящий из клиноременной передачи 2 и электродвигателя 7, уста-
новлен на площадке внутри станины. Натяжение ремня регулируют
изменяя набор шайб, размещенных под электродвигателем. Подъем
стола осуществляется с помощью кулачка 3, вращающегося от при-
водного механизма.
При испытании на воздействие многократных нагруок ударные
стенды должны обеспечивать получение заданного ускорения с по-
грешностью не более ±20 %. Ударная перегрузка, длительность
и форма ударного импульса как в стендах копрового типа, так и в
стендах кулачкового типа регулируются в широких пределах, как
140
правило, с помощью амортизирующих войлочных, фетровых, рези-
новых, пластмассовых или комбинированных прокладок. Для фор-
мирования полусинусоидального импульса длительностью 0.5...5 мс
применяют резину средней и повышенной твердости или фетр; для
формирования импульса большей длительности — резины малой
твердости или губчатые; для им-
пульсов длительностью менее 0,5 мс
может оказаться целесообразным
использование винипласта, фто-
ропласта и других листовых ма-
териалов. В некоторых случаях
применяют многослойные про-
кладки. При этом между резино-
выми могут устанавливаться ме-
таллические прокладки из листо-
вого алюминия или стали толщи-
ной 1...2мм. Удары длительностью
0,1 и менее рекомендуется полу-
чать соударением стальных зака-
ленных поверхностей — плоской и
сферической. В этом случае стол
выполняется в виде бойка
Помимо рассмотренных
механических ударных стен-
дов применяют электроди-
намические и пневматичес-.
кие ударные стенды. В эле-
ктродинамических стендах
через катушку возбуждения
подвижной системы пропу-
скают импульс тока, ампли-
туда и длительность которо-
го определяют параметры
ударного импульса. Так как
принцип действия этих стен-
дов основан на взаимодей-
Рис. 3.20. Схема стенда для
испытания ЭС на воздействие
многократных ударов:
у — стол; 2 — клииоремеиная пере-
дача; 3 — кулачок; 4 — направля-
ющие; 5 — амортизирующая про-
кладка; 6 —станина; 7 — электро-
двигатель; 8 — резиновые аморти-
СТВИИ электромагнитных ПО- заторы
лей, то их конструкции име-
ют много общего с электродинамическими вибростен-
дами. На пневматических стендах ударное ускорение
получают при соударении стола со снарядом, выпущен-
ным из пневматической пушки.
Характеристики некоторых ударных стендов приведе-
ны в табл. 3.7.
Приспособления для крепления изделий, испытывае-
мых на удар, как и в случае вибрационных испытаний,
должны передавать ударные воздействия к изделиям
с минимально возможными искажениями. Для этого не-
141
Таблица 3.7
Характеристики некоторых ударных стендов
Тип стенда Грузоподъ- емность. Н Число уда- ров в минуту Максимальное ускорение, g Длитель- ность, мс Принцип работы
УУ-50/150 5000 20 ...120 150 40 Механический
УУ-5/1000 50 5 ...80 1000 1,5...20
ТТ-50/500 500 10 ..120 500 0,6...20 »
К-5-1000 50 1000 0,5...10 Электроди- намический
УУЭ-2/200 20 20 ...80 200 1,5...12 То же
УУЭ-20/200 200 5 ...80 500 1,5...40 »
УУЭ-1/6000 10 5 6000 0,1...1,0 »
К 5/3000 50 3000 0,4...11 Пневматичес- кий
К-2/3000 20 3000 0,4...12 То же
обходимо, чтобы режим возбуждения приспособления при
испытании был квазистатическим, для чего должно вы-
полняться условие for^K, где fo— собственная частота
наиболее слабого звена, определяющего жесткость всего
приспособления в целом; т — наименьшая расчетная
длительность импульса; К — коэффициент, зависящий от
условий испытания, массы и габаритных размеров изде-
лия, формы ударного импульса (для импульса полусину-
соидальной формы принимают К=2...5). Собственные
частоты приспособления и испытываемого изделия не
должны совпадать друг с другом, а также с частотой ос-
новной гармоники наложенных колебаний ударного ус-
корения, вносимых испытательной установкой. Для тра-
пецеидального и пилообразного импульсов принимают
fox более 10 и 2 соответственно.
Конструкцию приспособления обычно выбирают в ви-
де плиты, сварного куба или рамы сотовой конструкции.
Наиболее широкое распространение получила сотовая
конструкция, обладающая высокими точностью и меха-
нической прочностью при небольшой массе. Для повы-
шения жесткости конструкции корпуса приспособления
обычно применяют ребра жесткости, усиливающие план-
ки. В остальном требования к конструкции приспособле-
ний, направленные на уменьшение вносимых ими погреш-
142
костей при испытании на удар, аналогичны требованиям,
приведенным в § 3.4.
При измерении параметров удара необходимо регист-
рировать ускорение (амплитуду), длительность и форму
ударного импульса. Для характеристики испытательного
режима в случае, когда амплитуда наложенных колеба-
ний составляет более 5 % амплитуды ударного импульса,
регистрируют также относительную амплитуду и часто-
ту наложенных колебаний и время нарастания ударного
ускорения. Для измерения параметров ударного импуль-
са применяют специальную аппаратуру (рис. 3.21).
Рис. 3 21. Структурная схема аппаратуры для
измерения параметров удара:
J — измерительный преобразователь; 2 — согласую-
щий усилитель; 3— фильтр; 4—регистрирующий
прибор
Для преобразования механических колебаний в электрические
используют, как правило, пьезоэлектрический датчик 1 При измере-
нии параметров удара датчик должен быть жестко закреплен в кон-
трольной точке. Усилитель 2 служит для согласования большого вы-
ходного сопротивления датчика с малым входным сопротивлением
регистрирующего прибора 4. Для снижения уровня шумов согласу-
ющего усилителя, исключения влияния резонанса датчика и умень-
шения амплитуды суперпозиции колебаний, искажающих форму
ударного импульса и затрудняющих измерения, в схему включен
фильтр 3, имеющий максимально достижимую равномерность час-
тотной характеристики в полосе пропускания На экране электрон-
ного осциллографа со ждущей разверткой и длительным послесве-
чением, применяемого в качестве регистрирующего прибора, непос-
редственно наблюдают форму ударного импульса (рис. 3.22) и
производят измерение его параметров
Для вычисления ускорения необходимо знать- амплитуду Ncv
(мм) усредненного ударного импульса (кривая 2 на рис. 3 22) без
учета высокочастотных накладок — суперпозиции колебаний (кри-
вая /); коэффициент преобразования К,,,,., (мВ/g) датчика совмест-
но с согласующим усилителем, определяемый при калибровке (на-
пряжение и ускорение в амплитудных значениях); чувствительность
С осциллографа по оси У (мВ/мм). Тогда, если ударный импульс не
содержит суперпозиции колебаний, в момент удара следует зафик-
143
сировать на экране осциллографа вертикальное отклонение Nep лу-
ча, соответствующее ускорению а, и вычислить ускорение
а — ДСизм-
Для измерения длительности т ударного импульса необходимо
в момент удара зафиксировать на экране осциллографа или заме-
Рис. 3 22 Осциллограмма ударного импульса:
1 — суперпозиция колебаний; 2 — усредненный импульс
рить на осциллограмме горизонтальное отклонение п' (мм) луча То-
гда т=т'и', где г'— масштаб горизонтальной оси осциллографа,
с/мм.
При крутых фронте и срезе импульса горизонтальное отклонение
п' луча измеряют по основанию импульса, при пологих — между
точками N' и N", расположенными на фронте и срезе импульса и со-
ответствующими 0,1 Nep (рис 3 22).
Для измерения времени Тф ударного импульса замеряют гори-
зонтальное отклонение «ф (мм) луча от фронта импульса, соответ-
ствующего 0,1 Nep, и от его уровня, соответствующего 0,9 Мер Тог-
да Тф = т'«ф.
Оценку частоты /нк наложенных колебаний (суперпозиции ко-
лебаний) производят, подсчитывая число периодов этих колебаний
на осциллограмме кривой ударного импульса Для подсчета выбира-
ют любой отрезок горизонтальной оси осциллографа длиной не ме-
нее 5 периодов наложенных колебаний. Обычно за такой отрезок
принимают длительность ударного импульса Частота наложенных
колебаний
^нк = пТ'^'‘ >
где —число периодов наложенных колебаний на выбранном
отрезке осциллограммы; т"— время, соответствующее длине этого
отрезка
Четкую картину суперпозиции колебаний наблюдают сравнитель-
но редко. Обычно это результат наложения нескольких гармоник.
144
Одиако существенное значение имеют одна-две гармоники, а ос-
тальные, как правило, не учитываются при расчете.
В настоящее время появились устройства, позволя-
ющие полностью заменить измерения с помощью осцил-
лографа. Это аналого-цифровые измерители параметров
удара. Использование этих устройств позволяет повы-
сить точность измерений, а применение цифровой техни-
ки обеспечивает большую достоверность и документаль-
ность информации, оперативную связь с ЭВМ для после-
дующего анализа измеряемых параметров ударных
процессов.
На рис. 3.23 показана структурная схема регистрирующего при-
бора, реализованного на аналоговом запоминающем устройстве.
Рис. 3 23. Структурная схема устройства для ре-
гистрации ударных процессов на аналоговых эле-
ментах памяти:
1 — входной усилитель; 2 — фиксатор уровня; 3 — ана-
логовое запоминающее устройство; 4 — регенерирующее
устройство: 5 — блок управления
Принцип работы устройства основан на дискретизации входного
импульсного сигнала и записи отдельных дискретных отсчетов по-
следовательно в аналоговые элементы памяти (с 1-го по 129-й).
Входной сигнал после регулировки начального смещения на входном
усилителе 1 подается на фиксатор уровня 2, где преобразуется
в ступенчатую функцию. Далее сигнал поступает на аналоговое за-
поминающее 3 и регенерирующее 4 устройства, что позволиет мно-
гократно воспроизводить информацию. Режим работы регулируется
блоком управления 5.
Приведенная схема обеспечивает считывание информации одно-
временно в аналоговой и цифровой форме. При считывании инфор-
мации в цифровой форме регистрируемые значения выдаются в дво-
ично-десятичном коде. Цифровой регистратор ударных воздействий
может работать в нескольких режимах: записи информации от ана-
лого-цифрового преобразователя или от ЭВМ, вывода ее из запоми-
нающего устройства на осциллограф или ЭВМ.
10—589
145
§ 3.6. Воздействие линейной нагрузки
Испытание проводят для проверки работоспособности
изделий при воздействии линейной нагрузки и после не-
го. Испытание осуществляют на специальных стендах —
центрифугах, создающих в горизонтальной плоскости ра-
диально направленные ускорения. Частота вращения
(мин-1) платформы центрифуги п ValR, где а —
линейное (центробежное) ускорение, g; R — расстояние
от оси вращения платформы до геометрического центра
изделия или его центра тяжести, см.
Испытываемое изделие располагают на столе центри-
фуги таким образом, чтобы разброс ускорений малога-
баритного изделия относительно его центра тяжести не
превышал ±10 % ускорения в центральной точке, а для
ЭС с габаритными размерами более 100 мм этот разброс
может составлять от —10 до +30 %. Испытание обычно
проводят без электрической нагрузки. Это объясняется
большими погрешностями, вносимыми в контролируемый
выходной сигнал при передаче его через токосъемник
центрифуги. Если ЭС испытывается при электрической
нагрузке, то необходимо контролировать такие парамет-
ры, по изменению которых можно судить об устойчивос-
ти к воздействию линейного ускорения изделия в целом
(например, целостность электрической цепи, искажение
выходного сигнала). Продолжительность испытания оп-
ределяется значением линейного ускорения (табл. 3.8).
При испытании с ускорением до 500 g продолжительность
испытания составляет 3 мин в каждом направлении,
а при ускорении свыше 500 g —1 мин. Для установления
Таблица 3.8
Значения линейных ускорений в зависимости
от степеней жесткости испытаний
Степень жест- кости Линейное ускоре- ние, g Степень жест- кости Линейное ускоре- ние , g
I 10 VIII 2 000
11 20 IX 5 000
III 50 X 10 000
IV 100 XI 20 000
V 200 XII 30 000
VI 500 хш 50 000
VII 1000 XIV 100 000
146
заданного ускорения изменяют частоту вращения плат-
формы или расстояние 7? от оси вращения, перемещая
испытываемое изделие вдоль оси платформы.
Основные характеристики центрифуги —максималь-
ное ускорение, грузоподъемность, число токоподводов.
Некоторые типы центрифуг и их характеристики приве-
дены в табл. 3.9.
Таблица 39
Технические данные центрифуг
Тип центрифуги Макси- мальное ускоре- ние, g Грузо- подъем- иость, кг Число токопод- водов, шт Примечание
Ц 5/300 300 5 20 Автоматическое изме- нение направления дей- ствия в трех взаимно перпендикулярных на- правлениях
Ц 5/150 150 50 31 Одновременно испыты- ваются два изделия. Имеет поворотные сто- лы
Ц 1/150 150 1 20 Имеет блок питания из- делий
Ц 5/500 500 5 — Погрешность установ- ки ускорения ±10 %
Ц 100/200 200 100 — Погрешность установки ускорения ±20 %
Конструкция центрифуги Ц1/150 показана на рис 3 24 Стол
5 представляет собой диск диаметром 570 мм, закрепленный в верх
ней части вала 7, на который насажены также барабан 8, выполня-
ющий роль шкива и тормозного устройства, и коллектор 2 Вал уста-
новлен на двух подшипниках Внутри вала проходят 24 провода,
концы которых подсоединены к коллектору и штепсельным разъемам,
расположенным возле зажимных устройств 4 В последних крепят
печатные платы с испытываемыми изделиями От каждой печатной
платы проложен жгут из 12 проводов, которые через штепсельный
разъем соединены с проводами, идущими от коллектора В кожухе /
над валом имеется отверстие для подключения тахометра К нижне-
му концу вала подключают тахогенератор, служащий датчиком час-
тоты вращения. Ротор центрифуги приводится во вращение элек-
тродвигателем 3 постоянного тока, а для его торможения служит
электромагнит 9 Питание на электродвигатель подается с пульта уп-
равления, а на испытываемое изделие — от блока питания через кол-
лектор. Доступ к столу центрифуги осуществляется через крышку
6. Коллектор также закрыт крышкой (на рисунке не показана) Обе
крышки имеют блокировку. Так как изделия крепят всегда иа одном
10*
147
и том же расстоянии от центра стола, ускорение зависит только от
частоты вращения ротора.
В процессе разгона центрифуги помимо центробежных
сил, определяющих линейные ускорения, возникают си-
лы инерции, сообщающие объекту испытания касатель-
Рис. 3 24. Конструкция центри-
фуги:
I — кожух; 2 — коллектор; 3 — элект-
родвигатель; 4 — зажимное устройст-
во, 5 — стол; 6 — крышка; 7 —вал;
8— барабан; 9— электромагнит
рифуги — следящий привод,
ные ускорения, которые
отсутствуют в реальных
условиях эксплуатации.
Касательные ускорения,
оказывая дополнительное
влияние на выходные па-
раметры испытываемых
ЭС, могут привести к ис-
кажению результатов ис-
пытаний. Поэтому время
разгона или торможения
центрифуги должно удов-
летворять условию
тл> О,3]/7?/а
или тл 1С0/«,
где 7? — расстояние от оси
вращения центрифуги до
контрольной точки (цент-
ра тяжести испытываемо-
го изделия), см; а — ли-
нейное ускорение, g; п —
частота вращения плат-
формы центрифуги, мин"1.
Основной элемент цент-
преобразующий входной
сигнал (напряжение) двигателя в угловую скорость ва-
ла. Контролируя частоту/г вращения и измеряя R, мож-
но рассчитать линейное ускорение в контрольной точке
а= 1,12 R-n2-10-5. Так как радиус измеряется от центра
тяжести испытываемого изделия, то для изделий боль-
ших размеров и для центрифуги с малым радиусом сто-
ла линейное ускорение значительно меняется вдоль из-
делия. Это изменение, обусловленное разностью нагруз-
ки между двумя точками, расположенными вдоль ра-
диуса стола центрифуги, есть градиент линейно-
го ускорения
grad а = 02 — at = 1,12«2(7?2 — RJ 10~5,
148
где R, и R2(R2>Ri) —радиусы двух контролируемых то-
чек испытываемого изделия.
Ясно, что для точного испытания больших изделий
стол центрифуги должен иметь больший диаметр, чем
размеры испытываемого изделия.
Приспособление для крепления изделия должно об-
ладать достаточной жесткостью и допускать проведение
испытаний в трех взаимно перпендикулярных направле-
ниях. Центры тяжести приспособления и закрепленного
изделия должны совпадать с центром тяжести стола.
Для измерения частоты вращения наибольшее рас-
пространение получили электрические тахометры с гене-
ратором постоянного и переменного тока, импульсные
и стробоскопические. Тахометры с генератором постоян-
ного тока применяют для измерения частоты вращения
с точностью ±(1...5) %. Тахометры с генератором пере-
менного тока используют для повышения точности изме-
рения. Импульсные и стробоскопические тахометры слу-
жат для измерения больших частот вращения.
§ 3.7. Воздействие акустического шума
Характеристики акустического шума. Звуковая волна
характеризуется рядом объективных параметров — ве-
личин, не связанных с психофизиологическим восприя-
тием звука. Одним из них является звуковая энергия,
выражаемая, как и любая другая энергия, в джоулях
(Дж). Энергия, переносимая звуковой волной в единицу
времени через единичную площадку S, перпендикуляр-
ную направлению распространения волны, определяет
поток звуковой энергии или звуковую
мощность Р (Вт). Если направление распростране-
ния звуковой волны неизвестно, пользуются плотно-
стью звуковой энергии (Дж/м3), т. е. энергией
звуковой волны, приходящейся на единицу объема. Рас-
пространение звуковой волны в среде создает в ней до-
полнительное давление, называемое звуковым дав-
лением p3S (Па). Звуковая мощность связана со
звуковым давлением соотношением Р — p^Sv, где v —
колебательная скорость частиц среды.
Среднюю во времени энергию, переносимую за еди-
ницу времени звуковой волной через единичную пло-
щадку S, перпендикулярную направлению распростра-
149
нения волны, называют интенсивностью или си-
лой звука (Вт/м2):/ = P/S = p3Bv.
Субъективной характеристикой звука, связанной
с его интенсивностью, является громкость, завися-
щая от амплитуды и частоты звукового колебания. Ми-
нимально допустимое эффективное звуковое давление,
при котором имеет место слуховое восприятие, называ-
ют порогом слышимости. На разных частотах
ворог слышимости различен. Стандартному порогу слы-
шимости соответствует эффективное звуковое давление
2-Ю-5 Па при гармоническом звуковом колебании час-
тотой 1 кГц. Максимально допустимое эффективное
звуковое давление, превышение которого вызывает ощу-
щение боли в ухе, называют порогом болевого
ощущения или болевым порогом. Стандарт-
ному болевому порогу соответствует эффективное давле-
ние 20 Па при гармоническом звуковом колебании час-
тотой 1 кГц.
Для характеристики величин, определяющих воспри-
ятие звука, существенны не столько абсолютные значе-
ния интенсивности звука и звукового давления, сколько
их отношения к пороговым значениям. Поэтому на
практике вводят понятия относительных уровней интен-
сивности звука и звукового давления. Если интенсивно-
сти двух звуковых волн равны / и /0, то разностью уров-
ней этих интенсивностей называют логарифм отношения
///о- За единицу разности уровней принимают бел (Б) —
разность уровней двух интенсивностей (или давлений),
отношение которых равно десяти, соответственно деся-
тичный логарифм отношения равен единице. Десятую
часть бела, соответствующую логарифму отношения,
равному 0,1, называют децибелом (дБ). Измеренная
в децибелах разность уровней интенсивностей и давле-
ний определяется формулой
Е = 10 lg (Z/70) = 201g (рзв/р0),
где I и рзв — текущие значения интенсивности звука
и звукового давления; 70 и ро— значения указанных ве-
личин, соответствующие порогу слышимости (/0 =
— 10-12 Вт/м2; ро=2-1О“5 Па).
Методы испытания. Испытание на воздействие аку-
стического шума__повышенного уровня проводят с целью
определения способности ЭС выполнять в условиях дан-
ного воздействия свои функции и сохранять параметры
150
в пределах норм, указанных в программе испытаний
и ТУ. Для проведения данного испытания необходимо
создавать звуковое давление до 175 дБ в широком диа-
пазоне частот.
Акустические нагрузки имеют свои особенности —
широкий спектр частот (от единиц герц до нескольких
килогерц), случайный характер изменения во времени
и пространстве. В отличие от чисто механических воз-
действий, при которых вибрация передается изделиям
главным образом через точки крепления, звуковое дав-
ление возбуждает детали ЭС с помощью распределенно-
го усилия, значение которого зависит не только от уров-
ня звукового давления, но и от площади каждой детали.
Это приводит к тому, что средства защиты от действия
вибраций в данном случае оказываются неэффективны-
ми. Наиболее критическим для ЭС является совместное
воздействие вибраций и звукового давления акустиче-
ского шума, при котором могут возникать резонансные
явления в деталях ЭС, как правило, на частотах 1500...
2000 Гц.
При испытании на акустические нагрузки на ЭС воз-
действует случайный акустический шум или акустиче-
ский тон (гармоническое звуковое колебание определен-
ной частоты) меняющейся частоты. Режим испытания
в обоих случаях определяется заданным уровнем звуко-
вого давления для соответствующей степени жесткости
(табл. 3.10).
Таблица 3.10
Зависимость звукового давления от степени жесткости испытаний
Степень жесткости Акустический шум, дБ Акустический тон меняю- щейся частоты, дБ
I 130 120
II 140 130
III 150 140
IV 160 150
V 170 160
Испытание на воздействие случайного акустического
шума проводят путем воздействия на ЭС шума с задан-
ным равномерным звуковым давлением в определенном
спектре частот, взятом из диапазона 125...10 000 Гц. Про-
должительность воздействия акустического шума долж-
151
на составлять 5 мин, если не требуется большее время
для контроля и/или измерения параметров изделия. При
испытании необходимо выявить резонансные частоты
изделия, на которых амплитуда колебаний точек креп-
ления максимальна, и проводить контроль параметров
ЭС. Для контроля рекомендуется выбирать такие пара-
метры, по изменению которых можно судить об устойчи-
вости к воздействию акустического шума ЭС в целом
(например, искажение выходного сигнала или изменение
его значения, целостность электрической цепи).
Испытание на воздействие акустического тона меня-
ющейся частоты проводят в том же диапазоне частот при
плавном изменении частоты от низшей к высшей и на-
оборот (один цикл) по всему диапазону. При этом в диа-
пазоне частот 200... 1000 Гц уровень звукового давления
должен соответствовать указанному в табл. 3.10. На
частотах ниже 200 Гц и выше 1000 Гц должно происхо-
дить снижение уровня на бдБ/окт. относительно уровня
на частоте 1000 Гц. Испытание проводят в течение
30 мин, если не требуется большее время для контроля
параметров ЭС. При регистрации параметров ЭС опре-
деляют их изменения как функцию частоты акустическо-
го воздействия.
Первый из рассмотренных методов предпочтительнее,
когда испытываемые изделия имеют несколько собст-
венных резонансных частот и сложную конструкцию,
второй — при испытании простых по конструкции изде-
лий, которые не имеют резонансных частот или число их
мало в диапазоне до 10 000 Гц, а также когда необходи-
мо выявить элементы конструкции, критичные к воздей-
ствию звукового давления определенной частоты.
Устройства для испытания. Испытание изделия на
воздействие акустического шума осуществляют: на от-
крытом стенде с работающим двигателем, в закрытых
блоках с натурным источником шума, в акустических.
1<амерах. На открытомГстёнде с работающим двигателем
испытывают крупногабаритные изделия. Требуемые
уровни нагрузок достигаются соответствующим располо-
жением испытываемых ЭС относительно источника шу-
ма. Испытание в закрытых блоках проводят при более
высоких акустических нагрузках. При этом звуковое по-
ле несколько искажается по сравнению с условиями экс-
плуатации.
Широкое распространение получили испытания из-
152
делий в реверберационных акустических камерах. Важ-
нейшей целью при проектировании таких камер являет-
ся достижение диффузного звукового поля в рабочем
диапазоне частот. Это означает, что все моды акустиче-
ского тона равномерно распределены по частоте и все
направления распространения звуковой энергии равно-
вероятны. Диффузность звукового поля обеспечивается
оптимальной формой и достаточно большим объемом
камеры, высокой отражательной способностью внутрен-
них поверхностей, соответствующим выбором и распо-
ложением рупоров (согласующих устройств) и источ-
ников шума. Предпочтительная форма камеры —
неправильный пятиугольник, размеры сторон которого
превышают наибольшие габаритные размеры испыты-
ваемого изделия не менее чем в два раза.
В качестве звуковых источников используют сирены
высокой мощности, приводимые в действие сжатым воз-
духом, или мощные громкоговорители. Суммарная аку-
стическая мощность источников шума в соответствую-
щих полосах частот должна быть распределена на ми-
нимальное число рупоров. При этом необходима высокая
эффективность излучения звука рупора, геометрические
размеры которого выбирают из условия <£>с/(/крл), где
d — диаметр выходного сечения рупора; с — скорость
звука; Др— критическая частота рупора, ниже которой
эффективность излучения резко падает.
Чтобы обеспечить хорошую акустическую связь ре-
верберационной камеры с источниками шума, рупоры
рекомендуется располагать вблизи углов камеры. Для
получения высокого звукового давления в качестве воз-
будителя применяют генераторы звука. Принцип дейст-
вия их основан на преобразовании кинетической энергии
струи воздуха (газа) в акустическую энергию большой
мощности. Число генераторов звука, их частотный диа-
пазон и мощность выбирают из условия воспроизведе-
ния нагрузок в широком спектре частот с неравномерной
спектральной плотностью. Для одного источника энер-
гии средний уровень звукового давления в камере мо-
жет быть найден из уравнения
А = 10 lg IF — lOlgo + 136,
где А — уровень звуковой энергии, дБ, при р0=2Х
ХЮ’5 Па; W — мощность генератора, Вт; а — общее по-
глощение звука, дБ (1 дБ определяется как эквивалент
153
поглощения звука 929 см2 совершенно черной поверх-
ности).
Согласованное (программное) управление генерато-
рами, формирующими спектр звуковых давлений, осу-
Рис. 3 25. Структурная схема многоканальной системы уп-
равления реверберационной камерой:
/ — источник питания сирен сжатым воздухом; 2 — генератор шу-
ма; 3— воздухораспределительные устройства; 4 — сирены; 5 — уси-
литель мощности сирены, 6 — устройство формирования спектра
звукового давления; 7 — стойка управления; 8 — камера, 9 — ЭВМ;
10 — микрофоны; 11 — графопостроитель; 12 — микрофонный усили
тель; 13 — коммутатор; /‘/ — анализатор спектра; /5 — детектор
ществляют при помощи многоканальной управляющей
системы (рис. 3.25).
При использовании электропневматических генераторов исход-
ный сигнал задается генератором белого шума 2, имеющего полосу
частот 20 Гц .. 20 кГц. Из этой широкой полосы частот при помощи
фильтров устройства 6 выделяют ряд более узких полос (чаще все
го третьоктавных). В каждой полосе уровень звукового давления
может регулироваться в пределах 40.. 60 дБ. Просуммированный на
выходе фильтров формируемый сигнал поступает в параллельно
включенные усилители мощности 5 генераторов звука—сирен 4, со-
здающих акустическое поле в камере 8. Акустическая мощность ге-
нератора в основном определяется перепадом давления на входе
и выходе модулирующего клапана. Поэтому в каждом генераторе
предусмотрен независимый канал управления сжатым воздухом,
включающий обычные для воздухораспределительных систем устрой-
«54
ства: электрода движку, дроссель, регулятор давления, воздушный
фильтр, ресивер.
В качестве датчиков обратной связи в системе регулирования
Используют микрофоны 10, устанавливаемые в контрольных точках
бокса. Достаточно хорошее приближение к требуемым характерис-
тикам акустического нагружения можно получить используя десять
микрофонов. Для ввода в систему регулирования сигналы, посту-
пающие от микрофонов, усиливаются и усредняются и, пройдя ком-
мутатор 13, подаются в полосовой анализатор спектра 14, аналогич-
ный по составу анализатору устройства 6. С выхода среднеквадра-
тического детектора сигналы поступают на мини-ЭВМ 9, где в каждой
полосе они сравниваются с заданными. В результате вырабатывает-
ся сигнал корректировки, который подается на усилители задающих
фильтров устройства 6, благодаря чему автоматически поддержива-
ется звуковое давление в камере. Одно из основных достоинств дан-
ной автоматической системы регулирования — быстрота настройки
объекта на требуемый режим испытания.
Обычно при испытании измеряют звуковое давление,
деформацию и вибрацию. Для этого в комплекс техноло-
гического оборудования камеры включают систему сбо-
ра, измерений и обработки данных с использованием
ЭВМ. Эта система позволяет контролировать средние
квадратические значения измеряемых величин в ходе
эксперимента, регистрировать процессы на магнитной
ленте и затем обрабатывать их на анализаторах с высо-
кой разрешающей способностью.
Контрольные вопросы
1. Какие виды испытания на механические воздействия Вы зна-
ете?
2. Чем отличаются программы испытания на механические воз-
действия опытных образцов и серийно выпускаемых ЭС?
3. Какие существуют виды вибрации и каковы их основные ха-
рактеристики?
4. В чем различие между виброустойчивостью и вибропрочнос-
тью ЭС?
5. Какие методы испытаний на виброустойчивость и вибропроч-
ность Вы знаете и каков принцип их проведения?
6. Какому из двух методов испытания Вы отдадите предпочте-
ние: методу качающейся частоты или методу фиксированных час-
тот? Обоснуйте свой выбор.
7. В чем особенность метода испытания ЭС на широкополосную
случайную вибрацию?
8. Каков принцип действия электродинамического вибростенда?
9. Как можно обеспечить постоянную спектральную плотность
ускорения в требуемом диапазоне частот испытания ЭС методом
широкополосной случайной вибрации?
10. Каковы основные требования к приспособлениям, предназ-
наченным для крепления ЭС к столу вибростенда? Каковы способы
крепления испытываемых ЭС?
-155
11. Какие методы измерения параметров вибрации Вы знаете
и каковы их особенности?
12. Что понимают под реакцией ЭС на воздействие ударного им-
пульса и какие основные виды реакций Вам известны?
13. Какие области можно выделить на ударных спектрах и ка-
ково влияние длительности и формы ударного импульса на резуль-
таты испытания ЭС в этих областях?
14. В чем отличие испытания на ударную прочность от испыта-
ния на ударную устойчивость?
15. Поясните принцип действия ударного стенда кулачкового
типа.
16. Как обеспечить заданные параметры и форму ударного им-
пульса при испытании ЭС на ударном стенде?
17. Как определяют параметры ударного импульса в процессе
испытания ЭС?
18. Как устанавливают заданные линейные ускорения при испы-
тании ЭС и как их контролируют?
19. В чем специфика акустических воздействий?
20. Какие методы испытания ЭС на воздействие акустического
шума Вам известны? В чем сущность этих методов?
Глава 4
ИСПЫТАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
НА КЛИМАТИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
§ 4.1. Методология климатических испытаний
Испытание ЭС на климатические воздействия прово-
дят для проверки способности изделий выполнять свои
функции, сохранять параметры и/или внешний вид
в пределах установленных норм при воздействии и после
него. Для воспроизводимости результатов испытания не-
обходимо его полное и точное описание, исключающее
всякую неопределенность толкования. Исходя из этого
в НТД принята такая последовательность операций
(этапов) испытания ЭС на климатические воздействия:
предварительная выдержка изделий (стабилизация их
свойств); первоначальные измерения параметров и внеш-
ний осмотр; установка изделий в камеры и выдержка их
в условиях испытательного режима; извлечение из ка-
мер и выдержка для восстановления свойств изделий
(конечная стабилизация свойств); внешний осмотр и за-
ключительные измерения параметров изделий.
Предварительную выдержку проводят с целью пол-
ного или частичного устранения последствий воздейст-
вия на изделия в предыдущих условиях эксплуатации.
Изделия выдерживают, как правило, в нормальных кли-
156
магических условиях. Выдержку изделий, на результаты
измерения параметров которых может существенно
влиять относительная влажность, выполняют в условиях,
обеспечивающих воспроизводимую толщину влаги, ад-
сорбированной на поверхности изделий. Эти условия
предусматривают строгое поддержание температуры
(допустимое отклонение ±1°С) при относительной
влажности 73...77 %. Продолжительность предваритель-
ной выдержки определяется временем, достаточным для
установления теплового равновесия изделий с окружа-
ющей средой. Обычно оно не превышает 2 ч. Первона-
чальные и заключительные измерения параметров изде-
лий рекомендуется производить при одних и тех Же зна-
чениях температуры и влажности окружающей среды.
При установке изделий в камере необходимо следить
за тем, чтобы между изделиями и стенками камеры,
а также между самими изделиями свободно циркулиро-
вал воздух. Способ установки и положение изделий при
испытании имеют важное значение для воспроизводимо-
сти его результатов. Если при эксплуатации возможно
несколько вариантов положения изделия, то следует вы-
брать вариант, обеспечивающий наибольшую жесткость
испытания. Если в процессе испытания электрическая
нагрузка на ЭС не подается, изделия располагают на
сетках из капроновых нитей, натянутых на опоры. При
испытании с электрической нагрузкой изделия устанав-
ливают на специальных платах, приспособлениях (кас-
сетах, держателях, контактирующих устройствах). Ме-
таллические части приспособлений обязательно должны
иметь антикоррозионные покрытия. Время выдержки
в испытательном режиме отсчитывают с момента уста-
новления режима в камере. Это время при повышен-
ной/пониженной температуре должно быть достаточным
для прогрева/охлаждения изделий по всему объему.
Изделия при отключенной электрической нагрузке считаются
достигшими температуры окружающей среды (теплового равнове-
сия), если температура самых массивных частей (или других час-
тей, указанных в программе испытаний и ТУ), определяющих про-
грев по всему объему, отличается от температуры окружающей сре-
ды не более чем на ±3°С. Время прогрева/охлаждения изделий по
всему объему устанавливают иа этапе предварительных испытаний
с помощью датчиков для контроля температуры. Датчики разме-
щают на частях, определяющих прогрев/охлаждение изделий по все-
му объему. Достижение теплового равновесия при электрической на-
грузке определяют измеряя те параметры изделий, для которых из-
вестна их температурная зависимость.
157
Воспроизводимость результатов испытания в значительной ме-
ре зависит от точности поддержания заданных параметров испыта-
тельного режима. Допуски на значения воздействующих факторов
выбирают исходя из компромисса между точностью испытания, с од-
ной стороны, и стоимостью его — с другой При испытании на влаго-
устойчивость допуски на температуру и относительную влажность
воздуха в камере устанавливают равными соответственно ±2 °C
и ±3 %. При определении указанных допусков учитывают неравно-
мерность распределения температуры по объему камеры, погреш-
ность измерения ее приборами, а также изменение температуры во
времени. При верхнем значении температуры 40 °C и относительной
влажности воздуха 90 % изменение температуры на 2 °C приводит
к изменению относительной влажности на 9 %. При высокой отно-
сительной влажности даже незначительное изменение температуры
может привести к выпадению росы (неконтролируемый процесс),что,
в свою очередь, существенно снижает воспроизводимость результатов
испытания. Допустимые отклонения воздействующих климатических
Таблица 4.1
Допустимые отклонения воздействующих климатических факторов
Воздействующий фактор Допустимое отклонение
Температура, °C: ±5 °C
—200...—85
—85 +100 ±3°С
100...200 ±5 °C
свыше 200 ±10 °C
Скорость изменения температуры окружа- ющей среды, °С/мин:
1...5 ±20 %
5...10 ±50 %
Относительная влажность * ±3%
Пониженное давление:
выше 1,33-102 Па (1 мм рт. ст.) ±5 % или 1,33 102 Па**
1,33-102. .1,33 Па (10-2 мм рт. ст.) ±60 %
ниже 1,33 Па ±30 %
Повышенное избыточное давление*, Па ±23%
Солнечное излучение: ± 10 %
интегральная плотность потока,* Вт-м-2
плотность потока ультрафиолетовой части ±25 %
спектра*, Вт-м-2 Интенсивность дождя, кг-м-2
±40 %
Массовая концентрация пыли*, г-л-1 ±25%
Скорость ветра’, м-с-1 ±10%
Массовая концентрация (массовая доля) ± ю %
коррозионно-активных агентов среды*, г-л-1
* Нормы указаны в ТУ.
** Допустимое отклонение в паскалях берется в том случае, если оно
больше допустимого отклонения в процентах
158
факторов не должны превышать значений, указанных в табл. 4 1,
если в НТД не указаны иные допускаемые отклонения, обусловлен-
ные спецификой эксплуатации изделий.
Внешний осмотр изделий осуществляют в соответст-
вии с НТД.
Климатические испытания проводят не только на ста-
дии проектирования ЭС, но и в серийном производстве
для отбраковки потенциально ненадежных изделий (при-
емосдаточные испытания) и для контроля стабильности
производства (периодические испытания). Режимы и ус-
ловия испытания ЭС устанавливают в зависимости от
степени жесткости, которая, в свою очередь, определя-
ется условиями дальнейшей эксплуатации ЭС в составе
системы. Изделия считают выдержавшими испытание,
если они во время и после его проведения удовлетворя-
ют требованиям, заданным в ПИ и ТУ для данного вида
испытаний.
Для повышения информативности и эффективности
климатических испытаний при освоении и производстве
изделий целесообразно проводить их в такой последова-
тельности, при которой каждое последующее испытание
усиливает воздействие предыдущего, которое могло бы
остаться незамеченным. Рекомендуется так называемая
нормализованная последовательность климатических ис-
пытаний, включающая испытание при повышенной тем-
пературе, кратковременное испытание на влагоустойчи-
вость в циклическом режиме (первый цикл), испытания
на воздействия пониженных температуры и атмосфер-
ного давления, испытание на влагоустойчивость в цик-
лическом режиме (остальные циклы). При этом между
любыми из указанных испытаний допускается перерыв
не более 3 сут, за исключением интервала между испы-
таниями на влагоустойчивость и на воздействие пони-
женной температуры, который не должен превышать
2 ч. Параметры изделий обычно измеряют в начале
и конце нормализованной последовательности.
§ 4.2. Воздействие повышенной температуры среды
Испытание проводят для проверки работоспособно-
сти ЭС и/или сохранения их внешнего вида при воздей-
ствии повышенной температуры и после него. Существу-
ет два метода испытания на воздействие повышенной
температуры: под термической и под совмещенной на-
159
грузкой (термической и электрической). По первому
методу испытывают нетепловыделяющие ЭС, температу-
ра которых в процессе эксплуатации зависит только от
температуры окружающей среды; по второму — тепло-
выделяющие ЭС, которые в рабочем состоянии нагре-
ваются за счет мощности, выделяемой под действием
электрической нагрузки.
При испытании под совмещенной нагрузкой изделия ’
помещают в камеру и испытывают при нормальной или
максимально допустимой для них электрической нагруз- J
ке, соответствующей верхнему значению температуры
внешней среды и устанавливаемой в зависимости от сте-
пени жесткости:
Степень жест- кости I IV VI VII VIII IX X XI XII XIII
Температура, °C 40 50 70 85 100 125 155 200 250 315
В зарубежной практике степень жесткости определя-
ется не только температурой испытания, но и временем
выдержки ЭС при этой температуре, которое выбирают
из ряда 2, 16, 72, 96 ч. В отечественной практике время
выдержки ЭС при испытании на повышенные темпера-
туры определяется, как уже отмечалось, временем, не-
обходимым для достижения испытываемым изделием
теплового равновесия с окружающей средой.
Возможны два способа проведения испытаний тепло-
выделяющих изделий. При первом момент достижения
заданного температурного режима изделий фиксируют
контролируя температуру воздуха в камере, которую
устанавливают равной верхнему значению (указанному
в ТУ) температуры окружающей среды при эксплуата-
ции. При втором способе этот момент определяют кон-
тролируя температуру тех участков изделий, которые
наиболее сильно разогреваются при работе ЭС, т. е. яв-
ляются критичными для работоспособности изделий. Ис-
пытание первым способом осуществляют при достаточно
большом объеме камеры, позволяющем имитировать ус-
ловия свободного обмена воздуха (в камере отсутствует
принудительная циркуляция воздуха или ее охлаждаю-
щим действием можно пренебречь). При испытании теп-
ловыделяющих ЭС вторым способом рекомендуется под-
160
держивать скорость потока воздуха в камере при вклю-
чении электрической нагрузки не более 1 м/с, чтобы не
облегчать условий испытания образцов вследствие пони-
жения их температуры за счет обдува.
После установления теплового равновесия измеряют
параметры испытываемых изделий, не извлекая их из
камеры. Для этого изделия подключают к наружным
коммутационным цепям измерительной системы. Если
же измерение параметров изделий в камере технически
невозможно, то допускается кратковременное (до 3 мин)
извлечение их из камеры для выполнения измерений.
Обычно испытание ЭС на воздействие повышенной
температуры проводят в следующем порядке: выполня-
ют первое измерение необходимых параметров ЭС и тем-
пературы контролируемых точек в нормальных клима-
тических условиях; помещают ЭС в камеру тепла (тепло-
выделяющие—при электрической нагрузке, нетепловы-
деляющие— без нее) и выдерживают при рабочей
температуре в течение времени, установленного в ПИ
и ТУ; выполняют второе измерение оговоренных в ПИ
и ТУ параметров ЭС; температуру в камере повышают
до предельного значения для ЭС данной группы или
оставляют равной рабочей (в случае равенства рабочей
и предельной температур) и выдерживают изделия при
этой температуре в течение 6 ч; если предельная темпе-
ратура превышает рабочую, то температуру в камере
затем понижают до рабочего значения повышенной тем-
пературы и выдерживают испытываемые изделия в этих
условиях до достижения температуры окружающей сре-
ды по всему объему изделий; включают ЭС (если они
испытывались в выключенном состоянии) и выдержива-
ют их до установления теплового равновесия; выполняют
третье измерение параметров; сравнивают данные вто-
рого и третьего измерений и решают вопрос о прекраще-
нии или продолжении испытания. Если измеренные па-
раметры находятся в пределах установленных норм,
испытание прекращают. В противном случае его продол-
жают до завершения трех циклов, считая за один цикл
испытание при рабочей и предельной температурах.
Камеры тепла. Для испытания ЭС на воздействие
повышенной температуры служат серийно выпускаемые
отечественной промышленностью камеры тепла типа КТ
с рабочим объемом 0,05...1 м3 и диапазоном изменения
температуры 40...350 °C. В случае необходимости каме-
11—589
161
ры должны обеспечивать подключение электрических
сигналов и измерение параметров — критериев годности
в процессе испытания.
Температуру в камере изменяют, включая/отключая электрона-
греватель. Для измерения и автоматического регулирования темпе-
ратуры используют электронные мосты и автоматические электрон-
ные потенциометры, работающие в комплекте с датчиками темпера-
туры Получают распространение цифровые приборы для измерения
температуры в диапазоне —200. .+750 °C с погрешностью ±0,4 %
и быстродействием до одного измерения в секунду. При испытании
тепловыделяющих ЭС датчики контроля температуры размещают
с учетом возможного взаимного влияния изделий В этом случае при
установлении температурного режима выходные измерительные при-
боры показывают истинную температуру контролируемых изделий.
Поскольку предпочтительным испытанием на теплоустойчивость
является испытание без принудительной циркуляции воздуха, для ими-
тации условий свободного обмена воздуха камера должна быть до-
статочно велика. Требования к объему камеры в зависимости от раз-
меров испытываемых изделий и значения теплорассеивания с едини-
цы их поверхности устанавливают с учетом рекомендаций ГОСТ
20.57 406—81
Для воспроизводимости результатов испытания внутренние стен-
ки камеры должны быть изготовлены из материала, имеющего сте-
пень черноты не менее 0,8 Чтобы ограничить влияние излучения,
температура стенок камеры не должна отличаться от заданной тем-
пературы испытания более чем на ±3 % Это требование относится
ко всем частям стенок, причем образцы не должны испытывать пря-
мого воздействия любого нагревательного или охлаждающего эле-
мента, не .отвечающего указанному требованию. Точность поддер-
жания температуры в рабочем объеме камеры должна быть не ху-
же ±3°С для температур до 200 °C и ±7 °C для температур выше
200 °C. Камера должна обеспечивать при испытании изделий абсо-
лютную влажность не более 20 г водяных паров на 1 м3 воздуха,
что приблизительно соответствует относительной влажности 50 %
при температуре +35 °C.
Минимально допустимое расстояние между испытываемым изде-
лием и стенкой камеры определяют исходя из габаритов изделия
и рассеиваемой мощности. Однако в любом случае это расстояние
должно быть не менее 100 мм Применяемые для крепления малога-
баритных изделий материалы должны обладать высокой теплостой-
костью и низкой теплопроводностью
На рис. 4 1 показана схема камеры тепла КТ-0,05-315М, пред-
назначенной для испытания малогабаритных ЭС на воздействие по-
вышенной температуры в диапазоне 40.. 315 °C Точность поддержа-
ния температуры в диапазонах 40.. 100, 100 155 и 155 315°С обес-
печивается соответственно не хуже ±1, ±2 и ±4 °C. Время дости-
жения температуры +315 °C не превышает 50 мин. Рабочий объем
камеры составляет 0,05 м3
Для нагрева воздуха в рабочем объеме 4 камеры служит нагре-
ватель 6. Чтобы температура по всему объему камеры была одина-
ковой, т е для хорошего теплообмена между нагревателем и воз-
духом в камере, воздух от на1ревателя продувается вентилятором
7 и по воздухопроводу 5 поступает в рабочий объем, где размешают
162
испытываемые изделия. При нижнем значении температуры в камере
приоткрывают заслонку 1 Чем меньше разница между температу-
рой воздуха в помещении и в камере и чем больше мощность, выде-
ляемая испытываемыми изделиями, тем больше открывают заслон-
ку. В двери 2 имеется съемное окно 3, заменяемое при необходимо-
сти вставкой, в которой крепят испытываемые изделия. Терморезис-
торы R1—R3 служат датчиками для регулирования температуры
Рис. 4 1. Схема камеры тепла КТ-0,05-315М:
/-—заслонка; 2—дверь; 3 — окно; 4— полезный объем, 5 —
воздухопровод; б — нагреватель, 7 — вентилятор
н аварийного отключения камеры Камера может работать в ручном
и автоматическом режимах. Регулирование температуры осуще
ствляется следующим образом В электронном автоматическом регу-
ляторе температуры (РТ) устанавливают задатчик на требуемую тем-
пературу С автоматического регулятора подается питание на тер-
мочувствительный мост, плечами которого служат терморезисторы
R2 и R3. До тех пор пока температура в камере не достигнет задан-
ной, мост разбалансирован Напряжение разбаланса поступает на
блок управления (БУ), в котором вырабатываются управляющие
импульсы Фазовый сдвиг этих импульсов относительно фазы питаю-
щей сети зависит от разбаланса моста При температуре в камере,
значительно меньшей заданной, управляющие импульсы открывают
11*
163
тиристоры силового блока (СБ) в начале каждого полупериода, и че-
рез нагреватель протекает максимальный ток. С приближением тем-
пературы к заданной разбаланс моста уменьшается, фаза управля-
ющих импульсов изменяется так, что тиристоры включаются в сред-
ней части полупериода или ближе к его концу, и через нагреватель
протекает средний ток, необходимый для поддержания теплового
равновесия в камере при заданной температуре. Терморезистор R1
подключен к входу блока аварийного отключения (БАО) камеры,
который в случае превышения заданной температуры включает све-
товую и звуковую сигнализации.
Камера тепла обычно выполняется в виде шкафа, верхняя часть
которого является рабочим объемом, а в нижней расположены бло-
ки автоматического регулирования температуры и панель управле-
ния
§ 4.3. Воздействие пониженной температуры среды
Испытание осуществляют для проверки работоспо-
собности ЭС и сохранения их внешнего вида при воздей-
ствии пониженной температуры и после него. Сначала
параметры ЭС измеряют в нормальных условиях, затем
изделия помещают в камеру холода, устанавливают пре-
дельное значение температуры согласно следующим дан-
ным, оговоренным в ТУ:
Степень жесткости III IV VII VIII
Температура, °C — 10 —25 —4 —60
Выдерживают ЭС при заданной температуре в тече-
ние времени, которое выбирают в зависимости от степе-
ни жесткости испытания из временного ряда значений,
приведенных в ТУ, но не менее 24 ч; повышают темпера-
туру в камере до рабочей пониженной (в соответствии
с ТУ для испытываемых ЭС) температуры и выдержива-
ют их при электрической нагрузке в течение времени,
достаточного для выравнивания температуры по всему
объему; включают ЭС, проводят измерение оговоренных
в ПИ и ТУ параметров и проверку работы органов на-
стройки и коммутационных устройств; повышают темпе-
ратуру в камере до нормальной и выдерживают ЭС
в течение времени, необходимого для их прогрева по все-
му объему; открывают камеру, производят внешний ос-
мотр и измерение параметров ЭС.
164
В процессе испытания измеряют те же параметры,
что и при испытании на воздействие повышенных тем-
ператур. При этом для проверки работоспособности ЭС
предусматривается выдержка их под электрической на-
грузкой при заданной температуре. Если пониженная
рабочая температура испытываемых ЭС не превышает
—10 °C (по ТУ) и к изделиям предъявляют требования
работы в условиях инея и росы, то данное испытание до-
пускается совместить с испытанием на воздействие инея
и росы. В этом случае по окончании испытания ЭС при
пониженной рабочей температуре открывают камеру,
повышают температуру в ней до нормальной (или изде-
лия извлекают из камеры и переносят в нормальные ус-
ловия), включают ЭС, и они работают в течение 3 ч или
в течение времени, указанного в ПИ и ТУ. Сразу после
включения и через каждые 30...50 мин или через интер-
валы времени, указанные в ПИ и ТУ, проверяют работо-
способность ЭС и измеряют их параметры. Затем изде-
лия осматривают.
Камера тепла и холода. Если испытание на воздейст-
вие пониженной температуры среды проводят в камере
тепла и холода, то температура стенок камеры после до-
стижения температурной стабильности не должна от-
личаться от температуры испытания более чем на ±8 %.
Требования к расположению испытываемых изделий ана-
логичны требованиям при испытании на воздействие по-
вышенной температуры.
На рнс. 4.2 приведена схема камеры тепла н холода КТХ-0,4-
65/155, предназначенной для испытаний малогабаритных ЭС на ус-
тойчивость к повышенной (до 4-155 °C) н пониженной (до —65 °C)
температуре Камера обеспечивает поддержание температуры в диа-
пазонах— 65 .4-100 н +100. .4-155°С с точностью соответственно
не хуже ±1°С и ±1 %. Неравномерность распределения температу-
ры по объему камеры составляет ±4 °C. При установлении в камере
заданного режима средняя скорость изменения температуры в диа-
пазонах 4-35 —65 °C и +35. 155 °C соответственно не менее 0,5
н 1,5°С/мин Рабочий объем камеры 0,4 м3
Для создания в камере положительных температур служит на-
греватель 1, а для улучшения теплообмена между нагревателем
и воздухом в полезном объеме 3 камеры н уменьшения неравномер-
ности распределения температуры по объему (подобно камере тепла) —
вентилятор 5. Отрицательные температуры создают с помощью хо-
лодильной машины, которая может работать в двух режимах: уме-
ренного (до —20 °C) н большого (до —65 °C) холода. При работе
в первом режиме хладагент (жидкий фреон-22) из конденсатора 12
через вентиль 11, теплообменник 10, фильтр 9 и соленоидный клапан
8 поступает в терморегулнрующнй вентиль 7 и через него подается
165
в испаритель 6. На испарение фреона требуется большое Количество
, теплоты, которая отбирается у воздуха, находящегося в объеме ка-
меры. В результате температура в камере понижается, а фреон че-
рез теплообменник 10 возвращается в компрессор 13 и сжимается до
давления конденсации. Из компрессора пары фреона поступают в кон-
денсатор, где они вновь конденсируются, отдавая тепло водопро-
водной воде, охлаждающей конденсатор.
Рис. 4.2. Схема камеры тепла п холода КТХ-0,4-65/155:
1 — нагреватель; 2— дверь; 3— полезный объем; 4, 6— испарители;
5—вентилятор; 7— терморегулирующий вентиль; 8 — соленоидный
клапан; 5, 20— фильтры; 10, 14, 26— теплообменники; 11, 23 — венти-
ли; 12 — конденсатор теплотехнический; 13, 22 — компрессоры; 15 —
конденсатор-испаритель; 16, 25 — термовентнли; 17, 19, 21, 24 — соле-
ноидные вентили; 18 — дюза; 27 — емкость
При работе во втором режиме используется другой хладагент—
фреон-13, а фреон-22 служит для охлаждения фреона-13. Происхо-
дит это следующим образом. Соленоидный клапан закрываетси,
н жидкий фреон-22 через соленоидный вентиль 17 и термовеитиль
16 поступает в змеевик конденсатора-испарителя 15, Забрав тепло
у поступающего сюда же из компрессора 22 через теплообменник
14 газообразного фреона-13, фреон-22 испаряется, а фреои-13 кон-
денсируется в межтрубном пространстве конденсатора-испарителя.
Испарившийся фреон-22 через теплообменник 10 возвращается в ком-
прессор 13, а жидкий фреон-13 из конденсатора-испарителя через
теплообменник 26, соленоидный вентиль 21 и фильтр 20 по двум па-
раллельным ветвям: соленоидному вентилю 24 и термовентилю 25,
с одной стороны, и обводной линии — соленоидному вентилю 19
166
и дюзе 18—с другой, поступает в испаритель 4 и охлаждает каме-
ру. Обводная линия служит для увеличения скорости выхода на за-
данный режим (диапазон температур —30...—50 °C). В других слу-
чаях соленоидный вентиль 19 закрыт. Из испарителя 4 пары фреона-
75 нагнетаются компрессором 22 в теплообменник 14, охлаждаемый
водой, откуда поступают в межтрубное пространство конденсатора-
испарителя, где в результате охлаждения жидким фреоном-22 вновь
происходит их конденсация. Для хранения фреона-13 при ремонте
холодильной машины (М2) служит емкость 27, которая связана
с всасывающей н нагнетательной сторонами компрессора системой
трубопроводов и вентилей 23.
Камера имеет ручное управление для проверки н наладки холо-
дильных агрегатов и нагревателя и автоматическое—для создания
и поддержания температурных режимов. Управление камерой и ре-
гулирование температуры осуществляется с помощью блока управ-
ления. Требуемую температуру устанавливают по задатчику темпе-
ратуры (ЗТ), который вместе с датчиками температуры (R1,R2), по-
мещенными в камеру, образует термочувствительный мост. Пока
температура в камере не достигает необходимого значения, с моста
на вход регулятора температуры (РТ) поступает сигнал, пропорци-
ональный отклонению температуры. Фаза этого сигнала зависит от
знака заданной температуры (положительный или отрицательный).
С выхода регулятора температуры на вход управляющего устройст-
ва (УУ) подается постоянное напряжение, пропорциональное разба-
лансу моста. В зависимости от знака напряжения сигнал с выхода
управляющего устройства поступает на тиристорный регулятор (ТР),
изменяющий напряжение на нагревателе, или на пусковое устройст-
во (ПУ), управляющее работой холодильными машинами (Ml и М2).
Когда температура в камере достигает необходимого уровня, мост
балансируется, сигнал на его выходе становится равным нулю, и на-
греватель или холодильные машины выключаются. Контролируется
и записывается температура с помощью уравновешенного моста
(УМ) КСМ1-002, работающего от датчика температуры — терморе-
зистора R3. При нарушеннн нормального режима работы камеры
(изменении температуры, остановке вентилятора, открывании две-
ри) срабатывает звуковая и световая сигнализация.
Испытываемые изделия закрепляют в специальных приспособ-
лениях. Материалы, применяемые для крепления малогабаритных
изделий, должны обладать высокой теплопроводностью. Приспосо-
бления устанавливают иа плате, расположенной внутри полезного
объема камеры н имеющей гнезда, соединенные со штепсельными
разъемами, находящимися снаружи камеры. Соединения выполня-
ют термостойким экранированным проводом с надежно заземлен-
ным экраном. К штепсельным разъемам подключают испытательную
и измерительную аппаратуру.
В процессе эксплуатации камер подобного типа следят за ис-
правностью всех элементов, обращая особое внимание на исправ-
ность заземляющих устройств, уровень масла в компрессорах и пе-
риодически проверяя герметичность холодильной системы.
167
§ 4.4. Воздействие изменения температуры среды
и термоудар
Испытание на воздействие изменения температуры
среды проводят для проверки работоспособности и со-
хранения внешнего вида ЭС после указанного воздейст-
вия. В зависимости от назначения и условий эксплуата-
ции, а также от конструктивных особенностей ЭС испы-
тание осуществляют по методу либо двух камер (для
ЭС, которые в условиях эксплуатации подвергаются
быстрому изменению температуры среды), либо одной
камеры (при медленном изменении температуры среды).
Для испытания устанавливают три цикла, если иное их
число специально не оговорено в ТУ. Каждый цикл со-
стоит из двух этапов-испытаний: при пониженной и по*
вишенной температуре среды.
При испытании по методу двух камер ЭС в выключенном состо-
янии помещают в камеру холода, а затем в камеру тепла, темпера-
туру в которых заранее доводят до предельных значений. Изделия
располагают на специальном транспортном устройстве, которое ав-
томатически перемещает их из одной камеры в другую Для исклю-
чения выпадения росы на поверхности изделий допускается помещать
их в полиэтиленовые мешки, что должно быть специально оговорено
в ПИ и ТУ. Время переноса из камеры холода в камеру тепла и об-
ратно должно быть минимальным (не более 5 мин). При этом реко-
мендуется, чтобы время достижения заданного температурного режи-
ма в камере после загрузки в нее изделий также не превышало этого
значения.
При испытании ЭС по методу одной камеры изделия в выклю-
ченном состоянии помещают в камеру тепла и холода (рис. 4 2).
Температуру в камере сначала понижают, а затем повышают до
предельного значения. Скорость изменения температуры при охлаж-
дении рекомендуется устанавливать не менее 1 °С/мин, а при нагре-
ве— не менее 2°С/мин. Для обоих методов испытаний ЭС выдер-
живают при заданных температурах в течение времени, необходимо-
го для достижения изделиями теплового равновесия по всему объему.
Предельные значения температур выбирают из приведенных
в §§ 4.2, 4.3 рядов в зависимости от степени жесткости испытания.
Во время испытания электрическую нагрузку на ЭС не подают, а их
электрические параметры измеряют до и после всех циклов испы-
тания, предварительно выдержав ЭС в нормальных климатических ус-
ловиях. Одновременно с измерением необходимых электрических па-
раметров производят осмотр ЭС.
Термоциклирование — один из самых жестких видов
климатических испытаний — позволяет выявить скрытые
конструктивные дефекты и нарушения технологии.
Испытание на термоудар (на устойчивость ЭС к воз-
действию резких перепадов температур) проводят иногда
168
наряду с испытанием на воздействие изменения темпе-
ратуры среды. Это испытание является весьма жестким
и применяется для установления предельных прочност-
ных свойств ЭС; по его результатам можно сравнитель-
но быстро получить данные о наиболее слабых частях
конструкции ЭС. Испытание осуществляют используя
метод двух жидкостных ванн. При этом подвергают ЭС
воздействию обычно 10 циклов, если иное число не ука-
зано в ТУ и ПИ. Испытание в течение одного цикла про-
водят в двух ваннах: в одной вода имеет пониженную
температуру, в другой—повышенную. Значения темпе-
ратур соответствуют испытательным режимам.
Сначала изделия погружают в ванну с холодной водой, темпе-
ратура которой 0 °C. В процессе выдержки изделий в ванне темпера-
тура не должна увеличиваться более чем на 2 °C. Затем изделия пе-
реносят в ванну с кипящей водой или водой, имеющей повышенную
температуру. Эта температура не должна падать в процессе испы-
тания ниже 95 °C или более чем на 2 °C от значения, установленного
в стандартах и ТУ на ЭС. В случае необходимости проведения ис-
пытания при других крайних значениях температур применяют дру-
гие жидкости, характеристики которых указываются в ТЗ, стандар-
тах и ТУ на конкретные изделия. Время ty выдержки в каждой ван-
не и время tz переноса из одной ванны в другую выбирают соглас-
но стандартам и ТУ на изделия, исходя обычно из следующих зна-
чений
при Л>5 мин /2=3...1О с;
при /1=15 с... 5 мин /2<3 с.
По окончании последнего цикла изделия извлекают из ванны,
удаляют с них капли жидкости и, как и перед началом испытания,
выдерживают в нормальных климатических условиях, после чего
производят визуальный осмотр и измерение параметров. Конструк-
ции ванн должны обеспечивать простоту погружения и извлечения
изделий и быстрое перемещение их из одной ванны в другую, а так-
же возможность поддержания испытательных режимов с отклоне-
ниями, не превышающими указанных.
§ 4.5. Воздействие повышенной влажности
Испытание проводят для установления влагоустойчи-
вости ЭС. Различают два вида испытания на влагоус-
тойчивость: длительное и ускоренное. Длительное испы-
тание осуществляют с целью определения способности
изделий сохранять свои параметры при длительном воз-
действии влажности и после его окончания; ускоренное
испытание — с целью оперативного выявления грубых
технологических дефектов в серийном производстве
и дефектов, которые могли возникнуть в предшествую-
щих испытаниях.
169
Степени жесткости испытания иа влагоустойчивость в зависимости
Степень жесткости Режим испытания
относительная влаж- ность (верунее зна- чение) , % температура испы- тания, °C наличие конден- сации влаги
I 80 25
II, III 98 25 —
IV 100 25 —
V 100 25 +
VI, VII 98 35 —
VIII 100 35 +
Примечание. «—> — без конденсации влаги; «+>—-с конденсацией
ниже; среднемесячное значение относительной влажности приведено для
Оба вида испытаний могут быть проведены в цикли-
ческом (с конденсацией влаги) и непрерывном (без кон-
денсации влаги) режимах. Конкретный режим испыта-
ния устанавливают в зависимости от назначения и усло-
вий эксплуатации ЭС в соответствии с табл. 4.2.
Циклический режим испытания характеризуется воздей-
ствием повышенной влажности при циклическом изме-
нении температуры воздуха в камере. Обычно его при-
меняют для не имеющих уплотненных кожухов изделий
всех классов, которые должны сохранять работоспособ-
ность в условиях росы.
При испытании на влагоустойчивость в циклическом режиме из-
делия подвергают воздействию циклов, продолжительность каждого
из которых составляет 24 ч. Число циклов устанавливают в зави-
симости от степени жесткости испытании, определяемой конструк-
цией и назначением испытываемых изделий. Каждый цикл можно
условно разбить на три этапа (рис. 4 3). На первом температуру
в камере постепенно повышают до верхнего значения, указанного
в НТД. Рекомендуемая температура ускоренных испытаний (55±
±2) °C, относительная влажность не менее 95 %, за исключением
последних 15 мин (не менее 90 %). Повышение температуры и влаж-
ности необходимо проводить достаточно быстро, чтобы обеспечить
конденсацию влаги (выпадение росы) на изделиях. Для возникно-
вения конденсации температура поверхности образцов должна быть
ниже точки росы воздуха в камере.
На втором этапе испытания поддерживают верхнее значение
температуры в течение 12 ч — 30 мин с начала цикла. Относитель-
ная влажность должна составлять (93±3) % за исключением пер-
вых и последних 15 мин, когда ее значение должно находиться меж-
ду 90 и 100 %. На третьем этапе испытания температуру в камере
понижают до (25±3) °C за время от 3 до 6 ч Относительная влаж-
но"ть при этом должна быть не менее 95 %, за исключением первых
170
Таблица 4.2
от условий эксплуатации изделий в течение года
Условия эксплуатации
относительная влаж- ность (среднемесячное значение), % температура окружаю- щей среды, °C продолжительность воздействия в течение года, мес
65 80 80 90 80 90 влаги; при более высоки наиболее теплого и влаж 20 20 20 20 27 27 х температурах испытания иого периода года. 12 2 6 12 3 12 относительная влажность
Рис. 4.3. Этапы изменения относительной влажности С и тем-
пературы t окружающей среды в циклическом режиме уско-
ренного испытания изделий:
т-1/4 ч —время, в течение которого не допускается конденсация вла-
ги в изделиях; I — конец подъема температуры; II — начало падения
температуры
171
15 мин (не менее 90%). Допускается вместо естественного охлаж-
дения изделий в камере, где проводились испытания при верхнем
значении температуры, переносить изделия из этой камеры в каме-
ру с пониженной температурой, причем время переноса не должно
превышать 15 мин.
При снижении температуры в камере влага может проникать
внутрь изделий через различные микроканалы в сварных и паяных
швах, местах соединения материалов с различными ТКЛР. Физичес-
ский механизм этого явления заключается в следующем. При сни-
жении температуры в камере воздух во внутренней полости испы-
тываемого изделия охлаждается и давление в ней уменьшается. Из-
за возникающего перепада давлений в окружающем объеме и внутри
полости влага диффундирует по капиллярам внутрь полости кор-
пуса. Поэтому испытание на влагоустойчивость в циклическом ре-
жиме может быть рекомендовано для изделий, имеющих свободные
внутренние полости.
В случае длительного испытания на влагоустойчивость при
циклическом режиме общую продолжительность испытания в зави-
симости от степени жесткости выбирают из табл 4 3. Рекомендуемая
температура длительных испытаний (40±2) °C [в отличие от (55±
±2) °C при ускоренных испытаниях].
Таблица 4.3
Продолжительность испытания, сут, на влагоустойчивость
при циклическом режиме в зависимости от степени жесткости
Температура воздуха, °C Степень жесткости
III, IV, VI V, VII VIII V, VII VIII
40+2 4 9 21 .
55+2 — — — 4 9
В непрерывном режиме испытания не предусматривается кон-
денсация влаги на изделиях, поэтому непрерывно испытание прово-
дят при постоянных значениях температуры и влажности в камере.
Изделия помещают в камеру тепла и влаги и выдерживают при тем-
пературе, указанной в табл 4 4. Время выдержки при заданной тем-
пературе определяется временем достижения изделиями теплового
равновесия Затем относительную влажность воздуха в камере по-
вышают до (95±3) % и далее поддерживают это значение (как
и значение температуры) постоянным в течение всего времени испы-
тания.
Методики проведения ускоренного испытания изделий в непре-
рывном и циклическом режимах аналогичны. Продолжительность ис-
пытания устанавливается в зависимости от степени жесткости По
окончании ускоренного испытания изделия выдерживают в нормаль-
ных условиях в течение 1. 2 ч, в то время как по окончании длитель-
ного испытания — не менее 24 ч.
Испытание ЭС при электрической нагрузке преду-
сматривается в том случае, если воздействие влажности
в условиях эксплуатации изделий под напряжением мо-
172
Таблица 4.4
Продолжительность испытания, сут, иа влагоустойчивость
в непрерывном режиме в зависимости от степени жесткости
Степень жесткости
Температура воздуха, °C П III, IV, VI V, VII VIII III, IV V, VIII VIII
25+2 2
40+2 — 10 21 56 — —. _—.
55+2 — — — — 4 7 4
жет привести к электрохимической коррозии. В качестве
нагрузки при таком испытании служит напряжение,
обеспечивающее минимальное выделение тепла в испы-
тываемых изделиях. В большинстве случаев испытание
на влагоустойчивость проводят без электрической на-
грузки.
Параметры изделий измеряют, как правило, в конце
испытания (при циклическом режиме — на последнем
цикле в конце последнего часа выдержки при верхнем
значении температуры), не извлекая их из камеры
влажности.
Камеры тепла и влаги, используемые для проведения
испытания на влагоустойчивость, отличаются габаритны-
ми размерами, точностью поддержания режима, диапа-
зоном характеристик. Так, камеры, предназначенные
для воспроизведения циклического режима испытания,
должны обеспечивать циклическое изменение относи-
тельной влажности и температуры в пределах заштри-
хованных областей на рис. 4.3. Камеры же, предназна-
ченные для воспроизведения непрерывного режима, дол-
жны поддерживать режим испытания в рабочем объеме
в пределах ±3 % нормированного значения влажности
и ±2 °C нормированного значения температуры. Учиты-
вая, что незначительные изменения температуры сопро-
вождаются значительными колебаниями относительной
влажности, следует применять камеры с точностью ре-
гулировки температуры по сухому термометру ±0,4 °C,
а по влажному — от +0,4 до —0,2 °C. Понижение темпе-
ратуры более чем на 0,5 °C при высокой относительной
влажности и повышенной температуре может привести
к выпадению росы, что является недостатком камеры.
173
Характеристики термовлагокамер
Тип Рабочий объем ,м3 Диапазон темпе- ратур, °C
КТВ-0,15-155 КТВ-0,4-155 КТВ-0,025 КТВ-0,1-90 КТВ-0,5/100 КТХВ-0,1-10/90 КТХВ-0,5-10/100 0,15 0,4 0,025 0,1 0,5 0,1 0,5 До 155 До 155 25...100 25...90 25...100 — 10...+90 — 10...+ 100
Если на потолке и стенках испытательной камеры обра-
зуются капли конденсированной влаги, то они не должны
попадать на испытываемые изделия. Для этого над из-
делиями следует устанавливать двускатный навес из не-
корродируемого материала, а сами изделия располагать
в камере таким образом, чтобы капли конденсирован-
ной воды не попадали с одних изделий на другие. Стен-
ки камеры и детали, находящиеся внутри нее, должны
быть устойчивы к коррозионному действию влажности,
воспроизводимой камерой.
Влажный воздух в замкнутом пространстве можно получить ли-
бо испарением с открытой поверхности воды или водяных растворов
различных химических соединений, либо циркуляцией воздуха че-
рез увлажнительное устройство. Первый способ применяют в том
случае, если влажность воздуха постоянна в течение продолжитель-
ного времени. Хотя он и прост, но требует строгого поддержания по-
стоянной разности температур воздуха и воды, а также заданной
точности регулирования температуры в пределах психрометричес-
кой разности*. Второй способ увлажнения имеет в настоящее время
более широкое распространение, так как позволяет создавать пере-
менные температуру и влажность воздуха в период испытания. Ка-
мера для увлажнения воздуха может обогреваться либо в результа-
те циркуляции нагретого воздуха или воды в системе циркуляции,
окружающей камеру, либо электрическим нагревателем, расположен-
ным внутри камеры за тепловым экраном. Равномерное распределе-
ние температуры и относительной влажности воздуха в рабочем объ-
* Психрометрическая разность — разность показаний сухого
и смоченного термометров психрометра (психрометрического гигро-
метра), служащего для измерения температуры и влажности воз-
духа.
174
Таблица 4.5
Относитель- ная влаж- ность, % Точность поддержания Время, мии, достижения максимальной
температуры, сС относительной влажности, % температуры относитель- ной влаж- ности
98 ±5 ±3 40 40
98 ±2 ±3 60 60
98 ± 1 ±3 45 60
40...98 ±2 ±3 30 30
65...98 ±2 ±3 40 60
40...98 ±2 ±3 40 30
65...98 ±2 ±3 30 60
еме камеры достигается перемешиванием воздуха с помощью венти-
лятора. Характеристики термовлагокамер приведены в табл. 4.5.
Камера КТВ-0,4-155, схема которой представлена на рис. 4.4,
а основные характеристики — в табл. 4.5, может работать в ручном
и автоматическом режимах. Положительная температура в камере
создается в результате теплообмена между воздухом, находящимся
в полезном объеме 21, и нагретым воздухом, циркулирующим в про-
странстве 22 между ее стенками. Для принудительной циркуляции
воздуха служит вентилятор 10, а для лучшего теплообмена и вырав-
нивания температуры путем перемешивания воздуха в полезном объ-
еме камеры — вентилятор 4. Температура воздуха регулируется элек-
тронным мостом 20, датчиками температуры, в качестве которых
применяют платиновые термом;етры сопротивления 6 и 25, установ-
ленные соответственно вблизи нагревателя 7 и в противоположном
углу камеры. Регулирование производится по среднему значению
температур в этих точках.
Воздух, циркулирующий между стенками камеры, нагревается
нагревателем 7. Для охлаждения воздуха (при превышении задан-
ной температуры) служат заслонка 9 и змеевик 8, через который
при открывании соленоидного вентиля 11 пропускается вода. Пода-
ча напряжения на нагреватель, соленоидный вентиль и электромаг-
нит, управляющий заслонкой, осуществляется электронным мостом
20 через исполнительные реле и контакторы. Контроль и непрерыв-
ная запись температуры в камере выполняются электронным мостом
28, датчиком температуры для которого служит платиновый термо-
метр сопротивления 5. По его показаниям включаются световая
и звуковая сигнализации при превышении заданной температуры, на-
пример в случае неисправности системы управления нагревателями
или охлаждением.
Для создания необходимой относительной влажности использу-
ется паровой увлажнитель 16, представляющий собой бак с водой,
подогреваемой нагревателем 15. Уровень воды в увлажнителе регу-
лируется соленоидным вентилем 12, управляемым датчиком нижнего
13 и верхнего 14 уровней, а температура воды — электронным мос-
том 17 с помощью термометра сопротивления 18. Относительная
175
Рис. 4.4. Схема камеры тепла и влаги КТВ-0,4-155:
1— «сухой» термометр сопротивления: 2—«мокрый» термометр
сопротивления; 3 — чехол из батиста; 4, вентиляторы; 5, 6,
18t 25 — платиновые термометры сопротивления; 7, 15 — нагревате-
ли; 8 — змеевик; 9 —заслонка; 11, 12, /9 — соленоидные вентили;
13, 14 — датчики иижиего и верхнего уровней воды; 16 — паровой
увлажнитель; 17, 20, 27, 28 — электронные мосты; 21 — полезный
объем камеры; 22 — пространство между стенками камеры для
циркулирующего воздуха; 23 — паропровод; 24 — стаканчик под-
питки; 26— резервуар с дистиллированной водой
влажность регулируется электронным мостом 27, в плечи которого
включены датчики — термометры сопротивления: «сухой» 1 и «мок-
рый» 2. На термометр 2 надет чехол 3 из батиста, который смачи-
вается дистиллированной водой, для чего его нижний конец опущен
в стаканчик подпитки 24, соединенный трубкой с резервуаром 26,
содержащим воду. Батист должен быть всегда чистым, мягким
и влажным.
176
Камера может работать в режимах тепла н повышенной относи-
тельной влажности. В режиме повшйенной Ыносительной влажности
на электронном мосте 27 устанавливают стрелку задатчика на тре-
буемую относительную влажность, а стрелку задатчика электронно-
го моста 17 — на отметку 1ОО...11О°С. Когда камера выйдет на за-
данный режим температуры, включают переключатель «подача па-
ра». Из увлажнителя 16 пар поступает в камеру по трубопроводу
23 через соленоидный вентиль 19, управляемый электронным мостом
27. В результате камера выходит на требуемый режим относитель-
ной влажности.
При работе камеры в режиме тепла зажимом пережимают труб-
ку, соединяющую резервуар с водой 26 и стаканчик подпитки 21.
Затем удаляют воду из стаканчика, с «мокрого» термометра
снимают чехол. Задатчик температуры электронного моста 20 устанав-
ливают на требуемую температуру. Левую стрелку задатчика элек-
тронного моста 28 устанавливают на ту отметку температуры, кото-
рая на 0,5...2 °C выше заданной, а правую — на предельно допусти-
мую. После этого камеру включают н она выходит на заданный ре-
жим тепла.
Для измерения электрических параметров испытываемых ЭС
в камере предусмотрены вводы, рассчитанные на напряжение до
5000 В. Кроме того, для подачи напряжений питания в камере име-
ются отверстия диаметром 80 мм, через которые пропускают кабели
от нзмернтельной аппаратуры. Предварительно на кабели надевают
пробки из теплоизолирующего материала с малым влагопоглощенн-
ем (пенопласт, фторопласт), которые затем плотно вставляют в от-
верстия камеры. Щели между кабелями н пробками и между проб-
ками и отверстиями в камере заливают герметиком.
Для измерения влажности воздуха н газов используют гигромет-
ры. Наибольшее распространение получили психрометры. Принцип
их действия основан на зависимости влажности воздуха от психро-
метрической разности. Психрометры применяют для измерения влаж-
ности в широком диапазоне температур (10...200°С). Они позволя-
ют проводить градуировку не по влажности, а по температуре, что
повышает точность намерений.
§ 4.6. Воздействие пониженного
и повышенного атмосферного давления
Испытание на воздействие пониженного атмосферно-
го давления проводят с целью проверки работоспособно-
сти ЭС в условиях указанного воздействия, т. е. в усло-
виях ухудшения теплоотдачи, а следовательно, и воз-
можности перегрева ЭС. Для снижения нормального
атмосферного давления ро в камере до заданного зна-
чения р требуется время
т = 1п _Рв_
Q р
где Ураб — рабочий объем вакуумной камеры; Q — ско-
12—589 177
рость снижения давления в камере или производитель-
ность вакуумного насоса.
Испытание проводят либо при нормальной темпера-
туре окружающей среды, либо при верхнем и/или ниж-
нем значении записанной в стандартах температуры для
испытываемых ЭС. В последнем случае рекомендуется
вначале устанавливать пониженную температуру. Ис-
пытанию при верхнем и/или нижнем значении темпера-
туры подвергают ЭС, для которых нагрев и/или охлаж-
дение при электрической нагрузке, нормированной для
пониженного атмосферного давления является критич-
ным. При этом ЭС испытывают при электрической на-
грузке, вид и характер которой оговариваются в ТУ.
Продолжительность испытания, как правило, не превы-
шает 1 ч. В отдельных случаях устанавливают длитель-
ное (более 2...3 ч) воздействие пониженного атмосфер-
ного давления.
Барокамера КБ-0,025, схема которой приведена на рис. 4.5, поз-
воляет испытывать изделия при электрической нагрузке на воздей-
ствие пониженного атмосферного давления в диапазоне 100 кПа..
0,67 Па (75Q 5-10-3 мм рт. ст ) и обеспечивает следующую точность
поддержания давления: ±5 % в Диапазоне 80.33 кПа; ±15%
в диапазоне 33 13 кПа; ±1%±0,13кПа—в диапазоне 13.. 0,13 кПа;
от +150 до —70 % в диапазоне 133,0,67 Па. Время достижения дав-
ления 0,67 Па не превышает 90 мин. В зависимости от диапазона дав-
лений контроль и регулирование их значений осуществляют одним из
следующих приборов (рис. 4.5): вакуумметром 6—100 13 кПа; ртут-
ным реле 5—13 .0,13 кПа; вакуумметром 16— 133.. 0,67 Па.
Барокамера можег работать в ручном и автоматическом режи-
мах. При работе в диапазоне давлений 100. 13 кПа соленоидные вен-
тили 2, 8, 10, 19 и вакуумный затвор 18 закрыты, а ручной 4 и со-
леноидный 7 вен 1 или открыты В этом случае рабочий объем 3 ка-
меры сообщается с ртутным реле 5 и вакуумметром 6, а через
обратный клапан 9 —с вакуумным насосом 11, которым из рабочего
объема камеры откачивают воздух Запуск насоса обеспечивает со-
леноидный вентиль 10, подающий воздух из внешней среды в ва-
куумный насос Обратный клапан 9 перекрывает вакуумную систему
между барокамерой и насосом в момент остановки насоса. Необхо-
димое давление устанавливают на задатчике вакуумметра 6, после
чего включают вакуумный насос По достижении заданного давле-
ния насос выключают В дальнейшем давление автоматически под-
держивается на заданном уровне периодическим включением и вы-
ключением вакуумного насоса Таким же способом давление в ба-
рокамере поддерживается при работе в диапазоне 13. .0,13 кПа,
однако регулируют его с помощью ртутного реле 5.
В диапазоне давлений 133...0,67 Па воздух из рабочего объема
камеры откачивают непрерывно. Заданное давление поддерживают
подачей воздуха из внешней среды через натекатель 1 при откры-
вании соленоидного вентиля 19, управляемого в этом диапазоне ва-
куумметром 16. Последний сообщается с рабочим объемом 3 каме-
178
ры через манометрический преобразователь 17. Необходимое давле-
ние в камере устанавливают задатчиком на вакуумметре 16, закры-
вают вентиль 4, открывают вентиль 7 и, включив насос 11, начинают
откачку По достижении давления 3,9 .6,7 Па включают соле-
ноидный вентиль подачи воды 15 и нагреватель паромасляного на-
Рис 4 5. Схема барокамеры КБ-0,025:
1 — натекатель; 2, 7. 8, 10, 15. 19 — соленоидные вентили, 3 —
рабочий объем камеры, 4 — ручной вентиль; 5 — ртутное реле;
6, /5 — вакуумметры, 9 — обратный клапан; //—вакуумный
насос, 12— тепловое реле, 13— реле давления, ]4— паромасля
ный насос, /7 — манометрический преобразователь; 18 — ваку-
умный затвор
coca 14. При этом открывается соленоидный клапан 8. Наличие во-
ды в охлаждающей системе паромасляного насоса контролируют
с помощью реле давления 13, которое выключает нагреватель по
прекращении ее подачи Если температура воды превышает +25 °C,
тепловое реле 12 выключает нагреватель паромасляного насоса Че-
рез 30 40 мин с начала работы, когда паромасляный насос входит
в рабочий режим, закрывают соленоидный вентиль 7 и открывают
вакуумный затвор 18. При этом воздух из рабочего объема 3 каме-
ры откачивают паромасляным насосом По окончании испытания за-
крывают вакуумный затвор и впускают воздух в рабочий объем ка-
меры через соленоидный вентиль 2.
Если ЭС испытывали при электрической нагрузке, ее снимают
Давление и температуру в камере устанавливают нормальными, вы-
держивают ЭС до тех пор, пока их температура по всему объему не
12*
179
станет равной температуре окружающей среды. (Допускается из-
влекать ЭС из камеры до установления в ней нормальной темпера-
туры ) После этого ЭС извлекают из камеры, осматривают и изме-
ряют их параметры Для подключения измерительной аппаратуры
к испытываемым ЭС в камере предусмотрены низкочастотные и вы-
сокочастотные вводы.
Испытание на воздействие повышенного давления
воздуха или другого газа также проводят в барокамерах
с целью проверки устойчивости параметров и сохране-
ния внешнего вида изделий при указанном воздействии
и после него. Испытание проводят, как правило, без
электрической нагрузки. Принцип действия испытатель-
ных барокамер повышенного давления основан на пере-
ключении (с помощью специального крана) воздуха из
магистрали в камеру или из камеры в окружающую
среду. Камеру подключают к магистрали или баллону
со сжатым воздухом через газовый редуктор, установ-
ленный на предельное значение давления для данной ка-
меры.
Испытываемые изделия размещают в камере повышенного дав-
ления и измеряют параметры, указанные в ПИ н ТУ. Затем ЭС вы-
ключают При нормальной температуре давление в камере повыша-
ют до значения, установленного в стандартах на данные ЭС При
этом давлении изделия выдерживают в течение времени, указанного
в ПИ и ТУ. Электронные средства включают н выдерживают до дос-
тижения теплового равновесия, измеряя параметры в процессе ис-
пытания (если это оговорено в ПИ и ТУ). Давление в камере плав-
но понижают до нормального, после чего ЭС извлекают из камеры
и осматривают
§ 4.7. Воздействие солнечного излучения
Испытание проводят для проверки способности ЭС
сохранять внешний вид и параметры во время и после
воздействия солнечного излучения. Испытание осущест-
вляют с помощью одного из двух методов — при не-
прерывном или циЮтитестотя-' воздействий Излучения.
Первый метод применяют для определения степени фо-
тохимического воздействия облучения на ЭС или отдель-
ные их части, не защищенные от непосредственного облу-
чения. Второй — в случае, когда наряду с фотохимиче-
ским воздействием необходимо определить также
степень воздействия на ЭС тепловых напряжений, воз-
никающих в изделиях или отдельных их частях в про-
цессе облучения. При обоих методах испытания ЭС, не
подвергнутые ранее другим видам воздействия, разме-
щают в испытательной камере так, чтобы наиболее уяз-
180
вимые (изготовленные из органических материалов или
имеющие органические покрытия) части испытываемых
изделий находились под непосредственным воздействи-
ем излучения. Расстояние от ЭС до стенок камеры дол-
жно быть не менее 10 см.
О 2 2 0 22 2k т, V
Рис. 4 6 Изменение температуры испытания ЭС при не-
прерывном (а) и циклическом (б, в) воздействии солнеч-
ного излучения
Испытание ЭС непрерывным воздействием излучения
(рис. 4.6, а) проводят без электрической нагрузки с по-
мощью источников света, обеспечивающих излучение,
по спектральному составу и плотности потока близкое
181
солнечному *. Длительность непрерывного облучения
составляет 5 сут.
Испытание циклическим воздействием излучения
(рис. 4.6, б, в) проводят при электрической нагрузке в
течение 3, 10 или 56 (по необходимости) непрерывно
следующих циклов. Продолжительность одного цикла
24 ч. Цикл, показанный на рис. 4.6,6, включает 8-часо-
вое облучение и 16-часовое затемнение. При этом расход
энергии за дневной цикл (доза облучения) составляет
8,96 кВт-ч-м-2, что соответствует наиболее жестким
естественным условиям. Цикл, показанный на рис. 4.6, в,
включает 20-часовое облучение и 4-часовое затемнение.
При этом расход энергии (доза облучения) равен
22,4 кВт-ч-м-2 за дневной цикл.
До и после испытаний (по обоим методам) произво-
дят внешний осмотр и измерение параметров ЭС (элек-
трический и механический контроль) при нормальных
условиях. Кроме того, при испытании по второму методу
проверяют работоспособность ЭС незадолго до оконча-
ния облучения.
Камера солнечной радиации (рис. 4.7), в которой реализуют
испытание, включает следующие основные элементы: источники све-
та — излучатели 10, содержащие лампы ультрафиолетового и инфра-
красного спектров и имитирующие солнечное излучение; электрона-
греватели 2, обеспечивающие тепловой режим. В качестве источников
света применяют ртутно-кварцевые лампы с вольфрамовой нитью
Накала, лампы ультрафиолетового излучения или газоразрядные ртут-
ные лампы. Источники света должны обладать плотностью потока
излучения около 1,5 кВт/м2. Электронагреватели обеспечивают тем-
пературный режим в камере, который устанавливается автоматичес-
ки с помощью измерительного прибора 14 в комплекте с терморезис-
торами 3. Превышение заданной температуры контролируют прибо-
ром 13 в комплекте с терморезисторами 4. Концентрация озона в ка-
мере не должна превышать нормальную по ГОСТ 15150—69.
В соответствии с электрической схемой камеры предусмотрены
реверсивное (на 360°) перемещение стола 7 при частоте вращения
1 мин-1 и его фиксация при повороте на каждые 90°. Для наблю-
дения за процессом испытания предусмотрено смотровое окно 5,
снабженное светофильтром, не пропускающим ультрафиолетового
излучения.
Контроль ультрафиолетового излучения производят по диаграм-
* На высотах до 15 км над поверхностью Земли интегральная
плотность теплового потока солнечного излучения составляет
1125 Вт/м2 при плотности потока излучения в ультрафиолетовой
части спектра 68 Вт/м2. Спектр ультрафиолетового излучения лежит
в пределах 280. .400 нм. Для высот свыше 15 км интегральная плот-
ность теплового потока равна 1380 Вт/м2, в том числе плотность
излучения в ультрафиолетовой части спектра 100± (5...15 %) Вт/м2,
182
мной ленте или химическим методом. На диаграммной ленте приво-
дится плотность теплового потока, построенная на основании пока-
зания милливольтметра. Химический метод основан на свойстве
щавелевой кислоты разлагаться под действием ультрафиолетовых
Рис. 4 7. Схема камеры солнечной радиации:
1—электродвигатель вентилятора; 2 — электронагреватели; 3, 4 — тер
морезисторы; 5 — смотровое окно; 6 — пирометр, 7 — стол; Я —элект-
родвигатель стола; 9— электродвигатель вентилятора вытяжки; 10—
излучатели; //—отражатель; 12 — прибор для замера радиации; 13—
регулятор температуры, превышающей допустимую; /4 — регулятор
рабочей температуры
лучей в присутствии солей уранила. Количество разложившейся
кислоты определяют по разности между первоначальным и оконча-
тельным содержанием ее в растворе КМпО4, наливаемом в специ-
альный конический стаканчик и экспонируемом в месте установки
испытываемых изделий в течение 1 ч. По количеству израсходован-
ного раствора вычисляют плотность потока ультрафиолетового из-
лучения [11].
183
§ 4.8. Воздействие песка и пыли
Выделяют испытания на динамические и статические
воздействия пыли, а также на пыленепроницаемость.
Испытание на динамическое воздействие пыли про-
водят с целью проверки устойчивости ЭС к разрушаю-
щему (абразивному) воздействию пыли. При испытании
(без электрической нагрузки) ЭС обдувают воздухом,
содержащим просушенную пылевую смесь.
Испытание на статическое воздействие пыли прово-
дят с целью проверки способности изделий сохранять
параметры в среде с повышенной концентрацией пыли.
Для этого ЭС (при электрической нагрузке) подверга-
ют воздействию пыли, находящейся во взвешенном со-
стоянии в воздухе камеры. Затем пыли дают осесть при
отсутствии циркуляции воздуха в камере. При обоих
видах испытания проводят внешний осмотр и измерение
Таблица 4.6
Параметры, характеризующие воздействие пыли при испытании ЭС
Параметр Вид испытания
на динамичес- кое воздей- ствие пыли на статичес- кое воздей- ствие пыли на пыленепрони- цаемость
Размер частиц, мкм <200 <140 <50
Состав пылевой смеси, Кварцевый Кварцевый Кварцевый
% песок (70 %), мел (15 %), каолин (15 %) песок (60 %), мел (20 %), каолин (20 %) песок (75 %), флуоресцирую- щий порошок (25 %)
Концентрация, г/м3, пы- левой смеси в рабочем объеме камеры, % 0,1 2±0,1 Не нормируется
Скорость обдува, м-с-1 10... 15 0,5...1* 0,5...1*
Продолжительность воз- действия пылевой сме- си, ч 1 4 1/4
Время оседания пыли, ч — 2** 1/2**
Температура воздуха в камере, °C Относительная влаж- ность воздуха, % 55±2 55±2 55±2
Не более 50 Не более 50 Не более 50
* Скорость циркуляции воздуха в камере до начала оседания пыли.
** Пыль оседает при отсутствии циркуляции воздуха в камере.
184
контролируемых параметров ЭС до и после испытаний.
Испытание на пыленепроницаемость служит для про-
верки возможности проникновения пыли через корпуса
и кожухи ЭС внутрь изделий, находящихся в среде с
повышенной концентрацией пыли. При испытании в пыль
добавляют флуоресцирующий порошок. Чтобы выявить,
попала ли пыль внутрь изделий, после испытания их пе-
реносят в затемненное помещение, вскрывают и подвер-
гают ультрафиолетовому облучению. Значения парамет-
ров, характеризующие воздействие пыли при испытании
ЭС, приведены в табл. 4.6.
При проверке устойчивости к абразивному действию
пыли изделия считают выдержавшими испытание, если
их внешний вид удовлетворяет оговоренным в стандар-
тах требованиям; в случае проверки пыленепроницае-
мости признаком брака служит проникновение пыли
внутрь изделий.
Конструкция камеры пыли, предназначенной для испытания,
представлена на рис. 4 8. Испытываемые изделия устанавливают на
столе 3 таким образом, чтобы воздействие пыли было наиболее эф-
Рис. 4 8. Конструкция камеры для испытаний на воздейст-
вие пыли:
1 — направляющий щит; 2 — испытательная камера; 5 —стол, 4 —
вентилятор осевой; 5 — электродвигатель вентилятора, 6 — каркас
установки; 7 — электродвигатель стола; 8 — воздухопровод; 5 —
шибер изменения скорости воздушного потока; 10 — редуктор
185
фективным и соответствовало возможному воздействию пыли при
эксплуатации. Максимальное расстояние от изделия до стенок каме-
ры и между изделиями должно быть не менее 0,1 м Вентилятор 4
прогоняет воздух с пылевой смесью, скорость которого регулирует-
ся наклоном шибера 9 заслонки. Стол вращается в горизонтальной
плоскости с частотой 9 мин-1, что позволяет проводить опыление
изделий равномерно со всех сторон.
§ 4.9. Воздействие атмосферы, содержащей
агрессивные среды
Агрессивной средой называют среду (газ),
обладающую кислотным, основным или окислительным
действием и вызывающую ухудшение параметров мате-
риалов и/или изделий либо их разрушение.
Испытание на воздействие агрессивной среды прово-
дят с целью определения коррозионной стойкости изде-
лий в атмосфере, в состав которой входят водные рас-
творы солей. Поэтому такое испытание часто называют
испытанием на воздействие соляного тумана. В камере
соляного тумана изделия располагают так, чтобы в про-
цессе испытания на них не попадали брызги раствора
соли из пульверизатора или аэрозольного аппарата, а
также капли с потолка, стен и системы подвесов. Тем-
пературу в камере устанавливают (27±2) °C. Соляной
туман создается распылением раствора соли, который
приготовляют растворяя хлористый натрий в дистилли-
рованной воде (33±3) г/л. Распыление раствора произ-
водят с помощью пульверизатора или центрифуги аэро-
зольного аппарата 15 мин каждый час испытания.
Общее время испытания составляет 2,7 или 10 сут в за-
висимости от степени жесткости и оговаривается в ТУ.
Время испытания отсчитывают с момента выхода каме-
ры на испытательный режим. По окончании испытания
изделия промывают в дистиллированной воде (если это
предусмотрено стандартами), после чего просушивают и
оценивают их пригодность.
Камера соляного тумана должна обеспечивать испы-
тание ЭС в заданном режиме с автоматическим введе-
нием раствора соли в объем камеры. Туман должен об-
ладать дисперсностью 1...10 мкм (95 % капель) и мас-
совой концентрацией воды 2...3 г/м3.
Дисперсность соляного тумана определяют методом микрофото-
графирования. Пробу тумана берут с капель, естественно осажден-
ных на предметное стекло, помещенное в середине камеры. Чтобы
предотвратить испарение капель, придать им сферическую форму
186
и удержать ее некоторое время, на поверхность стекла наносят смесь
трансформаторного масла с вазелином в соотношении 2:1. Стекло
выдерживают в камере около 0,5 мин при работающем аэрозольном
аппарате. Затем стекло с осевшими на него каплями тумана фото-
графируют через микроскоп, причем делают 3—5 снимков в разных
местах пробы. Сфотографированные на пленку капли увеличивают
проекционным аппаратом и подсчитывают общее число заснятых
капель данной пробы и число капель каждого размера. При нормаль-
ном соляном тумане 95 % поверхности стекла покрыто каплями раз-
мером 1. .10 мкм.
Концентрацию воды в тумане (водность тумана) определяют
прибором Зайцева, работающим по принципу инерционного оседа-
ния капель на специальную фильтровальную бумагу, покрытую кра-
сителем и помещенную в кассету. Прибор Зайцева через отверстие
в боковой стенке вводят в камеру (при работающем аэрозольном
аппарате) в конце периода распыления и производят несколько
резких движений поршня ручного насоса. При засасывании в кассе-
ту определенного объема влажного воздуха на фильтровальной бу-
маге образуется пятно, по размеру которого на основании перевод-
ных градуировочных таблиц определяют содержание капельно-жид-
кой влаги в единице объема. Объем прошедшего через кассету воз-
духа измеряют по числу ходов поршня. Водность нормального ту-
мана составляет 2...3 г-м-3.
Важное требование, предъявляемое к камере соля-
ного тумана, — коррозионная стойкость. Поэтому для
изготовления камеры целесообразно применять матери-
алы, не подвергающиеся коррозии.
§ 4.10. Воздействие повышенного гидростатического
давления. Испытание на герметичность
Цель испытания на воздействие повышенного гидро-
статического давления — определение работоспособно-
сти ЭС в условиях нахождения их под водой. Это испы-
тание часто проводят в сочетании с испытанием на гер-
метичность с целью проверки способности корпусов ЭС
или их отдельных блоков и частей не допускать проник-
новения воздуха или воды в изделия. Оба вида испыта-
ния осуществляют, погружая изделия в резервуар с во-
дой.
Испытание на воздействие повышенного гидростати-
ческого давления проводят в такой последовательности.
Сначала в течение 15 мин ЭС выдерживают под водой
при давлении, в 1,5 раза превышающем давление пре-
дельной глубины погружения. Затем давление снижают
до нормального и повышают до значения, соответствую-
щего предельной глубине погружения. В этих условиях
ЭС выдерживают в течение 24 ч. По окончании испыта-
J87
ния давление снижают до нормального и, не извлекая
ЭС из воды, оценивают их качество по соответствию из-
меряемых выходных параметров значениям, заданным
в ТУ и ПИ.
Испытание на герметичность в зависимости от требо-
ваний, предъявляемых к ЭС, реализуют одним из сле-
дующих методов (ГОСТ 20.57.406—81):
1) по утечке жидкости — для изделий, наполненных
жидкостью или содержащих наполнитель, находящийся
в твердом состоянии при нормальных климатических ус-
ловиях и превращающийся в жидкость при температуре
испытания;
2) по утечке газа с применением индикаторного газа
и масс-спектрометра — для изделий, имеющих свобод-
ный внутренний объем и не обладающих повышенной
адсорбцией, но способных выдерживать без остаточных
деформаций повышенное и пониженное давление отно-
сительно нормального атмосферного;
3) по проникновению газа или жидкости — для из-
делий, проникновение агрессивной среды в которые при-
водят к изменению их параметров;
4) по обнаружению утечки газа путем наблюдения
его пузырьков при помещении ЭС в жидкость — для
изделий, содержащих внутри некоторый объем газа и
способных выдерживать без остаточных деформаций
понижение и повышение давления;
5) по обнаружению утечки воздуха, подаваемого на
изделия под давлением;
6) по проникновению влаги («влажный» метод) —
для изделий, электрические характеристики которых из-
меняются от проникновения в корпус жидкости.
Для проведения испытания указанными методами
используют камеры тепла, цветовые индикаторы, гелие-
вые камеры, масс-спектрометры, барокамеры, жидкост-
ные ванны, контрольно-измерительную аппаратуру, уст-
ройства подачи сжатого воздуха.
При испытании ЭС по четвертому методу, одному из наиболее
распространенных, в корпуса изделий через штуцера нагнетают воз-
дух до избыточного давления (3...5)-104 Па После этого изделия
погружают не менее чем на 5 мин в резервуар с водой, имеющей
температуру 25±10°С. Изделия считают выдержавшими испытание,
если во время нахождения их в воде под избыточным давлением не
наблюдается выделения пузырьков воздуха из корпусов ЭС.
Количественную характеристику герметичности определяют од-
ним из двух способов. При первом способе ЭС помещают в испыта-
тельную камеру под колпаком. Внутреннюю полость испытываемого
188
образца соединяют с коленом жидкостного манометра. Для этого
в испытываемых ЭС должна быть предусмотрена возможность уста-
новки штуцера, который по окончании испытания заменяют заглуш-
кой. Другое колено манометра соединяют с окружающей атмосфе-
рой Для повышения чувствительности манометра его заполняют
маслом вместо ртути. В камере создают избыточное давление воз-
духа или разрежение (в зависимости от условий эксплуатации ЭС),
что обеспечивает перепад давлений между внутренней полостью ис-
пытываемого образца и объемом камеры не менее 3-104 Па. Негер-
метичность натекания определяют по разности уровней жидкости
в манометре через 15 мин после установления заданного перепада
давлений.
При втором методе определения количественной характеристики
герметичности испытываемый образец и соединенную с ним камеру
помещают в испытательную камеру. В одной из двух камер (в за-
висимости от условий эксплуатации ЭС) создают вакуум не хуже
1-Ю-2 Па. Вторую камеру заполняют гелием или другим пробным
газом под давлением до 105 Па. Камера, в которой создают ва-
куум, должна быть соединена с течеискателем. Негерметичность оп-
ределяют по показаниям выходного прибора течеискателя.
§ 4.11. Комплексные климатические воздействия
Виды и состав рассмотренных основных климатиче-
ских испытаний ЭС, используемых в отечественной и за-
рубежной практике и проводимых на разных стадиях
жизненного цикла изделий, приведены в табл. 4.7. В на-
стоящее время проводят более сложные климатические
испытания — на комплексные климатические воздейст-
вия. Различают комбинированные и составные климати-
ческие испытания.
При комбинированном климатическом испытании на
выборку изделий воздействует одновременно несколько
климатических факторов.
При составном климатическом испытании выборка
также подвергается воздействию нескольких климати-
ческих факторов, но в определенной их последователь-
ности и через определенные интервалы времени. Эти ис-
пытания целесообразно проводить в тех случаях, когда
эффект совместного воздействия климатических факто-
ров нельзя оценить по их изолированным воздействиям.
В отечественной практике широко применяют комбини-
рованное испытание на воздействия повышенной темпе-
ратуры и пониженного атмосферного давления и состав-
ное, называемое нормализованной климатической после-
довательностью (см. § 4.1).
Последовательность как обычных, так и составных
климатических испытаний определяется целью их про-
189
Таблица 4.7
Виды и состав основных климатических испытаний изделий
Состав испытаний
Вид испытания
этап опытно-
конструктор’
ской разра-
ботки (ОКР)
и освоение
изделий в
серийном
производстве
серийное производство
отбрако-
вочные
испыта-
ния
контроль
стабильности
производ-
ства—пери-
одические
испытания
На теплоустойчивость
На холодоустойчивость
На воздействие смены темпе-
ратур
На длительную влагоустоичи-
вость
На кратковременную влаго-
устойчивость
На воздействие пониженного
атмосферного давления
На воздействие солнечного из-
лучения
На воздействие соляного ту-
мана
На воздействие пыли и песка
На воздействие повышенного
гидравлического давления
На воздействие инея и росы
На герметичность
На термоудар
Примечания L «+> — испытания проводят, испытания не
проводят; «н» — испытания могут быть проведены, если это предусмотрено
в НТД на изделия
2. Испытания на воздействия солнечной радиации, пыли и песка прово-
дят лишь в том случае, если изделия предназначены для работы на откры-
том воздухе
ведения. При выполнении научно-исследовательских ра-
бот по изучению возможностей изделий и механизмов
их отказов целесообразно получить максимальный
объем информации об изделиях до того, как они отка-
жут. В этом случае наиболее жестким климатическим
воздействиям ЭС подвергаются в конце испытаний.
Контрольные вопросы
1. Каковы основные условия воспроизводимости результатов
климатических испытаний?
190
2. Что понимают под нормализованной последовательностью кли-
матических испытаний?
3. Какие методы испытаний ЭС на воздействие повышенной тем-
пературы Вам известны и в чем их особенности?
4. Каким основным требованиям должна удовлетворять камера
тепла?
5. В чем отличие испытания ЭС на воздействие циклического
изменения температуры от испытания на термоудар?
6. В чем особенности циклического и непрерывного режимов
испытания ЭС на воздействие повышенной влажности?
7. В чем специфика требований, предъявляемых при испытании
ЭС, к камерам тепла и влаги?
8. Можно ли приспособить камеру тепла для испытания ЭС на
повышенную влажность?
9. Какие основные требования предъявляют к камере солнеч-
ного излучения и размещению в ней испытываемых ЭС?
10. Как происходит опыление изделия в камере ныли?
11. Как можно определить дисперсность соляного тумана?
12. Что общего между испытаниями на воздействие повышен-
ного гидростатического давления и на герметичность?
13. В чем различие между комбинированными и составными
климатическими испытаниями?
Глава 5
ИСПЫТАНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ,
КОРРОЗИОННО-АКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ВОЗДЕЙСТВИЯ
§ 5.1. Биологические воздействия
Испытание на биологические воздействия проводят
для проверки способности изделий сохранять свои па-
раметры в пределах, установленных НТД, при воздейст-
вии и после него биологических факторов (биофакто-
ров). В настоящее время ГОСТами регламентируется
учет следующих биофакторов: плесневых грибов, насе-
комых, грызунов и почвенных микроорганизмов. Наи-
большие разрушения ЭС наблюдаются при воздействии
грибковой плесени. Поэтому испытание на грибоустой-
чивость — самый распространенный вид испытания на
биологические воздействия.
Испытание на грибоустойчивость проводят с целью
определения способности материалов и покрытий, при-
меняемых при изготовлении ЭС, противостоять грибко-
вой плесени в среде, зараженной плесневыми грибами.
Это испытание осуществляют на образцах, которые не
подвергались каким-либо другим воздействиям. В каче-
стве образцов допускается использовать изделия, за-
191
бракованные по электрическим параметрам. Число об-
разцов устанавливают в соответствии с НТД или ПИ.
Для испытания выбирают широко распространенные ви-
ды плесневых грибов, которые быстро растут, обладают
высокой стойкостью к фунгицидам (противогрибковым
препаратам) и способны наносить наибольший вред ЭС.
Виды грибов, применяемых при испытании, установлены
ГОСТ 9.048—75.
Для испытания на грибоустойчивость используют
следующее оборудование: камеры грибообразования
(например, типа КВТ/Г) или термостаты (например, ти-
па ТС-80), обеспечивающие температуру нагрева
+ (29±2)°С и относительную влажность в рабочем
объеме более 90%; эксикаторы; сушильные шкафы; ав-
токлавы, биологические микроскопы; пульверизаторы;
чашки Петри; пробирки и т. д.
Камера грибообразования выполняется с двойными стенками,
образующими воздушную рубашку, внутри которой циркулирует
нагретый воздух. К камерам предъявляются следующие специфиче-
ские требования, высокая равномерность распределения температу-
ры и влажности по объему; отсутствие циркуляции воздуха; полное
затемнение внутреннего объема; обязательное обезвреживание воз-
духа, выходящего из камеры; высокая грибоустойчивость материа-
лов и деталей камеры. До проведения испытания выполняют посев
и выращивают культуры грибов, заранее изготовив питательную
среду для выращивания и хранения этих культур. Подготовка к ис-
пытанию заключается в стерилизации необходимой посуды, провер-
ке образцов и очистке их от внешних загрязнений. За 2 ч до начала
испытания контролируют жизнеспособность спор грибов.
Различают два метода испытаний на грибоустойчи-
вость. При первом методе образцы ЭС, отобранные для
испытания, тщательно очищают от загрязнений этило-
вым спиртом, при втором — выборку из четного числа
образцов делят на две равные части. Для выявления
причин поражения изделий грибами подвергают очистке
от загрязнений этиловым спиртом только первую группу
образцов. Таким образом, при использовании первого
метода устанавливается, содержат ли ЭС источники пи-
тания для развития и роста грибов; при втором методе,
кроме того, устанавливается наличие фунгицидных
свойств у изделий и влияние внешних загрязнений на
грибоустойчивость ЭС, т. е. он является более информа-
тивным.
Испытание начинают с того, что для каждого вида грибов го-
товят водную суспензию с концентрацией 1...2 млн. спор/мл. При-
способления с испытываемыми образцами переносят в испытатель-
192
ный бокс, после чего равномерно опрыскивают все доступные по-
верхности образцов из пульверизатора. На питательную среду
контрольных чашек Петри наносят несколько капель суспензии.
Образцы и чашки Петри просушивают, а затем помещают в камеру
грибообразования. Расстояние между образцами должно быть не
менее 20 мм. Камеру закрывают. Продолжительность испытания
28 сут. Однако уже по истечении 5 сут из камеры извлекают конт-
рольные чашки Петри. Если на питательной среде чашек рост гри-
бов не наблюдается, то испытание повторяют на новых образцах
с вновь приготовленной суспензией из новых партий грибов.
По окончании испытания образцы извлекают из камеры и сразу
осматривают сначала невооруженным глазом в рассеянном свете при
освещенности 2000.3000 лк, а затем при увеличении в 56.60 раз.
Оценку грибоустойчивости изделий производят по росту грибов на
образцах по следующей шестибалльной системе:
при осмотре под микроскопом рост плесневых грибов не ви-
ден — 0;
при осмотре под микроскопом видны единичные проросшие спо-
ры и незначительно развитый мицелий в виде неветвящихся гиф —
1 балл;
при осмотре под микроскопом наблюдаются слабый рост гри-
бов, единичное спороношение и мицелий в виде ветвящихся гиф —
2 балла;
при осмотре невооруженным глазом рост грибов едва заметен,
но хорошо виден под микроскопом — 3 балла;
при осмотре невооруженным глазом отчетливо виден рост гри-
бов, покрывающих менее 25 % испытываемой поверхности, —
4 балла;
при осмотре невооруженным глазом отчетливо виден рост гри-
бов, покрывающих более 25 % испытываемой поверхности, —
5 баллов
Для повышения точности оценки грибоустойчивости рекоменду-
ется пользоваться фотообразцами, приведенными в приложении
к ГОСТ 9 048—75. Изделия считают выдержавшими испытание по
первому методу, если рост грибов на них не превышает 2 балла.
Результаты испытания по второму методу, оцениваемые по группам
образцов, считают положительными, если рост грибов на образцах
первой группы не превышает 2 балла, а на образцах второй груп-
пы — 3 балла.
После испытания составляют его протокол, в который заносят
результаты испытания. По окончании испытания образцы либо дез-
инфицируют в автоклаве в течение 1 ч при давлении 0,1 МПа и тем-
пературе 121 °C, либо промывают 5 %-ным раствором фенола/фор-
мальдегида или 10 °/о-ным раствором перекиси водорода Оптические
детали протирают спиртом. Недорогие образцы уничтожают.
Испытание на устойчивость материалов к воздейст-
вию термитов. В лабораторных условиях испытание осу-
ществляют в термостатах при температуре + (26±
±0,5) °C и влажности воздуха, близкой 100 %.
Испытание проводят следующим образом. На образец материа-
ла, имеющий форму пластины размером 40X80 мм, накладывают по-
лоску фильтровальной бумаги так, чтобы она закрывала половину
13—589
193
поверхности образца. Смачиваемая бумага является источником
питания и влаги. Затем на каждый образец устанавливают по два
стеклянных садка и прижимают их к образцу пружинами или рези-
новыми кольцами. В каждый садок помещают по 50 термитов. Для
наблюдения за жизнеспособностью термитов готовят контрольные
садки. Садки с образцами и контрольные садки вводят в термоста-
ты. Три раза в неделю визуально учитывают степень повреждения
термитами образцов (отверстия, царапины, разрыхление и т. д.)
и заменяют погибших термитов равным числом жизнеспособных.
Продолжительность испытания составляет 30 сут.
Испытание изделий и материалов на устойчивость к воздействию
грызунов. Для проведения испытания используют взрослых особей
грызунов, которых заранее дрессируют, чтобы приучить доставать
пищу, преодолевая преграду — картон толщиной 2...3 мм. Клетки
для проведения испытания изготовляют из каркаса и сетчатых ме-
таллических стенок с размером ячейки не более 5...8 мм. В середине
клетки имеется перегородка с отверстии 70X70 мм, которое закры-
вают преградой — испытываемыми образцами. Продолжительность
испытания 24 ч. По окончании испытания образцы осматривают, от-
мечают характер и размеры повреждений. Образцы считают выдер-
жавшими испытание, если они не повреждены (0 баллов) или на их
поверхности имеются следы зубов грызунов в виде неглубоких ца-
рапин (1 балл).
§ 5.2. Коррозионно-активное воздействие
Испытание на коррозионно-активное воздействие про-
водят для оценки коррозионной стойкости металлов,
сплавов и покрытий, применяемых в ЭС, к воздействию
рабочей среды (среды, в контакте с которой происходит
эксплуатация ЭС, их деталей или сборочных единиц),
способной изменять свою коррозионную активность в
зависимости от температуры и влажности.
Различают зоны эксплуатации (испытания) ЭС с высокими
температурами рабочей среды (до +2500 °C), низкими температура-
ми (до —253 °C) и их сочетанием (нагрев до высоких температур
после воздействия низких). При выборе методов лабораторных
и стендовых испытаний ЭС необходимо учитывать не только тем-
пературу рабочей среды, но и характер температурного воздействия
(кратковременное, длительное, циклическое), а также условия экс-
плуатации и хранения, заданные ТЗ.
Рабочей средой, оказывающей коррозионное воздействие на ЭС,
может служить воздух, топливо (в том числе многокомпонентное),
окислители, рабочие жидкости гидросистем, синтетические и мине-
ральные масла, охлаждающие жидкости, смазки, продукты сгорания
топлива, морская и даже дистиллированная вода, различные агрес-
сивные среды (газы), коррозионная активность которых часто воз-
растает не столько с повышением температуры, сколько с повышени-
ем влажности.
В зависимости от рабочей среды, в которой происхо-
дит эксплуатация ЭС, коррозионную стойкость можно
194
определить в ходе проведения испытания на следующие
воздействия: инея и росы, повышенной влажности, плес-
невых грибов, соляного тумана, дождя, сернистого газа
или сероводорода и др.
Под коррозионно-активным воздейст-
вием обычно понимают совместное воздействие агрес-
сивного газа, влажности и температуры. В качестве аг-
рессивного газа, ускоряющего коррозионный процесс
при испытаниях иногда применяют кислотный раствор
хлористого натрия и двухлористой меди. Газ вводят в
рабочую среду для определения защитных свойств по-
крытий медь-никель-хром и никель-хром, а также анод-
но-оксидных покрытий из алюминия и его сплавов. При
испытании покрытий из драгоценных металлов, исключая
серебро, используют сернистый газ. Для определения
защитных свойств медь-никель-хромовых и никель-хро-
мовых покрытий, нанесенных на сталь и цинковые спла-
вы, в качестве агрессивной среды применяют коррози-
онно-агрессивные пасты, которые наносят на поверх-
ность испытываемых образцов.
Испытание металлов, сплавов и покрытий на корро-
зионно-активное воздействие проводят только в тех слу-
чаях, когда отсутствуют данные по их стойкости к это-
му воздействию. Подобное испытание деталей и сбороч-
ных единиц ЭС позволяет определить влияние их
конструктивных и технологических особенностей на кор-
розионную стойкость и работоспособность в конкретной
среде. Для испытания образцов служит газовая каме-
ра, в которой можно изменять температуру и влажность.
Испытание ЭС на воздействие сернистого газа. В камере должны
быть обеспечены: перепад температуры в местах расположения ис-
пытываемых образцов не более 2 °C, концентрация агрессивного
газа с погрешностью — 25 °/о от установленной НТД концентрации
при испытании, относительная влажность с погрешностью ±5 %.
В конструкции камеры должны быть предусмотрены разъемы для
подключения контрольно-измерительной аппаратуры и питания
к испытываемому изделию, а также устройств для контроля состава
среды и измерения ее температуры. Изготовляют камеру из мате-
риала, стойкого к воздействию сернистого газа.
На рис. 5.1 приведена конструкция камеры для проведения
испытания на воздействие сернистого газа с конденсацией влаги.
Заданная относительная влажность воздуха в камере достигается
в результате его увлажнения дистиллированной водой, находящейся
в поддоне 7. К отверстию 4 через предохранительный клапан под-
соединяют устройство для ввода агрессивного газа извне, а также
устройство для отбора проб среды и удаления отработанного газа.
Концентрацию сернистого газа поддерживают постоянной и кои-
13*
195
500
Рис. 5.1. Конструкция
камеры для проведения
испытания ЭС на воздей-
ствие сернистого газа
с конденсацией влаги:
/ — термометр; 2 — точка
измерения температуры; 3 —
кожух; 4 — отверстие для
присоединения предохрани-
тельного клапана; 5 — от-
верстия для контактного
термометра; 6 — патрубок
для ввода газа; 7 —поддон
с водой; размеры даны в
миллиметрах
тролируют непрерывно с
помощью автоматичес-
кого газоанализатора
(например, типа ГКП-1)
или (при отсутствии га-
зоанализатора) один раз
в сутки по методу, осно-
ванному на окислитель-
но-восстановительной ре-
акции сернистого газа с
йодом;
2Н2О 4- SO2 + /2 =
= II2SO4 + 2HI.
Содержание сернистого
газа пропорционально
количеству восстанов-
ленного йода.
Через склянку Зайцева, в которой содержится 5 см3 свежепри-
готовленного 0,001 н. раствора йода, окрашенного крахмалом в си-
ний цвет, с помощью аспиратора пропускают газовоздушную смесь
со скоростью не более 10 дм3/ч до обесцвечивания раствора йода.
Концентрация сернистого газа (г/дм3) определяется выражением
c=V1b-32/Vi,
где Vi—объем налитого в поглотитель раствора йода, см3; b —
нормальный раствор йода, моль/дм3; 32 — молярная масса эквива-
лентов сернистого газа, г/моль; V2 — объем приведенной к нор-
мальным условиям газовоздушной смесн, прошедшей через поглоти-
тель, см3.
Для проведения испытания образцов используют не-
прерывное воздействие сернистого газа без конденсации
влаги и циклическое воздействие его с конденсацией
влаги при повышенных относительной влажности и тем-
пературе. Физическая сущность обоих методов заключа-
ется в ускорении коррозионного процесса при воздейст-
вии сернистого газа. При испытании путем непрерывного
196
воздействия сернистого газа образцы помещают в каме-
ру, в которой устанавливают следующий режим испыта-
ния: температура (25±2) °C, относительная влажность
(75±5) %, массовая концентрация сернистого газа
(75± 15) мг/м3. Газ вводят в камеру сразу после уста-
новления заданных значений температуры и относитель-
ной влажности.
Испытание образцов циклическим воздействием сер-
нистого газа осуществляют путем непрерывного следо-
вания циклов продолжительностью 24 ч (от начала на-
грева закрытой камеры). Перед началом каждого цик-
ла в водяную баню на дно камеры наливают заданное)
ПИ количество воды; камеру плотно закрывают. Воз-
можны два режима проведения испытания.
Первый режим: после ввода сернистого газа камеру нагревают
в течение 90 мин до температуры (40±2)°С и поддерживают эту
температуру постоянной во время испытания; по истечении 24 ч на-
грев прекращают, камеру открывают, воду из бани сливают. Второй
режим- в камеру вводят 2 г/м3 сернистого газа (эту операцию при
повторении цикла необходимо проводить в течение 30 мин); нагре-
вают ее в течение 90 мин до температуры (40±2)°С и поддерживают
эту температуру в течение 8 ч; камеру открывают, сливают воду из
бани, извлекают образцы и выдерживают их в течение 16 ч при тем-
пературе помещения и относительной влажности воздуха не бо-
лее 75 %.
Коррозионную стойкость прошедших испытание об-
разцов можно оценить различными методами, из кото-
рых наиболее широко применяют гравиметрический (по
изменению массы) и визуальный. Если удаление продук-
тов коррозии возможно, наблюдается потеря массы ис-
пытываемого образца; если продукты коррозии мало-
растворимы и имеют достаточную адгезию, происходит
увеличение массы образца.
При гравиметрическом методе оценки коррозионной стойкости
испытываемые образцы и образцы сравнения (эталонные образцы,
не прошедшие испытания), коррозионное поведение которых оцени-
вают по потере массы, после обезвоживания выдерживают не менее
24 ч в эксикаторе с влагопоглотителем (например, силикагелем),
а затем взвешивают; образцы массой до 200 г — с погрешностью не
более ±0,0001 г; массой свыше 200 г — с погрешностью ие более
±0,01 г. Потеря массы на единицу площади S (см2) поверхности
образца
Рт = (т —mjJ-lO^/S,
где т — масса образца до испытания, г; т,—масса образца после
испытания и удаления продуктов коррозии, г.
На практике большее распространение получил визуальный метод
оценки коррозионной стойкости. При визуальной оценке коррозион-
197
ных очагов различают точечное разрушение (коррозионный очаг
имеет максимальный размер до 0,1 см) и разрушение пятнами (мак-
симальный размер коррозионного очага превышает 0,1 см). Совокуп-
ность более трех точек, расстояние между которыми менее 0,1 см,
описывают прямоугольной фигурой. Совокупность более трех пятен
размером до 1 см, расстояние между которыми менее 0,2 см, также
описывают прямоугольной фигурой. Прямоугольниками описывают
отдельные пятна размерами более 1 см. На выводах, поперечные
сечения которых представляют окружности, коррозионные очаги
(точки и пятна) и расстояния между ними измеряют по длине вы-
водов. По результатам измерения площадей коррозионных очагов
(фшур) вычисляют относительную площадь (%) коррозионного раз-
рушения:
Snop = Sj/SqHHI
i=i
где п — число коррозионных очагов (фигур) на оцениваемой поверх-
ности; S,- — площадь г-го коррозионного очага (фигуры), см2; 50ЦН —
площадь оцениваемой поверхности, см2.
Для оценки воздействия коррозионной среды на ЭС
служат показатели коррозии. Изделию присваивают на-
иболее высокий (худший) показатель коррозии из пока-
зателей, полученных для отдельных частей его конструк-
ции. Местную коррозию (точечную и пятнами) оцени-
вают по глубине поражения и занимаемой ими площади
поверхности. При этом пользуются универсальной шка-
лой (табл. 5.1), по которой для конкретного коррозион-
ного состояния устанавливают группу коррозионной стой-
кости (0 — V) и соответствующий этому состоянию балл
(0—10). Так, элементы конструкции, не подвергающие-
ся коррозии в данных условиях эксплуатации, относят
к группе 0 (совершенно стойкие) и оценивают в 0 бал-
лов.
Процесс испытания на коррозионно-активное воздей-
ствие можно ускорить увеличивая температуру, относи-
тельную влажность и концентрацию агрессивной среды
до значений, превышающих верхние рабочие значения,
указанные в стандартах на материалы и изделия. Воз-
можно также проведение ускоренного испытания при
усилении только одного какого-либо фактора.
§ 5.3. Технологические воздействия
К испытаниям ЭС на технологические воздействия
относятся испытания на воздействие сред заполнения, на
паяемость, на теплостойкость при пайке, на воздействие
198
Шкала коррозионной стойкости металлов и покрытий
Таблица 5.1
Группа стойкости Балл Потеря блес- ка*, % Изменение цвета** Бронзи- ровка** Белесо- ватость** Грязеудер- жание** Точки и пятна коррозии площадь, % | глубина, мм/год
Совершенно стой- кие (0) 0 0 Отсутствие
Стойкие (I) 1 2 До До 5 10 Незначительные Менее 0,1... 0,5 до 1 Менее 0,001. 0,001 .0,005
Удовлетворитель- но стойкие (II) 3 4 До До 20 50 Значитель- ное Значительные | Пятна местами 1 Значитель- 1 ное 1... 2... 2 5 0,005. 0,01. .0,01 .0,05
Пониженно стой- кие (III) 5 6 Более Боле? 50 50 Сильное Сильные 1 Пятна по всей | поверхности | Сильное 5... 10... 10 29 0,05. 0,1. .0,1 .0,5
Нестойкие (IV) 7 8 Не учитывается 20... Более 50 50 0,5. 1. .1 .5
Совершенно не- стойкие (V) 9 10 Не учитывается 5... 10 Более 10
* Для металлов и покрытий с низким значением параметра шероховатости поверхности.
** Только для оценки лакокрасочных покрытий
ряда технологических факторов (например, испытание
прочности выводов и их креплений).
Испытание на воздействие газовых сред заполнения
(гелий, аргон, азот и др.) проводят с целью проверки
способности ЭС сохранять свои параметры в пределах
значений, заданных в стандартах на изделия, при и по-
сле воздействия газовой среды. Для этого изделия по-
мещают в камеру, способную обеспечить испытательный
режим (температуру, давление, состав среды).
Камеру заполняют газовой средой, указанной в стандарте на
изделия. Установленное в камере давление среды должно превышать
нормальное атмосферное давление на 13...67 гПа, если другое зна-
чение давления не указано в стандартах и ТУ. Температуру в камере
устанавливают равной заданной стандартами повышенной рабочей
температуре среды. В процессе испытания на ЭС подают постоянно
или с определенной периодичностью электрическую нагрузку. Изде-
лия выдерживают в камере в течение указанного в ПИ и ТУ времени.
Испытание на паяемость осуществляют с целью про-
верки способности выводов изделий образовывать сое-
динения в течение определенного времени, названного
в стандарте «временем пайки». Оно определяется вре-
менем, которое требуется для достижения в заданных ус-
ловиях необходимой степени смачивания поверхности
выводов припоем. На практике применяют три метода
испытания на паяемость.
Капельную установку используют для определения времени пай-
ки проволочных выводов круглого сечения. Испытываемый вывод
покрывают флюсом, затем погружают в каплю расплавленного при-
поя таким образом, чтобы она разделилась пополам. Время с мо-
мента деления капли припоя пополам до момента соединения ее
над выводом составляет время пайки. При этом отношение диаметра
испытываемого вывода к высоте капли выбирают таким, чтобы слия-
ние капли припоя над выводом не могло произойти без смачивания.
Паяльную ванну используют для испытания на паяемость в слу-
чае, если форма элемента или его вывода не позволяет применить
капельную установку (например, для элементов с лепестковыми вы-
водами или печатных плат). Паяльиая ванна должна быть глубиной
не менее 40 мм, иметь объем не менее 300 мл и содержать припой,
температура которого (235±5) °C (для элементов, предназначенных
для печатного монтажа) и (270±10) °C (для прочих элементов).
Испытываемый вывод’ сначала погружают во флюс. Избыточный
флюс удаляют, давая ему стекать в течение 1 мин±5 с. Затем вы-
вод сразу же погружают в ваину с припоем в направлении про-
дольной оси. Место погружения должно находиться на расстоянии
не менее 10 мм от стенок ванны. Скорость погружения (5±
±4) мм-с-1, время выдержки в припое (5±0,5) с.
Паяльник, нагретый до (350±10) °C, применяют, когда нельзя
оценить паяемость, испытывая образцы на капельной установке или
с помощью паяльной ванны (например, для самофлюсующихся эма-
200
лированных проводов, для которых температура припоя при других
методах пайки слишком низка, или для элементов с лепестковыми
выводами, не предназначенными для пайки погружением).
При использовании всех трех методов изделия счита-
ют выдержавшими испытание на паяемость, если при ви-
зуальном осмотре установлено, что поверхность их вы-
водов покрыта сплошным слоем припоя не менее чем
на 95 %.
Испытание на теплостойкость при пайке проводят с
целью определения способности изделий выдерживать
воздействие теплоты, образующейся при пайке. Для ис-
пытания служат два метода: с применением паяльной
ванны или паяльника. Эти методы отличаются от пре-
дыдущих (на паяемость) только более длительным вре-
менем выдержки в ванне и в контакте с паяльником.
Изделия считаются выдержавшими испытание, если их
внешний вид и параметры соответствуют установленным
в стандартах нормам.
Испытание прочности выводов и их креплений про-
водят для определения способности выводов изделий
выдерживать воздействия механических факторов, ана-
логичные воздействиям на эти элементы при монтаже и
эксплуатации изделий. К воздействующим механиче-
ским факторам относят: растягивающие силы, направ-
ленные вдоль осей выводов, имеющих жесткое крепление;
сжимающие силы, определяющие способность выводов
выдерживать нагрузки, аналогичные тем, которые воз-
никают при монтаже и эксплуатации; изгибающие силы
(для ленточных и проволочных выводов); крутящий мо-
мент (для резьбовых выводов); скручивание (для одно-
жильных осевых проволочных выводов диаметром 0,3...
1,2 мм). Таким образом, прочность гибких выводов из-
делий проверяют испытанием на воздействие растягива-
ющей силы, изгиб и скручивание, а резьбовых выво-
дов — на воздействие крутящего момента. Перед испы-
танием производят внешний осмотр выводов и измеряют
те их параметры, которые могут изменяться в про-
цессе испытания. Рассмотрим испытания на указанные
воздействия.
Испытание на воздействие растягивающей силы проводят для
всех видов выводов. Если число выводов изделий не превышает трех,
то испытанию подвергают все выводы. Если изделие имеет более
трех выводов, то в ТУ указывают число подлежащих испытанию вы-
водов на каждый образец. Испытание осуществляют так, чтобы все
выводы в одинаковой мере подвергались воздействию растягиваю-
201
щей силы. Для проверки прочности креплений выводов используют
простейшие приспособления, с помощью которых последовательно
проверяют каждый вывод изделия Во время испытания вывод нахо-
дится в нормальном положении, а испытываемый элемент закреплен
за корпус В направлении оси проволочного вывода круглого сече-
ния, плоского или штыря прикладывают силу, значение которой ука-
зано в табл 5 2
Таблица 52
Характер и значения нагрузок, прикладываемых к выводам
при испытании
Площадь S попереч- ного сечения вывода, км2 Соответствующий диа- метр d проволочного вывода круглого сече- ния. мм Растягиваю- щая сила, H Сжимаю- щая сила, Н
5^0,05 d<0,05 l.o 0,25
0,05 <5^0,07 0,05<d<0,3 2,5 0,5
0,07 <.S'sJ0,2 0,3<d<0,5 0,5<d<0,8 5 1
0,2<S^0,5 10 2
0,5<S<l,2 0,8<d<l,25 20 4
S> 1,2 1,25<d<2 40 8
Статическую силу прикладывают, подвешивая к выводу груз
с помощью гибкого промежуточного звена, припаянного к выводу на
/з его длины и заканчивающегося изогнутым в виде крючка стерж-
нем, или с помощью зажимного устройства (патрона, цанги, струб-
цины и др ) Груз подвешивают к выводу с помощью петли, изго-
товленной из проволоки или нитки При испытании образец удер-
живают за корпус или другим способом, оговоренным в стандартах,
и плавно поднимают до тех пор, пока груз не зафиксируется в под
вешенном состоянии После выдержки в течение 10 с растягивающее
усилие плавно снимают, опуская образец с грузом в исходное поло
женне. При поднятии и опускании 1руза необходимо следить за
тем, чтобы ось вывода образца совпадала с направлением силы тя
жести груза.
Испытанию на воздействие сжимающей силы подвергают только
элементы малых размеров и небольшой массы Во время испытания
сжимающую нагрузку прикладывают к выводу как можно ближе
к корпусу испытываемого образца, однако расстояние между бли
жайшей точкой устройства, с помощью которого прикладывают си
лу, и корпусом образца должно быть не менее 2 мм Значения ежи
мающей силы указаны в табл 5 2 Эта сила, как и в предыдущем
испытании, должна возрастать плавно и поддерживаться постоянной
в течение 10 с
Испытание гибких проволочных и ленточных выводов на изгиб
проводят с целью определения способности проволочных и ленточ-
ных выводов выдерживать изгибы. Для испытания к каждому вы
воду испытываемого образца в направлении оси поочередно под-
вешивают груз массой, в два раза меньшей, чем прн испытании на
воздействие растягивающей силы. Корпус образца медленно накло-
няют с помощью механизма или вручную на 90°, а затем плавно
202
возвращают в исходное положение. Рекомендуемое время изгиба-
ния в каждом направлении 3 с Сгибание и разгибание вывода счи-
тают одним изгибом. Изгибы производят в одной вертикальной пло-
скости. Обычно выполняют три изгиба.
При испытании гибких проволочных выводов на скручивание
(рис. 5 2) каждый вывод 3 изгибают на 90° на расстоянии 6.6,5мм
Рис 5 2 Испытание проволочною вывода па скру-
чивание:
1 — зажим, поворачивающийся на 180 или 360°, 2 — ис-
пытываемое изделие, 3 — вывод, 4 — неподвижный дер-
жатель
от места присоединения к испытываемому образцу 2 при радиусе
кривизны 0,7 0,8 мм. Свободный конец вывода закрепляют (захва-
тывают) неподвижным держателем 5 на расстоянии (1,2±0,4) мм
От места изгиба. Зажим 1 (корпус испытываемого образца) пово-
рачивают вокруг оси вывода на 180 или 360°. Конкретное значение
угла поворота зависит от степени жесткости испытания. Так, для
первой степени жесткости (I) делают трн поворота на 360° и два
поворота на 180° Каждый поворот выполняют в направлении, про-
тивоположном предыдущему. Продолжительность одного поворота
5 с Испытание можно проводить также поворачивая свободный ко-
нец вывода вокруг осн испытываемого образца.
По окончании каждого из рассмотренных испытаний образец
осматривают и проверяют его механические и электрические пара-
метры
Испытание на воздействие крутящего момента проводят для
резьбового вывода Испытываемый образец крепят к неподвижной
опоре за корпус На выводы с наружной резьбой навинчивают до
Таблица 5.3
Значения крутящих моментов, Н-м, при испытании резьбовых
выводов элементов ЭС
Номинальный диаметр резьбы, мм 2,6 3 3,5 4 5 6
Степень жесткости I : Степень жесткости II 1ч -г— 0,4 0,2 0,5 0,25 0,8 0,4 1,2 0,6 2,0 1.0 2,5 1,25
203
упора гайки, а в выводы с внутренней резьбой ввинчивают стержни.
К гайкам или стержням прикладывают крутящие моменты, значения
которых приведены в табл 5 3, и выдерживают в течение 10 с До-
пустимое отклонение крутящего момента ±10% Образцы считают
выдержавшими испытание, если они удовлетворяют установленным
в стандартах и ПИ требованиям и не наблюдается проворачивания
выводов в местах их заделки
Рис 5 3 Испытание на проч-
ность соединения подлож-
ка — кристалл ИС с балоч-
ными выводами:
/ — подложка, 2 — кристалл;
3 — балочный вывод, 4 — про-
водящий слой, 5 — направление
усилия, 6 — прижимное уст-
ройство
При производстве элемен-
тов с объемными выводами
для испытания прочности сцеп-
ления их с подложкой (рис.
5.3) обычно используют стан-
дартный прибор — граммометр
с устройством, позволяющим
зацеплять объемный вывод
(шарик, балку на пластине).
Это испытание является прин-
ципиально разрушающим, од-
нако оно позволяет грубо оце-
нивать качество объемных вы-
водов и отбраковывать те об-
разцы, у которых сцепление
выводов ниже некоторого экс-
периментально установленного
минимального значения.
Для контроля механической
с подложкой изделия
воздухом (рис. 5.4).
прочности сцепления выводов
используют также обдув сжатым
Рис. 5 4 Испытание прочности балочных выводов об-
дувом
1 — корпус прибора, 2—-балочный вывод, 3 — проводящий
слой, 4 — керамическая подложка; стрелки указывают направ-
ление обдува
204
Контрольные вопросы
1. Каким специфическим требованиям должны удовлетворять
камеры грибообразования?
2. В чем заключается подготовка к испытанию на грибоустойчи-
вость?
3. Какие методы испытания на грибоустойчивость Вы знаете?
4. Что понимают под рабочей и агрессивной средами для ЭС?
5. Чем определяется выбор вида и метода испытания ЭС на
коррозионную стойкость?
6. В чем состоит физическая сущность методов испытания ЭС на
воздействие сернистого газа?
7. В чем заключается визуальный метод оценки коррозионной
стойкости?
8. Какие вы знаете испытания ЭС на технологические воздейст-
вия и в чем суть этих испытаний?
9. Какие методы испытания на паяемость Вам известны?
Глава 6
ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
НА КОСМИЧЕСКИЕ И РАДИАЦИОННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
§ 6.1. Воздействие ультранизких давлений
Испытание ЭС на воздействие ультранизких давле-
ний проводят для определения способности материалов
и элементов ЭС сохранять при таких давлениях свои
параметры в пределах, указанных в НТД, а также для
проверки правильности принятых схемных и конструк-
тивно-технологических решений. Испытание осуществ-
ляют в глубоком вакууме. Минимальная продолжитель-
ность испытания равна (или несколько превышает) вре-
мени устанавления стационарного исследуемого процесса
или явления. Ориентировочные значения давлений,
необходимые для воспроизведения в лабораторных усло-
виях основных физических явлений, происходящих в
космосе, приведены в табл. 6.1.
Материалы, узлы, элементы, а также ЭС в целом под-
вергают испытаниям в вакуумных установках. Совре-
менная вакуумная испытательная установка — сложная
система, в состав которой входят: вакуумная камера с
системой трубопроводов, разнообразные насосы, ваку-
умметры, термометры, расходомеры криогенных жидко-
стей, емкости и баллоны с криогенными жидкостями,
регуляторы, клапаны и краны, электроприводы, блоки
контрольно-измерительной и управляющей аппаратуры.
Параметры вакуумных испытательных установок:
205
Таблица 6,1
Ориентировочные значения давлений, необходимые для
воспроизведения основных физических явлений в космосе,
при испытании ЭС в лабораторных условиях
Вид испытания
Давление, Па
Проверка механической прочности и
Герметичности корпусов ЭС при воз-
действии перепада давлений
Проверка на отсутствие воздушного
демпфирования конструкции ЭС при
вибрации
Проверка теплового режима ЭС при
теплопередаче излучением
Влияние электрических зарядоз, уте-
чек, ионизации на работоспособность
ЭС
Исследование физических свойств
конструкционных материалов (проч-
ности, ползучести, внутреннего демп-
фирования)
«Холодная» сварка
Изучение процессов испарения и суб-
лимации материалов н их перекон-
денсации
Исследование деструкции материалов
и абсорбции газов
Исследование адсорбции и химичес-
кого взаимодействия остаточных га-
зов с поверхностью материалов
Проверка узлов трения
103
<ю->
<10~2
СЮ'5
«SIO-4
(в зависимости от давления
насыщенных паров иссле-
дуемых материалов)
«S10-5
Длина свободного пробега
молекул должна быть боль-
ше характерного размера
установки
<10~;
<10~5. 10~12
<ю-5. ю-'2
рабочий объем камеры от 0,2 м3 (для малогабаритных
установок) до 134000 м3 (установка центра им. Арноль-
да, США, для испытания космических кораблей); мини-
мальное давление до 10~12 Па; коэффициент возврата
молекул* Zo—10~2...10-3. Вакуумные испытательные ус-
* Многие молекулы газа, покидая поверхность исследуемого
объекта, отражаются от стенок испытательной установки и возвра
щаются на объект Это происходит многократно до тех лор, пока
молекулы не будут захвачены стенками. Отношение числа молекул,
возвращающихся на объект в единицу Времени, к числу молекул,
покидающих его, называют коэффициентом возврата молекул.
206
тановки различаются также по следующим параметрам:
составу остаточных газов; виду откачивающих насосных
систем (масляная, безмасляная, парортутная и т. д.);
скорости откачки камеры; неравномерности распределе-
ния давлений, потоков частиц и температур по объему
и внутренней поверхности камеры; диапазону рабочих
температур; времени выхода на рабочий режим; произ-
водительности и сроку службы.
В вакуумных испытательных установках в зависимос-
ти от наибольшего давления запуска (максимального
давления во входном сечении насоса, при котором он мо-
жет начать работу) и предельного остаточного давления
в вакуумной камере используют насосы предваритель-
ной, основной и вспомогательной откачки. Одновременно
используют несколько типов насосов из-за избиратель-
ной откачной способности насоса каждого типа к уда-
лению различных паров и газов. Наиболее часто приме-
няют комбинацию турбомолекулярного и ротационного
(для предварительной откачки) насосов; цеолитового и
диффузионного с ловушками на жидком азоте для за-
щиты от миграции паров масел; титанового сублимаци-
онного, криогенного, гетероионного или магнитного
электроразрядного (для основной и вспомогательной
откачки). Области применения насосов различных ти-
пов в зависимости от давления приведены на рис. 6.1,
а их основные параметры — в табл. 6.2.
По принципу действия вакуумные насосы делятся на проточные
и.сорбционные. Проточные насосы удаляют газ из откачиваемого
объема В сорбционных газ обычно остается внутри насосов в свя-
занном виде на сорбпчонных поверхностях или подповерхностных
слоях; скорость откачки пропорциональна площади сорбирующей
поверхности; предельное остаточное давление зависит от процессов
десорбции
По назначению вакуумные насосы делятся на форвакуумные
(для создания в системе низкого и среднего вакуума при наиболь-
шем давлении запуска 1-Ю5 Па) и высоковакуумные (для создания
высокого и сверхвысокого вакуума) Иногда между ними ставят
промежуточный (бустерный) вакуумный насос. Форвакуумными на-
сосами производят начальное вакуумирование установок, т е. сни-
жение давления от 1,33-105 Па примерно до 10—1 Па По достиже-
нии требуемого давления эти насосы отключаются и начинают од-
новременно работать насосы основной и вспомогательной откачки
(в диапазоне давлений 10-3 .10~'2 Па).
Основную откачку вакуумной установки осуществляют обычно
криогенными насосами (примерно до 10~12 Па), обеспечивающими
Огромную скорость откачки (до 108 л/с), низкий коэффициент воз-
врата (10~2 10~3), а также остаточный газ, приближающийся по
составу к газу в космосе. Эти насосы изготовляют в виде криореше-
207
Вращательные
(водокольцевые)
'Сверхвысокий высокий средний низкий вакуум
а)
Жидкостные
р, Пау
б)
Рис. 6.1. Области применения насосов (а) н вакуумметров различ-
ных типов (б) (участки, показанные штриховыми линиями, соответ-
ствуют предельным давлениям)
ток различной конфигурации, охлаждаемых специальными хладаген-
тами. Эффективным технологическим способом, облегчающим полу-
чение ультранизких давлений, является прогревание установок
с целью усиленного газоотделения из их отдельных частей. Прогре-
вают, как правило, малогабаритные и иногда среднегабаритные
установки.
Для вспомогательной откачки раньше применялись исключи-
тельно паромасляные диффузионные насосы. Однако у них есть
существенный недостаток — наличие обратного потока паров масла
из насоса в рабочую камеру испытательной установки. Создание
ловушек, охлаждаемых жидким азотом, только уменьшает, но не
исключает поступление в камеру масляных паров. В космосе такие
208
Таблица 6.2
Основные параметры вакуумных насосов
Тип насоса Остаточное дав- ление, ГТа Скорость откачки, л/с
Механический: поршневой (8.. .0,3)• Ю2 12. .4200
водокольцевой (30.. .15)-102 1. ..800
многопластинчатый (25... 15)• 102 2. . 1200
Масляный: одноступенчатый (2... 1)10-* 0,5. . .500
двухступенчатый 5-10-2... 1-Ю-3 0,2. ..50
двухроторный одноступенчатый 5-10-2 15. ..4-10*
двухроторный двухступенчатый IO-3... 10-* 5. .50
Струйный: эжекторный водоструйный — 0,1. ..300
низковакуумный — 5. .Ю5
средневакуумный — Ю3 ..IO9
вихревой — 0,15 ...0,2
парортутный 1,5-10-4 100. ..200
Пароструйный паромасляный бустерный 200. ..3-10*
паромасляный диффузионный —
высоковакуумный 5-10-5 5-.. 2-105
сверхвысоковакуумный ю-9 100. ..2-105
парортутный диффузионный IO-*.. Jо-ю 5. ..10*
Турбомолекулярный ю-'...Ю-10 5. ..10*
Сорбционный: адсорбционный 10-1... 10-3 1.. .10
испарительный гетерный 10-’... 10-11 2.. 2-10*
ленточный гетерный ю-9... 10-11
магниторазрядный ю-’...ю-9 2. .10*
криогенный конденсационный 10-’... ю-9 50. ..IO5
криогенный адсорбционный 10-ю... 10—13 500. . Ю5
пары отсутствуют. Поэтому возникла необходимость применения
так называемой «безмасляной» откачки, т. е. откачки насосными си-
стемами, не использующими масла и другие органические продукты.
В качестве насосов вспомогательной откачки служат криосорбцион-
ные и ионные насосы.
Для измерения давления газов ниже атмосферного
применяют вакуумметры, действие которых основано на
использовании различных физических закономерностей,
прямо или косвенно связанных с давлением газа. Так как
диапазон давлений в вакуумных установках очень ши-
14-589
209
рок (от атмосферного до 10-12 Па), то существуют ва-
куумметры различных типов: механические, термопарные,
ионизационные н др.
Вакуумметры обычно состоят из двух частей: мано-
метрического преобразователя и измерительной уста-
новки. Преобразователи вакуумметров имеют неодина-
ковую чувствительность к различным газам Если пре-
образователь проградуирован по воздуху, а применяется
для измерения давления других газов, необходимо
учитывать относительную чувствительность:
7? = Кг/Кв,
где Кг — чувствительность преобразователя к данному
газу; Кв — чувствительность к воздуху.
Значения относительной чувствительности некото-
рых преобразователей к различным газам приведены в
табл. 6.3.
Таблица 63
Вакуумметры измеряют общее давление газов, при-
сутствующих в вакуумной системе. Однако при оптими-
зации вакуумных технологических процессов и проведе-
нии испытаний ЭС требуется измерять не только общие,
но и парциальные давления * остаточных газов.
Работа измерителей парциальных давлений (ИПД)
основана на принципе ионизации молекул газа и разде-
лении положительных ионов в зависимости от отноше-
ния массы к заряду иона (mlq). По характеру использу-
емых электромагнитных полей ИПД можно разделить
* Парциальное давление — это то давление, которое имел бы
газ, входящий в состав газовой смесн, если бы он один занимал
объем, занимаемый смесью газов при той же температуре.
210
на статические и динамические. В статических приборах
используют постоянные, а в динамических — перемен-
ные электромагнитные поля.
Измерители парциальных давлений (как и общих)
характеризуются нижним и верхним пределами измеря-
емых давлений, чувствительностью, а также присущим
только им параметром — разрешающей способностью.
Под разрешающей способностью ИПД по-
нимают отношение массового числа иона Me к наимень-
шему различаемому его изменению ЛМе:
рт = Ме/ЛМе,
где Me=M/nq; М — молекулярная масса иона, а.е. м.;
п? — число элементарных зарядов. Экспериментально
рт определяют с помощью масс-спектрометра.
§ 6.2. Воздействие криогенных температур
Испытание ЭС на воздействие криогенных (ниже
120 К) температур проводят с целью проверки устойчи-
вости параметров изделий при низких температурах.
Криогенные (охлаждающие) системы, предназначенные
для испытания, входят в состав термовакуумных испы-
тательных установок с многоступенчатой откачной си-
стемой и включают следующие элементы.
1) собственно криокамеру (или криостат), т.е. кон-
струкцию с рабочим объемом, в котором непосредствен-
но размещается испытываемый объект (образец) и про-
исходит его охлаждение (в криокамере — парами хлад-
агента или охлажденным газом, в криостате — жидким)
хладагентом) до заданной температуры;
2) хладагент;
3) устройства подачп хладагента в рабочую камеру.
Выбор типа хладагента определяется предельной
температурой охлаждения испытываемого объекта. Для
охлаждения до температур ниже 200 К обычно исполь-
зуют жидкие газы: азот (температура кипения 77 К),
водород (20 К), гелий (4,2 К), неон (30 К). Охлаждение
ниже 4 К достигается откачкой паров над поверхностью
жидкого гелия. Испытываемые образцы охлаждают
обычно в два этапа: сначала жидким азотом до темпе-
ратуры около 73 К, а затем до более низких темпера-
тур — жидким гелием и его парами.
14*
211
Для проведения испытания при температуре жидкого гелия слу-
жат гелиевые криостаты (рис. 6.2). Гелиевый сосуд 9 криостата
имеет широкую горловину 7, состоящую из двух коаксиально рас-
положенных труб, вакуумно-плотно соединенных между собой и с
сосудом. В нижней части гелиевый сосуд окружен экраном 8, при-
крепленным к горловине. В верхней части криостата расположен
сосуд с жидким азотом 2, к которому прикреплен экран 3, погру-
Рчс 6 2. Схема гелиевого крио-
стата К.Г-15/150:
женныи в кольцевой зазор гор-
ловины сосуда с гелием. Сосуд с
жидким азотом подвешен на
крышке 1 криостата с помощью
двух трубок, служащих для за-
лива азота и отвода его паров.
Дно сосуда изолировано слоем
пенополиуретана 4. На крышке
криостата имеются выводные
штуцера для залива гелия и азо-
та, а также для отвода их паров.
Изоляция сосуда с гелием — ва-
куумная или вакуумно-многослой-
ная. В межстенном пространстве
создается остаточное давление
10~2...10~3 Па, которое благодаря
наличию адсорбента снижается
после заполнения сосуда жидким
гелием. Материал сосуда и гор-
ловины — тонколистовая корро-
зионно-стойкая сталь, материал
кожуха — алюминиевый сплав.
Гелиевые криостаты имеют раз-
личную емкость сосуда с гелиём.
Для питания криогенных си-
стем испытательных установок
жидким азотом, газообразным
или жидким гелием применяют
криогенные установки, работаю-
щие в рефрижераторном (сжатие
в компрессоре и адиабатное рас-
ширение в детандере) или ожи-
жительном (расширение в дрос-
селе или эжекторе) режиме. Эти
/ — крышка; / — сосуд с жидким
азотом; 3, 8 — экраны; 4 — пено-
полиуретан; 5 — вакуумно-много-
слойная изоляция; 6 — кожух; 7 —
горловина гелиевого сосуда; 9—
сосуд с гелием; 10 — адсорбент
(активированный уголь)
установки содержат насосы для
перекачки хладагента, специаль-
ные вакуумированные трубопрово-
ды, емкости для хранения боль-
ших количеств жидкого хладаген-
та— сосуды Дьюара. Снабжение
установок хладагентом осуществ-
ляют прокачкой жидкого хлад-
агента через систему криорешеток или его заливкой в охлаждаемую
рубашку под атмосферным давлением (открытая система), прокачкой
жидкого хладагента через систему криорешеток под повышенным
(до 106 Па) давлением (замкнутая система) и с помощью сжатого
газа. Устройство подачи хладагента с помощью сжатого газа пока-
зано на рис. 6.3. При поступлении газа из баллона 1 по трубопро-
212
Рис. 6.3. Устройство подачи хладагента с помощью
сжатого газа:
/ — баллон со сжатым газом; 2 — трубопровод с клапана-
ми; 3 — трубка; 4 — сосуд Дьюара; 5 — вакуумно-порошко-
вая изоляция; 6 — жидкий хладагент
воду 2 в верхней части сосуда Дьюара 4 создается повышенное
давление, вследствие чего жидкий хладагент 6 по трубке 3 и тру-
бопроводам выталкивается в рабочую камеру.
§ 6.3. Специальные виды космических испытаний
Эксплуатация ЭС в условиях космоса оказывает су-
щественное влияние на тепловой режим работы изделий.
Термовакуумные испытания проводят для исследова-
ния работоспособности ЭС в зависимости от их теплово-
го режима в условиях космоса. Для обеспечения тепло-
вого режима ЭС в лабораторных условиях, аналогичных
условиям их эксплуатации в космосе, достаточно воспро-
извести основные факторы космического пространства:
глубокий вакуум; солнечное излучение; излучения пла-
нет солнечной системы, влияющие на условия эксплуа-
тации ЭС (например, Земли, если ЭС эксплуатируются на
околоземной орбите); «холод» и «черноту» пространст-
ва за пределами телесных углов, занимаемых Солнцем
и рассматриваемой планетой. Цикл отработки теплово-
го режима ЭС включает: проверку работоспособности ЭС
и их составных частей в условиях реальных нестацио-
нарных градиентов температуры; исследование поля тем-
ператур в отсеках космического аппарата (КА), где
213
размещены ЭС, и взаимного влияния температурных по-
лей различных тепловыделяющих устройств КА на рабо-
тоспособность ЭС; выбор оптимального размещения ЭС
и тепловыделяющих устройств КА; определение факти-
ческих температурных пределов работоспособности ЭС;
проверку эффективности работы системы терморегулиро-
вания в условиях, максимально приближающихся к ре-
альным; исследование работы системы терморегулирова-
ния в аварийных ситуациях; определение ресурса ЭС и
их составных частей; исследование деформаций конст-
рукций ЭС, вызванных температурными воздействиями.
При моделировании теплового режима космического аппарата,
движущегося на низкой орбите, необходимо учитывать основные
свойства лучистых потоков:
лучи, идущие от Земли, освещают почти всю (94 99 %) по-
верхность КА, так как из любой точки ею орбиты наша планета
видна под одним и тем же большим телесным углом (140. .160°)
в зависимости от высоты орбиты;
в любой точке орбиты на элементарную площадку, ориентация
которой в системе Солнце — Земля — КА сохраняется постоянной,
падает один и тот же поток лучистой энергии (поскольку размер
объема пространства, занимаемого КА, значительно меньше рас-
стояния до Земли и Солнца);
отраженные от Земли солнечные лучи заключены в пределах
телесного угла, под которым видна планета;
изменение плотности лучистого потока происходит одновременно
во всех точках поверхности КА;
три основные составляющие падающего лучистого потока — пря-
мое солнечное излучение, излучение, отраженное от Земли, и собст-
венное (инфракрасное) излучение Земли — изменяются во времени
и пространстве неодинаково.
Моделирование теплового режима ЭС производят в
вакуумной камере, в которой устанавливают имитаторы
лучистых потоков Солнца, планеты и орбиты КА. Для
испытания выбирают КА, аналогичный предназначенно-
му для полета в космос. На нем устанавливают датчи-
ки температуры в точках, наиболее полно характеризу-
ющих его тепловое поле, и датчики других величин (дав-
ления, расхода теплоносителя и др.).
Перед помещением в испытательную камеру КА тщательно очи-
щают от всевозможных загрязнений, которые могут явиться источ-
ником «ложных» течей при откачке Затем его закрепляют в раме
механизма вращения — имитаторе орбиты Далее проверяют работу
бортовой и контрольно-измерительной аппаратуры, а также про-
граммно-временного устройства, задающего режим в испытательной
камере. По достижении в камере давления около 10~3 Па включают
криогенную систему охлаждения (до температуры жидкого азота)
экранов. Как только в камере установится заданный режим испы-
214
тания, по командам программно-временного устройства включают
имитаторы внешних лучистых потоков, бортовые ЭС и начинают
эксперимент, продолжительность которого определяется условиями
полета и цикличностью работы бортовых ЭС. Показания датчиков
(давление, температура и др ) передаются на пульт управления
с помощью бортовой телеметрической аппаратуры или специальной
радиопередающей аппаратуры, размещаемой на КА только во время
испытания
Качество имитатора солнечного излучения характе-
ризуется плотностью потока лучистой энергии и углом
расхождения лучей в рабочей зоне, соответствием спект-
ра лучистого потока спектру естественного излучения
Солнца и поляризацией лучей. Для весьма совершенного
имитатора не должны быть превышены следующие зна-
чения: неоднородность плотности потока лучистой энер-
гии во всем объеме рабочей зоны ±5%, расхождение
лучей ±2°, среднее квадратическое отклонение спект-
ральных плотностей энергии излучения имитатора от со-
ответствующих спектральных плотностей солнечного из-
лучения ±5% в диапазоне длин волн 0,2 ..3 мкм, сте-
пень поляризации 3...5 %.
По способу формирования лучистого потока оптиче-
ские схемы солнечных имитаторов можно разделить на
осевые и неосевые. Схема
солнечного имитатора с осе-
вым имитатором Солнца
представлена на рис. 6.4.
Солнечный имитатор дает вер-
тикальный осевой! поток излуче-
ния, максимальная плотность
энергии которого достигает 2700
Вт/м2. Лучи от источника лучи-
стой энергии (ртутно-ксеноновых
ламп) собираются параболоидным
зеркалом 3 и концентрируются на
псевдогиперболоидном выпуклом
Рис. 6 4 Схема установки лабора-
тории реактивного движения
NASA с осевым имитатором
Солнца1
/ —ртутно ксеноновые лампы, 2 —
гиперболоидное зеркало; 3 — парабо-
лоидное зеркало, 4 — лннза; 5—глав-
ное коллимирующее параболоидное
зеркало, 6 — многогранный отража-
тель, 7 — рабочая зона с испытывае-
мым КА; S — криогенные экраны; 9 —
Диффузионные насосы
2’5
зеркале 2 Далее пучок лучей проходит через линзу 4, выполняю-
щую одновременно роль окна, и попадает на рассеивающее зерка-
ло 6, направляющее лучи на главное параболоидное зеркало 5, ко-
торое и формирует коллимированный поток в рабочей зоне 7
Описанный имитатор имеет ряд недостатков: чрез-
вычайно сложную конструкцию; трудоемкую юстировку
всех элементов схемы; наличие неконтролируемых вто-
ричных лучистых потоков, приводящих к температурным
ошибкам; низкий коэффициент использования энергии
(около 1,14 %). Низкий КПД имитатора в основном оп-
ределяется большими потерями энергии из-за неполно-
го использования лучистого потока источника. Значи-
тельные потери обусловлены также поглощением лучей
на многочисленных зеркалах и линзах. Применение бо-
лее совершенных конструкций и меньшего числа отра-
жающих и преломляющих оптических элементов позво-
ляет повысить КПД такого имитатора до 12 %.
Более экономичным является имитатор, в котором
используются дуговая лампа с эллипсоидным отражате-
лем и одно неосевое параболоидное или сферическое зер-
кало (рис. 6.5). Размещение рабочей зоны в стороне от
оси симметрии главного зеркала, формирующего почти
параллельный поток, позволяет избежать взаимного пе-
Рис. 6 5. Схема установки модуля солнечного имитатора
с неосевым зеркалом:
1 — кронштейн для крепления и юстировки фасет зеркала; 2 —
сферическое зеркало; 3 —зона невозврата лучей; 4 — криогенные
экраны; 5—источник лучистой энергии; 6 — кронштейн для креп-
ления источника; 7 — крышка люка
216
реизлучения между зеркалом и испытываемым КА и тем
самым избавиться от неконтролируемых вторичных лу-
чистых потоков. Общий коэффициент использования энер-
гии имитатора такого типа составляет 16,2 %.
Преломляющая оптика в имитаторах солнечного излучения дол-
жна быть прозрачной в диапазоне длин волн 0,2 .3 мкм, поскольку
в этом диапазоне заключено 99 % энергии солнечного спектра. В ка-
честве источников излучения для имитации солнечного спектра слу-
жат ртутные и ксеноновые газоразрядные лампы высокого давления,
водородно-дуговые лампы, плазмотроны, газоразрядные источники
(водородные, гелиевые, аргонные и др ), специальные трубки мягко-
го рентгеновского излучения. В зависимости от спектральных и энер-
гетических характеристик применяется тот или иной источник из-
лучения.
Плотнос-ть потока лучистой энергии измеряют с помощью ка-
лориметрических и термоэлектрических датчиков, фотоэлементов
и фотоумножителей, люминофоров, фотографических эмульсий. Наи-
более удобны термоэлектрические датчики, однако их чувствитель-
ность часто оказывается недостаточной.
Испытания ЭС на влияние невесомости проводят для
исследования их работоспособности в условиях невесо-
мости. Для имитации этих условий применяют различ-
ные методы. Кратковременное состояние невесомости
может быть достигнуто с помощью специально оборудо-
ванного самолета, выполняющего маневр по кеплеров-
ским траекториям. Одна из них, позволяющая достигать
Рис 6 6 Маневр, выполняемый на самолете с целью
имитации состояния невесомости:
/ — пикирование под углом 10°; 2 — начало восходящей час-
ти траектории (и=465 км/ч; перегрузка 2,5g, 3 — начало
траектории с нулевой перегрузкой (наступление невесомо-
сти); 4 — окончание состояния невесомости, 5—начало
перегрузки; Н— высота полета
217
полной невесомости в течение 12... 15 с, показана на рис.
6.6. Время Гц действия невесомости можно увеличить
повышая скорость v самолета в точке 2. Так, если при
£ = 465 км/ч Гц=12...15 с, то при v = 800 км/ч тн = 34 с,
а в сверхзвуковом самолете тн—4 мин.
Для проведения точных экспериментов по изучению
парообразования, кипения, конденсации, поведения топ-
лива в баках и т. д. необходимо, чтобы возмущающие
механические силы (например, вибрации) были устра-
нены. С этой целью применяют «плавающие» контейне-
ры, внутри которых размещают испытываемые изделия
и контрольно-измерительную аппаратуру. В начале по-
лета контейнер удерживается на упругих растяжках в
середине кабины самолета, но по достижении состояния
невесомости растяжки отстегиваются и контейнер дви-
жется свободно по эллиптической траектории. Если
требуется, чтобы перед наступлением невесомости жид-
кость длительное время не подвергалась внешним воз-
мущениям, для проведения испытания используют вер-
тикальные башни, с которых сбрасывают контейнеры с
приборным оборудованием. При поддержании вакуума
внутри башни свободно падающее в ней тело находится
в состоянии невесомости в течение всего времени паде-
ния. Однако контейнер, падая в
вакууме, развивает очень боль-
шую скорость (около 2100 км/ч)
в конце участка падения. Кроме
того, для увеличения продолжи-
тельности периода невесомости
требуется сооружать высокие
башни. Поэтому на практике
строят башни без вакуумируемой
шахты и приемлемой высоты.
Чтобы приблизить условия ис-
пытания к условиям невесомости,
необходимо уменьшить силу аэро-
динамического торможения кон-
Рис. 6 7. Схема падающего капсулиро-
ванного контейнера
/ — зажимное устройство; 2 — контейнер с
испытываемым изделием и контрольно-изме-
рительной аппаратурой, 3 — вакуумированная
капсула; 4 — демпфер, /Л — высота падения
контейнера; Hi — высота падения капсулы
218
тейнера, отнесенную к единице его массы. С этой целью
контейнер с приборным оборудованием помещают вну-
три верхней части вакуумированной капсулы, которую
сбрасывают с вершины башни в обычной атмосфере (рис.
6.7). По мере торможения капсулы о воздух внутренний
контейнер постепенно приближается к переднему концу
капсулы, оставаясь все время в состоянии свободного
падения. Для реализации описанного метода испытания
высота башни должна быть около 300 м, что обеспечи-
вает имитацию невесомости в течение почти 8 с.
Применение ракет и спутников для исследования
влияния невесомости позволяет увеличить время прове-
дения научных экспериментов, но значительно удорожа-
ет их.
§ 6.4. Радиационные воздействия
Электронные средства, работающие в условиях кос-
моса и на объектах, содержащих радиационные уста-
новки, могут подвергаться воздействию радиоактивного
излучения, которое количественно характеризуется па-
раметрами, представленными в табл. 6.4. Для измерения
поглощенной дозы радиоактивного излучения применя-
ется специальная единица-—грей. Грей равен погло-
щенной дозе радиоактивного излучения, при которой об-
лученному веществу массой 1 кг передается энергия из-
лучения 1 Дж: 1 Гр= 1Дж/кг.
Воздействие на ЭС радиоактивного излучения приво-
дит к радиационным повреждениям изделий (см. §1.4).
При этом различают необратимые (остаточные) и обра-
тимые (временные) нарушения.
Необратимые нарушения связаны с изменением
структуры применяемых в ЭС материалов и прежде все-
го полупроводниковых. К таким нарушениям относятся:
перегруппировка атомов в кристаллической решетке;
появление вакансий; междоузельных атомов, дислока-
ций; внедрение инородных атомов. Обратимые наруше-
ния, например в ИС, наблюдаются при переходе элект-
ронов и дырок в неравновесное состояние, которое из-за
большой подвижности носителей заряда быстро восста-
навливается после прекращения облучения. Тем не ме-
нее и обратимые изменения могуг ухудшать параметры
219
Таблица 6.4
Основные количественные характеристики радиоактивного излучения
Характеристика Определяю- щее соотно- шение Примечание
Поток радиоактивных частиц или квантов Ф, с*’ Ф~п/1 п — число частиц или кван- тов; t — время, с
Плотность потока частиц или квантов <р, с~'-м-2 ц—-Ф/3 S — поверхность, м2
Кинетическая энергия радиоактивного излуче- ния Е, Дж E=qU q — заряд частиц, Кл; U — разность потенциалов, В
Поглощенная доза ра- диоактивного излуче- ния D, Гр D=E /т т — масса облучаемого ве- щества, кг
Мощность поглощенной дозы радиоактивного излучения Р, Гр-с-' P=3D/M ДО — изменение поглощен- ной дозы за время Д/, с
Экспозиционная доза рентгеновского и гам- ма-излучений (экспози- ция) D3, Кл-кг-1 D9-=Q/m Q — сумма электрических зарядов ионов, имеющих одинаковый знак и возни- кающих в воздухе, когда все электроны, освобожден- ные с помощью квантов рентгеновского и гамма-из- лучений в элементе объема воздуха, полностью тормо- зятся, Кл
Мощность экспозицион- ной дозы рентгеновского и гамма-излучений Рэ, А-кг~' рэ=ьиэ/м \D3— изменение экспози- ционной дозы за время М, с
ЭС, вызывая увеличение токов утечки и снижение сопро*
тивления изоляционных, полупроводниковых и проводя-
щих материалов. В технике испытаний под радиаци-
онными дефектами обычно понимают только не-
обратимые нарушения.
В зависимости от вида и энергии излучения процес-
сы, приводящие к нарушениям, могут происходить по
всему объему применяемого в ЭС материала или только
в приповерхностном его слое. Нейтроны и гамма-кван-
ты обладают высокой проникающей способностью, и по-
этому вызываемые ими изменения, как правило, носят
220
объемный характер. Естественно, они могут приводить
одновременно и к поверхностным изменениям. Альфа-
частицы и осколки ядер вследствие малой длины их про-
бега в веществе воздействуют только на поверхность.
Протоны и электроны (бета-излучение) могут приво-
дить к дефектам как в поверхностном слое, так и в объ-
еме материала, поскольку глубина их проникновения
зависит от энергии частиц и возникновения в данном
материале вторичных ионизирующих излучений (нейт-
ронов, гамма-квантов и т.д.).
Влияние радиоактивных излучении на электрические свойства
полупроводников связано с появлением новых энергетических уров-
ней в запрещенной зоне Некоторые из них (центры рекомбинации)
могут захватывать носители зарядов, в результате чего уменьшается
эффективное время жизни последних и заметно ухудшаются основ-
ные параметры полупроводниковых приборов и ИС. Интенсивность
возникающих при облучении процессов рекомбинации носителей за-
рядов существенно различна для разных полупроводниковых мате-
риалов Например, на дефектах в кристаллической решетке крем-
ния, облученного нейтронами, рекомбинация в 10 раз активнее, чем
на дефектах в облученном германии Поэтому германий — радиа-
ционно более стойкий материал, чем кремний. Как правило, матери-
алы с меньшим удельным электрическим сопротивлением являются
радиационно более стойкими
Наиболее чувствительны к облучению в полупроводниковых при-
борах р-л-переходы и область базы. Транзисторы с узкой базой вы-
держивают большую дозу облучения, чем транзисторы с широкой
базой, так как эффективность работы транзистора тем выше, чем
меньше рекомбинирует при прохождении через базу инжектирован-
ных в нее неосновных носителей. Следовательно, высокочастотные
транзисторы радиационно более стойкие, чем низкочастотные
Наряду с нарушениями структуры материалов при облучении
происходит также их нагрев (радиационный разогрев) вследствие
преобразования поглощенной энергии радиоактивного излучения
в тепловую. В связи с этим в ряде случаев целесообразнее исполь-
зовать в ЭС материалы, менее стойкие к облучению, но более стой-
кие к воздействию повышенных температур
Изменение стокозатворной характеристики полевого транзистора
с р-л-переходом после радиоактивного облучения его в реакторе по-
токами быстрых нейтронов показано на рис. 6 8, причем кривой
с большим порядковым номером соответствует большая энергия
излучения При нулевом напряжении на затворе ширина обедненного
слоя у р-л-перехода затвора минимальна, а ток максимален. Мак-
симальный ток в канале транзистора определяется главным образом
концентрацией свободных носителей заряда в канале. Поскольку при
облучении быстрыми нейтронами эта концентрация уменьшается,
уменьшается и максимальный ток Стокозатворная и стоковая харак-
теристики полевых транзисторов с р-л-переходом практически не
зависят от поверхностных эффектов, что определяет их высокую
стойкость к радиоактивным излучениям. Предельная поглощенная
доза для них может составлять 107 Гр.
Изменение параметров МДП-транзисторов в результате воздей-
221
ствия радиоактивного излучения обусловлено главным образом ра-
диационными дефектами в диэлектрике затвора и на границе ди-
электрик— полупроводник. Повышенная концентрация дефектов
в переходном слое связана с различием в строении и физических
свойств полупроводника и диэлектрика Контактирование двух ма-
териалов с различными кристаллическими решетками приводит
к возникновению дефектов в виде оборванных и напряженных ва-
1ст, мА
Рис. 6 8. Изменение стоко-
затворной характеристики
полевого транзистора при
облучении его быстрыми
нейтронами:
О — до облучения; 1—4 — после
облучения
Рис. 6 9. Схема образова-
ния напряженных (НС)
и оборванных (ОС) валент-
ных связей между атомами
на границе раздела двух
материалов с различными
кристаллическими решетка-
ми
лентных связей в переходном слое (рис 6.9). При воздействии ра-
диационного излучения на структуру диэлектрик — полупроводник
наблюдается увеличение плотности поверхностных состояний и об-
разование пространственного заряда в объеме диэлектрика. Плот-
ность наведенного облучением заряда определяется поглощенной
дозой ионизирующего излучения, значением и полярностью прило-
женного к затвору напряжения, концентрацией ловушек В пленке
диоксида кремния в результате облучения происходит накопление
положительного пространственного заряда. Это приводит к измене-
нию поверхностной концентрации носителей заряда, образованию
поверхностных проводящих каналов, появлению поверхностного тока
утечки и уменьшению пробивного напряжения.
Стойкость резисторов к радиоактивному излучению зависит от
технологии их изготовления и исходных материалов. Пленочные
металлические резисторы обладают большей радиационной стойко-
стью, чем углеродистые. В свою очередь, резисторы из чистых ме-
таллов имеют большую радиационную стойкость, чем резисторы из
сплавов или оксидов металлов. Степень радиационных нарушений
222
в пленочных углеродистых резисторах зависит от вида защитного
покрытия. Резисторы, опрессованные в пластмассу, противостоят об-
лучению лучше резисторов с корпусами из керамики, стекла и эпок-
сидной смолы, причем стойкость резисторов повышается, если вместо
воздуха корпуса заполнены внутри азотом или гелием.
Диффузионные резисторы ИС подвержены резкому влиянию
радиации. Их стойкость существенно зависит от изоляции элементов
ИС. Наименее чувствительны к радиоактивному излучению резисто-
ры с диэлектрической изоляцией, а наиболее чувствительны — рези-
сторы, изолированные р-и-переходом. Это объясняется тем, что об-
ратно включенные р-л-переходы оказывают шунтирующее действие
при радиоактивном излучении, так как обратный ток диодов в ре-
зультате облучения значительно возрастает. Поэтому в ЭС, экс-
плуатируемых при повышенном уровне радиации, нежелательно при-
менять ИС с изоляцией элементов при помощи обратносмещеиных
р-л-переходов.
Радиационная стойкость конденсаторов определяется технологи-
ей их изготовления и применяемыми материалами. Как показывает
практика, органические диэлектрики почти на порядок более чувст-
вительны к радиоактивным излучениям, чем неорганические. Барь-
ерная емкость закрытою р-л-перехода, часто используемая в каче-
стве конденсатора ИС, очень чувствительна к облучению При боль-
ших дозах облучения эта емкость существенно увеличивает время
задержки включения логических ИС, а следовательно, ухудшает их
быстродействие. Тонкопленочные структуры типов МДМ и МДП,
также используемые в качестве конденсаторов ИС, радиационно
более стойки. Их удельная емкость практически не изменяется при
поглощенной дозе радиоактивного излучения 10е..,107 Гр и потоке
быстрых нейтронов плотностью до 10ls см~2-с-‘. Наиболее чувст-
вительным параметром тонкопленочных конденсаторов является
проводимость диэлектрической пленки, которая при облучении
в большинстве случаев увеличивается.
Радиационная стойкость катушек индуктивности определяется
в основном степенью повреждения материалов. Катушки индуктив-
ности без сердечника и пленочные спиральные катушки индуктивно-
сти наиболее стойки к радиации. За счет радиационного изменения
активного сопротивления катушки индуктивности может незначи-
тельно измениться только добротность. Однако этот эффект не прояв-
ляется при облучении потоками плотностью до 1018 см-2-С"1. Ин-
дуктивность пленочных спиральных катушек с ферромагнитными
пленками при облучении в реакторе или на гамма-установке боль-
шими дозами (105 Гр) уменьшается за счет радиационного измене-
ния магнитной проницаемости сердечников. При таких дозах об-
лучения в катушках индуктивности, покрытых защитными лаками
или смолами, происходят механические разрушения конструкции ка-
тушек и уменьшение сопротивления изоляции.
Источники радиоактивного излучения В качестве ис-
точников радиоактивного излучения в лабораторных ус-
ловиях применяют ускорители заряженных частиц,
классификация которых представлена на рис. 6.10, и
ядерные реакторы. В «классических» ускорителях уско-
ряющее поле создается внешними радиотехническими
223
устройствами (генераторами). В ускорителях с коллек-
тивными методами ускорения заряженных частиц ускоря-
ющее поле создается другими заряженными частицами
(электронным пучком, электронным кольцом, плаз-
менными волнами). В линейных ускорителях траекто-
рии заряженных частиц близки прямой линии, а в цикли-
Рис. 6.10. Классификация ускорителей заряженных частиц
ческих ускорителях частицы под действием ведущего
магнитного поля (постоянного или изменяющегося во
времени) движутся по орбитам, близким к круговым.
В резонансных ускорителях ускорение производится вы-
сокочастотным электрическим полем и ускоряемые час-
тицы движутся синхронно в резонанс с изменением по-
ля. В нерезонансных — направление поля за время ус-
корения не изменяется.
Увеличение энергии частиц в ускорителях происхо-
дит за счет действия на них сил электрического поля.
Большую кинетическую энергию заряженные частицы
могут получать в результате: однократного прохождения
ускоряющего зазора, к которому приложена большая
разность потенциалов; движения в вихревом электриче-
ском поле; многократного прохождения ускоряющего
зазора, к которому приложена сравнительно невысокая
разность потенциалов (частицы возвращаются в область
ускоряющего зазора поперечным магнитным полем).
224
В электростатических ускорителях линейного типа
ускорение заряженных частиц осуществляется в ускори-
тельной линии.
Ускорительная линия представляет собой вакуумную трубку
с расположенными в ее торцах электродами, к которым приклады-
вается высокая разность потенциалов Остаточное давление газа
в ускорительной трубке должно быть довольно низким, чтобы при
работе в ней не возникал газовый разряд Поскольку при функцио-
нировании ускорителя происходит непрерывное газовыделение эле-
ментами конструкции трубки и натекание газа из ионного источника,
ускорительные трубки работают при непрерывной откачке высоко-
производительными насосами В качестве источников ионов в на-
стоящее время применяют источники с холодным катодом и источ-
ники с высокочастотным разрядом, в которых происходит иониза-
ция газа Образовавшиеся ионы с помощью специальной системы
электродов формируются в пучок, попадают в ускорительную труб-
ку, где приобретают высокую энергию
Электростатические ускорители нашли широкое при-
менение при проведении радиационных испытаний ЭС
для получения энергии
заряженных частиц в диа-
пазоне I...12МэВ. Кроме
того, их используют для
инжекции заряженных
частиц в другие, более
крупные ускорители
Волноводный ускори-
тель линейного типа поз-
воляет получить более
высокую энергию заря-
женных частиц, в частно-
сти электронов. Ускоряю-
щей системой в нем слу-
Рис 6 11. Диафрагмированный
волновод с бегущей волной.
1 — ускоряемый сгусток электронов,
2 —диафрагмы, штриховыми линиями
показано распределение магнитного
поля
жит цилиндрический диа-
фрагмированный волновод (рис. 6.11), в котором воз-
буждается бегущая электромагнитная волна типа £01
с фазовой скоростью, равной скорости электронов. Элек-
троны попадают в волновод из высоковольтной элект-
ронной пушки. Двигаясь вдоль волновода, они ускоряют-
ся продольной составляющей электрического поля бегу-
щей волны и непрерывно наращивают свою энергию,
перемещаясь вместе с волной В конце волновода элек-
троны выводятся наружу через специальные окна.
Циклические ускорители (в отличие от ускорите-
лей линейного типа) работают на принципе ускорения
заряженных частиц, движущихся по окружности под дей-
15—589
225
ствием магнитного поля. При этом частицы набирают
большую конечную энергию благодаря многократному
прохождению ими ускоряющего зазора, к которому при-
ложена сравнительно небольшая разность потенциалов.
Траектории частиц в циклических ускорителях имеют
различную форму (рис. 6.12). В современных цикличе-
ских ускорителях используют постоянные или перемен-
ные управляющие магнитные поля.
Рис 6 12. Идеальная траектория заряженных частиц в некоторых
циклических ускорителях:
а — спиральная (циклотрон); б —спиральная (микротрон); в — круговая
(бетатрон)
К циклическим ускорителям с постоянным во времени магнит-
ным полем относятся циклотроны, фазотроны (синхроциклотроны)
и микротроны.
Циклотрон предназначен для циклического ускорения тяжелых
частиц — протонов и ионов. Частота ускоряющего электрического
поля в нем постоянна во времени. Движение частиц в циклотроне
происходит по спирали (рис. 6 12, а), разворачивающейся от центра
к периферии вакуумной камеры ускорителя. Ускоряемые частицы
дважды за период обращения проходят ускоряющий зазор. Уско-
ренные частицы выводятся из вакуумной камеры с помощью специ-
ального устройства, называемого дифлектором, и далее попадают
в вакуумную трубку ионопровода, по которому направляются к ме-
сту использования С помощью циклотрона протонам можно сооб-
щать энергию 20. 25 МэВ.
Фазотрон, или синхроциклотрон, — циклический резонансный ус-
коритель тяжелых частиц. Движение частиц в фазотроне, как и в
циклотроне, происходит по раскручивающейся спирали. В фазо-
троне для обеспечения резонанса частота ускоряющего электриче-
ского поля изменяется синхронно с изменением частоты обращения
частиц. Благодаря этому в данном ускорителе может быть получена
значительно большая энергия, чем в циклотроне. Ускоренные части-
цы выводятся из вакуумной камеры к месту использования анало-
гично способу, рассмотренному в циклотроне. Фазотрон, установлен-
226
ный в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне,
позволяет получить протоны с энергией до 600 МэВ.
Микротрон — циклический резонансный ускоритель электронов,
частота ускоряющего электрического поля в котором постоянна во
времени Резонанс обеспечивается благодаря использованию крат-
ного режима ускорения- при каждом пересечении электронами ус-
коряющего зазора период нх обращения вследствие увеличения
энергии частиц возрастает на целое число периодов высокочастотно-
го напряжения. Поэтому ускоряющий зазор электроны проходят
каждый раз при одной и той же фазе напряжения. Траектория ус-
коряемых электронов микротрона имеет вид спирали (см. рис.
6.12,6), состоящей из ряда орбит с общей точкой касания внутри
ускоряющего зазора, представляющего собой объемный резонатор.
Резонатор возбуждается с помощью мощного импульсного магне-
трона или клистрона микроволнового (обычно 10-см) диапазона.
Конструкция микротрона показана на рис. 6.13. Магнетрон 8 при-
Рис. 6.13. Конструкция микротрона:
1 — катушка возбуждения; 2 — боковая стенка ва-
куумной камеры; 3 — выводное устройство; 4 —по-
люсы электромагнита крышки вакуумной камеры;
5 — резонатор; 6 — магнитопровод; 7 — волновод;
8 — магнетрон; 9— откачивающий агрегат
соединяется к резонатору 5 через волноводный тракт 7. Ускоренные
в микротроне электроны попадают в выводное устройство 3. Боль-
шое расстояние между соседними орбитами позволяет осуществить
в этом ускорителе очень простой и эффективный способ вывода
15*
электронов из вакуумной камеры по магнитному каналу — кониче-
ской железной трубе. /Магнитное поле внутри канала отсутствует,
поэтому электроны движутся по нему прямолинейно. Таким обра-
зом удается вывести из камеры практически все ускоренные части-
цы и получить моноэнергетический электронный пучок. Предельная
энергия ускоряемых микротроном частиц составляет 100 МэВ. Од-
нако в практике наиболее распространены микротроны с энергией
электронов 10...30 МэВ. Достоинства микротрона: относительная
простота конструкции, удобство и надежность в эксплуатации.
К циклическим ускорителям с изменяющимся во времени уп-
равляющим магнитным полем относятся бетатрон, синхротрон и син-
хрофазотрон. Бетатрон — циклический индукционный ускоритель,
предназначенный для ускорения бета-частиц, т. е. электронов. Прин-
цип работы бетатрона поясняет рис. 6.14, а. Частицы, вылетающие
Рис. 6.14. Конструкция бетатрона:
с — к пояснению принципа действия (1 — катушка возбуждения; 2 — инжек-
•юр; 3 — мишень); б — конструкция (/ — вакуумная камера; 2 — обмотка воз-
буждения; 3 — магнитопровод; 4 — полюсные наконечники; 5 — смещающие
обмотки)
из инжектора 2, попадают в переменное магнитное поле Ф, двига-
ясь в котором по круговой орбите они увеличивают свою энергию
под действием вихревого электрического поля. Ускорение электро-
нов при движении по орбите происходит за время нарастания маг-
нитного поля от нуля до максимального значения, т е за четверть
периода. Направление ускоряющего вихревого электрического поля
в течение этого промежутка времени не меняется. За время ускоре-
ния электрон успевает сделать огромное (до нескольких миллионов)
число оборотов по круговой орбите постоянного радиуса г0> так на-
зываемой равновесной орбите (см. рис. 6.12, в). Хотя энергия, при-
обретаемая электроном за один оборот, невелика, конечное значе-
ние энергии оказывается очень большим. Ускоренные электроны
выводятся на мншень 3.
По принципу действия бетатрон аналогичен обычному транс-
форматору, поэтому не случайно их конструктивное сходство (рис.
6 14,6). Катушка возбуждения соответствует первичной обмотке
трансформатора, а роль вторичной обмотки выполняет электронный
228
луч. Число оборотов, совершаемых электронами в процессе ускоре-
ния, соответствует числу витков вторичной обмотки. Ускорение элек-
тронов осуществляется в вакуумной камере тороидальной формы. По
окончании цикла ускорения электроны должны быть смещены с рав-
новесной орбиты для бомбардировки мишени, установленной в ва-
куумной камере (для бетатронов, предназначенных для генерирова-
ния жесткого рентгеновского излучения), или выведены из камеры
в атмосферу (для бетатронов, служащих в качестве источников элек-
тронов высокой энергии) через выводное устройство (например, ди-
флектор). Бетатрон может ускорять электроны до энергий 100...
300 МэВ. Однако ввиду громоздкости его конструкции для энергий
выше 100 МэВ предпочтительнее использовать синхротрон.
Синхротрон — циклический резонансный ускоритель электронов,
ускорение частиц в котором осуществляется высокочастотным элек-
трическим полем постоянной частоты, а управление траекторией нх
движения в вакуумной камере — переменным магнитным полем. По-
скольку в процессе повышения энергии частиц магнитное поле на
орбите ускорителя также нарастает, радиус орбиты электронов ос-
тается постоянным. Магнитное поле в синхротроне обеспечивает
устойчивое движение электронов по орбите постоянного радиуса.
Синхротроны позволяют повышать энергию электронов до 5..
Максимальная энергия частиц достигается в синхрофазотронах.
Синхрофазотрон — циклический резонансный ускоритель протонов
(или ионов), в котором частота ускоряющего электрического поля
меняется во времени так, чтобы частицы под действием переменного
магнитного поля двигались по орбите с постоянным радиусом, т. е.
по равновесной орбите. Конструктивно синхрофазотрон аналогичен
синхротрону.
В синхрофазотронах применяют ускоряющие устройства двух
типов: объемные резонаторы и дрейфовые трубки. Резонаторы ис-
пользуют для перестройки частоты ускоряющего напряжения
в сравнительно небольших пределах.. Сечение одной из конструкций
такого резонатора показано на рис. 6 15, а. Для регулирования ча-
стоты в полости резонатора устанавливают ферритовые кольца, иг-
рающие роль дополнительной индуктивности. Регулировку частоты
осуществляют изменением намагничивающего тока.
Дрейфовая трубка (рис. 6.15,6) состоит из трех цилиндров
круглого и эллиптического сечения: длинного (среднего) и двух
коротких (крайних). При подаче на трубку высокочастотного на-
пряжения в зазорах между цилиндрами образуются переменные
электрические поля, направленные встречно. При указанной на рис.
6 15, б полярности приложенного к электродам напряжения частица,
попавшая в левый зазор, ускоряется и попадает в средний цилиндр.
За время ее движения через него полярность электродов меняется
на противоположную, поэтому в правом зазоре частица также ус-
коряется. Дрейфовая трубка входит в резонансный контур входного
усилительного каскада высокочастотного генератора. Частота уско-
ряющего напряжения на зазорах дрейфовой трубки регулируется
с помощью индуктивности, включенной в резонансный контур. Зна-
чение индуктивности, выполненной в виде катушки с ферритовым
сердечником, зависит от силы намагничивающего тока.
В настоящее время в эксплуатации находятся синхрофазотроны
с энергией частиц до 500 ГэВ (США). Предельная энергия частиц
в синхрофазотроне лимитируется себестоимостью ускорителя.
229
<77
Рис. 6 15. Сечение ускоряюще-
го синхрофазотрона:
а — объемный резонатор (1 — изо-
лятор; 2—корпус резонатора; 3 —
ферритовые кольца; 4—вакуум-
ная камера; 5, 6 — коаксиальные
кабели); б —дрейфовая трубка
Рис. 6 16 Гетерогенный ядерный реактор на тепловых нейтронах:
а — схематический разрез (/ — рейдирующие стержни, 2 — блок с топливом;
3 — активная зона; 4 — замедлитель нейтронов; 5 — отражатель нейтронов;
6 — защитное устройство); б — конструкция (/— иижняя опорная плита; 2 —
каналы охлаждения биологической защиты; 3 — тепловыделяющий элемент;
4 — корзина реактора; 5 — автоматически регулирующий стержень; 6 — верх-
няя опорная плита; 7 — компенсирующий стержень; 8 —стержень аварийной
защиты, 9— тяги системы управления и защиты; i0 — крышка реактора; 11—~
трубопровод для выхода теплоносителя; 12 — корпус реактора; 13 — трубо-
провод для входа теплоносителя; 14 — биологическая защита)
Ядерные реакторы применяют наряду с ускорителя-
ми заряженных частиц для испытания ЭС на воздейст-
вие радиоактивных излучений. В реакторах происходит
управляемая цепная ядерная реакция деления, приводя-
щая к излучению интенсивного потока нейтронов и гам-
ма-излучению. По принципу работы все реакторы де-
лятся на импульсные (развивающие большую мощность
230
при очень малом времени функционирования — 10~5...
10-2 с) и статические (длительного действия).
Любой ядерный реактор состоит из активной зоны, отражателя,
систем регулирования, контроля, охлаждения и биологической за-
щиты. В активной зоне, где находится ядерное топливо, протекает
цепная ядерная реакция с выделением энергии, главным образом
тепловой В качестве делящегося вещества в ядерном реакторе при-
меняют природное ядерное топливо — уран, который содержит де-
лящиеся ядра 235U, обеспечивающие поддержание цепной реакции,
и «сырьевые» ядра 23SU, способные захватывать нейтроны и пре-
вращаться в новые делящиеся ядра 239Ри, не существующие в при-
роде (вторичное горючее). К вторичному горючему относятся также
ядра 2S3U. Если активная зона кроме ядерного топлива включает
замедлитель нейтронов (графит, воду и другие вещества, содержащие
легкие ядра), то основная часть делений происходит под действием
тепловых нейтронов — ядерный реактор на тепловых нейтронах. За-
медлитель позволяет получить нейтроны с низкими энергиями, рав-
ными тепловым (около 25-10—4 эВ). Если же замедлителя в актив-
ной зоне нет, то основная часть делений вызывается быстрыми ней-
тронами с энергией, превышающей 10 кэВ, — быстрый реактор.
По конструкции ядерные реакторы делятся на гомо-
генные и гетерогенные. В гомогенных реакторах ядер-1
ное топливо и замедлитель представляют однородную
смесь (раствор или суспензию). В гетерогенных ядер-
ное топливо распределено в активной зоне дискретно по
блокам, между которыми находится замедлитель нейт-
ронов (рис. 6.16, а). В наиболее распространенных ядер-
ных реакторах блоки с ядерным топливом в виде стер-
жней, называемых тепловыделяющими элементами,
образуют правильную решетку. Конструкция гетероген-
ного ядерного реактора на тепловых нейтронах представ-
лена на рис. 6.16, б.
Мощность ядерного реактора в основном зависит от возможно-
сти быстрого отвода тепла, выделяющегося в активной зоне. Управ-
ление реактором, поддержание реакции и мощности на заданном
уровне, пуск и остановку производят специальными подвижными уп-
равляющими стержнями, изготовленными из материалов, интенсив-
но поглощающих тепловые нейтроны Перемещением стержней
управляют дистанционно с пульта управления. При небольшом пере-
мещении стержней от положения, соответствующего критическому
состоянию реактора, цепной процесс либо развивается, либо зату-
хает, т. е мощность потока нейтронов в активной зоне можно регу-
лировать Если стержни ввести глубоко в активную зону, поглоще-
ние в них нейтронов будет настолько велико, что цепной процесс ста-
нет невозможен
Испытываемые изделия при помощи манипулятора вводят в ак-
тивную зону либо через вертикальный канал, разрез которого пока-
зан на рис 6.16,6, либо через специально сделанный для этих целей
боковой горизонтальный канал.
231
Основными характеристиками излучения тепловых
ядерных реакторов, которыми необходимо располагать
при испытании изделий, являются следующие: поток
нейтронов в месте расположения испытываемого изде-
лия; энергетическое распределение нейтронов; экспози-
ционная доза гамма-излучения и ее максимальная мощ-
ность; энергетическое распределение гамма-квантов.
Для реакторов быстрых частиц, которые могут работать
также и в импульсном режиме, к указанным характери-
стикам добавляются форма и длительность нейтронного
импульса и импульса гамма-излучения.
Рис. 6 17. Структурная схема
испытательного комплекса-
1 — испытываемые изделия; 1а—
дозиметры и датчики температуры;
2 — блок датчиков; 3 — блок ком-
мутации и согласования; 4—реги-
стрирующая аппаратура; 5—ко-
мандный блок, 6 — вспомогатель-
ная аппаратура; 7 — блок измере-
ний, 8 — блок питания
Радиационное испытание
ЭС. Испытание проводят с
целью проверки работоспо-
собности и сохранения внеш-
него вида ЭС в соответст-
вии с НТД (требования ТЗ
и ТУ) во время и после воз-
действия радиации. Испы-
тание проводят в электри-
ческих режимах, оговорен-
ных в стандартах и програм-
мах испытаний, по специ-
ально разработанной мето-
дике, которая составляется
на каждый вид радиоактив-
ного излучения. При выборе
контролируемых парамет-
ров необходимо исходить из
требования получения максимального объема информа-
ции и из технологических возможностей методов изме-
рения параметров ЭС в условиях облучения.
Испытательный комплекс, схема одного из возмож-
ных вариантов которого приведена на рис. 6.17, дол-
жен обеспечивать одновременное испытание выбранного
числа образцов, дистанционное измерение и регистра-
цию контролируемых параметров. Состав блоков комп-
лекса и их функции определяются видом испытаний, ти-
пом моделирующего источника радиоактивного излуче-
ния и характеристиками контролируемого параметра.
Блок датчиков содержит датчик формы импульса гамма-излу-
чения и датчик импульса запуска регистрирующей аппаратуры
(электронных осциллографов). Этот блок необходим только при
импульсных источниках излучения. В качестве датчика формы им-
232
пульса служит фотоэлектронный умножитель с фотолюминесцентным
кристаллом. Датчик импульса запуска электронных осциллографов
вместе с блоком согласования обеспечивают запуск разверток с опе-
режением сигнала реакции ЭС на излучение, что необходимо для
качественной записи импульса реакции и его фронта. Опережение
определяется временем срабатывания схемы развертки осциллографа
и длительностью фронта импулоса воздействующего излучения
Блок коммутации и согласования обеспечивает переключение
каналов регистрации параметров ЭС на одно регистрирующее уст-
ройство при проведении испытания на статическом ядерном реакторе
и временное согласование сигналов от испытываемых изделий и сиг-
налов на запуск регистрирующей аппаратуры при испытании на им-
пульсной моделирующей установке Командный блок предназначен
для программного автоматического или ручного управления работоп
аппаратуры измерительного комплекса. Вспомогательная аппаратура
служит для градуировки осциллографов и проверки измерительных
трактов.
Измерение температуры окружающей среды или корпусов изде-
лий следует проводить в случае ожидаемого нарушения температур-
ного режима изделий за счет радиационного разогрева или повышен-
ной температуры в зоне облучения Датчики и блок измерения тем-
пературы обеспечивают одновременное измерение и регистрацию ее
в заданном диапазоне. Они должны быть нечувствительны или мало
чувствительны к воздействию проникающих излучений Обычно для
этих целей используют термопары.
Организация защиты от радиационных излучений. При
работе с радиоактивными веществами и источниками
ионизирующих излучений важное значение имеет пра-
вильная организация защиты от радиационных излуче-
ний, обеспечивающая безопасность обслуживающего
персонала.
В СССР допустимые уровни облучения регламентируются раз-
работанным Министерством здравоохранения СССР и введенным
в действие с 1969 г. стандартом «Нормы радиационной безопасности
НРБ-69». Для работников, которые непосредственно занимаются
с радиоактивными веществами или с источниками ионизирующих
излучений, установлена предельно допустимая доза облучения, рав-
ная 0,05 Зв в год. В Основных санитарных правилах работы (ОСП
№ 950-72) с радиоактивными веществами и источниками ионизиру-
ющих излучений изложены общие требования по обеспечению без-
опасности, обязательные для всех предприятий и учреждений, на ко-
торых ведутся работы с указанными веществами и источниками.
Наиболее просто осуществляется защита от альфа- и
бета-излучений. Так как длина пробега альфа-частиц
испускаемых радиоактивными веществами, в воздухе
составляет 8...9 см, то обслуживающему персоналу до-
статочно находиться на расстоянии 9... 10 см от источни-
ка радиоактивного излучения. В случае бета-излучения
обслуживающий персонал должен находиться за спе-
циальными ширмами (экранами) или в специальных за-
233
щитиых шкафах с толщиной стенок, превышающей мак-
симальный пробег бета-частиц. В качестве защитных
материалов используют плексиглас, алюминий или стек-
ло. Толщину защитного экрана можно определить по
приближенной формуле б/~(0,54£тах—0,15) • 10-1 кг/м2,
Етах — максимальная энергия спектра бета-излучения
данного радиоактивного изотопа, МэВ.
Защитные устройстве от гамма-излучения и нейтро-
нов представляют собой довольно громоздкие сооруже-
ния; толщина применяемых для защиты материалов
(бетон, свинец, песок и др.) может достигать нескольких
десятков и даже сотен сантиметров (например, для за-
шиты ядерного реактора). Защита должна проектиро-
ваться с коэффициентом запаса, равным двум. Поэтому
мощность дозы излучения за защитой Р=ДДОп/(20, где
Ддоп — предельно допустимая доза в соответствии с
ОСП-72, выражаемая в зивертах в неделю (Зв/нед); t —
время облучения в неделю.
Входная дверь в помещение, где размещена установ-
ка радиоактивного излучения, должна быть обязательно
снабжена блокирующим устройством, препятствующим
входу при включенной установке. Кроме того, должно
быть предусмотрено устройство для принудительного
дистанционного перемещения источника излучения в по-
ложение хранения в случае аварии. Все манипуляции с
источниками гамма- и нейтронного излучения следует
производить при помощи длинных захватов и держате-
лей.
Необходимо периодически производить контроль эф-
фективности защиты по дозиметрическим приборам, так
как с течением времени она может частично утратить
свои защитные свойства вследствие нарушения целост-
ности (появления микротрещин в бетонных ограждениях,
вмятин, разрывов свинцовых листов и т.д.).
Изделия, подвергшиеся облучению, в зависимости от
степени его активности и необходимости последующего
анализа должны быть либо перегружены в места, пре-
дусмотренные для выдержки образцов после облучения,
либо разрушены в установленном порядке.
534
§ 6.5. Воздействия потоков корпускулярных
частиц на покрытия ЭС
При работе ЭС в условиях космоса помимо радиаци-
онных повреждений ЭС, связанных с нарушением рабо-
ты их элементов (см. § 6.4), наблюдаются также по-
вреждения покрытий ЭС при воздействии потока различ-
ных корпускулярных частиц. Для исследования качества
покрытий проводят испытания ЭС как при раздельном
воздействии потока частиц с различными факторами кос-
мического пространства, так и при совместном их воз-
действии. Эти испытания относят к специальным видам
космических испытаний. Моделирование воздействия по-
токов корпускулярных частиц осуществляют на различ-
ных установках. Эти установки можно условно разбить
на пять групп, каждая из которых предназначена для
имитации воздействия определенного вида корпускуляр-
ных частиц, вызывающих повреждения покрытий. Уста-
новки первой группы обеспечивают моделирование воз-
действия на покрытия ЭС ионов верхней атмосферы
Земли и других планет. В этом случае поверхность ЭС
подвергается воздействию плазменной струи, представ-
ляющей пучок ионов с кинетической энергией около
20 эВ, создаваемый плазмотроном или специальной плаз-
менной аэродинамической установкой. На рис. 6.18 по-
казана схема плазменной аэродинамической установки,
ь которой можно проводить исследование покрытий ЭС
при повышении плотности плазменной струи.
Установки второй группы обеспечивают моделирова-
ние корпускулярного излучения Солнца низкой энергии
(«солнечный ветер» и нестационарные потоки солнечной
плазмы), протонов и электронов, входящих в состав
электроносферы и протоносферы Земли. Для получения
потоков электронов, протонов и ионов гелия наиболее
удобно использовать электронные и ионно-лучевые при-
боры: электронные и ионные пушки, масс-сепараторы,
масс-спектрометры, электронографы. Установки третьей
группы предназначены для имитации потоков протонов
и электронов радиационных поясов Земли. Обычно это
электростатические ускорители, циклотроны, высоко-
вольтные ускорители (см. § 6.4).
К устройствам для моделирования космического корпускуляр-
ного излучения предъявляют следующие специфические требования:
одновременное облучение исследуемых материалов электронами
и положительными ионами (протонами, ионами 1елия и др);
235
Рис. 6 18. Схема плазменной аэродинамической
установки:
1— источник плазмы; 2 — вакуумная камера; 3 — диф-
фузионные насосы; 4 — эмиссионный зонд; 5 — испыты-
ваемый объект; 6 — термозонд; 7 — анализатор расходи-
мости пучка; 8 — ограничивающая сетка; 9— подавляю-
щая сетка, 10—кольцевой коллектор; 11—электроста-
тический масс-спектрометр; 12 — сеточиый анализатор;
13— пучок плазмы; 14— гетероиониые насосы
равномерная плотность электронных и протонных потоков и об-
лучение ими в вакууме поверхности материалов площадью в сотни
квадратных сантиметров,
возможность изменения энергии протонов и электронов в ши-
роком диапазоне;
возможность преобразования моноэнергетических пучков заря-
женных частиц в пучкн со сплошным энергетическим спектром,
близким космическому.
Имитационные установки четвертой группы должны
обеспечивать ускорение микрочастиц размером около
1 мкм до скоростей 10...20 км/с и выше для установления
влияния микрометеорной эрозии на изменение оптиче-
ских характеристик покрытий. Один из методов получе-
ния микрочастиц с космическими скоростями — ускоре-
ние их с помощью электрических полей. При этом наи-
более часто применяют электростатические ускорители.
Для ускорения микрочастицы ей необходимо сообщить элект-
рический заряд. Электризацию микрочастицы осуществляют, как
правило, контактным методом в специальном инжекторе. Сущность
236
метода состоит в том, что металлические частицы массой т и раз-
мером около 1 мкм, подлетая к заряжающему электроду и касаясь
его, приобретают заряд Q, пропорциональный напряженности элек-
трического поля на острие заряжающего электрода. Заряженная ча-
стица отталкивается от электрода и инжектируется в ускорительную
трубку. Основное требование к инжектору — обеспечение макси-
мального отношения QJm. Практически удается получить С.Нт--=
= 100. 400 Кл/кг.
Для достижения скоростей микрочастиц около 25 км/с исполь-
зуют линейные ускорители с большим числом ускоряющих электро-
нов. Ускорение сверхпроводящих частиц бегущей магнитной волной
позволяет получать широкий диапазон космических скоростей.
При микрометеорном ударе сравнительно малое количество ми-
шени (около 1 %) и практически весь микрометеорит переходят
в газовую фазу при высоких температурах (3- 103...10в К). Поэтому
достаточно промоделировать стадию микрометеорного удара (при
скоростях соударений, превышающих 5 км/с), когда существует
жидкая фаза. Часть образующейся жидкости выбрасывается из
кратера в виде мелких капель, а часть остается на его стенках в виде
тонкой пленки. Критерием правильного моделирования воздействия
микрометеорного удара является воспроизведение истинного разме-
ра, температуры и условий охлаждения капель, продолжительности
их существования в кратере в жидком состоянии. Время формирова-
ния пленки на стенках кратера должно быть значительно меньше
времени ее остывания. Это можно обеспечить воздействием луча
лазера с модулированной добротностью, т. е. создающего мощные
импульсы излучения.
Установки пятой группы служат для моделирования
исследования комплексного воздействия различных ви-
дов корпускулярных потоков, микрометеорных частиц и
электромагнитного излучения Солнца на стойкость по-
крытий. В состав таких имитационных установок вхо-
дят термовакуумные камеры, ускорители электронов и
протонов, имитаторы Солнца, ускорители микрометеор-
ных частиц и т. д. Наличие нескольких типов ускорите-
лей обеспечивает моделирование радиационной обста-
новки, сходной с космической.
Контрольные вопросы
1. Какими параметрами характеризуются вакуумные испыта-
тельные установки?
2. Чем вызвана необходимость одновременного использования
в вакуумных системах испытательных установок нескольких типов
насосов?
3. Какие существуют приборы для измерения общего и парци-
альных давлений?
4. Какие хладагенты используют для получения сверхнизких
температур и каковы способы их подачи в криогенные установки?
5. Какие источники радиоактивного излучения применяют при
испытаниях ЭС в лабораторных условиях?
237
6. В чем заключаются необратимые и обратимые нарушения
в ИС, вызванные воздействьем радиоактивного излучения?
7. Как осуществляют защиту обслуживающего персонала при
проведении испытания ЭС на воздействие радиоактивного излучения?
8. Каковы основные свойства лучистых потоков, действующих
на КА при его движении на низкой орбите?
9. Какие способы создания невесомости при одновременном обе-
спечении вакуума применяют при специальных космических испы-
таниях ЭС?
10. Каковы специфические требования, предъявляемые к обо-
рудованию, предназначенному для моделирования космического кор-
пускулярного излучения?
11. Как классифицируют установки, предназначенные для мо-
делирования воздействия корпускулярных потоков на терморегули-
рующие покрытия?
Глава 7
ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
НА НАДЕЖНОСТЬ
§ 7.1. Количественные показатели надежности
Надежность, одно из важнейших свойств ЭС, оцени-
вается с помощью количественных показателей. К о л и-
ч ественны й показатель надежности ЭС —
числовое значение показателя, характеризующее одно
или несколько свойств, составляющих надежность изде-
лий (в отличие от качественной оценки надежности, ког-
да она не может быть представлена в виде какого-либо
числового значения). Количественные показатели на-
дежности в зависимости от условий ее обеспечения мо-
гут изменяться на различных стадиях создания и суще-
ствования ЭС — в процессах проектирования, производ-
ства и эксплуатации, что связано с качеством этих
процессов, подготовки персонала и т. д.
Количественные показатели надежности могут быть
единичными и комплексными. Единичный показатель
характеризует одно из свойств (безотказность, долго-
вечность, ремонтопригодность, сохраняемость), состав-
ляющих надежность изделия, а комплексный — не-
сколько свойств. Комплексные показатели надежности
служат для характеристики в основном восстанавлива-
емых ЭС. Большинство показателей надежности невос-
станавливаемых ЭС не может быть использовано для
оценки надежности восстанавливаемых ЭС. Действи-
тельно, поскольку число отказов, а значит, и восстанов-
238
ленпй/замен за наблюдаемый промежуток времени для
восстанавливаемых ЭС может быть любым (например,
значительно больше числа п испытываемых изделий),
то часто такие показатели, как интенсивность отказов
и среднее время безотказной работы (характеризующие
невосстанавливаемые ЭС), не имеют для них математи-
ческого и физического смысла. Поэтому показатели
надежности восстанавливаемых и невосстанавливаемых
ЭС обычно рассматривают отдельно. Однако с точки
зрения перспектив развития ЭС наибольший интерес
представляют изделия в виде СБИС, которые относятся
к невосстанавливаемым. Кроме того, при испытании на
надежность даже восстанавливаемых ЭС обычно огова-
ривают, что отказавшее изделие исключается из дальней-
шего рассмотрения (не заменяется новым и не ремонти-
руется), т. е. восстанавливаемое изделие можно рассмат-
ривать в этом случае как невосстанавливаемое. Поэтому
далее изложены вопросы испытаний только невос-
станавливаемых ЭС, основные показатели надежности
которых приведены в табл. 7.1.
Таблица 7.1
Показатели надежности невосстанавливаемых ЭС
Наименование и обозначение показателя Формула для определения показателя
вероятностного статистического (по ре- зультатам наблюдения за выборкой)
Средняя наработка до отказа (среднее время безотказной работы) 1 = р/ (t)dt 0 1=1
Вероятность безотказ- ной работы />(/) = (•/(/) dt t р = (п — / п
Интенсивность отказов =/(/)ЛР(О 7.
Примечание: t — наработка до отказа; f(f) — плотность вероятно-
сти распределения наработки до отказа; d — число изделий, отказавших в мо-
мент времени п — число изделий, работоспособных в начальный момент
=0; Д^. — число изделий, отказавших за время Д/р л— Д^г—число из-
делий, безотказно проработавших за рассматриваемый интервал наработки
; rf.—общее число отказавших изделий к началу промежутка времени А/*
Если число изделий п в выборке стремится к числу W изделий в гене-
ральной совокупности (партии), из которой взята выборка, значение статисти-
ческого (выборочного) показателя надежности стремится к значению вероят-
ностного показателя, т. е в пределе равно истинному значению вероятности
безотказной работы изделий генеральной совокупности.
239
Рассмотрим показатели надежности более подробно,
обратив особое внимание на определение их значений по
результатам испытаний. Средняя наработка t
изделия до отказа (выборочная статистическая ха-
рактеристика) представляет случайную величину, по-
скольку отказы изделий — случайные события. Как пра-
вило, />0. Но в том случае, когда отказ происходит в мо-
мент подачи нагрузки на изделие (начало использования
изделия), 7=0.
Для количественной оценки надежности наиболее
удобной характеристикой является вероятность
безотказной работы изделия до момента t, под
которой понимается вероятность выполнения изделием
заданных функций и сохранения значений параметров
в установленных пределах в течение данного промежут-
ка времени (интервала наработки) при определенных ус-
ловиях применения. Если в момент /=0 отказа изделия
не наблюдается, то P(t — O) =1. С течением времени этот
показатель уменьшается (рис. 7.1). Вероятность отказа
до момента t
Q(0 = \-Р (0.
Площадь, ограниченная функцией P(t) и осями ко-
ординат (рис. 7.1), численно равна средней наработке
изделий до отказа, а абсцисса точки пересечения кривой
P(t) с перпендикуляром, восставленным из точки на
Рис. 7 1. Характер изменения
вероятности безотказной рабо-
ты ЭС во времени
Рис. 7.2 Кривая зависимо-
сти интенсивности отказов
от времени работы ЭС под
нагрузкой
240
оси ординат, соответствующей заданной минимальной
вероятности Р2 безотказной работы, дает значение гаран-
тийной наработки tr на отказ (времени, в течение которо-
го в НТД гарантируется Р2). Практически вероятность
безотказной работы за некоторый промежуток времени
может быть определена статистическим путем по ре-
зультатам наблюдений за выборкой (см. табл. 7.1).
Другой количественной характеристикой надежности
является интенсивность отказов k(t), которая
показывает, какая доля исправных в начальный момент
рассматриваемого промежутка времени изделий в вы-
борке отказывает к концу этого промежутка. Дак и ве-
роятность безотказной работы, эта характеристика на-
дежности может быть получена на основании опытных
данных (см. табл. 7.1). По рассчитанным согласно фор-
муле Х=Дй,/[ (п—частным значениям интенсив-
ностей отказов можно построить гистограмму, а соединив
эти значения плавной кривой — функцию зависимости
интенсивностей отказов от времени — лямбда-характе-
ристику. Дак видно из рис. 7.2, кривая имеет три
явно выраженные области изменения.
Область / — период приработки изделий,— характеризуется вы-
сокой интенсивностью отказов, обусловленной выходом из строя из-
делий в начальный период работы из-за наличия скрытых дефектов
производства, которые не удалось обнаружить при контроле ТП из-
готовления изделий Эти дефекты обычно связаны с недостатками
и нарушениями технологии, а также с несовершенством производст-
венною контроля. Для области // — рабочей области изделий — ха-
рактерно постоянное или незначительно изменяющееся минимальное
значение интенсивности отказов. В области III— области износа —
наблюдается резкое возрастание интенсивности отказов, вызванное
износом и старением изделий
Чтобы ЭС поступали в эксплуатацию с минимальным и доста-
точно устойчивым значением Х(£), область I стараются исключить
при выпуске изделий, проводя их технологическую тренировку в ус-
ловиях, близких эксплуатационным. В период тренировки выявля-
ют и удаляют «слабые» изделия, вскрывают недостатки технологии,
что ведет к увеличению надежности ЭС, хотя при этом несколько
удорожается производство и снижается темп выпуска изделий. Эко-
номически технологическая тренировка полностью оправдывается
значительным повышением эффективности применения ЭС на пер-
вом этапе эксплуатации (если он совпадает с началом области II),
а также существенным снижением расходов при эксплуатации из-
делий.
Для большинства полупроводниковых изделий рабочая область
настолько продолжительна, что практически не удается зафиксиро-
вать в нормальных условиях эксплуатации начало области износа.
В этом случае условно считают, что данный тип изделий в сравнении
с другими изделиями обладает бесконечным сроком службы.
16—589
241
Интенсивность отказов связана с вероятностью безот-
казной работы соотношением
t
P(t) = exp [— j* X(/) di ].
о
Для количественной характеристики долговечности
и сохраняемости ЭС применяют соответственно гамма-
процентный ресурс (см. § 7.5) и гамма-процентный срок
сохраняемости (см. § 7.6).
§ 7.2. Планирование испытаний на надежность
При контроле готовой продукции необходимо одно-
значно определить такие данные, как время испытаний
/и, объем выборки п и приемочное число С — максималь-
ное число отказавших изделий за время испытания вы-
борки, при котором партия принимается. Совокупность
этих данных составляет план контроля, для фор-
мирования которого пользуются, как правило, специаль-
ными таблицами и графиками. Продолжительность tK
определенного испытания на надежность и число п ис-
пытываемых изделий связаны соотношением
ni^kt, (7.1)
где k — коэффициент, зависящий от вида испытаний; t —
среднее время безотказной работы.
Если для испытываемых ЭС задано среднее время t3 безотказ-
ной работы, то в выражении (7.1) t=t3. Если же требования по
надежности не оговорены, то 1=1,51ож, где — ожидаемое сред-
нее время безотказной работы, которое определяют предваритель-
ным расчетом надежности изделия. Левая часть выражения (7.1)
представляет объем испытаний 1/п = н/и. Большой объем является
одной из характерных особенностей испытаний на надежность. Эта
особенность обусловлена статистическим подходом к определению
количественных показателей надежности, значения которых с ростом
надежности растут, а следовательно, увеличивается объем испытаний
на надежность с целью подтверждения заданного или определения
неизвестного показателя. При планировании определительных испы-
таний на надежность принципиально невозможно однозначно указать
объем испытаний, так как точность оценок показателей надежности
при заданной достоверности зависит от объема полученной при ис-
пытаниях информации, т. е. от числа отказов. Следовательно, зна-
чение Би может быть определено лишь ориентировочно исходя из
априорного уровня надежности ЭС Ошибки планирования приводят
к завышению или занижению требуемого объема испытаний, что
выявляется при обработке их результатов.
Время проведения контрольного испытания ЭС на на-
дежность обычно регламентировано гарантированным
242
временем безотказной работы или выбирается произволь-
но при известном законе распределения наработки на
отказ испытываемых изделий. При планировании конт-
рольных испытаний учитывают интересы либо постав-
щика и заказчика — планирование по приемочному и бра-
ковочному уровням, либо только заказчика — планирова-
ние по браковочному уровню. В первом случае контроль
осуществляют по двум заданным значениям Р\ и Р%
вероятности безотказной работы и соответствующим им
рискам аи[3 поставщика и заказчика. Планирование по
браковочному (гарантированному) значению Р2 вероят-
ности безотказной работы, т. е. минимальному значению
вероятности Р2 безотказной работы, применяют внутри
предприятий-поставщиков для подтверждения соответ-
ствия производственной надежности изделий требовани-
ям заказчика. В этом случае учитывают только интере-
сы заказчика, которому с доверительной вероятностью
Р* = 1—р гарантируется, что в принятой партии надеж-
ность изделий не хуже браковочного уровня Р2.
План контроля должен позволять быстро оценивать
с определенным риском заказчика или поставщика и за-
казчика надежность принимаемой партии. Время испы-
таний не должно быть слишком длительным, а стремле-
ние достигнуть минимальных значений а или В не долж-
но приводить к чрезмерному увеличению объема выборки.
В настоящее время применяют различные методы
контрольных испытаний на надежность. При выборе то-
го или иного метода испытаний следует учитывать закон
распределения контролируемого показателя надежности
(вероятности безотказной работы, наработки на отказ,
интенсивности отказов), ограничивающий фактор или
критерий прекращения испытаний, порядок замены или
восстановления отказавшего изделия.
Рассмотрим выборочные методы контроля надежно-
сти и формирование плана контроля невосстанавливае-
мых изделий аналитическим и графическим методами.
§ 7.3. Методы планирования испытаний на надежность
Метод однократной выборки позволяет решать вопрос
о приемке партии изделий па основании единственной
выборки, случайно взятой из этой партии. При использо-
вании этого метода в ТУ записывают объем п выборки,
время испытаний и приемочное число С. Если число d
отказавших изделий в выборке за время испытания мень-
16*
243
ше или равно приемочному числу С, то партия принима-
ется, в противном случае — бракуется. В этом и заклю-
чается сущность метода однократной выборки.
План контроля для метода однократной выборки со-
ставляют как при известном, так и при неизвестном зако-
не распределения контролируемого показателя надежно-
сти. При неизвестном законе распределения контролиру-
емого параметра случайное число отказавших изделий
в заданное время для выборки объемов h<0,1jV (N —
число изделий в сдаваемой партии) определяют на осно-
вании либо биномиального закона, либо закона Пуассо-
на. Последний применяют, когда помимо объема п вы-
борки, малого по сравнению с объемом N сдаваемой пар-
тии изделий, задана вероятность безотказной работы
^0,9. Так, в случае закона Пуассона вероятность того,
что партия изделий с вероятностью безотказной работы
Р^0,9 будет принята, т. е. в выборке п число d отказав-
ших изделий не будет превышать приемочного числа С,
можно рассчитать по формуле
с
Pou = Z5 (rf < Q = У е-“, (7.2)
al
где рОп — вероятность приемки партии по результатам
испытания выборки; a=nQ; Q = 1—Р — доля дефектных
изделий в партии, из которой взята выборка.
По формуле (7.2) рассчитывают объемы п выборок
в зависимости от приемочного числа С, заданных довери-
тельной вероятности Р* полученных результатов испы-
тания и минимальной вероятности Р2 безотказной ра-
боты сдаваемой партии изделий. Результаты такого рас-
чета приведены в табл. П.2 (см. Приложение). При
неизвестном законе распределения контролируемого по-
казателя надежности выборка объемом п, найденным из
этой таблицы, должна испытываться в течение того вре-
мени /и, на которое задается значение Р2. Поскольку Р2
задается на гарантированное время tr, время 4 испыта-
ния должно быть равно tr-
При составлении плана выборочного контроля партий
изделий в случае неизвестного закона распределения по-
казателя надежности приемочное число С выбирают не-
большим из экономических соображений, так как с уве-
личением его резко возрастает объем выборки. С другой
стороны, уменьшение С приводит к увеличению необхо-
244
димого для успешной сдачи продукции приемочного зна-
чения вероятности Pi безотказной работы (см. § 2.2),
а С=0 соответствует наиболее неблагоприятным для из-
готовителя условиям сдачи продукции по результатам
испытания выборки. По заданным значениям Р2, р и вы-
бранному С с помощью табл. П.2 определяют необходи-
мый объем п выборки. Составленный план (п, /и, С)
контроля надежности сдаваемых заказчику изделий за-
писывают в ЧТУ на заданные изделия.
Пример 1. Дано: /э2 = 0,9 на 500 ч при 0 = 0,1. Требуется
рассчитать план контроля надежности.
Порядок расчета.
1. Задаем приемочное число С=2.
2. Находим по табл. П.2 необходимый объем выборки: 52
изделия.
3. Записываем план контроля: п=52 изд.; /и = 500 ч;
С=2.
Полученный план контроля отражает интересы толь-
ко заказчика. Для отражения интересов заказчика и из-
готовителя задаются не только риском р заказчика и со-
ответствующим ему браковочным значением Р2 вероят-
ности безотказной работы, но и риском а поставщика
и соответствующим ему приемочным значением Р{. Тог-
да уравнение для определения п и С при использовании
биномиального закона имеет вид:
для риска заказчика
2^(1-Р^ДГ^ = Р; (7.3)
для риска изготовителя
с
2 С*(1— P{}dPnrd^ 1 — (7-4)
d=0
где d — число отказавших изделий в выборке объемом
п (d меняется от нуля до С).
Решая уравнения (7.3) и (7.4) относительно п и за-
тем приравнивая правые части полученных выражений,
находят зависимость приемочного числа С от заданных
значений Pi, Р2, аир. На основании этой зависимости
построена табл. П.З, которая используется при формиро-
вании плана контроля. Последовательность формирова-
ния плана контроля рассмотрим на примере.
245
Пример 2. Дано: Pi = 0,98 (при а=0,1) н Р2=0,9 (при
Д=0,1) я а 500 ч испытания выборки из принимаемой партии
изделий. Требуется рассчитать план контроля надежности.
Порядок расчета.
1. Рассчитываем коэффициент
(1„р2)(1+Р1) = 9,1-1,98 0,198 = 4
(1 — Pi) (1 + Р2) 0,02-1,9 0,038
2. По найденному значению А н заданным значениям а
и р с помощью табл. П.З определяем приемочное число С. Из
табл. ПЗ видно, что значение Л=4,69 лежит между числами
4,82 и 3,82. Если выбрать С=2 (41=4,82), то при заданных
значениях а, 3 и Р2 это приемочное число соответствует значе-
нию Pi, большему заданного. Если же выбрать С—3 (4=3,82),
то приемочное число соответствует значению Р|, меньшему за-
данного. Учитывая, что значение Л = 4,69 расположено ближе
к табличному значению А —4,82, чем к А —3,82, выбираем
С=2. Для изготовителя это означает некоторое ужесточение
плана контроля, так как должно быть обеспечено более высо-
кое приемочное значение Pi, чем заданное.
3. По найденному значению С=2 и заданным значениям
Р2 = 0,9 и 3=0,1 с помощью табл. П.2 определяем объем вы-
борки /г = 52 изд.
4. Составляем план контроля: н=52 изд.; 6i = 500 ч;
С=2.
В обоих рассмотренных примерах план контроля ока-
зался идентичным. Однако во втором примере учтены
интересы изготовителя, поскольку приемочное значение
Pi, которое всегда намного выше, чем браковочное Р2, за-
дается НТД на изделие.
При составлении плана контроля для известного за-
кона распределения контролируемого показателя надеж-
ности нет необходимости проводить испытание выборки
в течение всего гарантируемого времени. Предельную
продолжительность испытания выбирают в зависимости
от производственных и технико-экономических факторов
(времени, которое может быть отведено на испытание,
наличия необходимого количества образцов изделий
и технических средств для проведения испытания).
При экспоненциальном законе распределения вероят-
ности безотказной работы, который часто встречается на
практике, браковочные значения вероятности, заданные
на время (г, определяются по формуле
Р2(/Р) = еА
Для времени испытания /и вероятность безотказной ра-
боты
р; (U = е~"».
246
Прологарифмировав оба уравнения и разделив второе на
первое, получим
1" Ми) _ t.
1П (М
или
пед ”-г1пр!И- <7-5>
4Г
( Задаваясь различными значениями /и испытания при
; заданных значениях Р2 и tr, по (7.5) можно рассчитать
соответствующие значения Р'2 за это время (см. табл.
, П.4). Зная Р' и задаваясь значениями р и С, нетрудно
вычислить или определить из табл. П.2 необходимый объ-
ем выборки. Затем можно записать план контроля: п,
tH, С, При партия изделий, из которой взята выбор-
ка, принимается; при сГ>С партия бракуется.
Пример 3. Дано: Р2=0,9 на 500 ч (т. е. /г=500 ч); § = 0,1.
Требуется рассчитать план контроля надежности.
Порядок расчета.
1. Задаемся временем испытания /и= 100 ч.
2. С помощью табл. П4 определяем браковочное значение
вероятности Р_> безотказной работы для времени испытания
/„=100 ч.
Отношение /я//г= 100/500 = 0,2 дает значение Р2 по стро-
ке, а заданное значение Р2 = 0,9 — по столбцу таблицы. Та-
ким образом, получаем Р2= 0,9792 0,98.
3. Задаемся приемочным числом 6=2 и с помощью табл.
П.2 для Р2 = 0,98; § = 0,1 и С=2 определяем необходимый
объем выборки: п = 264 изд.
4. Записываем план контроля: п = 264 изд; /я=100 ч;
6=2
Как видно, объем выборки в данном примере резко уве-
личился по сравнению с обьемом выборки в примерах 1 и 2.
Это связано с тем, что для экспоненциального закона Х=
= d/(nt) =const. Поэтому если в примере 3 время испытания
выбрано в пять раз меньше, чем в примерах 1 и 2, то для со-
хранения значения К объем выборки должен быть в пять раз
увеличен при одном и том же значении d. Если бы время ис-
пытания увеличилось вдвое (/я=1000 ч), то объем выборки
также сократился бы вдвое (п = 26). В каждом конкретном
случае следует продуманно выбирать время испытания в за-
висимости от возможностей производства.
При планировании испытаний с учетом интересов не
только заказчика, но и изготовителя для экспоненциаль-
ного закона распределения вероятности безотказной ра-
боты план контроля по форме ничем не отличается от
247
плана, рассмотренного ранее. Неизвестное значение Р{
не представляет труда рассчитать по формуле (7.5), за-
менив Рг на Pi и Рг на Pi или определив из табл. П.4.
После того как будут найдены значения Р'2 и Р\ из
табл. П.4 по известным значениям tjtr, Р2 и Pi, план
контроля составляется аналогично плану, рассмотренно-
му для неизвестного закона распределения вероятности
безотказной работы.
Наряду с экспоненциальным законом на практике
применяют нормальный и логарифмически нормальный
законы распределения контролируемого показателя на-
дежности, а также закон Вейбулла. В качестве примера
рассмотрим составление плана контроля при распределе-
нии вероятности безотказной работы по закону Вейбул-
ла. В отличие от распределения по экспоненциальному
закону, характеризуемого только одним параметром К,
распределение по закону Вейбулла более сложно и ха-
рактеризуется тремя параметрами: т], б, р. При этом ве-
роятность безотказной работы
п ... Г / t — II \Й1
Р (t) = exp — ---— ,
L \ т) / J
где p— параметр масштаба; б — параметр формы, от зна-
чения которого зависит форма кривой распределения
плотности вероятности f(t) (для б<1, б>1, 6=1 интен-
сивность отказов соответственно уменьшается, возраста-
ет и постоянна во времени); т] = рг ]/б) ] —паРа"
метр положения, М (t) — математическое ожидание
среднего времени наработки до отказа; Г — гамма-
функция.
На практике часто пользуются двухпараметрическим
распределением Вейбулла (ц=0):
Р(/) = е-^п)6 .
При 6 = 1 параметр положения = = 1Д и закон
Вейбулла переходит в экспоненциальный закон, являю-
щийся частным случаем закона Вейбулла.
Время t„ испытания выбирается независимо от значе-
ния /г, а вероятность безотказной работы
р;(у = ехР[-(^у]. (7.6)
Браковочное значение вероятности безотказной рабо-
248
ты на заданное время /г
P2(/r) = exp[-px^q6]. (7.7)
L \ n / J
Если известны значения б и т], то из выражения (7.6)
можно рассчитать значение Р2 (tn) на выбранное вре-
мя tw. Но так как практически всегда задается значение
то удобнее определять Pi(ta) в зависимости от
Pi(tr), исключив при этом из уравнений (7.6) и (7.7) ве-
личину т>:
In [/>;₽„)]= In [Р2 (7.8)
vr Р-/
Задаваясь различными значениями Р2(/г), (tu—Н)/
/ (tT—р) и б, составляют таблицу для определения Р2 (tK)
(см. табл. П.5). По значениям Р? (ta) на время /и и за-
данного приемочного числа С по табл. П.2 в зависимости
от значения риска р заказчика определяют необходимый
объем выборки. Оценку результатов испытаний произво-
дят по истечении времени ta. Если число отказавших из-
делий d^C, то результаты испытаний считают положи-
тельными; если же d>C, то отрицательными.
Пример 4. Дано: Р2=0,9 на время /г=500 ч при (1=0,1;
6=0,5; ц=0 Требуется составить план контроля надежности.
Порядок расчета.
1 . Выбираем приемочное число С= 2 и устанавливаем про-
должительность испытаний /„ = 100 ч.
2 Вычисляем отношение (/„ —ц)/(/г— и) = 100/500 = 0,2.
3 . По полученному значению (/„— р.)/(/г — ц)=0,2 и за-
данным 6 = 0,5; Р>=0,9 находим с помощью табл П5 значе-
ние Р2 на BPeM« /и=Ю0 ч: Р2(/„) = 0,95.
4 Из табл. П2 по значениям С=2; |3 = 0,1 и Р2(/я)=0,95
определяем объем выборки: п= 105 изд
5 Записываем план контроля п=105 изд, /„=100 ч;
С=2
Сравнивая полученные результаты с планом контроля, при-
веденным в примере 3 (п=264 изд; /„=100 ч; С=2), можно
убедиться, что для осуществления плана контроля в случае
распределения наработки на отказ по закону Вейбулла с 6<С1
требуется намного меньший объем выборки, чем в случае экс-
поненциального закона распределения. При этом снижение
значения 6 приводит к еще большему сокращению объема вы-
борки
Планирование испытаний по двум значениям Pi и Р2
вероятности безотказной работы для распределения Вей-
булла и для экспоненциального распределения проводит-
ся аналогично. Значение Pi (^и) на выбранное время /и
249
рассчитывают по формуле (7.8), заменив Р2 на Pi и Р'2
на Р'и или находят по табл. П.5.
Основное преимущество метода однократной выборки
состоит в том, что планы контроля легко разрабатывать
и осуществлять. Недостаток данного метода, как и любо-
го выборочного метода контроля, — опасность забрако-
вать годную партию изделий. Как отмечалось, для успеш-
ной сдачи продукции изготовитель должен обеспечить
приемочное значение вероятности безотказной работы,
намного превышающее браковочное. И даже при этом
изготовитель не гарантирован от того, что годная партия
продукции может быть забракована. Поэтому, учитывая,
что превышение приемочного числа С могло оказаться
случайным вследствие формирования пессимистической
выборки, при методе однократной выборки допускается
испытание повторной (дополнительной) выборки для
уточненья результатов предыдущей. При этом по задан-
ным значениям Р2, р и суммарному объему обеих выбо-
рок с помощью табл. П.2 определяют приемочное число
для суммарной выборки. Тогда приемочное число для
второй выборки устанавливают как разность приемочно-
го числа суммарной выборки и числа отказов в первой
выборке Если эта разность оказывается отрицательной,
испытание второй выборки не проводят.
Практическим воплощением метода однократной вы-
борки является метод последовательных испытаний
(см. ГОСТ 17331—71), применяемый для контроля на-
дежности ЭС. Суть метода состоит в следующем. Перво-
начально выдвигается гипотеза Hi о годности партии из-
делий. При этом имеется альтернативная гипотеза Н2,
в соответствии с которой изделия не годны. Проверяют
указанные гипотезы в ходе испытаний по мере накопле-
ния статистического материала. Получив некоторое чис-
ло отказов на данный момент времени, испытатель мо-
жет выбрать одно из трех решений: 1) принять гипотезу
Hi, отклонив гипотезу //2; 2) принять гипотезу Н2, от-
клонив гипотезу Hi; 3) продолжить экспериментальную
проверку гипотез, если полученные статистические дан-
ные не дают достаточных подтверждений той или иной
гипотезы.
Исходными данными для выбора плана испытаний являются риск
а изготовителя, риск [J заказчика, приемочное время наработки
до отказа, браковочное время ts наработки до отказа. В соответст-
250
вии с ГОСТ 17331—71 строят линии 1—4 на графике, представляю-
щем собой зависимость числа отказов d or суммарного времени
наработки, отнесенного к приемочному значению наработки па
отказ (рнс. 7.3).
После этого на график d=f(t 2/<п) наносят результаты испы-
тании на надежность, которые при наличии отказов можно предста-
вить в виде ступенчатой линии (кривая 5 на рис. 7.3). Сумма го-
ризонтальных отрезков этой линии численно равна отношению сум-
марной наработки изделий в данный момент времени испытаний
к приемочному значению /п, а сумма вертикальных отрезков — чис-
лу d отказов изделий к данному
моменту испытаний Принятие ре-
шения о надежности партии из-
делий производится следующим
образом. Если график испытаний
(кривая 5) достигает линии 3 или
4, испытания прекращают и вы-
носят решение о соответствии из-
делий требованиям надежности.
Если график испытаний достига-
ет линии 2 или пересекает линию
/, принимают решение о несоот-
ветствии партии изделий требо-
ваниям надежности. Если же кри-
вая 5 не достигает ни одной из
линий 1—4, испытания продол-
жают до получения следующей
случайной величины — числа от-
казов (или их отсутствия) в сле-
дующий момент времени, после
чего вновь принимают решение о
прекрашении испытаний, и так до
тех пор, пока кривая 5 не достиг-
нет линий 1—4.
Рис. 7 3. График последова-
тельных испытаний:
прямая / соответствует гипотезе
Н2; прямая 2 — предельно допусти-
мому числу отказов в испытуемой
выборке; прямая 3 — предельному
времени испытания ^2'^п=^п^п*г **
прямая 4— гипотезе
Метод двукратной вы-
борки предусматривает проведение испытания второй
выборки, если число отказов в первой больше приемоч-
ного числа С, но меньше браковочного С' (минимально-
го числа изделий, отказавших за время испытания вы-
борки), при котором партия бракуется, как не удовле-
творяющая предъявляемым требованиям по надежно-
сти. Казалось бы, здесь по сравнению с методом одно-
кратной выборки у изготовителя больше шансов сдать
продукцию заказчику. Однако вероятность приемки пар-
тии по результатам испытания первой выборки методом
двукратной выборки, как правило, меньше той же ве-
роятности при однократной выборке.
При однократном выборочном контроле оперативная
характеристика контроля
251
d=9
При двукратном выборочном контроле вероятность
приемки партии
Pon (Q) ~ ' Ponl (Q) 4~ Рпер (Q) Роп2 (Q)
или при заданном значении Q2 = 1—Р2
(7.9)
rfx=0
dx=Cx+l d2=0
(7.10)
Рис 7 4 Оперативная кривая, соот-
ветствующая методу двукратной вы-
борки
где poni(Q) —вероятность приемки партии по результа-
там испытания первой выборки методом двукратной вы-
борки; Pnep(Q)—вероятность перехода к испытанию
второй выборки; /7On2(Q) —вероятность приемки партии
по результатам испытания второй выборки; С[ и С( —
приемочное и браковочное число для первой выборки;
dx и d2— число дефект-
ных изделий первой и
второй выборок; Пх и
п2 — объемы первой
и второй выборок;
С — приемочное число
для объединенных пер-
вой и второй выборок.
Таким образом, опе-
ративная кривая роп (Q)
плана двукратного вы-
борочного контроля
является суммой двух
кривых (рис. 7.4). Как
видно из рисунка,если
суммарная кривая
pon(Q) Для метода двукратной выборки совпадает с
кривой /?оп(<2) для метода однократной выборки, веро-
ятность роп=₽' приемки партии изделий со значением
вероятности отказа Q2 по результатам испытания пер-
вой выборки меньше вероятности роп = р приемки той
же партии с тем же значением Q2 по результатам ис-
252
пытания методом однократной выборки. Следователь-
но, в этом случае риск р' заказчика при приемке партии
по результатам испытания первичной выборки заметно
уменьшается по сравнению с его риском р при методе
однократной выборки, а риск а' изготовителя при сохра-
I нении значения Qj увеличивается (по сравнению с а).
I Для осуществления плана контроля методом двукрат-
I ной выборки составляется выборка объемом щ. При
[ числе di отказавших изделий в этой выборке, меньшем
? приемочного числа С] или равном ему, партия принима-
। ется. При большем браковочного числа Ci или рав-
ном ему, партия бракуется. При C\<d\<C\ составляется
вторая выборка объемом п2 из этой же партии. Как
видно из рис. 7.4, вероятность роп = р" приемки партии
изделий по результатам испытания второй выборки не-
сколько больше по сравнению с вероятностью роп = р'
приемки партии по результатам испытания первой вы-
борки, однако в этом случае резко возрастает риск из-
готовителя. Если число d2 отказавших изделий во вто-
рой выборке меньше или равно приемочному числу С2,
партия принимается, если больше С2, то бракуется.
Обычно устанавливают С1==0; С1=2; С2=0 Объемы выборок
определяют из соотношений л1 = а1/(1—Р2); п2=а2/(1—Рг), где
коэффициенты а-, и а2 зависят от риска [5 заказчика в соответствии
с данными, полученными на основании формулы (7.10)
о,1 2,6 2,00
0,2 2,0 1,43
0,3 1,6 1,18
Для неизвестного закона распределения наработки изделий на
отказ продолжительность испытания каждой выборки устанавливают
равной времени tr. Если закон распределения известен, время испы-
тания /и может выбираться любым. В этом случае определение бра-
ковочного значения Р2 вероятности безотказной работы на время ta
по заданному значению Р2 на время tr производится так же, как при
построении плана контроля для метода однократной выборки.
Аналогично можно составлять многократные планы выборочного
контроля При этом соответственно увеличивается число все более
сложных членов в уравнении (7.10) и компонентов оперативной ха-
рактеристики paa=f(Q).
253
Метод непрерывных испытаний ЭС на надежность
заключается в непрерывном отборе и постановке изде-
лий на испытания в течение контролируемого периода.
При этом изделия отбирают равными группами через
равные промежутки времени где tKn — контро-
лируемый период времени; k — число подлежащих ис-
пытаниям групп изделий. Значение k определяется соот-
ношением k = nlni, где п — объем выборки, необходи-
мый для подтверждения значения Р? за время tr (при
заданном числе С); nt — число изделий в каждой груп-
пе. Группа снимается с испытания по истечении времени
tr. Оценка результатов непрерывных испытаний произ-
водится после окончания испытания последней группы.
Если суммарное число отказавших изделий во всех груп-
пах за время tn испытания не превышает приемочного
числа С, то это означает, что заданная вероятность Р%
безотказной работы изделий обеспечивается.
Основной недостаток метода непрерывных испыта-
ний— большие затраты времени для получения резуль-
татов. Для оперативного контроля технологии производ-
ства изделий можно производить условную оценку на-
дежности по окончании испытания каждой группы.
Метод непрерывных испытаний применяется, как пра-
вило, для отработанного ТП. При этом все изделия, из-
готовленные за оцениваемый период tK„, можно рассмат-
ривать как единую партию, а последовательные выбор-
ки — как репрезентативные выборки из этой партии.
Пример 5. Дано: Р2=0,99 по истечении времени /г=Ю00 ч;
[5=0,1 Контроль указанного браковочного значения вероят-
ности безотказной работы осуществляется один раз в квартал,
т. е. /кп = 3 мес. Требуется рассчитать план контроля.
Порядок расчета.
1. Выбираем приемочное число С=2 и по табл. П.2 опре-
деляем необходимый объем выборки: л=530 изд.
2. Выбираем число групп изделий исходя из реальных
возможностей производства. Пусть й=10.
3. Рассчитываем обьем одной группы: л, = л/А=530/10 =
= 53 изд., а также периодичность постановки групп на испы-
тания: /'=/кп/А=3/10 = 0,3 мес=г9 сут.
Таким образом, для проведения испытания непрерывным
методом следует ставить на испытание каждые 9 сут по 53 из-
делия на время /г=1000 ч = 42 сут. При этом нетрудно убе-
диться в том, что продолжительность контролируемого перио-
да времени (с момента постановки первой группы изделий и по
истечении 9 сут испытания последней группы) составляет как
раз 90 сут (около 3 мес). Однако окончательную оценку ре-
зультатов испытаний дать нельзя, так как для завершения
испытания последней группы еще требуется время tr — V—
254
==42—9=33 сут. В данном примере наглядно проявляется
основной недостаток метода последовательных выборок —•
чрезмерная продолжительность испытании.
Во всех описанных методах составления плана конт-
роля его рассчитывают аналитически. Но иногда бывает
удобно формировать план контроля графическим мето-
дом.
Графический метод планирования испытаний основан
на использовании семейства кривых распределения Пу-
ассона, характеризующих зависимость вероятности чис-
ла d отказавших изделий, меньшего приемочного числа
С (или равного ему), от значения параметра а в соот-
ветствии с формулой (7.2). Графически зависимость
p(d^C) =/(а) представлена на рис. 7.5 семейством
Рис. 7 5. Зависимость вероятности отказа d изделий, распреде-
ленной по закону Пуассона, от параметра а
кривых для различных значений С. Значение параметра
а с достаточной точностью описывается выражением а —
— nQ, где Q — вероятность отказа. Величина а есть
математическое ожидание случайной величины — числа
d отказавших изделий.
Приведенные на рис. 7.5 кривые являются аккумули-
рованными (накопленными). Например, для значения
255
а=2 вероятность отказа трех и менее изделий состав-
ляет 91 %, а двух (и менее) изделий — примерно 75%.
Следовательно, разность этих двух значений равна ве-
роятности отказа трех изделий, т. е. 16%. Таким обра-
зом, рассмотренные кривые могут быть использованы
для определения вероятности числа отказавших изделий
и для расчета планов контроля, которые формируют по
одному (Р2) или по двум (Pi и Ря) заданным значениям
вероятности безотказной работы.
План контроля по заданному значению Р% составля-
ют при определенных значениях tr и 0. Для определения
необходимого объема выборки задаются значением при-
емочного числа С. Далее по графику распределения Пу-
ассона (рис. 7.5) находят точку пересечения кривой, со-
ответствующей выбранному значению С, с горизонталь-
ной линией, которая представляет вероятность
появления числа отказов (эта вероятность равна
заданному риску 0 заказчика). Проекция точки пересе-
чения на ось абсцисс дает величину a — nQ. Разделив
полученное значение а на заданное значение Q?= 1—Р%,
рассчитывают объем выборки для испытания в течение
времени tn=tT:
п = а/(\—Р2). (7.11)
Более точное значение п можно получить из соотношения
n = С/2 4-а(1 4-Р2)/[2 (1 — Р2)]. (7.12)
Поскольку формулы (7.11) и (7.12) дают мало отличаю-
щиеся друг от друга результаты, на практике обычно
применяют более простую для расчета п формулу (7.11).
Пример 6 Задано значение Р2=0,9 по истечении времени
/г = 500 ч при 0 = 0,1. Требуется рассчитать план контроля ipa-
фическим методом.
Порядок расчета.
1 Выбираем приемочное число С=2.
2. По графику распределения Пуассона (рис 7 5) нахо-
дим точку пересечения кривой р(а) при С=2 с горизонталь-
ной линией, представляющей 10 %-ную вероятность появления
двух (или менее) дефектов. Проекция этой точки на ось абс-
цисс дает значение а = 5,3
3. Рассчитываем по (7 11) объем выборки: п=5,3/0,1 =
= 53 изд
4. Записываем план контроля: п=53 изд; /и=500 ч; С=2
Решая пример 6 аналитическим методом, с помощью
табл П2 получим объем выборки п = 52 Таким образом, ана-
литический и графический методы составления плана контроля
дают почти одинаковые результаты. Тем не менее следует по-
256
мнить, что графический метод является менее точным, чем
аналитический.
План контроля по двум заданным значениям Р\ и Р2
составляют при соответствующих значениях рисков аир.
Приемочное число С и необходимый объем выборки п
определяют по графику распределения Пуассона (рис.
7.5). Для этого находят точку пересечения кривой р(а)
при С = 0 с горизонтальной линией, представляющей
вероятность того, что в выборке при заданном риске а
изготовителя имеются отказавшие изделия, т е.
p(d>C) — l—а. Проекция этой точки на ось абсцисс
дает значение ai — n'Qi. Деля полученное значение
на Q1 = l—Pi, получают необходимый объем выборки
п'. Точно так же находят точку пересечения той же кри-
вой р(а) для С = 0 с горизонтальной линией, представ-
ляющей вероятность отсутствия отказавших изделий
в выборке при заданном риске заказчика (р = р). При
этом на оси абсцисс получают значение a2 = n”Q2. Деля
значение а2 на Q2=l—Рз, определяют объем выборки
п". Если значения п' и п" не равны, то расчет повторя-
ют, но уже для кривой р(а) при С=1. Если полученные
значения п' и п" опять окажутся неравными, переходят
на кривую р(а) с большим значением С и так до тех
пор, пока не будет найдена кривая, для которой значе-
ния п' и п" совпадут. Приемочное число С выбирают
соответствующим найденной кривой р(я), а объем вы-
борки п = п' = п".
Однако не всегда можно добиться равенства значе-
ний п' и п" при заданных аир. Поэтому должно быть
принято решение, как велики могут быть эти риски. Если
желательно поддержать заданный риск изготовителя, то
при неравенстве п'=^п" следует принять объем выбор-
ки, полученный исходя из риска изготовителя, т. е. п = п'.
Тогда риск заказчика можно найти с помощью графика
распределения Пуассона, предварительно вычислив ве-
личину а2=п'(1—Р2). Если заказчика устроит полу-
ченный риск, задачу можно считать решенной. В про-
тивном случае объем выборки необходимо изменить для
лучшего приближения к желаемому результату. Значе-
ния рисков заказчика и поставщика можно сделать поч-
ти равными, усредняя те два неравных объема выборки,
которые лучше всего удовлетворяют поставленным ус-
ловиям.
17—589
257
§ 7.4. Параметры — критерии годности
при испытании на надежность
Как отмечалось в § 1 6, значения показателей надеж-
ности зависят от выбранных значений параметров —
критериев годности. В нормативно-технической докумен-
тации, регламентирующей применение изделий потреби-
телем, значения ПКГ устанавливают с запасом,
обеспечивающим высокую надежность изделий в тече-
ние гарантированного времени их безотказной работы.
Чем больше этот запас, тем больше вероятность безот-
казной работы. Однако высокий показатель надежности
затрудняет ее оценку при испытаниях. Так, из табл. П2
видно, что чем больше значение показателя надежности,
тем больший объем выборки требуется для его под-
тверждения. Например, для подтверждения вероятности
безотказной работы Р2 = 0,999 по истечении времени
500 ч при С=2 и (3 = 0,1 необходимо поставить на испы-
тание выборку объемом « = 5318 изд. Вряд ли возмож-
но систематически обеспечивать подобный план конт-
роля.
Таким образом, с одной стороны, изготовитель обя-
зан обеспечить выпуск высоконадежной продукции, но
с другой — это затрудняет сдачу продукции заказчику.
Противоречие можно разрешить, реализуя зависимость
значений показателей надежности от выбранных значе-
ний ПКГ (в данном случае полные отказы не рассмат-
риваются). Например, если уменьшить значение показа-
теля надежности до Р2 = 0,9 (по сравнению с Р2=0,999)
и в соответствии с ним установить значение ПКГ, то при
прежних условиях ((3 = 0,1; С=2; /„ = 500 ч) потребу-
ется объем выборки всего « = 52 изд. При этом действи-
тельная надежность изделий (т. е. надежность, заложен-
ная при проектировании и изготовлении изделий и оце-
ниваемая при значениях ПКГ, установленных для
потребителя) не изменится. Таким образом, уменьше-
ние показателя надежности за счет ужесточения преде-
лов изменения ПКГ резко сокращает объем выборки.
Из изложенного следует, что для рационального ре-
шения вопроса контроля надежности изделий необходи-
мо: выбрать такое значение показателя надежности, ко-
торое обеспечит разумный объем выборки; установить
значения ПКГ при испытании более жесткие, чем реко-
мендуемые потребителю.
258
По мере совершенствования технологии надежность
изделий будет повышаться. Однако выбранное значение
показателя надежности при контрольных испытаниях
ЭС должно оставаться неизменным, поскольку рост его
привел бы к увеличению объема выборки. Но если по-
казатель надежности должен оставаться неизменным, то,
следовательно, должны пересматриваться значения ПКГ
(в смысле их ужесточения) для оценки результатов ис-
пытания выборки постоянного объема. Если же значе-
ния ПКГ, рекомендуемые потребителю, остаются неиз-
менными, то показатели надежности систематически
возрастают, так как возрастает запас прочности по
сравнению с первоначально установленным. При произ-
водстве изделий необходимо устанавливать различные
нормы на значения ПКГ для цеховых (определительных)
и приемосдаточных (контрольных) испытаний При этом
цеховые нормы должны быть более жесткими, чем кон-
трольные, что обеспечивает бесперебойную сдачу про-
дукции заказчику.
Ужесточение значений ПКГ имеет смысл лишь в слу-
чае преобладания условных отказов. Если же интенсив-
ность полных отказов сравнима с интенсивностью ус-
ловных или превышает ее, ужесточение значений ПКГ
для уменьшения значений показателей надежности ме-
нее эффективно, чем ужесточение режимов испытания.
§ 7.5. Испытание на долговечность
Показатели надежности (средняя наработка до от-
каза и вероятность безотказной работы), полученные по
результатам приемо-сдаточных испытаний ЭС, не ха-
рактеризуют действительную надежность изделий, по-
скольку их значения, как уже указывалось, выбирают
исходя из разумных объемов выборки, причем эти пока-
затели даже при совершенствовании производства оста-
ются неизменными вследствие корректировки значений
ПКГ в сторону ужесточения. Испытания на безотказ-
ность скорее служат для определения стабильности па-
раметров ЭС и отчасти — стабильности производствен-
ного процесса.
Для получения количественных показателей произ-
водственной надежности проводят испытание на долго-
вечность и определение гамма-процентного ресурса при
значениях ПКГ, установленных с учетом конструктивно-
17*
259
технологических запасов. Как правило, испытание осу-
ществляют до наступления предельного состояния ЭС.
При этом критерии предельного состояния могут суще-
ственно отличаться от критериев предельного состояния,
установленных при приемосдаточных испытаниях, соот-
ветствуя в большей степени критериям, установленным
для эксплуатации ЭС Например, могут быть расшире-
ны допустимые пределы изменения параметров ЭС до
значений, превышающих установленные в ТЗ и ТУ для
приемосдаточных испытаний, или увеличена трудоем-
кость (длительность) ремонта сверх ранее установлен-
ного предельно допустимого значения и т. д.
Испытание с целью определения гамма-процентного
ресурса является продолжением испытания на долговеч-
ность и осуществляется специально или в соответствии
с НТД. При определении гамма-процентного ресурса
допускается группировать изделия, изготовляемые по
различным НТД, но имеющие одинаковое функциональ-
ное назначение, сходные технологию изготовления, кон-
структивное исполнение и применяемые материалы.
В этом случае испытание проводят на изделиях одного
типа, а результаты распространяют на всю группу из-
делий
Под гамма-процентным ресурсом пони-
мают наработку, в течение которой объект не достигает
предельного состояния с заданной вероятностью у. Опыт-
ное значение у подсчитывают по формуле
у = (1 — d/Мд). 100,
где d — число отказов за время испытания; — объем
выборки при испытании на долговечность
Гамма-процентный ресурс может быть определен
графическим путем (см. рис. 7.1) как абсцисса точки
пересечения кривой изменения вероятности безотказной
работы с перпендикуляром, восставленным из той точки
на оси ординат, которая соответствует заданной вероят-
ности у (%).
Гамма-процентный ресурс вычисляют по накоплен-
ным результатам испытания. В процессе испытания пе-
риодически проверяют работоспособность испытываемых
ЭС для выявления наступления предельного состояния.
Образцы, достигшие предельного состояния, снимают
с испытания.
Испытание на долговечность является фактически ре-
260
сурсным испытанием. Его проводят до получения числа
отказавших изделий:
d _ + 1 при у = 95%,
(0,1/1д+1 при у = 90 %
Испытания на долговечность весьма трудоемки и про-
должительны (до 100 тыс. ч) и связаны с большими эко-
номическими затратами. Так, для проведения испытания
изделий с наработкой 10 тыс. ч требуется 1,5 2 года
Поэтому результаты испытаний на долговечность не мо-
гут служить основанием для забраковки продукции, вы-
пускаемой в данный период времени. Однако изготови-
тель обязан в процессе рассматриваемых испытаний про-
водить анализ отказов и на его основе разрабатывать
необходимые мероприятия по устранению их причин
с последующим внедрением этих мероприятий в произ-
водство
За гамма-процентный ресурс принимают время ис-
пытаний, соответствующее середине интервала времени
между появлением двух последних отказов По резуль-
татам испытаний на долговечность уточняют значения
гамма-процентного ресурса изделий в НТД В итоге
длительного испытания получают количественные пока-
затели производственной надежности, которые, как
и долговечность, не могут быть заранее заданы и, следо-
вательно, гарантированы изготовителем Такие показа-
тели могут служить только как справочные данные, от-
ражающие уровень производственной надежности вы-
пускаемых изделий, достигнутый изготовителем
§ 7.6. Испытание на сохраняемость
Помимо безотказности и долговечности надежность
изделий характеризуется также сохраняемостью (см.
§2 3) Проведение испытаний на сохраняемость необ-
ходимо потому, что хранение является неотъемлемой
частью эксплуатации ЭС Календарная продолжитель-
ность времени хранения ЭС, в течение и после которого
значения заданных показателей надежности сохраняют-
ся в установленных пределах, составляет срок сохраняе-
мости ЭС
Инмда продолжительное хранение не оказывает заметного
влияния на ПКГ издетий, но при последующем функционировании
этих изделий показатели их надежности могут оказаться значитель-
261
но ниже показателей однотипных изделий, не находившихся на
хранении Так, после продолжительного хранения химических источ-
ников электрического тока их емкость, а следовательно, и наработка
до отказа уменьшаются, оставаясь в пределах установленных норм.
Очевидно, что при подключении нагрузки вероятность отказа источ-
ников, предварительно находившихся на длительном хранении, пре-
вышает вероятность отказа источников, которые не были на хране-
нии или хранились меньшее время Сохраняемость подобных изделий
обычно характеризуется таким сроком хранения в определенных
условиях, в течение которою уменьшение средней наработки до от-
каза, обусловленное хранением, находится в допустимых пределах.
Таким образом, срок сохраняемости нельзя отождествлять со
сроком хранения до возникновения отказа, который характеризует
поведение изделий (их безотказность) только в данных условиях,
но не учитывает влияния этих условий на безотказность изделий при
последующей работе под нагрузкой
Испытание на длительное хранение проводят, как
правило, в отапливаемом складе, размещая изделия на
стеллажах В отдельных случаях, оговариваемых в НТД,
испытание может проводиться под навесом (испытание
в полевых условиях), что фактически соответствует уже-
сточению условий испытания на длительное хранение.
В течение срока хранения значения ПКГ изделий долж-
ны оставаться в пределах норм, установленных НТД
в зависимости от физических свойств и назначения из-
делий. Если свойства изделий в процессе хранения ос-
таются неизменными, то значения ПКГ в конце хране-
ния должны совпадать с нормами, предусмотренными
при приемке Если же значения ПКГ изделий в процессе
хранения изменяются, то в конце хранения нормы уста-
навливают с учетом характера и величины этих измене-
ний во времени.
Целями проведения испытания на сохраняемость яв-
ляются: проверка ЭС на сохраняемость, установленную
в НТД; накопление информации о техническом ресурсе
сохраняемости; уточнение норм на показатели сохраняе-
мости; разработка рекомендаций по повышению сохра-
няемости.
В качестве критерия оценки сохраняемости принима-
ют значение гамма-процентного срока сохра-
няемости— срока сохраняемости, которого изделия
достигают с заданной вероятностью у (%).
На испытание закладывают выборку изделий, объем которой за-
дается в НТД Выборку формируют не единовременно, а постепен-
но — постановкой изделий на испытание при ежекварталоном их от-
боре в течение срока, установленного в НТД (как правило, в тече-
ние двух лет) Перед началом испытания выборку выдерживают
2С2
в нормальных климатических условиях Затем изделия нумеруют,
производят их внешний осмотр и первоначальные измерения ПКТ
Изделия, не соответствующие ЧГУ, заменяют новыми и при обработ-
ке результатов испытания не учитывают
Изделия, ПКГ которых в процессе испытания перестали соот-
ветствовать нормам, оставляют для дальнейшего хранения с целью
определения отклонения параметров в течение всего срока хранения
Изделия, полностью отказавшие, снимают с испытания для выясне-
ния причин отказов По результатам анализа всех отказавших из-
делий изготовитель либо разрабатывает рекомендации по повыше-
нию сохраняемости изделии текущего выпуска, либо уточняет в НТД
нормы на ПКГ и/или значение гамма-процентного срока сохраняе-
мости
Опытное значение гамма-процентного срока сохраняе-
мости определяется формулой
у-(1 — d/nc) 100,
где d — число изделий, отказавших за время хранения;
пс — объем выборки, необходимый при испытании на со-
храняемость
Результаты испытания оценивают как положитель-
ные, если значение гамма-процентного срока сохраняе-
мости превышает установленное в ЧТУ По окончании
испытания на длительное хранение изделия могут быть
оставлены в тех же условиях для определения фактиче-
ского времени сохраняемости
§ 7.7. Ускоренные испытания
Значительная продолжительность испытаний на на-
дежность (в особенности испытаний на долговечность
и сохраняемость) делает практически невозможным ис-
пользование их результатов для оперативного управле-
ния качеством изготовляемой продукции Поэтому боль-
шое значение придается ускоренным испытаниям, обе-
спечивающим получение информации о надежности
изделий за более короткие сроки на меньшем числе об-
разцов Ускоренные испытания ЭС основаны на прогно-
зировании их состояния и применении форсированных
рабочих режимов
Прогнозировать надежность ЭС можно при их проек-
тировании, производстве и эксплуатации Математиче-
ские основы прогнозирования на всех трех этапах оста-
ются общими, однако конкретные методики и алгоритмы
различны Для прогнозирования надежности служат сле-
263
дующие исходные данные: предполагаемые характерис-
тики, рабочие режимы и условия эксплуатации ЭС на
этапе проектирования; допуски на параметры качества,
корреляционные связи между параметрами качества
процесса изготовления и готовых изделий; требования
по производственной надежности готовой продукции на
этапе производства. Цель прогнозирования в первом слу-
чае — получение данных, необходимых для дальнейшего
совершенствования конструкции и технологии изготовле-
ния изделий, а также для обоснования рабочих режимов
их испытаний и эксплуатации; во втором — получение
данных, необходимых для совершенствования производ-
ственного процесса и условий производства.
По результатам исследования прогнозирование раз-
деляют на прямое и обратное. При прямом прогнозиро-
вании задают последовательные интервалы времени
и вычисляют значения ПК.Г на этих интервалах. При
обратном прогнозировании задают значения ПКГ и до-
пустимые границы их изменения и вычисляют интервалы
времени, на которых эти значения выйдут за допустимые
пределы. Чаще применяют обратное прогнозирование,
как более удобное и существенно расширяющее круг
практических задач.
По объекту исследования прогнозирование разделяют
на индивидуальное и групповое. При индивидуальном
прогнозировании исследуют функцию состояния Q(g, t)
одного образца ЭС во временной области tx и оценивают
поведение этой функции в области /г>Л- Индивидуаль-
ное прогнозирование надежности приобретает первосте-
пенное значение при оценке надежности дорогостоящих
ЭС, выпускаемых малыми сериями или единично. При
групповом прогнозировании исследуют функцию состоя-
ния целой группы изделий, анализируют их статистиче-
ские характеристики, получаемые в области t\.
Качество прогнозирования во многом зависит от пра-
вильного выбора прогнозируемых параметров. Для раз-
личных ЭС имеются обширные перечни параметров, из-
меряемых как в статическом, так и в динамическом ре-
жимах работы. Задача состоит в том, чтобы выбрать из
них наиболее информативные и быстро изменяющиеся
во времени. Наиболее информативным следует считать
такой параметр, который максимально информирует
о дефекте, переходящем в отказ по определенному ме-
ханизму. Все существующие методы прогнозирования
264
надежности ЭС разделяют на математические и физи-
ческие.
Математические методы прогнозирования, являющие-
ся наиболее распространенными, в зависимости от про-
гнозируемых параметров и цели прогноза, в свою оче-
редь, подразделяют на детерминированные и вероятно-
стные (стохастические), а также методы, основанные на
применении математического аппарата теории распозна-
вания образов.
Детерминированный метод прогнозирования применяют при из-
вестном характере изменения значений прогнозируемого параметра
во времени. Тогда, представив состояние изделия в виде многомер-
ной функции, можно описать его поведение в любой момент времени.
Вероятностный метод прогнозирования предполагает определе-
ние доверительного интервала значений прогнозируемого параметра
в заданном временном интервале, в котором с заданной вероятно-
стью параметр не выйдет за допустимые пределы изменения.
При прогнозировании на основе распознавания образов предпо-
лагается принадлежность контролируемых ЭС к одному из классов,
характеризующих состояние изделий во времени. Если рассматри-
вать многомерное пространство, то любое изделие с определенными
значениями его параметров в настоящем и будущем является точ-
кой этого пространства состояний. Наборы точек, относящихся
к различным классам ЭС, группируются в пространстве с некото-
рой вероятностью в различных родственных областях. В простран-
стве имеется множество ярко выраженных областей, характеризую-
щих состояние ЭС во времени Зная значение параметра изделия
в момент времени /0, можно прицять решение о принадлежности его
к той или иной области, т. е. распознать образ исследуемого из-
делия
При всем принципиальном отличии указанных методов все они
позволяют прогнозировать состояние ЭС в будущем, контролируя
его в настоящий период времени, на основе найденных экстраполя-
ционных связей.
Точность прогнозирования, т. е. математи-
ческое ожидание разности величины, полученной в ре-
зультате прогноза, и действительной (истинной) величи-
ны, определяется характером и точностью описания
экстраполяционных связей, т. е. совершенством матема-
тического аппарата решения задачи прогнозирования.
Для метода распознавания образов вместо точности про-
гнозирования говорят об ошибках или вероятностях оши-
бок прогнозирования, понимая под ошибкой отнесение
ЭС к классу, которому они в действительности не при-
надлежат. Чем большее влияние на изменение прогнози-
руемого параметра оказывают случайные факторы, тем
труднее установить характер его изменения, а следова-
тельно, и характер экстраполяционных связей. Наобо-
265
рот, если на прогнозируемый параметр основное влияние
оказывают систематические факторы, то прогнозирова-
ние можно осуществить с большой точностью.
Физический метод прогнозирования надежности ЭС
базируется на анализе физических и физико-химических
процессов, протекающих в ЭС под влиянием различных
дестабилизирующих факторов. Многообразие этих про-
цессов и их взаимная зависимость требуют создания для
прогнозирования весьма сложных моделей надежности*.
Однако износ и разрушение реальных ЭС, как правило,
локализованы и зависят от конкретных причин. В соот-
ветствии с этим наиболее приемлемой моделью надеж-
ности ЭС является физическая модель, основанная на
принципе суммирования компонентов надежности, каж-
дый из которых представляет надежность элемента фи-
зической структуры (ЭФС) изделия. Как отмечалось
в § 2.5, ЭФС выделяют таким образом, чтобы они об-
ладали некоторой технологической независимостью
и возможно было изготовление изделия в целом с по-
мощью вполне определенной последовательности техно-
логических операций (см. рис. 2.5). При таком подходе
любое изделие можно разделить на ЭФС, каждый из ко-
торых имеет свою характеристику надежности.
Изучение и моделирование кинетики процессов, про-
исходящих в выделенных ЭФС, позволяет установить
связь между их геометрией, свойствами материалов, экс-
плуатационными факторами и временем наработки ЭС
до отказа. При этом следует учитывать, что в каждом
ЭФС может действовать несколько механизмов отказа.
Следовательно, каждый компонент надежности необхо-
димо рассматривать как систему, число элементов
в которой равно числу действующих механизмов отказов.
При прогнозировании надежности ЭС результаты фи-
зических исследований должны дополняться данными
анализа отказов и данными статистического характера,
что возможно только при наличии оперативной инфор-
мации о дефектах в ЭС. Такая информация может быть
получена при работе ЭС в форсированных рабочих ре-
жимах при испытании, что лежит в основе метода уско-
ренных испытаний. Ускорить физико-химические процес-
* Под моделями надежности понимают математическое описа-
ние физических процессов и явлений, определяющих параметры на-
дежности изделий при различных режимах их эксплуатации и внеш-
них условиях.
266
сы, приводящие к отказу, можно усиливая нагрузку на
ЭС при испытании (температуру, напряжение, ток, дав-
ление, скорость вибрации, частоту циклов и т. д.), т. е.
в форсированном режиме. Строго говоря, ускоренны-
м и называют испытания в форсированных режимах
с последующей экстраполяцией полученных результатов
к условиям испытаний ЭС в нормальных режимах.
Физическая сущность ускоренных испытаний заключается в ус-
корении только того механизма отказов, который является харак-
терным для испытываемых изделий при их работе в нормальном
режиме Поэтому при увеличении нагрузки на ЭС с целью сокраще-
ния времени испытания на надежность необходимо всегда иметь
в виду, что механизм отказов должен сохраняться неизменным. Это
является наиболее сложной проблемой ускоренных испытаний, по-
скольку выявить характерный механизм отказов бывает иногда очень
трудно, а составленная иа основании анализа отказов гипотеза мо-
жет оказаться ошибочной. Например, такому виду отказов ИС, как
выход электрического параметра за установленные пределы, может
соответствовать не один механизм, а несколько: электролитическая
коррозия, электромиграция (электродиффузия), химическая реак-
ция, рост интерметаллической фазы, генерация и перемещение заря-
дов на поверхности кристалла и др.
Опыт показывает, что механизм отказов при испытании изделий
в форсированном режиме остается тем же самым, что и при испы-
тании в нормальном режиме, если закон распределения вероятно-
сти безотказной работы и коэффициент вариации остаются неизмен-
ными при переходе от нормального режима к форсированному.
В этом случае графики зависимости вероятности безотказной работы
/’(/) от отношения для форсированного и нормального ре-
жимов испытаний совпадают и можно графически экстраполировать
результаты ускоренных испытаний к нормальным условиям
Выбор величины нагрузки, прикладываемой для ускорения ис-
пытаний изделии, определяется не только требованием сохранения
механизмов отказов, характерных для нормального режима, но
и прочностными характеристиками испытываемых изделий. Вид при-
меняемой нагрузки определяется информацией об отказах, которую
необходимо получить в результате ускоренных испытаний, причем
характер старения изделий в зависимости от конкретной нагрузки
(или сочетания нескольких видов нагрузок), разумеется, различный.
Наиболее изученными в настоящее время являются физико-стати-
стнческие модели старения изделий, созданные в результате ускорен-
ных испытаний, проводимых при термической нагрузке. Это объяс-
няется тем, что указанные испытания требуют сравнительно неболь-
ших финансовых затрат благодаря использованию простого
оборудования.
Установлено, что протекающие во многих материалах
физико-химические процессы, обусловливающие старе-
ние ЭС под действием термической нагрузки, достаточно
точно описываются уравнением Аррениуса. Уравнение
Аррениуса характеризует зависимость скорости химиче-
267
ской реакции от температуры и может быть записано для
кинетики реакций, происходящих в статических услови-
ях, т. е. при постоянном объеме, в следующем виде:
AJ _ Ce-qE/(kT)
d'
(7.13
где J — количество вещества, вступающего в реакцию;
dJ/dt— скорость реакции; С—константа; q — заряд
электрона; Е— энергия активации; k — постоянная
Больцмана; Т — температура. Энергию активации можно
определить как избыток энергии (по сравнению со сред-
ней энергией молекул вещества при данной температу-
ре), необходимый для вступления молекул в химическую
реакцию.
Из уравнения (7.13) видно, что константами, харак-
теризующими реакцию, являются константа С и энергия
активации Е. Чем больше значение Е, тем меньше (при
данной С) скорость химической реакции. После неслож-
ных преобразований
уравнение (7.13) при-
нимает вид
lg^C^/7 + lg^,
(7.14)
где Ci = д/(2,303 k);
С2 = const.
Рис. 7 6. Графическое изо-
бражение модели Аррениу-
са при неизменном меха-
низме отказов.
а — зависимость времени нара-
ботки на отказ от термичес-
кой на!рузки для изделий двух
типов при одинаковом процен-
те накопленных отказов (/ —
для изделии первого типа, 2 —
для изделий второго типа), б —
зависимость времени наработ-
ки на отказ от термической
нагрузки для изделий одного
типа (/ — при 50 % накоплен-
ных отказов, 2 - при 2о % на-
копленных отказов), в — зави-
симость накопленных отказов
от термической нагрузки при
неизменном времени наработки
на отказ
268
Если построить зависимость (7.14) в координатах lg t и 1/7, по-
лучим семейство прямых (рис. 7.6, а), каждой из которых соответст-
вует постоянное значение отказов. Отрезок, отсекаемый прямой 1
или 2 на оси ординат, равен 1g С2, а тангенс угла ср наклона этой
прямой связан с энергией активации соотношением tgcp = C1E. Из
этого соотношения легко определить энергию активации.
Чем больше энергия активации, тем больше угол <р и тем лучше
прочностные характеристики изделий, а следовательно, выше их на-
дежность. Действительно, рассмотрим прямые 1 и 2 на рис. 7 6, а,
характеризующие соответственно результаты испытания изделий двух
типов при термической нагрузке. При одном и том же приращении
нагрузки (1/72—1/71) для отказа одного и того же процента из-
делий второго типа потребуется меньше времени, чем для изделий
первого типа Следовательно, изделия первого типа более надежны.
Таким образом, по углу наклона прямой или по значению энергии
активации можно сопоставить качественно (по принципу «лучше —
хуже») надежность двух (и более) типов изделий. Если сравнить
различные модификации одного и того же изделия, то изменение
угла наклона прямой характеризует лишь изменение конструкции
изделия (улучшение или ухудшение), в то время как параллельное
перемещение этой прямой характеризует технологические изменения
Следует учесть, что прямая является графическим изображением
зависимости (7 14) только в том случае, если механизм отказов во
всем рассматриваемом диапазоне нагрузок остается неизменным
Если же механизм отказов при увеличении или уменьшении нагруз-
ки изменяется, то, как правило, изменяется и энергия активации, что
приводит к появлению изломов на прямой
На практике обычно добиваются линейной зависимости лога-
рифма отношения числа d отказов в выборке к ее объему п от ве-
личины нагрузки В этом случае старение изделий может быть опи-
сано также моделью Аррениуса, но вид зависимости (7 14) несколь-
ко изменится Поскольку энергия активации пропорциональна
величине С tg ср, в (7.14) нельзя автоматически заменить время зна-
чением накопленных отказов (%). Однако графическим путем не-
трудно перейти к зависимости накопленных отказов (%) от нагруз-
ки Для этого предположим, что испытания при различных терми-
ческих нагрузках проходят восемь равных выборок, взятых из од-
ной и той же партии изделий, и механизм отказов всех изделий
в этом эксперименте один и тот же. В процессе испытаний зафикси-
руем время, в течение которого в первых четырех выборках отка-
жет, например, 20 % изделий, а во вторых четырех — 50% Учиты-
вая, что на каждую группу выборок подавалось четыре различных
значения нагрузки, получим восемь различных значений времени на-
работки на отказ. Выделив их на графике зависимости lg t от 1/7
и соединив точки при одном и том же проценте накопленных отка-
зов, построим две прямые параллельные линии (рис. 7.6,6). Восста-
вим перпендикуляр из любой точки оси ординат до пересечения
с прямыми 1 и 2. Проекции точек пересечения на ось абсцисс дадут
значения 1/7] и 1/72, соответствующие двум значениям логарифма
накопленного процента отказов. Нанеся эти значения на график за-
висимости lg(d/rt) от 1/7 и соединив полученные точки, построим
прямую (рис. 7 6, в), которая описывается уравнением Аррениуса.
Эта прямая определяет значения накопленных отказов (%) в зави-
симости от нагрузки за определенный промежуток времени, а по
углу ее наклона можно судить о факторе ускорения.
269
Исходя из модели старения изделий, описываемой
уравнением Аррениуса, при условии, что механизм отка-
зов при изменении нагрузки остается неизменным, фак-
тор (коэффициент) ускорения КуСК = /2/^1. При
постоянном механизме отказов по результатам испы-
тания изделия в форсированном режиме в течение вре-
мени ti можно судить о времени t2=Лускй испытания
изделий в нормальном режиме для получения того же
числа отказов. Так как при постоянном механизме отка-
зов энергия активации не изменяется, то с учетом моде-
ли Аррениуса фактор ускорения
iz Г яЕ [ 1 1 \1
дЛСК = ехр----—------------,
' L k \Тг 7\ /]
где Л и Т2— температура при форсированном и нормаль-
ном режиме соответственно
Возвращаясь к рассмотрению прямых 1 и 2, изобра-
женных на рис. 7.6, а, нетрудно убедиться, что для более
надежных изделий фактор ускорения меньше, чем для
менее надежных.
Ускоренные испытания могут быть использованы для
количественной оценки надежности изделий, а следова-
тельно, для построения физико-статистической модели
только тогда, когда значение фактора ускорения, полу-
ченное путем сравнения результатов испытания при нор-
мальной и форсированной нагрузках, остается в процес-
се производства изделий неизменным. Неизменность его
может быть обеспечена только неизменностью ТП В про-
тивном случае факторы ускорения должны проверяться
и устанавливаться вновь при каждом изменении техноло-
гии, при введении в ТП новых материалов и т. д.
Для экстраполяции результатов ускоренных испытаний необхо-
димо знать истинное распределение наработки на отказ испытывае-
мых изделий Подходить к этой проблеме нужно так же, как к ре-
шению любой статистической задачи, не делая заранее предположе-
ний о законе распределения Для установления закона распределения
следует обязательно удалить из генеральной совокупности изделия
с ранними отказами (потенциально ненадежные), так как появление
ранних отказов из-за дефектов изготовления может привести к по-
лучению распределения, отличающегося от истинного При этом не-
обходимо выбрать такое время испытания, которое позволит не
только удалить из исследуемой совокупности потенциально ненадеж-
ные изделия со скрытыми дефектами, но и установить истинное рас-
пределение наработки иа отказ
Испытания ЭС для определения фактора ускорения
можно осуществлять при фиксированной или переменной
270
нагрузке. Из испытаний при переменной нагрузке боль-
шой практический интерес представляют испытания ЭС
методом шаговой нагрузки (ступенчатые испытания).
При этом методе первоначально измеряют значения вы-
бранных ПКГ изделий, после чего изделия подвергают
действию нагрузки. По окончании испытания снова изме-
ряют параметры ЭС с целью обнаружения отказов. За-
тем эти же ЭС вновь подвергают воздействию большей
нагрузки. Шаговое (ступенчатое) увеличение нагрузки
производят до тех пор, пока не будет достигнут опреде-
ленный процент отказов.
Преимущество метода ступенчатых испытаний по
сравнению с методом испытаний при фиксированной на-
грузке состоит в том, что требуется меньшее число изде-
лий для определения фактора ускорения и режима уско-
ренных испытаний, так как достаточно лишь одной вы-
борки, чтобы выявить ту перегрузку, при которой
сохраняется один и тот же механизм отказов. Кроме то-
го, при ступенчатом методе испытаний затрачивается
меныпее время для получения информации о надежности
испытываемых изделий, так как отказы наступают за
меньший промежуток времени, чем при фиксированной
нагрузке, за счет эффекта накопления деградационных
изменений в физической структуре объекта испытаний по
мере перехода от одной ступени к другой. Благодаря от-
меченным преимуществам метод ступенчатых ускоренных
испытаний может быть полезен на раннем этапе исследо-
вания надежности изделий. Однако в процессе разработ-
ки этого метода приходится сталкиваться с рядом труд-
ностей, которые отсутствуют при испытании при фикси-
рованной нагрузке. Это выбор высоты ступени
(приращение нагрузки) и продолжительности этой сту-
пени (времени действия на изделие данной нагрузки).
Контрольные вопросы
1 . Какие количественные показатели надежности ЭС Вам изве-
стны и как их можно определить опытным путем?
2 Что такое план контроля при испытании ЭС на надежность?
3 Как учитываются интересы заказчика и изготовителя ЭС при
испытании на надежность?
4 Какие методы планирования испытания ЭС на надежность Вы
знаете и в чем их основное различие?
5 Чем определяется порядок составления плана контроля ана-
литическим методом?
6 В чем состоит метод последовательных испытаний?
271
7 . В чем сущность графического метода составления плана кон-
троля?
8 . Почему обеспечение высокого показателя надежности изделий
затрудняет ее оценку?
9 . Каковы цель и особенности проведения испытания ЭС на дол-
говечность?
10 . Что такое гамма-процентный срок сохраняемости?
И. Что понимается под прямым и обратным прогнозированием
ЭС на надежность?
12. Какие существуют математические методы прогнозирования
надежности и их особенности?
13. Каков принцип построения физической модели надежности
ЭС?
14. Какие испытания называются ускоренными?
15. Какие требования должны соблюдаться при экстраполяции
результатов испытания ЭС в форсированных режимах к условиям
испытания в нормальных режимах?
16. Как определить, сохраняется ли механизм отказов при уве-
личении нагрузки в процессе ускоренных испытаний?
17. В чем преимущества ускоренных испытаний методом шаго-
вой нагрузки по сравнению с методом фиксированной нагрузки?
Глава 8
СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
ИСПЫТАНИИ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
§8.1. Влияние точности измерительных средств
на результаты испытаний
Для последующего анализа и подготовки заключения
по результатам испытаний ЭС проводят статистическую
обработку измеренных значений параметров — критери-
ев годности. Достоверность полученных результатов опре-
деляется погрешностью измерения каждого параметра,
объемом исходных статистических данных и качеством их
обработки. Для математической обработки наблюдений
применяют методы теории вероятности и математической
статистики. Существует специфика в обработке данных,
полученных при выборочном и сплошном (100 %-ном)
контроле параметров ЭС.
Выборочный метод является основным, но не единст-
венным при контроле готовой продукции. В условиях
опытного и серийного производства ЭС подвергают
и сплошному контролю. На первый взгляд может пока-
заться, что проблема риска поставщика и риска заказ-
чика, связанная с выборочным методом контроля, при
100 %-ном контроле готовой продукции отсутствует. Од-
нако это не так. Риск и поставщика и заказчика остается
272
и при 100 %-ном контроле, хотя оба имеют иной смысл,
чем при выборочном контроле, поскольку обусловлены
существенными погрешностями измерений контролируе-
мых параметров.
На рис. 8.1 показана плотность распределения веро-
ятностей параметра X изделий до и после их разбраков-
Рис. 8 1. Плотность распределения вероятностей па-
раметра X изделий при отсутствии погрешностей из-
мерений:
Фо(Х)—до разбраковки, фп(Х)—после разбраковки для
годных изделий; cpjCX) и ф1П (X)—для отбракованных
изделий
ки при пренебрежимо малых погрешностях измерений.
Процесс контроля и измерений в этом случае сводится
к разделению площади, ограниченной исходной (в дан-
ном случае гауссовской) плотностью распределения ве-
роятностей <ро(Х) параметра X и осью абсцисс, на три
области. При этом в область II входят изделия, значения
параметра которых находятся в пределах заданного по-
ля допуска ±е; в области I и III — изделия со значения-
ми параметра, выходящими за левую и правую границы
поля допуска соответственно. Плотность распределения
вероятностей параметра годных изделий после их раз-
браковки
1 фУ/х(!1)-М[Х]
____£о___\____£о___
е — М [X] \ фI е+М [Х] \
/ \ ^0 '
при —е^Х^+е,
ЛЧ'/ Х(П)—Л4[Х] \ , г т7 8±;И[Х] \
гдеФ — --------—L — функция Гаусса; Ф(--------—- —
\ / ко®
273
18—589
функция Лапласа; х(//)— текущее значение параметра
X в области //; 8 — половина поля допуска на ПКГ изде-
лия; Л4[Л], по — математическое ожидание и дисперсия
исходного (гауссовского) распределения <ро[Х].
По таблицам Лапласа находим число отбракованных
(непринятых) изделий для области /:
„ „ ( е + Л1[Х1 \
£»(1) = 0,5 —Ф Н;
\ «о /
и для области 111:
т~у Н г- , ix / Е Л1 [ -X] \
Аш)=0,О — Ф ----------L-L .
\ По /
Иначе проводят контроль при наличии существенной
погрешности измерений ПКГ. В этом случае, хотя изде-
лия при разбраковке также разбивают на области 1—111,
распределение значений параметра в каждой из них,
установленное по результатам измерений, не будет сов-
падать с распределением истинных значений этого пара-
метра. Если отклонение значений параметра от границ
поля допуска (±е) превышает ошибку У измерения, мож-
но считать, что отбраковка выполнена правильно. Если
же это отклонение меньше ошибки измерения, отбраков-
ка выполнена неверно, т. е. изделие является фактически
годным. При существенных погрешностях измерений оп-
ределенная часть годных изделий попадает в забракован-
ные (риск поставщика), тогда как часть негодных изде-
лий принимается (риск заказчика).
На рис. 8 2 представлена плотность распределения ве-
роятностей ПКГ после разбраковки при наличии сущест-
венных погрешностей измерений:
(Тм/(То = Н4; —8=—о0; 4-8=+а0,
где Ом — среднее квадратическое отклонение погрешно-
стей измерений при гауссовском их распределении <рм(Е);
Оо — среднее квадратическое отклонение значений пара-
метров изделий при гауссовском их распределении <р0(^)-
Если общее число изделий в партии до разбраковки
принять за единицу, то относительное число отбракован-
ных (<?отб), правильно оставленных (<7ОСт), неправильно
отбракованных (фактически годных ^фг) и неправильно
оставленных (фактически негодных <?фн) изделий можно
вычислить с помощью следующих соотношений:
274
V>A
Рис 8 2 Плотность распределения вероятностей параметра X
после разбраковки изделий при существенных погрешностях
измерений (штриховой линией показана плотность распреде-
ления вероятностей параметра X после разбраковки изделий
в отсутствие погрешностей измерений):
1 — правильно оставленные (годные) изделия; 2 — правильно отбрако-
ванные (негодные) изделий; $ — неправильно оставленные (фактически
негодные) изделия, 4 — неправильно отбракованные (фактически год-
ные) изделия
+00 е (х(1)
<7отб = J <Pi (X) [ J фм О') Cty] dx +
—оо — оо
-(-00 -(-00
+ jq>in(X)[ j Фм (Y) dz/j dx, (8.1)
—оо +е—Х[[1
4-00 +£—*(11)
<7ост= { Ф(П)(Х)[ f фм (У) dz/j dx, (8.2)
Ч-е -е-*(1)
^Фг = J Ф<1) (Х)[ J <рм (У) dz/j dx 4-
— £ —ОО
+ J <Рш(Х)[ У q>M(y)dy]dx, (8.3)
-8 +E~*m
18*
275
—В +f— *(11)
<7фн = J Фп (X) [ J Фм (У) dz/j dx +
-оо -e~*(!I)
+oo +e—*(I1)
+ J Фп(А')[ J фм (Y) dz/| dx, (8.4)
Ч-e _e_X(II)
где x(I) — X(jii) — текущие значения параметра X в обла-
стях I— Ш соответственно.
Если параметры изделий и погрешности их измерений
распределены по закону Гаусса, то соотношения (8.1)—
(8.4) могут быть выражены через табулированные функ-
ции плотности распределения вероятности, соответствую-
щие законам Гаусса и Лапласа. По результатам реше-
ния на ЭВМ уравнений (8.1) — (8.4) на рис. 8 3 построены
зависимости рисков поставщика (<7фг/<?отб) и заказчи-
ка (<7фН/<7ост) от производственного допуска 8П при за-
данном гарантированном допуске ег и различной точно-
сти (ом/оо) измерений ПКГ изделий.
Под гарантированным полем допуска
±8Г понимают допуск, превышение которого не гаранти-
рует работоспособности изделия в период его эксплуата-
ции. Однако гарантированный допуск устанавливают не
только на выходные параметры готового изделия, но так-
же и на параметры материалов, заготовок и полуфабри-
катов. Гарантированный допуск выбирают с запасом,
учитывающим старение изделия. Под производст-
венным полем допуска ±8П понимают допуск,
которым руководствуется поставщик в процессе произ-
водства изделий. Очевидно, что 8П^8Г.
С помощью графиков, представленных на рис. 8.3,
можно решить ряд практических задач, например:
при заданном гарантированном допуске на ПКГ из-
делия и с учетом конкретного значения точности измери-
тельных средств определить риски поставщика и заказ-
чика;
при запланированном риске поставщика или заказчи-
ка и заданном гарантированном допуске определить точ-
ность измерительных средств и необходимый производ-
ственный допуск;
при запланированных рисках поставщика и заказчи-
ка и заданных гарантированном и производственном до-
пусках определить необходимую точность измерительных
средств.
276
Рис 8 3 Кривые изменения рисков поставщика (а) и за-
казчика (б) в зависимости от величины допуска и точно-
сти измерения ПКГ изделий при ег = ±О,25<т0
Рассмотрим решение первых двух задач иа примерах.
Пример 1 На разбраковку поступают партии изделий, по-
грешности параметров которых распределены по гауссовскому
закону с Л1[А]=0; ±3<т0= —15 %. При разбраковке использу-
ется измерительный прибор, погрешность которою на порядок
меньше погрешностей параметров изделий, т е. <тм/<То=О,1 или
при а0=±5% ам=±0,5 %. На ПКГ изделия задан сравни-
тельно узкий гарантированный допуск ег=±1,25% или ег=
= ±О,25<То. Требуется определить риски поставщика и заказ-
чика,
277
По графикам рис. 8.3 находим, что при ег = еп= ±0,25ао
и <Тм/сго = О,1 <7фН/<7ост= 16 °/о и ^фг/?ост = 4 %. Следовательно,
из-за погрешностей измерений иа 100 изделий, принятых заказ-
чиком в качестве годных, 16 изделий оказываются фактически
негодными и в то же время поставщик рискует забраковать
4 из 100 фактически годных изделий.
Пример 2. Предположим, что заказчика и поставщика не
удовлетворяют данные, полученные в примере 1. Пусть за-
планированное качество ^фп/^ост практически равно нулю. Тог-
да из рис 8.3,6 находим, что при заданном ег = ±0,25ао за-
планированный риск заказчика может быть обеспечен при
ом/оо== 0,002 и еп = 0,24400-
Таким образом, ^фН/^осг = 0 обеспечивается при повыше-
нии точности Ом/оо измеряемых параметров изделий от 0,1 до
0,002 и уменьшении производственного допуска еп = Ег от
0,25 со (±1,25%) до 0,244 с0 (±1,22%). По графику рис.
8 3, а находим, что <7фГ/<7ост = 0,6 %.
§ 8.2. Критерии исключения выбросов ПКГ
при статистической обработке результатов испытаний
Важным вопросом обработки результатов испытаний
является выбор метода обработки экспериментальных
данных. Высокая стоимость испытаний диктует выбор
такого метода обработки, который позволяет оперировать
малыми выборками. Метод должен предусматривать про-
ведение вычислений на ЭВМ. Поскольку в основном дан-
ные результатов испытаний ЭС являются случайными ве-
личинами, их обработку осуществляют статистическим
методом. При этом можно ограничиться вычислением
только основных параметров случайной величины —ее
среднего значения (или математического ожидания), дис-
персии и доверительных интервалов, которые полностью
характеризуют случайную величину (см. § 2.1).
При статистической обработке результатов испыта-
ний необходимо своевременно оценить ошибку измерения
и исключить значения ПКГ, содержащие ее, из дальней-
шего рассмотрения. При этом иногда наблюдают резко
выделяющиеся значения величин (выбросы), которые
могут быть обусловлены изменением климатических ус-
ловий в момент измерений, погрешностью измерительных
приборов, ошибками при снятии характеристик вследст-
вие неумелого или небрежного обращения с аппаратурой
и др. Резко выделяющиеся значения могут квалифици-
роваться как ошибки эксперимента. В этом случае они
не должны учитываться при обработке результатов ис«
пытаний.
278
С другой стороны, отклонение ПКГ одного или не-
скольких изделий в выборке может свидетельствовать
о начавшихся в них процессах деградации, которые
в дальнейшем приведут к условным отказам. В этом слу-
чае выбросы являются закономерными, обусловлены фи-
зическими процессами и их нельзя исключать из даль-
нейшего рассмотрения при статистической обработке ре-
зультатов испытаний. Поэтому для принятия того или
иного решения проводят тщательный комплексный ана-
лиз возможных причин указанных отклонений. Для та-
кого анализа используют критерии, имеющие как физи-
ческую, так и статистическую природу.
При изменении контролируемого параметра по зако-
ну Гаусса наиболее часто применяют критерий Диксона,
согласно которому вычисляют коэффициент Диксона
(табл. 8.1) в зависимости от числа изделий в выборке
Таблица 8.1
Формулы для расчета коэффициента Диксона при различных
объемах выборок и наличии одного одностороннего экстремального
(максимального или минимального) значения ПКГ
Число п изделий в Коэффициент Диксона для значения ПКГ экстремального
выборке наименьшего наибольшего
3-7 х2 Хг хп хп — 1
{10 ~~ хп Х1 Z10 — Хп— X,
8-10 Х1 хп
'll ~ X —X лП — 1 Л1 Г11 — Х >
11-13 —Х1 ХП ХТ1—2
121 — Хд—1 Ад 1 21 — хп~х>
14-30 Хп—Х„-,
22 — ^П — 2 '"l 1 22 — Ч—х3
Примечание. xlt х2, .... хп — текущие значения ПКГ.
и от того, какое экстремальное значение проверяют —
наибольшее или наименьшее. Полученное по приведен-
ным в табл. 8.1 формулам значение коэффициента Дик-
сона сравнивают с табличным значением (см. табл. П.6),
учитывающим экстремальное значение ПКГ при задан-
ной достоверности Р*. Если коэффициент Диксона из
279
табл. 8.1 окажется меньше его значения из табл. П.6, то
экстремальное значение ПКГ является не случайным,
а носит закономерный характер.
При наличии одновременно наименьшего и наиболь-
шего экстремальных значений ПКГ (двусторонних вы-
бросов) считают, что экстремальное значение одно. При
двух (и более) односторонних экстремальных значениях
коэффициент Диксона для наименьшего и наибольшего
экстремальных значений ПКГ при числе изделий п в вы-
борке, равном 3—10, подсчитывают соответственно по
формулам
г ______ Х3 Х1 _ Хп ХП — 2
' 20min > ^2omax
хп *1
Таким образом, использование соответствующего ко-
эффициента зависит не только от объема выборки, но
и от числа «подозрительных» односторонних выбросов
ПКГ. Поэтому выбирать рассчитываемый коэффициент
следует из табл. 8.2.
Таблица 8.2
Коэффициенты Диксона при произвольном числе односторонних
экстремальных значений ПКГ
051 ем выборки Число односторонних экстремальных значений
одно два и более
3—' Г10 Л20
8-10 Г 20
11 — 13 Г21 б 21
14—30 Г22 Г22
Однако на практике распределение случайной вели-
чины не всегда подчиняется закону Гаусса или закон ее
распределения вообще неизвестен. В этом случае резко
выделяющиеся результаты наблюдений исключают при
помощи критерия Ирвина в такой последовательности.
По данным измерений строят ранжированный ряд зна-
чений ПКГ и проверяют резко выделяющиеся значения
ряда на одном или обоих его краях. Для проверки вы-
числяют значение критерия Ирвина:
Лрсч = (^гэ %ia—1 ig (8-5)
где х13 — экстремальное значение ПКГ; xI3-i — предыду»
280
щее значение этого параметра; s
2
— несмещенное выборочное среднее квадратическое от-
— X’
клонение параметра X; х = 2 ~—выборочное среднее
7—1 я
значение параметра X.
Затем задаются доверительной вероятностью Р* и по
имеющемуся значению п объема выборки определяют
значение т]Тбл (табл. 8.3).
Таблица 8.3
Значения критерия Ирвина Щбл в зависимости от объема п выборки
и доверительной вероятности Р*
п р* 1 п р *
0,95 0,99 0,95 0,99
2 2,8 3,7 50 1,1 1,6
3 2,2 2,9 1 100 1,о 1,5
10 1,5 2,0 400 0,9 1,3
20 1 ,з 1,8 1000 0,8 1,2
30 1,2 1,7
Далее сравнивают расчетное значение т]рСЧ с таблич-
ным значением т]Тбл. Если т]рсч окажется больше т]Тбл, то
рассматриваемое значение ПКГ отбрасывают и начина-
ют проверять следующее его экстремальное значение.
Проверку продолжают до тех пор, пока не получат т]рсч<
<Лтбл- Тогда все последующие значения ПКГ могут быть
использованы для статистической обработки.
Пример 3. Имеются следующие результаты измерений
ПКГ: 24, 27, 26, 25, 50, 22, 23, 48, 24, 22. Требуется проверить
резко выделяющиеся значения ПКГ.
Порядок проверки
1. Строим ранжированный ряд: 22, 22, 23, 24, 25, 26, 27,
48, 50.
2. Рассчитываем выборочное среднее:
10
(=1
3. Определяем выборочное среднее квадратическое откло-
нение:
281
Г 1 ю
s==l/ 2 (x‘-~29)2^ 10>6-
4. Рассчитываем по формуле (8 5) значение критерия Ир-
вина для экстремальных результатов измерения ПКГ 50 и 48:
1]51,= (50 — 48)/10,6 = 0,2; т]18 = (48 — 27)/10,6 = 2.
5 Задаемся доверительной вероятностью Р*=0,95 и по
табл 8 3 для п=10 находим т)тол= 1,5.
6. Сравниваем значения T)6J и т]48 с Цтбл:
Изо < Птбл> Ото > Лтбл-
Хотя рассчитанное значение критерия Ирвина для резуль-
тата измерения ПКГ, равного 50, оказалось меньше таблич-
ного, значение 50, как и значение 48, из рассматриваемого ря-
да должно быть исключено.
Из примера 3 очевидно, что необходимо проверять не
только экстремальные значения ряда, но и следующие за
ними близлежащие значения ПКГ, причем это необхо-
димо делать даже в том случае, когда крайние значения
ряда проходят по одному из приведенных критериев. Ис-
ключение резко выделяющихся результатов наблюде-
ний — весьма ответственная процедура. Неправомерное
отбрасывание таких результатов, как и игнорирование
их, может исказить результаты наблюдений и привести
к неправильным выводам.
Результаты измерений значений ПКГ электронных
средств удобно представлять в виде таблиц, содержащих
оценку среднего значения, а также оценку дисперсии или
среднего квадратического отклонения значения измеряе-
мого ПКГ при первоначальном и каждом последующем
его измерении. Выбор форм и содержания таблиц дол-
жен быть направлен на облегчение дальнейшего анали-
за и зависит от его целей и методов.
§ 8.3. Графические методы представления
экспериментальных данных
Для наглядного представления тенденции изменения
значений исследуемых ПКГ применяют графические ме-
тоды, не требующие сложных вычислений. Наиболее рас-
пространенными графиками, к которым прибегают при
испытаниях ЭС, являются полигоны, гистограммы, куму-
ляты, огивы и поля корреляции. Полигоны (рис. 8.4) слу-
282
жат, как правило, для изображения дискретных значе-
ний ПКГ, но могут применяться и для непрерывных (ин-
тервальных) изменений параметра. В этом случае
ординаты, пропорциональные частотам интервалов, вос-
ставляют перпендикулярно оси абсцисс в точках, соот-
ветствующих серединам данных интервалов. Вершины
Рис. 8 4. Полигон распределения параметра X
Рис. 8 5. Гистограмма рас- Рис 8 6 Кумулятивная (инте-
пределения параметра X тральная) кривая распределения
параметра X
ординат соединяют прямыми линиями. Для замыкания
полученной кривой крайние ординаты соединяют с та-
кими близлежащими серединами интервалов, в которых
частоты равны нулю. Гистограмма распределения (рис.
8.5) служит обычно для отображения интервального из-
менения ПКГ. Для получения гистограммы на интерва-
лах, отложенных по оси абсцисс, строят прямоугольники,
высоты которых пропорциональны частотам интервалов.
Кумулятивная кривая (рис. 8.6) применяется для изобра-
283
жения экспериментальных значений ПКГ с накопленны-
ми частотами в прямоугольной системе координат. Часто
кумуляту называют интегральной кривой. Для ее по-
строения составляют упорядоченный дискретный ряд зна-
чений ПКГ с накопленными частотами. Накопленная
частота каждого значения параметра получается сумми-
рованием всех частот предшествующих его значений.
Огива строится аналогично кумуляте с той лишь разни-
цей, что на ось абсцисс наносят накопленные частоты,
а на ось ординат — значения параметра. Если лист бу-
маги, на котором изображена кумулята, повернуть на 90°
и посмотреть на него с обратной стороны на свет, то мож-
но увидеть огиву.
Для наглядности иногда удобно наносить значения
ПКГ непосредственно на поле корреляции (рис. 8.7). Для
построения поля кор-
реляции по оси абсцисс
откладывают началь-
ные значения исследу-
емого параметра изде-
лий (например, изме-
ренные перед постанов-
кой на испытание зна-
чения статического ко-
эффициента усиления
по току однотипных
транзисторов), а по оси
ординат — значения
этого параметра для
тех же самых изделий
(тех же транзисторов)
через некоторый ин-
тервал времени / их ис-
Рис 8 7. Поле корреляции
пытания под нагруз-
кой. Тогда значение параметра каждого изделия (тран-
зистора) до и после испытания на срок службы обозна-
чают точкой в системе рассматриваемых координат.
Следовательно, вся партия изделий (транзисторов),
прошедших испытание под нагрузкой, отображается
разбросанными по координатному полю точками. Со-
вокупность этих точек и образует поле корреляции.
Если значения контролируемых параметров после испы-
тания изделий не изменились, то все точки располагают-
ся на прямой, проведенной из начала координат под уг-
284
лом 45° (сплошная линия на рис. 8.7); если же значения
параметров уменьшились по сравнению с измеренными
значениями перед постановкой изделий на испытание, го
точки располагаются ниже указанной прямой; если уве-
личились, — то выше ее. Проведя на графике лучи, соот-
ветствующие, например 20- и 50 %-ному изменению па-
раметра за время испытаний, нетрудно подсчитать число
точек (изделий), попавших в сектор между двумя луча-
ми: с изменением параметра до 20 % и от 20 до 50 °/о от
первоначального значения.
Контрольные вопросы
1. В чем заключаются риски поставщика и заказчика при
100 %-«ож контроле?
2. Как влияет на результаты контроля ПКГ изделий наличие
существенных погрешностей измерений?
3. В чем различие между гарантированным и производственным
допусками на контролируемые ПКГ?
4. Как можно определить необходимый производственный до-
пуск на контролируемый параметр при заданных значениях рисков
поставщика и заказчика, а также известных значениях гарантирован-
ного допуска и точности измерительных средств?
5. Почему существенные отклонения контролируемого параметра
нужно проверять с помощью статистических критериев?
6. Какие статистические критерии, позволяющие решать вопро-
сы об исключении из дальнейшего рассмотрения резко выделяющих-
ся значений контролируемого параметра. Вам известны и в чем их
суть?
7. Следует ли проверять по статистическому критерию экстре-
мальное значение контролируемого параметра, если большее его зна-
чение удовлетворяет этому критерию?
8. Какие существуют графические методы представления экс-
периментальных данных испытаний ЭС и в чем их особенности?
Глава 9
АВТОМАТИЗАЦИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИСПЫТАНИИ
ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
§ 9.1. Принцип построения центральной
испытательной станции
Увеличение объема испытаний и трудоемкости их
проведения вследствие расширения функциональных
возможностей ЭС приводит к необходимости автоматиза-
ции испытательных и контрольно-измерительных опера-
ций путем широкого внедрения вычислительной техники.
При этом особо важная роль отводится микропроцессо-
рам, которые применяют как во встроенных системах
285
контроля ЭС, так и в автономных системах автоматиче-
ских устройств для испытаний. Интенсивное развитие
микропроцессорной техники, а также непрерывное со-
вершенствование устройств для испытаний позволяют
создать полностью автоматизированные центральные ис-
пытательные станции (ЦИС). Структурная схема такой
станции, построенной на базе центрального вычислитель-
ного комплекса (ЦВК), приведена на рис. 9.1.
Центральная испытательная станция представляет
Расчетные и прогнозируемые
данные о качестве (
Рис 9 I. Структурная схема центральной испытательной станции
286
собой телеметрическую систему, которая используется
в сочетании с универсальной малой вычислительной ма-
шиной или контроллером. Получаемые в процессе испы-
таний результаты обрабатывают с помощью микро- и ми-
ни-ЭВМ Данная система является автоматизированной,
обмен информацией может осуществляться с помощью
телетайпа или дисплея в удобной для пользователя
форме.
Объектом управления в ЦИС служит автоматизиро-
ванное устройство для испытаний, в котором требуется
поддерживать нужный испытательный режим и произво-
дить измерения значений контролируемых параметров
испытываемого изделия по заданной программе. В состав
автоматизированного устройства для испытаний входят
собственно устройство для испытаний (£/), средства (IF)
измерений и исполнительные органы (О). Для поддер-
жания заданного испытательного режима в автоматизи-
рованном устройстве для испытаний предусмотрен набор
датчиков (температуры, влажности, давления, вибрации
и др.), преобразующих измеряемый технологический па-
раметр, как правило, в аналоговый электрический сиг-
нал. Ввод этого сигнала в соответствующую микроЭВМ
(или микроконтроллер) требует его преобразования
в цифровой код. Для управления ЭВМ исполнительным
органом необходимо выполнить обратное преобразование
цифрового сигнала в аналоговый. Указанные преобразо-
вания осуществляет устройство связи, содержащее циф-
роаналоговый (ЦАП) и аналого-цифровой (АЦП) пре-
образователи и машинный интерфейс.
Универсальная микроЭВМ (или микроконтроллер)
анализирует данные о ходе испытаний и в случае нару-
шения испытательного режима производит необходимую
коррекцию этих данных через исполнительный орган.
Контроллер обычно обслуживает одно устройство для ис-
пытаний, в которое, как правило, конструктивно встроен.
Если же в качестве программируемого устройства ниж-
него уровня служит микроЭВМ (например, типа «Элек-
троника-бОМ»), как показано на рис. 9.1, то она выступа-
ет уже в роли группового контроллера, управляющего
работой нескольких устройств для испытаний на отдель-
ных испытательных участках. МикроЭВМ выполяет сле-
дующие операции: проверку готовности устройств для
испытаний к работе и контроль за их работой в процессе
проведения испытаний, контроль параметров режимов
287
испытаний, организацию измерений и обработку резуль-
татов испытаний с выдачей соответствующего протокола.
Таким образом, в этом случае микроЭВМ является
управляющей. Она сопоставляет нормированные значе-
ния ZHl,...,ZHn параметров испытательных режимов и ха-
рактеристик Ун1,..„ Унп испытываемых изделий, которые
могут храниться в памяти машины более высокого иерар-
хического уровня, с действительными значениями 2д1,...,
2д« и УД1,..., УдП и вырабатывает сигналы рассогласования
(ZPI, Ур1(Zpn, Урп). Эти сигналы как управляющие
воздействия подаются через устройство связи на испол-
нительные органы соответствующих автоматизированных
устройств для испытаний. Кроме того, управляющая
микроЭВМ получает от мини-ЭВМ или непосредственно
из ЦВК, включающего ЭВМ с большой емкостью памя-
ти, информацию о качестве изготовления продукции
и данные о ее эксплуатационной надежности, что позво-
ляет оперативно менять программу испытаний.
Программируемое устройство более высокого уровня,
выполненное на базе мини-ЭВМ, обеспечивает: хранение
и подготовку программ контроля и испытаний изделий,
каждая из которых в случае необходимости поступает на
вход соответствующей микроЭВМ; планирование испы-
таний; выбор необходимых контрольно-измерительных
установок; накопление и статистическую обработку ре-
зультатов контроля и испытаний; подготовку обмена
и обмен информацией с устройствами более высокого
уровня системы управления качеством.
Центральный вычислительный комплекс служит для
длительного хранения и обработки большого массива ин-
формации о качестве выпускаемой продукции и управле-
ния с помощью программ, для хранения которых требу-
ется большой объем памяти.
Рассмотренное сочетание перечисленных устройств
позволяет моделировать работу отдельных агрегатов, вы-
полнять автоматическую настройку, коррекцию и линеа-
ризацию передаточных функций измерительных преоб-
разователей в процессе испытаний, преобразовывать по-
лучаемую информацию, контролировать предельные
значения (граничные условия), производить необходимые
для анализа обработку и оценку статистического мате-
риала, оперативно отражать информацию о ходе испыта-
ний в виде графиков, таблиц, гистограмм и т. п.
Представленная на рис. 9.1 структура ЦИС позволя-
288
ет организовать в случае необходимости наращивание
или, наоборот, понижение числа иерархических уровней
автоматизированной системы управления качеством.
Преимущество такой структуры — возможность ее ис-
пользования как в автономном режиме, так и в составе
указанной системы.
Число иерархических уровней определяется задачами
и возможностями применяемых вычислительных средств.
Развитие современной вычислительной техники обеспе-
чивает вполне эффективное использование двухуровне-
вой структуры управления. Трехуровневые системы
управления, широко применяемые в отраслевых и даже
межотраслевых центральных испытательных станциях,
построены на уникальном испытательном и контрольно-
измерительном оборудовании, которое дефицитно или не-
эффективно для использования отдельными предприя-
тиями.
На отраслевых центральных испытательных станциях
решают следующие основные задачи:
предоставление предприятиям технической испыта-
тельной базы, позволяющей проводить испытания, наи-
более полно удовлетворяющие все более ужесточающим-
ся требованиям заказчиков;
проведение граничных испытаний и испытаний на
долговечность, направленных на выявление конструктив-
но-технологических запасов изделий и разработку на их
основе руководящих материалов по совершенствованию
конструкций изделий;
накопление, обобщение и анализ результатов испыта-
ний для внесения рекомендаций по повышению надежно-
сти изделий и совершенствованию системы и методов ис-
пытаний, а также по модернизации существующих и соз-
данию новых устройств для испытаний.
Все современные ЦИС и развитая сеть испытательных
станций по отраслям промышленности базируются на
автоматизированной системе испытаний (АСИ).
§ 9.2. Разработка автоматизированной
системы испытаний
Структура, состав и критерии оценки АСИ. Под ав-
томатизированной системой испытаний понимают вза-
имосвязанный программно-аппаратный комплекс, по-
строенный на базе средств испытательной, измерительной
19—589
289
и вычислительной техники, в котором управление техно-
логическим процессом испытаний автоматизировано.
В такой системе регистрация, сбор, переработка, анализ
и представление необходимой информации об испытывае-
мых ЭС и устройствах для испытаний полностью возло-
жены на ЭВМ.
Автоматизированные системы испытаний, создавае-
мые, как правило, в головных организациях по государ-
ственным испытаниям и испытательных центрах пред-
приятий и организаций, обеспечивают автоматизацию
управления испытаниями либо на конкретном стенде, ли-
бо на совокупности территориально распределенных или
сосредоточенных стендов. При этом АСИ могут быть свя-
заны информационно или входить в состав других авто-
матизированных систем управления (АСУ), функциони-
рующих на предприятиях, для которых создаются АСИ.
Так, являясь составной частью автоматизированной сис-
темы управления качеством продукции АСУК*, АСИ,
как и система автоматизированного проектирования и ав-
томатизированная система управления технологическим
процессом (АСУ ТП), может рассматриваться в целом
как подсистема АСУК, выполняющая во взаимодействии
с системой автоматизированного проектирования и АСУ
ТП информационную функцию — обеспечение объектив-
ными и достоверными данными о состоянии изделий, т. е.
о качестве ЭС (рис. 9.2). Если учитывать при этом труд-
ности, связанные с получением оперативной информации
о качестве ЭС нз сферы их эксплуатации, то становится
вполне понятным, что АСИ является зачастую единствен-
ным звеном, аттестующим качество ЭС и формирующим
соответствующую информацию для АСУК. Из рис. 9.2
видно, что АСУК включает три основные взаимосвязан-
ные подсистемы: управления V (X, У, Z), обеспечения ка-
чества U(X, У, Z) и информационную IV’(X, У, Z). В свою
очередь, АСИ также может быть представлена в виде
этих основных подсистем с тем лишь отличием, что под-
система U(Xy У, Z) будет называться контрольно-испы-
тательной подсистемой в соответствии с ее назначением
в составе АСИ. Кроме того, АСИ может быть представ-
лена в виде совокупности функциональных подсистем,
* С помощью АСУК осуществляется системный подход к обеспе-
чению и оценке качества ЭС, начиная с момента составления ТЗ
и кончая рассмотрением претензий заказчика.
290
каждая из которых предназначена для выполнения оп-
ределенных функций при проведении испытаний: подго-
товки и аттестации устройств для испытаний, планиро-
вания испытаний, оперативного управления объектами
испытаний, оперативного управления средствами испыта-
ний, сбора данных, обработки данных и анализа резуль-
татов испытаний, регистрации и документирования
Рис. 9.2. Структурная схема автоматизированной системы
управления качеством:
ИВЦП — информационный вычислительный центр предприятия;
ИВЦО — информационный вычислительный центр объединения;
И1 — информация о качестве исходных материалов, полуфабрика-
тов, комплектующих элементов и составных частей ЭС из сферы
снабжения; И2 — информация о качестве этапов проектирования,
производства и прогнозирования; Из — информация о качестве вы-
пускаемой продукции из сферы эксплуатации; И< — выходная ин-
формация для системы управления качеством вышестоящего
уровня
результатов испытаний, учета наработки средств испыта-
ний. Названия указанных подсистем отражают выпол-
няемые ими основные функции. Так, назначение подсис-
темы регистрации и документирования результатов ис-
пытаний — составление протоколов испытаний, вывод
результатов испытаний на экран дисплея, печать, графо-
19* 291
построитель, перфоленту, магнитную ленту и другие но-
сители информации.
Автоматизированная система испытаний может иметь
различные иерархические уровни: автоматизированное
устройство для испытаний (АУИ), участок испытаний,
ЦИС. Нижним иерархическим уровнем АСИ является
АУИ, обеспечивающее получение информации о качест-
ве ЭС при одном/нескольких воздействующих факторах
с использованием микроЭВМ или микроконтроллера.
Участок испытаний ЭС, состоящий из взаимосвязанных
в вычислительной сети отдельных АУИ, формируется, как
правило, по видам воздействий (механические, климати-
ческие, биологические и др.). Центральные испытатель-
ные станции обеспечивают получение необходимой ин-
формации о качестве готовой продукции путем ее аттес-
тации в соответствии с действующей НТД.
АСИ работает в реальном масштабе времени, что поз-
воляет получать нужную информацию в процессе испыта-
ний. Непрерывное наблюдение за результатами испыта-
ний позволяет принимать незамедлительные решения
о продолжении или прекращении испытаний и оператив-
но вносить необходимые коррективы в программу испы-
таний.
Критериями оценки АСУ служат: достоверность полу-
ченной информации о качестве испытываемых изделий;
надежность; степень автоматизации — отношение трудо-
емкости ручных операций к общей трудоемкости испыта-
ний изделий; универсальность — возможность выполнения
испытаний по многим разновидностям изделий и контро-
ля различных электрических параметров; быстродейст-
вие— минимальное время контроля и испытаний изделий;
виды сигналов испытываемых объектов — дискретные
(цифровые), непрерывные (аналоговые) и дискретно-
непрерывные; способ контроля — статический, динами-
ческий, функциональный; степень централизации —
централизованные и децентрализованные; производитель-
ность — число изделий, испытываемых в единицу
времени; стоимость контрольно-испытательных операций
и т. д.
Наиболее важными параметрами, характеризующими
эффективность АСИ, являются достоверность информа-
ции о качестве испытываемых изделий и надежность
АСИ. Информация считается достоверной, если
она независимо от источников и каналов передачи доста-
292
точно точно отражает состояние управляемого объекта.
Достоверность информации оценивают эксперименталь-
но в процессе опытной эксплуатации и доводки системы,
поскольку сделать это расчетным путем довольно трудно.
Под надежностью АСИ понимают ее свойст-
во выполнять заданные функции, сохраняя во времени
значения установленных эксплуатационных показателей
в заданных пределах при заданных условиях эксплуата-
ции. Надежность АСИ определяется прежде всего
избыточностью применяемых аппаратно-программных
средств, которая, в свою очередь, определяется соответ-
ствующими схемотехническими, конструкционными, алго-
ритмическими и программными решениями.
Избыточность аппаратно-программных средств может созда-
ваться путем резервирования ЭВМ и использования дополнительных
устройств памяти, встроенных в технические средства, либо обеспе-
чивается с помощью алгоритмов управления или введением допол-
нительных данных и управляющих программ. Последние представля-
ют контрольные программы логического анализа имеющейся и вы-
рабатываемой информации, позволяющие обнаружить и своевремен-
но устранить отклонения в работе АСИ. И наконец, избыточность
аппаратно-программных средств создается путем повторных вычис-
лений.
Устойчивость алгоритма управления к ошибкам, возникающим
при работе системы, достигается: резервированием с автоматическим
(программным) переключением каналов при отказе; функциональ-
ным контролем за техническим состоянием и правильностью работы
ЭВМ; особым построением программ, обеспечивающим их повышен-
ную устойчивость.
Основные цели, принципы и этапы разработки АСИ.
Автоматизированные системы испытаний создают в це-
лях; повышения точности и достоверности результатов
испытаний и выводов, делаемых на их основе; обеспече-
ния единства испытаний; сокращения сроков проведения
испытаний; повышения эффективности используемых
средств для испытаний; улучшения условий работы пер-
сонала, обслуживающего испытания. Достижение ука-
занных целей при построении АСИ обеспечивается: при-
менением более современных методик планирования
и обработки результатов испытаний; автоматизацией
процессов сбора, накопления и обработки данных; повы-
шением точности поддержания требуемых испытатель-
ных режимов в течение всего времени испытаний за счет
автоматизации управления; повышением оперативности
контроля средств и объектов испытаний; унификацией
и стандартизацией методов планирования, управления,
293
обработки и представления данных; освобождением пер-
сонала от выполнения рутинных и трудоемких операций
по текущему контролю испытаний, регистрации и обра-
ботке данных, документированию результатов.
При разработке ACPI следует руководствоваться
принципами: системного подхода, решения современных
задач, непрерывности развития системы, типизации
и стандартизации аппаратно-программных средств,
а также их тиражирования и иерархичности. Принцип
системного подхода состоит в том, что разработку АСИ
следует начинать с анализа недостатков существующей
системы управления испытаниями и поиска возможных
путей их устранения. Необходимо определить цели со-
здаваемой АСИ и совокупность элементов (в данном
случае подсистем) и задач АСИ для достижения этих
целей при имеющихся ресурсах. При разработке эле-
ментов системы следует стремиться к максимальной
типизации решений, добиваться информационной, про-
граммной и технической совместимости элементов АСИ.
Согласно принципу решения современных задач, при
разработке АСИ следует ориентироваться на возможно-
сти решения тех задач, которые играют важную роль
в совершенствовании управления испытаниями и могут
быть реализованы лишь в АСИ. Основой для постанов-
ки и решения современных задач служат математические
модели объектов испытаний.
Принцип непрерывности развития состоит в том, что
АСИ необходимо проектировать с учетом возможностей
ее дальнейшего развития после ввода в действие, что свя-
зано с совершенствованием и обновлением задач
и средств обеспечения системы.
По принципу типизации и стандартизации реализацию
аппаратно-программных средств АСИ следует осущесыз-
лять на типовых серийно выпускаемых испытательных,
измерительных и вычислительных средствах с использо-
ванием типового программного обеспечения.
Согласно принципу тиражирования, при разработке
аппаратно-программных средств АСИ необходимо преду-
смотреть условия для их массового производства, что
требует типизации и стандартизации проектных решений.
Принцип иерархичности предполагает иерархическое
построение технических средств и программного обеспе-
чения АСИ.
Внедрению АСИ должна предшествовать обязатель-
294
ная работа по автоматизации всех операций ТП испы-
таний.
Этапы разработки и внедрения АСИ показаны на рис.
9.3. Как видно из рисунка, каждый этап (Л, В, С, D)
включает разработку и совершенствование основных
| Разработка и внедрение АСИ |
Разработка
научных
основ АСИ
Разработка принципов,
методов и средств
построения АСИ с
учетом специфики
предприятия
Внедрение АСИ
в деятельность
предприятия
Эксплуатация,
оценка эффектив
ности и усовер-
шенствование АСИ
{С}
{А}
(О}
Контрольно-
испытательная
Подсистема
| Информационная подеистема (И/Г
Обеспечение подсистем
Подсистема
управления
испытаниями
{И}
Рис 9 3 Этапы разработки и внедрения АСИ
подсистем: контрольно-испытательной U(X, Y, Z), ин-
формационной W(X, Y, Z) и управления V(X, Y, Z). Фи-
зическую сущность указанных подсистем нетрудно уяс-
нить с помощью рис. 9.4, где АСИ представлена в виде
формализованной модели, состоящей из трех основных
подсистем: контрольно-испытательной (U), управляю-
щей (V) и информационной (W7). Основой системы яв-
ляется контрольно-испытательная подсистема (U), со-
держащая вход X, процесс Y и выход Z. Под входом X
понимают автоматизированные устройства для испыта-
ний, под процессом Y — ТП испытания, под выходом Z —
295
процесс измерения значений контролируемых параметров
качества.
Подсистема U(X, У, Z) использует все необходимые
устройства X для выполнения производственного процес-
са У и осуществляет измерение параметров Z испыты-
ваемых ЭС, по результатам ко-
торого принимают решение об
аттестации готовой продукции.
Подсистема V(X, У, Z) обеспечи-
вает функционирование входа X,
самого процесса У и выхода Z.
Подсистема W(X, У, Z) произво-
дит извлечение, хранение, обра-
ботку, анализ информации о X,
У, Z и подготавливает проект ре-
шения для подсистемы V (X, Y, Z).
Разработка основных подсис-
тем АСИ (см. рис. 9.3) включа-
Рис 9 4 Формализован- ет техническое (0), информаци-
ей модель АСИ онное (7), организационное (S)
и экономическое (е) обеспечение
этих подсистем.
Техническое обеспечение 0 — совокупность взаимо-
действующих и объединенных в целое устройств и тех-
нических показателей: входа Хе — необходимые авто-
матизированные устройства для испытаний, включающие
помимо испытательного и контрольно-измерительного
оборудования устройства ввода — вывода, регистрации,
обработки, хранения и отображения информации и сред-
ства реализации управляющих воздействий АСИ, НТД
на проведение испытаний и ПИ; процесса У© — непосред-
ственно ТП автоматизированных испытаний ЭС (опера-
ции, режимы, промежуточные и конечные замеры конт-
ролируемых параметров и т.п.); выхода Z©—отображе-
ние и передача требуемой информации о качестве
испытываемых изделий.
Информационное обеспечение J — входная информа-
ция Xj (нормативно-техническая документация, регла-
ментирующая состав, правила отбора и эксплуатации
компонентов АСИ; последовательность операций, реали-
зующих типовые процедуры контроля и испытаний; ин-
струкции по работе с оборудованием), оперативная ин-
формация У/ о процессе испытаний (результаты испыта-
ний и режимы их проведения, анализ отказов), выходная
296
информация Zy (выпускаемые документы, отчеты, свод-
ки, прогнозы).
Организационное обеспечение S — кадры и производ-
ственные ресурсы Xs требуемого качества; совокупность
Уз правил и предписаний, устанавливающих структуру
организации АСИ и ее подразделений, их функции и вза-
имодействие персонала АСИ с техническими средствами
между собой; моральные и административные стимулы
Zs поощрения персонала АСИ.
Экономическое обеспечение е — финансирование Хе
работ по созданию АСИ, затраты Ys на эксплуатацию
АСИ, экономическая эффективность Ze эксплуатации
АСИ.
Рассмотрим подробно вопросы, связанные с наиболее
важным для АСИ техническим обеспечением.
§ 9.3. Техническое обеспечение АСИ
Техническое обеспечение АСИ представляет собой
в первую очередь комплекс серийно выпускаемых техни-
ческих средств, используемых в системе. К таким сред-
ствам относятся: устройства для испытаний, ЭВМ, АЦП
ТГТРПТГ"датчики, накопители информацииГустройства”
ввода—вывода и документирования; устройства опера-
тивного взаимодействия, коммутирующие устройства,
^интерфейсы. Использование специально разрабатывае-
могоунйтйльного оборудования допускается только
в особых случаях. Если при создании АСИ руководство-
ваться основными фазами преобразования информации,
как это рекомендует ГОСТ 20913—75, то система долж-
на включать технические средства управляемого объекта
и следующих подсистем: переработки, анализа и накоп-
ления информации; сбора, формирования и передачи ин-
формации; воспроизведения и выдачи информации.
Управляемый объект — собственно испытательная система, кото-
рая воспроизводит испытательную нагрузку и передает ее объекту
испытаний с минимальными искажениями Информацию от управ-
ляемого объекта обрабатывает подсистема подготовки и регистрации
информации и в сформированном виде представляет для передачи
в подсистему переработки, анализа и накопления информации не-
посредственно или через подсистему сбора, формирования и переда-
чи информации.
Переработку, анализ и накопление информации осуществляет
ЦВК, оснащенный современными ЭВМ. Технической базой служат,
как правило, машины системы ЕС. Возможность подключения к ним
297
терминальных устройств обеспечивает в ряде случаев совмещение
подсистемы переработки, анализа н накопления информации с под-
системой сбора, формирования и передачи информации. Последняя
производит сбор данных с периферийных источников и может иметь
иерархическую структуру. В указанных подсистемах осуществляют-
ся хранение информационных массивов, обработка информации по
заданным алгоритмам и последовательная выдача решений с по-
мощью подсистемы воспроизведения и выдачи информации.
При построении АСИ важное значение имеет выбор
управляющей ЭВМ. Тенденция усложнения испытаний
обусловливает рост числа устройств для испытаний и со-
ответственно средств их автоматизации, что отрицатель-
но сказывается на надежности системы и на эффективно-
сти управления. Правильный выбор ЭВМ позволяет
прежде всего сократить количество средств сбора и об-
работки информации в системе.
Вычислительную машину выбирают с учетом эконо-
мической целесообразности. Если ЭВМ необходима для
проведения нескольких видов испытаний, то использовать
ее для сбора и анализа данных только одного, пусть да-
же самого сложного, эксперимента нерационально. Это
связано с тем, что при управлении каждым устройством
для испытаний с помощью даже микроЭВМ такие доро-
гостоящие периферийные устройства, как накопители ин-
формации на магнитном носителе или электронно-луче-
вые индикаторы, используются малоэффективно.
Для АСУ центральной станции, где АСИ выступает
в роли автоматизированной системы управлений пред-
приятием (АСУП), оптимальная структура АСИ — цен-
трализованная система, в которой центральные процес-
соры вычислительной машины и устройства ввода—выво-
да могут одновременно служить для управления многими
испытаниями. В подобной системе, работающей в режи-
ме разделения времени, каждая испытательная и измери-
тельная установка использует возможности ЭВМ. При
этом с помощью различных способов можно распреде-
лять между несколькими потребителями оперативную па-
мять ЭВМ, что наиболее эффективно в мультипрограм-
мном режиме.
Для автоматизации сложного процесса управления
испытаниями ЭС применяют многопроцессорные системы
с иерархической структурой. При этом различают мно-
гопроцессорные системы двух типов. В системах первого
типа (рис. 9.5) предусматривается функционирование
ЭВМ нижнего уровня (микроЭВМ) как вспомогательных
298
t
вычислительных устройств, служащих для сбора, пред-
варительной обработки и передачи данных центральной
ЭВМ и для непосредственного управления устройствами
для испытаний. На центральной ЭВМ производится ос-
новная обработка информации, результаты которой мо-
гут выдаваться на дисплей пульта управления испыта-
ниями. Взаимодействие процессоров двух ЭВМ в этом
случае основано главным
образом на переводе прог-
грамм и табличных пара-
метров из памяти централь-
ной машины в ЭВМ нижне-
го уровня. Последователь-
ность обработки и алго-
ритм передачи данных вы-
бирают с учетом специфики
двухуровневой системы сбо-
ра и обработки информа-
ции, содержащей микро-
и мини-ЭВМ. Обменом дан-
ных в системе обычно уп-
равляет микроконтроллер
по специальным стандарт-
ным программам.
К системам первого типа
относятся системы «Камак»,
построенные по программно-
управляемому модульному
с этим предусматривается
функциональных, аппаратнь
Рис. 9 5 Структурная схема
микропроцессорной системы
первого типа:
1 — алфавитно-цифровое печата-
ющее устройство; 2 —мини-ЭВМ;
3 — контроллер; 4 — интерфейс;
5 — датчики; 6 — исполнительные
механизмы; 7 — микроЭВМ; S —
внешнее ЗУ
принципу. В соответствии
совместное использование
х и программных модулей,
имеющих стандартные структуры сопряжения и взаимо-
действия в системе магистрального типа. Это повышает
быстродействие систем и позволяет проводить испытания
в реальном масштабе времени. Система типа «Камак»
обладает гибким взаимодействием программных средств.
В микропроцессорных системах второго типа благо-
даря дополнительному математическому обеспечению
имеется децентрализованное управление обменом между
центральным процессором и ЭВМ нижнего уровня. Вся
система функционирует как единая. При этом каждый
процессор может временно управлять целой системой
и выполнять программу других процессоров, а програм-
мист имеет возможность гибко использовать общую па-
мять системы. На рис. 9.6 показана структурная схема
299
одной из таких систем, применяемых фирмой IBM
(США) при автоматизации исследований и испытаний
продукции.
Рассмотрим работу этой системы (рис 9 6). Три ЭВМ высшего
(третьего) уровня представляют собой вычислительный центр, функ
ционирующий независимо от автоматизации испытаний Здесь ис-
Уровень III
Рис. 9 6 Структурная схема многопроцессорной автоматической си-
стемы управления экспериментом фирмы «1ВМ» (США).
ТМ — терминал, ВПК — блок преобразования и коммутации
пользуются наиболее мощные ЭВМ, выполняющие расчеты в режиме
пакетной обработки данных Центр функционирует в режиме диа-
лога с несколькими сотнями терминалов При этом обслуживание
осуществляется в основном с помощью языка. APL операционной
системы UM/370-GMS. Запросы пользователей сЭВМ первого уров-
300
ня отсылаются на машины третьего уровня, где обрабатываются
с учетом приоритета Чаще всею запросы содержат требования на
трансляцию программ, печатание текстов, расчеты большого объема
и поиск в информационных массивах
На уровне I находятся средства, применяемые в экспериментах4
терминалы, блоки преобразования и коммутации, малые ЭВМ
System/7 с операционными системами LABS/7 Блоки преобразова-
ния и коммутации представляют аппаратно программные средства,
ориентированные на ввод и вывод информации и позволяющие при*
соединять устройства для испытаний к ЭВМ По структуре эти бло-
ки отличаются от стандартных терминалов
В состав ЭВМ Systeni/7 входят оперативное запоминающее уст-
ройство (ОЗУ), два накопителя на магнитных дисках, средства те-
леметрии и многоцелевой модуль для связи с устройствами для ис-
пытаний, содержащий АЦП и ЦАП, коммутационную аппаратуру
и различные логические схемы Функционирует ЭВМ System/7
в реальном масштабе времени По запросам внешних устройств
(например, испытательного стенда или камеры) осуществляется
синхронизация Операционная система LABS/7 является простым
вариантом операционной системы, обеспечивающей режим мульти-
программной работы Система позволяет использовать усеченный
вариант языков Фортран и Ассемблер Кроме того, в ней исполь-
зуются средства обращения к операционной системе UM/370 GMS
ЭВМ IBM 370 модели 145, расположенной иа уровне II
Операционная система UM/370-GMS характеризуется наличием
«математической памяти» и построением так называемых «математи-
ческих машин» для каждого пользователя Благодаря этому все
пользователи одной ЭВМ работают независимо друг от друга Та-
кой режим работы ЭВМ называется режимом с разделением време-
ни Технические средства уровня II могут работать в этом режиме
с различными трансляторами, управлять файлами и выполнять раз-
личные операции Для исполнения специальных работ к операцион-
ной системе UM/370-GMS подключают малые математические маши-
ны Одну из таких машин (TPUM) применяют для обеспечения свя-
зи между IBM 370 модели 145 и System/7 Операционная система
UM/370-GMS позволяет использовать языки APL и Фортран
Важным свойством рассматриваемой АСИ является то, что от-
веты от технических средств уровней II, III поступают только по
запросам с уровня I, т е ни одна из центральных ЭВМ не может
вступать во взаимодействие с System/7 без получения от нее соот-
ветствующего запроса Таким образом, оператор, обслуживающий
пульт System/7, управляет работой мощных ЭВМ, находящихся на
более высоких уровнях, т е работой всей иерархической системы
Такой способ организации АСИ отличается от традиционных спо-
собов
В зависимости от характера решаемых задач АСИ
разрабатывают на базе ЭВМ малой, средней и высокой
вычислительной мощности с одноуровневой (на базе од-
ной мини- или микроЭВМ) или многоуровневой (иерар-
хической) структурой. При этом ЭВМ могут быть объ-
единены в одну систему, что дает преимущества по срав-
нению с вариантом раздельного их использования.
301
Типовой проект АСИ разрабатывают в основном на из-
вестных машинах, системах, функциональных узлах
и приборах.
Из отечественных ЭВМ в качестве ЦБК применяют, как прави-
ло, ЭВМ серии ЕС (например, модели ЕС 1045, ЕС 1055, ЕС 1060)
со стандартным набором периферийных устройств и внешних нако-
пителей В последнее время в качестве ЦБК используют, например,
суперЭВМ «Эльбрус». Центральный вычислительный комплекс дол-
жен обладать высоким быстродействием и большой емкостью опе-
ративной памяти С помощью устройств сопряжения по машинным
йли телефонно-телеграфному каналам он соединяется с периферий-
ной мини-ЭВМ АСИ.
В контрольно-измерительных установках АСИ широко приме-
няют мини-ЭВМ типов СМ-3 и СМ-4, СМ-1420, «Электроника-100-25»,
Рис 9 7. Магистрально-модульный принцип
построения вычислительных систем СМ
ЭВМ
«Электроника-79», «Электроника-82» н др. Архитектура указанных
мини-ВМ построена по принципу «общей шины», который состоит
в следующем Все части вычислительной системы (центральный про-
цессор, ОЗУ, внешние ЗУ и периферийные устройства) могут быть
присоединены к одной общей многопроводной шине обмена (рис.
9.7), которую они «захватывают» на короткий период времени для
обмена информацией. Арбитр шины предупреждает о возникновении
конфликтных ситуаций при «захвате» шины, разрешая обмен только
между двумя устройствами в соответствии с их приоритетом
В настоящее время наблюдается быстрое расширение практи-
ческого применения микроЭВМ на уровне I АСИ, что связано с пре-
имуществами этого класса машин перед другими, в частности перед
малыми ЭВМ. МикроЭВМ обладают достаточным быстродействием
(от 10 до 200 тыс. оп/с), сравнительно широкими функциональными
возможностями, развитым программным обеспечением, наращивае-
мой памятью ОЗУ, высокой надежностью, малыми габаритами
и массой, низкой стоимостью и простотой обслуживания. Из суще-
ствующих микроЭВМ наиболее часто применяются «Электроника-
60», «Электроника-С5-01», «Электроника-С5-11», «Электроника-С5-21»,
«Электроника-НЦ-03». ?
302
Для автоматического контроля и измерения парамет-
ров ЭС применяют различные установки контроля. На-
пример, установки типов УТК-2, УТК-2М, УИК-1М,
УИК-5, УТК-3 осуществляют контроль правильности вы-
полнения логических функций цифровой ячейкой и про-
верку динамических параметров путем измерения време-
ни распространения сигнала от входа до выхода ячейки.
Программу контроля в виде тестов выводят на перфо-
ленту.
Увеличение степени интеграции ИС привело к необ-
ходимости разработки более совершенных установок ти-
пов УТК-6 и УТК-21, в состав которых входит и мини-
ЭВМ СМ-4. Для контроля топологии и монтажа цифро-
вых ячеек ЭС могут быть использованы установки типов
УКМ-2, УКМ-4, УКМ-5.
При создании контрольно-измерительных установок для анало-
говых ЭС главная трудность состоит в разработке высокоточных
ЦАП и АЦП, требующих прецизионных средств измерения и кон-
троля. При разработке указанных устройств ведущее место отво-
дится средствам формирования входного воздействия и измерения
параметров входных и выходных сигналов. Сами же процедуры кон-
троля сравнительно просты При контроле цифровых ЭС не требу-
ются прецизионные средства измерения и контроля, однако слож-
ность и большой объем тестовых последовательностей обусловлива-
ют применение вычислительных средств.
К основным блокам контрольно-измерительных уста-
новок относятся: коммутирующие матрицы, контакти-
рующие устройства, устройства задания входных воздей-
ствий и измерения параметров (напряжений, токов,
задержек распространения сигналов), управляемые ис-
точники питания.
Связь устройств программного управления с установ-
ками контроля и измерений осуществляется с по-
мощью интерфейсов (ГОСТ 26.016—83) —согласующих
устройств, предназначенных для передачи информации.
В системах контроля и испытаний ЭС применяют как
стандартные, так и специализированные интерфейсы. На-
ибольшее распространение получил интерфейс для изме-
рительных систем (приборный интерфейс, ГОСТ
26.003—80, и интерфейс стандартов «Камак», ГОСТ
26 201—80). Согласно стандарту на приборный интер-
фейс, устанавливающему основные требования к обмену
цифровой информацией, соединение устройств должно
осуществляться через многопроводный магистральный
канал общего пользования (рис. 9.8).
303
Рис 9 8 Схема канала общего пользования приборного
интерфейса
1 — устройство передачи, приема и управления, 2— устройство
передачи и приема, 3 — устройство приема, 4 — устройство пере-
дачи
Схема канала включает три шиньг информационную (объеди-
няет 8 линий), синхронизации (3 линии) и управления (5 линий)
Число устройств, подсоединяемых к каналу, не более 15; максималь-
ная скорость передачи информации 1 Мбайт/с; логические уровни
сигналов выбирают применительно к ИС ТТЛ.
Цикл передачи информации состоит из четырех фаз: устройст-
во-источник выставляет информационный байт (первая фаза), сиг-
налы на шине синхронизации (вторая фаза), устройство-приемник
принимает информацию (третья фаза), подготавливается к приему
нового байта информации (четвертая фаза). Шина управления ис-
пользуется контроллером — специальным блоком, встраиваемым
в ЭВМ или в одно из устройств Шина синхронизации служит для
согласования готовности устройств к передаче и приему инфор-
мации
Функционально законченные устройства, имеющие
одинаковый интерфейс входа—выхода, называют м о-
дулями. Все модули можно разделить на управляю-
щие, интерфейсные и обрабатывающие. При наличии ти-
повых модулей разного назначения АСИ может быть со-
ставлена из них полностью или частично
Техническое обеспечение АСИ включает также мате-
матическое и программное обеспечение. Эти виды обес-
печения имеют особо важное значение, и при разработке
АСИ на них приходится большая часть затрат.
§ 9.4. Математическое обеспечение АСИ
Эффективность использования АСИ в значительной
степени определяется математическим обеспечением ис-
пытаний, которое представляет совокупность математи-
ческих моделей объектов испытаний и АСИ, алгоритмов
304
функционирования АСИ и решения отдельных задач ис-
пытаний с помощью вычислительной техники.
Математическая модель процесса испытаний (рис. 9.9)
определяет только последовательность операций и поря-
док взаимодействия технических средств при решении та-
Рис 9 9 Математическая модель технологического процесса испы-
тания
ММ — математическая модель; ППИ — первичный преобразователь парамет-
ров изделия, ППС — первичный преобразователь параметров стенда,
ИспМех — исполнительные механизмы, УВК — управляющий вычислительный
комплекс
ких задач: подготовка ЭС и устройств для испытаний,
управление устройствами для испытаний, измерение па-
раметров, обработка результатов испытаний, коррекция
параметров испытываемых изделий и др. Более деталь-
ная разработка математической модели, достоверно опи-
сывающей реальный процесс испытаний, затруднена из-
за наличия большого числа внешних и внутренних воз-
мущающих случайных факторов. Именно этим
объясняется тот факт, что до настоящего времени ма-
тематическое обеспечение АСИ ЭС разработано далеко
не полностью. В отдельных случаях применяют различ-
ные модели, методы, алгоритмы, но решения проблемы
в целом пока не найдено. Поэтому при разработке мате-
матического обеспечения АСИ используют опыт разра-
ботки математического обеспечения АСУ ТП, поскольку
испытания можно рассматривать как часть ТП создания
20—589
305
новой продукции. Для организации математического
обеспечения АСИ применительно к центральной испыта-
тельной станции, являющейся самостоятельным пред-
приятием, можно использовать опыт разработки матема-
тического обеспечения АСУП.
При автоматизированном управлении устройством для испыта-
ний общие функции ЭВМ делятся на функции первого и второго
порядка. К первым относится: генерирование возбуждающих сигна-
лов, сбор и хранение данных об испытаниях, обработка данных,
принятие однозначных решений (например, при аварийных ситуа-
циях), аварийная сигнализация и контроль функционирования объ-
екта. В функции второго порядка входит: программное управление
испытательной системой, включающей устройство для испытаний
и объект испытаний; оптимальное управление процессом испытаний;
принятие разветвленных решений при ло!ической или математиче-
ской обработке поступающих данных; выдача графической инфор-
мации и взаимодействие управляющей системы с ЭВМ. Функции
первого порядка выполняются набором (пакетом) программ, вводи-
мых в ЭВМ, а функции второго порядка — с помощью комплекса
более сложных программ, управляющих вычислительным процессом
и реализующих общие алгоритмы обработки поступающей инфор-
мации. Комплекс программ обычно выполняется под управлением
операционной системы совокупностью аппаратных и программных
средств, обеспечивающих высокопроизводительную работу ЭВМ.
На основании изложенного и модели, приведенной на рис. 9.4,
иерархическую структуру АСИ можно представить в виде подсистем
U(X, У, Z), W(X, У, Z), V(X, У, Z) на уровне (I) исполнителя, на
уровне (П) участка, на уровне (Ш) отдела испытаний, на уровне
(IV) организации. Подсистема П(Х, У, Z) (см. рис. 94 и 9 10) явля-
ется основной. Именно она выполняет испытания, преобразуя вход
X в выход Z в соответствии с командами, поступающими из подси-
стемы V(X, У, Z). Подсистема V(X, У, Z) на основании информации
от информационно-измерительной и контролирующей частей подси-
стемы W(X, У, Z) и от управляющей подсистемы более высокого
уровня иерархии формирует команды воздействия на X, У и Z.
Подсистема 11?(Х, У, Z), используя эталонную информацию, сравни-
вает фактические значения параметров испытаний с эталонными.
С возрастанием ранга подсистемы усложняются Для точной форму-
лировки целевой функции на каждом уровне приходится поднимать-
ся на более высокий уровень и вводить критерии глобального мас-
штаба.
Для АСИ особенно важно прикладное математическое
обеспечение. Его создание сопровождается идентифика-
цией объектов управления, способов решения конкретных
задач управления, определением формы представления
исходных данных и характера взаимодействия между
программными модулями математического обеспечения.
При этом требуется алгоритмически описать управление
испытательным процессом в целом, а также отдельные
задачи испытаний и прежде всего задачу первичной об-
306
Рис. 9.10. Формализованная иерархическая структура АСИ:
I—IV — ранги подсистем
работки информации. Указанным операциям предшест-
вуют упорядочение исходной информации, планирование
задач оперативного регулирования, учета и контроля.
В качестве примера на рис. 9.11 приведен обобщенный
алгоритм функционирования АСИ на уровне АУИ при
испытаниях цифровых ЭС. Алгоритм составляют на ос-
нове известных математических методов исследования
испытательных процессов и экономико-математических
моделей. Затем разрабатывают программы, определяю-
щие ту часть математического обеспечения, которая слу-
жит специально для решения задач АСИ и связана непо-
средственно с функционированием ЭВМ в контуре управ-
ления испытательным процессом. Таким образом,
в математическое обеспечение АСИ входит ее програм-
мное обеспечение.
§ 9.5. Программное обеспечение АСИ
Программное обеспечение АСИ представляет комп-
лекс программ и инструкций к ним, необходимых для ре-
ализации всех функций АСИ и записанных на соответст-
вующих носителях (перфолентах, перфокартах, магнит-
20*
307
Рис. 9 11 Обобщенный алгоритм управления при испы-
тании цифровых ЭС
ных лентах или дисках). Его можно разделить на общее
и специальное. Общее программное обеспечение (ПО)
АСИ представляет совокупность программ, служащих
для управления и организации вычислительного про-
цесса, обработки результатов, стандартных операций
308
с наборами данных, рассчитанных на широкий круг
пользователей и поэтому ориентированных на решение
часто встречающихся задач. В общее ПО АСИ входят
тестовая и операционная системы. Тестовая (или тест-
мониторная) система включает программы проверки
функционирования центрального процессора и всех внеш-
них устройств ЭВМ. Операционная система представля-
ет комплекс программ, обеспечивающих вычислительный
процесс на данной ЭВМ.
Операционные системы решают следующие основные задачи:
распределение памяти, динамическое размещение программ и управ-
ление их выполнением, диспетчеризацию заданий, обслуживание
и проверку файловой структуры, организацию ввода — вывода, обе-
спечение прерываний и надежной параллельной работы процессора
н внешних устройств, диагностику программных и аппаратных
ошибок.
Программы операционной системы хранятся на внешних запо-
минающих устройствах. Наибольшее распространение получили дис-
ковые операционные системы (ДОС), в которых в качестве внешних
ЗУ используются накопители на магнитных дисках. В ОЗУ ЭВМ по-
стоянно хранится основная управляющая программа ДОС, занима-
ющая сравнительно небольшой объем памяти. Состав и функции
ДОС в значительной степени зависят от конфигурации технических
средств ЭВМ, а также структуры, назначения и функциональных
особенностей АСИ. Дисковая операционная система поставляется
пользователю вместе с ЭВМ, и пользователь может выбрать из нее
необходимый ему набор программ.
В настоящее время операционные системы, эксплуатируемые на
мини-ЭВМ, являются многопользовательскими, т. е. предусматрива-
ют режим мультипрограммной работы. Запуск задач и взаимодейст-
вие пользователя с ЭВМ могут осуществляться либо в пакетном,
либо в диалоговом режиме. В последнем случае операционные си-
стемы, применяемые в АСИ, должны обеспечивать работу пользова-
телей в реальном масштабе времени, когда время отклика системы
на запросы пользователя меньше или сравнимо с временем счета.
Реальный масштаб времени позволяет непосредственно и эффективно
взаимодействовать человеку с системой в процессе управления ее
функционированием.
Широкое распространение для магистрально-модульных комп-
лексов ЭВМ (например, СМ ЭВМ) получила операционная система
реального времени с разделением функций (РАФОС). К основным
достоинствам РАФОС относятся простота и удобство ее эксплуата-
ции, а также простота изменения конфигурации системы и включения
в нее новых программ. Разработанная для мини-ЭВМ операционная
система РАФОС была перенесена и на персональные микроЭВМ
типа ДВК, «Электроника-60», «Электроника-85» и им подобные
Специальное программное обеспечение АСИ пред-
ставляет совокупность программ, предназначенных для
реализации одной функции или группы функций кон-
кретной АСИ, т. е. обеспечивает решение специфических
309
задач АСИ в соответствии с программой испытаний или
по специальным запросам пользователей. Совокупность
взаимосвязанных программ называется пакетом
прикладных программ АСИ. В базовый пакет
прикладных программ входят: монитор программ конт-
роля и испытаний; программы отладки тестово-диагнос-
тического обеспечения; программы самоконтроля и диаг-
ностики неисправностей технических средств АСИ; про-
граммы калибровки и метрологической аттестации
датчиков физических величин, устройств, каналов АСИ
и системы в целом; программы обработки результатов
и экспресс-анализа; операционные программы, реали-
зующие функции АСИ; программы оптимизации ПИ
и ТП испытаний; программы оптимизации измерений
электрических параметров ЭС.
Программы, предназначенные для сбора и обработки
информации о состоянии управляемого процесса, испы-
тываемой продукции, устройств для испытаний и управ-
ления испытаниями, являются основными. Информация
представляется, как правило, в двоичном коде.
Программы управления испытательными режимами
включают алгоритм задания этих режимов, соответству-
ющий ПИ, с указанием диапазонов значений конкретных
физических величин в процессе испытаний и периодов
времени воздействия тон или иной испытательной на-
грузки. Методика составления указанных программ ба-
зируется на основных концепциях теории автоматическо-
го регулирования и предполагает наличие математиче-
ской модели всей испытательной системы вместе
с объектом испытаний. Для этой модели составляется
программа. Согласование управляющего сигнала с дина-
мическими характеристиками всех звеньев испытатель-
ной системы возможно, например, при отслеживании сиг-
нала по скорости или ускорению.
Основную роль в АСИ играет управляющая вычислительная ма-
шина (УВМ), программное обеспечение которой определяется ря-
дом ее особенностей; большим разнообразием выполняемых функ-
ций, решением задач в реальном масштабе времени, асинхронностью
работы управляемых устройств для испытаний, высокими требова-
ниями к надежности и др. Разнообразие выполняемых функций поз-
воляет использовать одну УВМ для управления комплексом уст-
ройств для испытаний. При этом УВМ может функционировать
в системе либо в качестве источника информации, либо как объект
управления для других ЭВМ, входящих в иерархическую систему.
Решение задач в реальном масштабе времени предполагает бо-
лее высокую скорость обработки информации и выдачи управляю-
310
щих воздействий по сравнению со скоростью протекания реальных
процессов в испытываемых изделиях и устройствах для испытаний.
Разница в скоростях обеспечивает запас времени, необходимый для
выработки решения и формирования управляющих сигналов Про-
должительность решения задач и темп выдачи информации должны
соответствовать программе и методике испытаний, а также состоя-
нию объекта управления.
Учет реального времени обеспечивается наличием в составе
УВМ программируемого таймера, показания которого используют
в процессе вычислений, а также мультипрограммированием, позволя-
ющим включать в счет отдельные программы в заданные моменты
времени (например, при регистрации измеренных параметров) или
в момент возникновения какого-либо возмущения. Условно управ-
ляемые программы (как часто называют программы управления по
возмущению) реализуют при наступлении определенного состояния
испытываемого изделия или устройства для испытаний, при форми-
ровании регламентированных штатных и нештатных условий (на-
пример, недопустимого изменения какого-либо параметра испыта-
тельного режима по сравнению с установленными нормами).
Неодновременная работа устройств для испытаний, управляе-
мых автоматизированной системой, обусловливает поступление
в УВМ информации об испытательных режимах и состоянии уст-
ройств в случайные моменты времени, последовательность которых
практически не может быть запрограммирована полностью, посколь-
ку время поступления сигналов в значительной степени определяет-
ся продолжительностью их обработки, техническим состоянием испы-
тываемых изделий и устройств для испытаний и т. д.
Высокие требования к надежности объясняются непрерывной
работой АСИ в течение длительного времени, а также недопусти-
мостью сбоев в функционировании УВМ, так как в неблагоприятных
условиях они могут вызвать отказ всей системы. Заданная надеж-
ность достигается применением различных методов функциональ-
ного контроля, диагностирования и резервирования, использованием
тестовых и диагностических программ.
Группа тестовых и диагностических программ обеспе-
чивает контроль работоспособности отдельных узлов
и систем в целом, а также выполнения ими отдельных
функций. Тестовые программы реализуются в промежут-
ках времени, не занятых основными программами. При-
меняют следующие тест-программы: исправности АЦП
и нормирующих усилителей, исправности измерительных
цепей, адекватности испытательных режимов. При обна-
ружении ошибки в работе системы, ее сбоя или отказа
устройствами, ведущими обработку данных в реальном
масштабе времени, еще до выдачи команды Прекратить
работу оценивается возможность ликвидации последст-
вий указанного отклонения от нормальной работы.
Для определения общих закономерностей изменения
параметров ЭС, протекающих на фоне большого числа
случайных факторов, выполняют статистическую обра-
311
ботку получаемых в ходе испытаний результатов конт-
роля параметров. Для этого служат стандартные про-
граммы специального ПО АСИ, которые включают- вы-
числения статистических оценок характеристик законов
распределения контролируемых параметров ЭС, провер-
ки гипотез соответствия теоретического закона распреде-
ления контролируемых параметров экспериментальному,
оценки достоверности гипотез о видах законов распреде-
ления контролируемых параметров и характеристики
этих законов, вычисления запасов устойчивости парамет-
ров ЭС к воздействию внешних факторов и т. д.
Для формирования отображающей информации, т. е.
информации, оперативно характеризующей свойства ЭС
и ТП испытаний, а также отклонения от нормального
хода этого процесса, используют специальные програм-
мы, например программы графического построения обла-
сти работоспособности. Эти программы позволяют визу-
ально контролировать результаты испытаний и прини-
мать решения о работоспособности испытываемых
изделий.
Программное обеспечение рекомендуется разрабаты-
вать по модульному принципу. Это означает, что алго-
ритм испытания разделяют на функционально завершен-
ные этапы, для которых разрабатывают максимальное
число стандартных подпрограмм, обеспечивающих вы-
полнение алгоритма. Подпрограммы объединяют в биб-
лиотеки программ для использования их в аналогичных
системах, что позволяет снизить стоимость и сократить
сроки разработки программного обеспечения.
В испытательной системе входной язык программиро-
вания испытаний определяется: математическим обеспе-
чением ЭВМ, на которой осуществляется программиро-
вание; временем разработки этого обеспечения; емкос-
тью памяти и быстродействием ЭВМ; сложностью
написания и отладки ПИ. Программирование первых
ЭВМ производилось в машинных кодах. Однако слож-
ность этого процесса и как следствие большое число
ошибок обусловили разработку языков программирова-
ния и прежде всего машинно-ориентированных языков,
в первую очередь языка Ассемблер. Для каждого клас-
са ЭВМ существует свой (присущий только этому клас-
су) язык Ассемблер. Это связано с различием принципов
построения, архитектуры, а следовательно, и систем
команд разных классов ЭВМ. Применение языков Ас-
312
семблер позволяет разрабатывать программы, оптималь-
но учитывающие особенности данного класса ЭВМ, од-
нако и в этом случае процесс программирования остает-
ся трудоемким и сроки разработки программного
обеспечения велики.
Эффективным средством автоматизации процесса
программирования является применение проблемно-ори-
ентированных (алгоритмических) языков, на которых за-
пись алгоритмов определенного вида испытаний произ-
водится вне зависимости от ЭВМ, предназначенной для
работы по этой программе. Алгоритмический язык опи-
сывает алгоритм решения задач сбора и обработки дан-
ных, управления процессом испытаний и т. д. в символах,
удобных для восприятия человеком. Один из путей соз-
дания проблемно-ориентированных языков для систем
управления испытаниями — расширение какого-либо из
стандартных алгоритмических языков путем добавления
макрокоманд. Макрокоманды вводят в язык новые сред-
ства, необходимые пользователю. Применение проблем-
но-ориентированных языков позволяет сократить сроки
разработки программного обеспечения за счет уменьше-
ния числа ошибок, поскольку эти языки приближены
к математическому. В настоящее время существует око-
ло 2000 подобных языков, ориентированных на решение
различных задач в 700 областях использования ЭВМ.
В развитии проблемно-ориентированных языков в последние
годы наметилась тенденция к созданию универсальных проблемно-
ориентированных языков. Такими языками являются PL-1, Паскаль,
Ада, ориентированные также на применение принципов структурного
программирования. Широкое распространение получил язык Си, ко-
торый, являясь языком высокого уровня, в то же время включает
языковые конструкции, близкие языку Ассемблер. Язык Си позволяет
разрабатывать эффективные программы, приближающиеся по ско-
рости работы к программам, написанным на Ассемблере, сохраняя
при этом такое качество, как простота программирования. Для мно-
гих программных разработок по-прежнему используется язык Фор-
тран, ориентированный на инженерные и математические расчеты.
Это объясняется тем, что за долгие годы его существования
(с 1947 г.) разработано большое число программ для решения раз-
личных классов задач, например задач статистической обработки
данных. С внедрением персональных ЭВМ дальнейшее развитие
и совершенствование получили различные версии языка Бэйсик, что
обусловлено его простотой и универсальностью, а также удобством
отладки программ.
На базе расширения проблемно-ориентированных языков раз-
работаны языки Тест, Элекон-Ф, Ястек, позволяющие использовать
стандартные программы. Для языка Тест основой послужил Фокал,
для Элекон-Ф — Фортран. Каждому оператору языка, описывающего
313
процессы контроля, соответствует своя подпрограмма, обеспечиваю-
щая перевод в один или несколько операторов вызова подпрограмм,
написанных на базовом языке.
С ростом числа объединенных в систему программ и повышени-
ем быстродействия ЭВМ возникает необходимость использования
более развитого языка программирования для систем испытаний.
Такой язык должен удовлетворять следующим требованиям: быть
простым и доступным персоналу, не знакомому с программировани-
ем; содержать терминологию и синтаксические конструкции, приня-
тые в области испытаний ЭС; максимально не зависеть от конкрет-
ных испытательных систем; допускать возможность расширения
и адаптации к параметрам новых объектов испытаний; обеспечивать
возможность вычислений и построения разветвленных программ
и процедур. Создание самостоятельного языка высокого уровня,
предназначенного специально для испытаний ЭС, представляет слож-
ную задачу, поскольку требует больших затрат времени Наиболее
известным языком такого типа является Атлас. Разработанный вна-
чале для испытаний авиационных ЭС, он быстро стал стандартным
универсальным языком программирования для автоматизированных
испытаний. Этот язык можно отнести к директивным языкам, по-
строение команд в которых начинается » ключевого слова, обозна-
чающего действие. На базе языка Атлас в СССР создан язык Ока,
описывающий алгоритмы контроля.
В заключение следует подчеркнуть, что при всем мно-
гообразии существующих языков программирования
каждый из них удовлетворяет различным требованиям
и при соответствующих условиях может оказаться наи-
лучшим.
§ 9.6. Информационное обеспечение АСИ
Информационное обеспечение АСИ включает инфор-
мационное описание процессов испытаний, отдельных ис-
пытательных операций и процедур управления ими. По-
скольку теория АСИ разработана недостаточно, инфор-
мационное обеспечение автоматизированных систем
управления испытаниями может строиться по аналогии
с информационным обеспечением АСУП и АСУ ТП. В со-
ответствии с этим обеспечение АСИ должно содержать
единую систему кодирования испытательной и технико-
экономической информации, а также справочную и опе-
ративную информацию.
Каждый испытательный центр (или служба) должен
иметь свою информационно-логическую модель, создание
которой предполагает максимальную автоматизацию под-
готовительных и финишных операций, всех вычислений
и формирования вторичных документов. Информацион-
ная модель АСИ отражает представление о процессах
314
испытаний, факты выполнения этих процессов, состояние
и динамические характеристики объектов управления
и включает развернутую информационную схему управ-
ления, аналитические таблицы, схемы решения отдель-
ных задач. Информационная схема управления состав-
ляется как по функциональным подсистемам, так и по
конкретным задачам внутри каждой подсистемы или по
группам задач, решаемых подсистемой.
Информация о качестве испытываемого изделия мо-
жет быть получена путем сбора новых сведений и обра-
ботки уже имеющихся данных по программе исследова-
теля. Бессистемный набор только новых данных является
часто бесполезной работой, так как затрудняет анализ
и требует лишних расходов на испытания. Новая инфор-
мация о качестве продукции эффективна лишь в том слу-
чае, если она повышает вероятность определения реаль-
ных показателей качества изделий. Любая информация
характеризуется двумя свойствами — содержательнос-
тью С и помехоустойчивостью П, которые связаны соот-
ношением П = \1С. Следовательно, чем больше содержа-
тельность информации, тем меньше ее помехоустойчи-
вость. Критерием ценности информации является эффект
от ее использования. Информация о качестве изделия
должна отражать: показатель качества; мероприятия по
его обеспечению; оценку качества всего ТП и отдельных
его операций; критерии качества; решения о корректи-
ровке ТП, конструкции изделия или показателей его ка-
чества. При этом информация должна быть своевремен-
ной, необходимой и удобной.
Своевременной считается информация, поступившая в течение
заданного интервала времени. С одной стороны, это время должно
быть таким, чтобы можно было успеть подготовить, принять и реа-
лизовать решение по управлению, с другой — нежелательно слишком
раннее поступление информации, так как для ее хранения потребу-
ются дополнительные расходы и, кроме того, эта информация мо-
жет устареть. Необходимой считается информация, без которой не-
возможны выработка и принятие решений по управлению испыта-
ниями. Добавление других сведений в этом случае не дает принци-
пиально новых знаний об объекте. Удобной считается информация,
которая в наиболее доступной для испытателя форме отражает ха-
рактер и ход процесса испытания.
Информационная система предприятия должна
включать оперативный сбор, обработку, анализ и рас-
пределение информации об испытываемом изделии, а так-
же о состоянии системы испытаний. Оперативный сбор
315
и анализ информации осуществляют автоматизирован-
ным и машинным методами. Обработка информации об
испытываемом изделии делится на ряд последовательных
операций: предварительную обработку данных (провер-
ку их достоверности); сортировку данных по нужным для
анализа признакам (перекодирование, суммирование по
признаку); машинную обработку данных. Анализ машин-
ной обработки данных производят с учетом норматив-
ной информации. На основании полученных результатов
составляют отчеты и сводки для руководства и выраба-
тывают необходимые организационно-технические меро-
приятия по устранению выявленных недостатков.
Наиболее существенными потоками информации
в АСИ являются: входная информация с различных ав-
томатизированных устройств для испытЯний (отражает
качество выпускаемых изделий); промежуточная инфор-
мация в виде графиков, таблиц, обобщенных данных
и т. п. за некоторый промежуток времени (отражает со-
стояние продукции, а также выявляет тенденции и ос-
новные причины изменения ее качества); выходная ин-
формация в виде решений, планов, мероприятий и дру-
гих распорядительных документов по воздействию
на качество выпускаемой продукции. При отображении
указанной информации следует учитывать тот факт, что
в основном человек воспринимает ее через зрительные ор-
ганы. При этом наиболее полно воспринимается та ин-
формация, которая отражает тенденцию изменения об-
щего уровня или отдельных показателей качества про-
дукции. Именно такие данные необходимы для принятия
решения. Поэтому сведения о качестве продукции чаще
всего представляют в виде графиков или сопоставимых
данных.
§ 9.7. Организационное обеспечение АСИ
Организационное обеспечение включает: обслуживаю-
щий АСИ персонал; описание функциональной, техниче-
ской и организационной структуры системы; норматив-
но-технические документы, определяющие функциональ-
ные обязанности обслуживающего персонала.
Организационная система контроля и испытаний ЭС
предусматривает широкое использование математических
методов, автоматизированных средств контроля и ЭВМ.
Эта система базируется на специальной службе пред-
316
приятия — отделе технического контроля (ОТК), кото-
рый через свои цеховые посты осуществляет контроль
выпускаемой продукции на соответствие ее НТД. За по-
следнее время при широком внедрении системы управле-
ния качеством ЭС значительно изменились задачи, стоя-
щие перед службами ОТК. Это оперативный сбор, обра-
ботка и передача информации об изменении качества
изделий на этапах их разработки, производства и экс-
плуатации для принятия соответствующих мер.
Организационная система управления качеством ба-
зируется на комплексной службе контроля качества. Эта
служба, возглавляемая главным контролером, наделен-
ным правами заместителя директора предприятия по ка-
честву, состоит, как правило, из следующих подразделе-
ний: отдела надежности и управления качеством, отдела
испытаний, отдела метрологии, ОТК. Естественно, что
масштабы производства и его тип накладывают отпечаток
на структуру службы контроля качества, ее численность
и конкретные задачи, стоящие перед ней.
В связи с тем что за последние годы существенно изменяется
подход к обеспечению качества продукции на всех этапах ее созда-
ния, меняется также и функция отдела надежности. Если раньше
этот отдел занимался оценкой надежности готовых изделий и раз-
работкой соответствующих методов оценки, то в системе управле-
ния качеством ему отводится роль основной службы контроля каче-
ства. Отдел испытаний является звеном предприятия, имитирующим
сферу эксплуатации продукции, и одним из основных объективных
источников внутренней информации о фактическом качестве изделий.
Эта информация позволяет установить более оперативную связь
в системе качество — технологический процесс, чем в системе изго-
товитель-потребитель— изготовитель. Основное требование к от-
делу испытаний — получение достоверной информации о соответст-
вии изделий ТУ и НТД, на основании которой выносятся окончатель-
ные решения о приемке изделий, доработках, освоении продукции
и т. д. Поэтому особо важное значение в работе отдела имеют ор-
ганизационные и технические мероприятия, направленные на обеспе-
чение высокой надежности устройств для испытаний и соблюдение
режимов испытаний. Устройства для испытаний должны иметь со-
ответствующую эксплуатационную документацию (техническое опи-
сание, инструкцию по эксплуатации и др ) и периодически прове-
ряться. Результаты проверок заносят в специальные документы ус-
тановленной формы. Главной задачей ОТК является предотвращение
дефектов производимой продукции и отклонений от установленных
норм.
Организационная структура автоматизированной си-
стемы управления испытаниями включает информацион-
но-измерительную и ипформационно-советующую подси-
стемы. Информационно-измерительная подсистема
317
содержит алгоритмы контроля за испытательными режи-
мами, управления измерением параметров этих режимов
и характеристик испытываемой продукции, статистиче-
ской обработки результатов испытаний, подготовки вы-
ходной информации для включения ее в протоколы ис-
пытаний и сопроводительные документы. Информацион-
но-советующая подсистема содержит алгоритмы, на
основе которых в системе испытаний реализуются управ-
ляющие функции состава и режимов испытаний, планов
контроля, критериев годности, информационных при-
знаков.
Персонал АСИ состоит из испытателей, обслуживающих испы-
тательную технику, и специалистов, обеспечивающих заданное функ-
ционирование системы в целом Персонал работает в сфере управ-
ления или вне ее. В первом случае он осуществляет управление ис-
пытаниями по рекомендациям, выдаваемым техническими средствами
АСИ, во втором — задает режимы работы и контролирует функцио-
нирование системы. Обслуживание испытательной техники в обоих
случаях входит в постоянные обязанности персонала. При отказе
АСИ персонал управляет испытаниями вручную
§ 9.8. Экономическая эффективность применения АСИ
Разработка и внедрение АСИ требуют больших
средств, направленных в основном на техническое обес-
печение АСИ. В то же время правильный выбор техниче-
ских средств, в первую очередь вычислительной техники,
может снизить указанные затраты. Наличие вычисли-
тельной техники в составе устройства для испытаний
резко повышает стоимость последнего. Поэтому везде,
где это возможно, функции планирования испытаний, об-
работки и оценки получаемых результатов необходимо
возлагать на специализированные вычислительные цент-
ры с целью более эффективного использования вычисли-
тельных средств. Как бы ни были велики затраты на
АСИ, они должны быть в конечном счете экономически
оправданы эффективностью ее применения.
Внедрение АСИ приводит к изменению технологии сбора и об-
работки данных (СОД) при проведении испытаний. При новой тех-
нологии может повыситься точность результатов испытаний, сокра-
титься срок их получения, а следовательно, увеличиться число испы-
таний, проводимых на данном оборудовании в течение года; за счет
решения задач планирования и управления испытаниями могут
уменьшиться расходы ресурсов при проведении испытаний. С дру-
гой стороны, внедрение новой техники требует дополнительных ка-
питальных затрат, может привести к изменению численности обслу-
живающего персонала, росту средней зарплаты и т. п. Чтобы сопо-
318
ставить экономически старую и новую технологии СОД, необходимо
оценить в стоимостном выражении такие показатели результатов
испытаний, как точность, сроки получения данных и т д. Это можно
сделать в тех случаях, когда сформулированные требования к ре-
зультатам испытаний (например, по точности) могут быть обеспече-
ны как при новой, так и при старой технологии и существует воз-
можность оценки затрат на испытания при обеих технологиях.
Государственный комитет СССР по стандартам
разработал примерную структуру расчета экономическо-
го эффекта при внедрении АСИ [1]. В приводимой нами
структуре расчета принимается, что число испытаний
в течение года одинаково для обеих технологий СОД.
Поэтому, хотя сроки испытаний при новой технологии
могут сократиться, что позволит на том же оборудовании
провести в теченще-Тода большее число испытаний, со-
ставляющая экономического эффекта за счет увеличения
числа испытаний не рассматривается.
Годовой экономический эффект ог внедрения АСИ
Э = (С1-С)А-ААДН, (9.1)
где Ci и Сг — затраты на проведение и обработку дан-
ных одного испытания при старой и новой технологиях
СОД при условии, что в обоих случаях удовлетворяют-
ся одни и те же требования к результатам испытаний;
А — число испытаний, проводимых в течение года (по-
лагается, что число испытаний одинаково при обеих тех-
нологиях); АА — дополнительные капитальные затраты,
связанные с созданием АСИ; Ен — нормативный коэф-
фициент эффективности капитальных вложений.
Затраты Ct и складываются из затрат на прове-
дение испытаний и затрат на обработку данных испы-
таний:
С1(2) = Зп + Д, + + 30, (9.2)
где За — заработная плата бригады испытателей; Зк —
командировочные расходы; Зм— материальные затраты
и затраты на электроэнергию без учета работы ЭВМ;
Зэ — эксплуатационные расходы, связанные с примене-
нием технических средств СОД. Отметим, что в (9.2) не
включены составляющие затрат, связанные с амортиза-
цией средств испытаний, транспортировкой изделий, из-
готовлением испытательной оснастки, накладными рас-
ходами, которые принимаются одинаковыми для обеих
рассматриваемых технологий. Величины, входящие
в (9.2), рассчитываются следующим образом. Заработ-
319
ная плата бригады испытателей при старом или новом
способе испытаний
Зи = Q. №t. (9.3)
где Qt — средняя зарплата испытателя в день с учетом
премии (при старом или новом способе испытаний); N —
число испытателей; tt — продолжительность одного испы-
тания (в рабочих днях). Расходы на командировки рас-
считываются по аналогичной (9.3) формуле, в которой
Q. — суточные командировочные расходы одного испыта-
теля, установленные на основании норм в данной от-
расли.
Эксплуатационные расходы, связанные с применени-
ем технических средств СОД одного испытания,
Зэ =/ге СмчЗс, (9.4)
где /тс — время использования технических средств СОД
Одного испытания; Смч — стоимость одного машино-часа
работы средств СОД; Зс — зарплата сотрудников, заня-
тых подготовкой данных к обработке. Формула (9.4) при-
емлема для обеих технологий СОД, если при старой тех-
нологии используются технические средства СОД (на-
пример, если обработка данных производится на ЭВМ).
Стоимость машино-часа эксплуатации средств СОД
Смч = Зг//г, (9.5)
где Зг — затраты на эксплуатационные средства СОД за
год; tr — эффективный фонд времени работы средств
СОД в течение года. В свою очередь,
Зг — Ф + 3СтР Д- Зам + Зр + Змат 4- Знр 4- Зэл,
где Ф — фонд основной и дополнительной заработной
платы на обслуживание средств СОД; ЗСТр — отчисления
на социальное страхование (процент основной и допол-
нительной заработной платы); Зам — сумма годовых амор-
тизационных отчислений (процент стоимости средств
СОД); Зр — затраты на запчасти для ремонта (процент
стоимости средств СОД); Змат — затраты на материалы,
связанные с эксплуатацией средств СОД (процент сто-
имости средств СОД); Зпр—накладные расходы (про-
цент фонда Ф); 3Эл — затраты на электроэнергию.
Следует отметить, что в случае использования ЭВМ
для обработки данных по старой технологии можно не
рассчитывать стоимость машино-часа работы арендуе-
320
мой ЭВМ по формуле (9.5), а брать значение, уже рас-
считанное ранее на основе финансовых документов. Как
правило, при старой технологии оказываются большими
длительность испытаний, материальные и энергетические
затраты.
Дополнительные капитальные затраты, связанные
с созданием и внедрением АСИ,
АА = АпР + Авн + Ааси, (9.6)
где Кпр — затраты на проектирование; Авн — затраты на
внедрение АСИ; Ааси —капитальные вложения на соз-
дание АСИ.
В состав затрат на проектирование входит стоимость
предпроектных работ при создании АСИ (системное опи-
сание объекта, подготовка ТЗ), стоимость разработки
технологического и рабочего проектов. Капитальные
вложения включают затраты на приобретение вычисли-
тельной техники (Авт), периферийных устройств (Апер),
средств связи (Асв), затраты (АВсп) на транспортировку,
монтаж, наладку и пуск, а также затраты (Азд) на
строительство (реконструкцию) зданий (сооружений),
необходимых для функционирования АСИ:
Адси = Авт АдеР Н- Асв + А
всп + Азд + А ЛИК Авыс>
(9.7)
где Алик — остаточная стоимость ликвидируемого обору-
дования, устройств, зданий и сооружений, которые при
внедрении АСИ не нашли применения: Авыс — остаточ-
ная стоимость высвобождаемых оборудования, устройств,
зданий и сооружений, которые будут использованы дру-
гими подразделениями или реализованы на сторону.
Следует отметить, что если приобретаемые техниче-
ские средства будут использоваться не только при функ-
ционировании данной АСИ, то величина Аден, вычислен-
ная по формуле (9.7), должна войти в формулу (9.6)
с коэффициентом, учитывающим время использования
приобретенных технических средств для функционирова-
ния данной АСИ.
Капитальные вложения на создание АСИ могут осу-
ществляться в течение ряда лет, поэтому при расчете ве-
личины АА необходимо учитывать фактор времени путем
приведения к началу расчетного года единовременных
затрат. Каждое слагаемое формул (9.6) и (9.7) с учетом
фактора времени может быть записано в виде А(7) =
21—589
321
= А(1+£„П)', где Е„„— норматив приведения; t — чис-
ло лет, отделяющих затраты данного года от начала рас-
четного года.
Экономия эксплуатационных расходов за счет внед-
рения АСИ и дополнительных капитальных затрат со-
ставляет (Ci—Сг)А [см. (9.1)]. Знание этой величины
позволяет рассчитать коэффициент экономической эф-
фективности АСИ и срок окупаемости:
Е = (Ct — С2) А/АА,
/ок = Atf/^-QA.
Внедрение АСИ экономически оправдано, если
Е>Еп.
Контрольные вопросы
1. Какова структура центральной испытательной станции?
2, Изменится ли структура ЦИС, если в качестве нижнего про-
граммируемого устройства вместо микроконтроллера использовать
микроЭВМ?
3. В каких случаях используется трехуровневая, а в каких —
двухуровневая АС?
4. Какую роль играет автоматизированная система испытаний
в АСУК?
5. Какие функциональные подсистемы входят в АСИ?
6 Какие критерии оценки АСИ Вам известны?
7. Как обеспечивается надежность функционирования АСИ?
8. Каковы цели и основные принципы создания АСИ?
9. Как выглядит формализованная модель АСИ и каково на-
значение входящих в нее подсистем?
10. Перечислите средства обеспечения АСИ и сформулируйте
их основные функции исходя из формализованной модели АСИ.
11. Что представляет собой техническое обеспечение АСИ и ка-
кие основные требования к нему предъявляют?
12. В чем состоит иерархический (многопроцессорный) принцип
построения АСИ?
13. Какие технические средства включает техническое обеспече-
ние АСИ?
14. Что представляет собой математическое обеспечение АСИ?
В чем трудности его создания?
15. Что представляет собой программное обеспечение АСИ?
16. Какие основные языки программирования Вам известны?
Сравните их друг с другом.
17. Каким требованиям должна удовлетворять информация^ ка-
честве изделия?
18. Какие функции выполняют подразделения комплексной
службы контроля качества?
19. Как определяется коэффициент экономической эффективно-
сти АСИ?
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица ПЛ
Значения коэффициентов и для двусторонней 7’*1
достоверности и Ка для односторонней Р* достоверности
К в
Р*'=0,9 | Р*’~0,95 р*'=0,9 | Р*'=0,95 | Р*=0,9 Р*=0,95
0 0,000 0,00 3,00 3,69 2,30 3,00
1 0,0513 0,0253 4,74 5,57 3,90 4,74
2 0,355 0,242 6,30 7,22 5,30 6,30
3 0,818 0,609 7,75 8,77 6,70 7,75
4 1,37 1,09 9,15 10,24 8,00 9,15
5 1,97 1,62 10,51 11,67 9,25 10,51
6 2,61 2,20 11,84 13,06 10,55 11,84
7 3,29 2,81 13,15 14,42 11,75 13,15
8 3,89 3,45 14,43 15,76 13,00 14,43
9 4,70 4,12 15,71 17,08 14,20 15,71
10 5,43 4,80 16,96 18,39 15,40 16,96
11 6,17 5,49 18,21 19,68 16,60 18,21
12 6,92 6,20 19,44 20,96 17,80 19,44
13 7,69 6,92 20,67 22,23 18,95 20,67
14 8,46 7,65 21,89 23,49 20 15 21,89
15 9,25 8,40 23,10 24,74 21,24 23,10
16 10,04 9,15 24,30 25,98 22,41 24,30
17 10,83 9,90 25,50 27,22 23,56 25,50
18 11,63 10,67 26,69 28,45 24,71 26,69
19 12,44 11,44 27,88 29,67 25,86 27,88
23 13,25 12,22 29,06 30,89 27,00 29,06
21 14,07 13,00 30,24 32,10 28,14 30,24
22 14,89 13,79 31,42 33,31 29,27 31,42
23 15,72 14,58 32,59 34,51 30,41 32,59
24 16,55 15,38 33,75 35,71 31,54 33,75
25 17,38 16,18 34,92 36,90 32,67 34,92
26 18,22 16,98 36,08 38,10 33,79 36,08
27 19,06 17,79 37,23 39,28 34,92 37,23
28 19,90 18,61 38,39 40,47 36,15 38,39
29 20,75 19,42 39,54 41,65 37,24 39,54
30 21,59 20,24 40,69 42,83 38,35 40,69
35 25,87 24,38 46,40 48,68 43,83 46,40
21
323
Таблица П.2
Объем выборки в зависимости от браковочной вероятности Р2(Р,) безотказной работы,
приемочного числа С и риска 0 заказчика при Р*=0,9 и n/N^.0,1 (закон распределения Пуассона)
0,999 0,995. 0,99 | 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70
₽ = 0,1
0 2301 459 229 114 76 56 45 37 32 28 24 - 22 14 10 8 7
1 3888 776 388 193 128 96 76 63 54 47 42 37 24 18 14 11
2 5320 1002 532 264 176 132 105 87 74 65 57 52 34 25 20 16
3 6S79 1234 668 333 221 165 132 103 94 82 72 65 43 32 25 20
4 7991 1596 798 398 265 198 158 131 112 98 87 78 52 38 30 25
5 9991 1853 927 462 308 231 182 153 130 114 101 91 60 44 35 29
6 10 530 2104 1050 527 349 261 203 174 148 129 115 103 68 50 40 33
7 И 768 2352 1175 588 390 293 234 194 166 143 129 116 76 56 45 37
8 12 992 2596 1296 648 431 323 258 215 183 160 142 128 84 62 49 41
9 14 203 2898 1418 709 471 353 281 235 200 175 156 139 92 68 54 45
10 15403 3078 1537 770 513 383 306 255 218 190 168 152 100 74 59 48
11 16 595 3317 1657 829 551 413 330 275 235 206 182 163 108 80 64 53
12 17 778 3553 1775 888 592 442 353 294 252 219 195 175 116 86 68 56
13 18 955 3789 1893 945 632 472 377 313 268 235 209 187 124 92 73 60
14 20 125 4022 2009 1003 671 500 400 333 285 250 220 198 131 98 77 64
15 21 289 4255 2126 1062 708 533 424 353 301 264 235 211 139 104 82 68
1S 22 448 4487 2241 11J9 746 560 446 372 318 278 247 221 147 109 86 72
17 23 602 ~ 4717 2357 1177 786 580 470 391 335 293 259 234 155 115 91 75
18 24 753 4948 2472 1234 824 619 492 410 350 307 273 245 162 121 96 79
19 25 899 5177 2587 1292 862 645 518 429 367 320 285 256 169 127 100 82
20 27 041 5405 2700 1348 898 676 540 448 383 335 297 268 177 132 105 86
1 ₽ = 0,2
0 1599 319 159 79 53 39 31 26 22 19 17 15 10 7 6 5
1 2999 599 299 149 99 74 59 49 42 36 32 29 19 14 11 9
2 4279 855 427 213 142 106 84 70 60 52 46 42 27 20 16 13
3 5510 1102 551 275 183 138 109 91 78 68 60 ' 54 36 26 21 17
4 S719 1343 671 335 223 167 133 111 95 83 73 66 43 32 26 21
5 7899 1579 789 394 262 196 157 130 111 97 86 78 51 38 30 25
S 9070 1814 906 452 301 225 180 150 128 112 99 89 59 44 35 29
7 10 230 204S 1022 510 340 254 203 169 145 126 112 101 67 50 39 33
8 11 378 2274 1136 567 378 283 226 188 161 141 125 112 74 55 44 36
9 12 510 2502 1250 624 416 311 249 207 177 155 137 123 82 61 48 40
10 13 638 272S 1362 680 453 339 271 225 193 169 150 135 89 66 53 44
11 14 778 2954 1476 737 491 368 294 244 209 183 162 146 97 72 57 47
12 15 898 3178 1588 793 528 396 316 263 225 197 175 157 104 78 62 51
13 17 018 3402 1700 849 566 423 338 282 241 211 187 168 111 83 66 55
14 18 118 3622 1810 904 602 451 360 300 257 224 199 179 119 89 70 58
15 19 238 3846 1922 960 640 478 383 319 273 238 212 190 126 94 75 62
IS 20 358 4070 2034 1016 677 507 405 337 289 252 224 201 134 100 79 65
17 21438 4286 2142 1070 713 534 427 355 304 266 236 212 141 105 84 68
18 22 558 4510 2254 1126 750 562 449 374 320 280 248 223 148 110 88 73
19 23 S38 4726 2362 1180 786 589 470 392 335 293 260 234 155 116 92 76
20 24 758 4950 2474 1236 823 617 493 410 351 307 273 245 163 121 97 80
0 = 0,3
0 1203 240 120 60 40 29 23 19 17 14 13 ' 11 8 s
co 1 to 2439 487 243 122 81 60 48 « 34 30 26 24 16 12 1 8
Продолжение табл. П.
С Р2 (Р')
0,999 0,995 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 | 0,92 | 0,91 | 0,90 | 0,85 0,80 0,75 0.70
2 3615 723 361 180 120 90 72 60 51 44 39 35 23 17 14 11
3 4759 951 475 237 158 118 94 78 67 59 52 47 31 22 18 15
4 5890 1178 589 294 196 147 117 97 83 73 65 58 38 28 23 19
5 6999 1399 699 349 232 173 139 116 99 86 77 69 46 34 27 23
6 8110 1622 811 405 270 202 161 134 115 100 89 80 53 40 31 25
7 9199 1839 919 459 306 229 183 152 130 114 101 91 60 45 36 29
8 10 299 2059 1029 514 342 256 205 170 146 128 113 102 68 51 40 33
9 11 379 2275 1137 568 378 280 223 188 161 141 125 113 75 56 44 37
10 12 459 2491 1245 622 414 310 248 206 177 155 137 123 82 61 49 40
11 13 539 2707 1353 676 450 337 270 224 192 168 149 134 89 66 53 44
12 14 619 2923 1461 730 486 364 291 242 208 181 161 145 96 72 57 47
13 15 699 3139 1569 784 522 391 313 260 223 195 173 156 103 77 61 51
14 16 759 3351 1675 837 557 418 334 278 238 208 185 167 НО 82 66 55
15 17 839 3567 1783 891 593 445 355 296 253 222 197 177 117 88 70 58
16 18 899 3779 1889 944 629 471 377 314 269 235 209 188 125 93 74 62
17 19 959 3991 1995 997 664 498 398 331 284 248 220 198 132 98 78 65
18 20 999 4198 2099 1048 700 524 418 348 298 261 232 208 138 104 82 69
19 22 098 4418 2208 1103 736 551 440 367 314 275 244 219 146 109 87 72
20 23 15S- 4630 2314 '1156 770 577 462 384 329 288 256 230 153 114 92 76
Таблица П.З
327
Значения коэффициента А — ~~'М ’ ~ в зависимости от риска а изготовителя, риска б заказчика
(1 + Р2) (1—Pi)
и приемочного числа С
С а
0,05 0.1 0,2 | 0,3 0,05 0,1 0,2 0,3 0,05 0,1 | 0.2 0,3
0 44,70 3= 21,82 0,1 10,33 6,46 31,25 р=о 15,26 2 7,22 4,52 23,37 р=о,з 11,42 5,40 3,38
1 10,94 7,31 4,72 3,54 8,42 5,65 3,63 2,74 6,86 4,60 2,96 2,23
2 6,51 4,82 3,46 2,78 5,23 3,89 2,79 2,23 4,42 3,29 2,36 1,89
3 4,89 3,82 2,91 2,42 4,04 3,16 2,40 2,00 3,48 2,73 2,07 1,72
4 4,06 3,29 2,59 2,20 3,41 2,76 2,18 1,85 2,99 2,42 1,91 1,62
5 3,55 2,94 2,37 2,05 3,03 2,51 2,03 1,75 2,68 2,22 1,79 1,55
6 3,21 2,70 2,22 1,95 2,76 2,33 1,92 1,68 2,47 2,08 1,71 1,50
7 2,96 2,53 2,11 1,86 2,57 2,20 1,84 1,62 2,31 1,98 1,64 1,46
8 2,77 2,39 2,02 1,80 2,42 2,09 1,77 1,58 2,19 1,89 1 ,60 1,43
9 2,62 2,28 1,95 1,75 2,31 2,01 1,72 1,54 2,10 1,84 1,56 1,40
10 2,50 2,19 1 ,89 1,70 2,21 1,94 1,67 1,51 2,02 1,79 1,53 1,38
11 2,40 2,12 1,84 1,68 2,13 1,89 1,64 1,48 1,96 1,73 1,50 1,36
12 2,31 2,06 1,79 1,63 2,07 1,84 1,60 1,46 1,90 1,69 1,47 1,34
13 2,24 2,00 1,76 1,60 2,01 1,80 1,58 1,44 1,85 1,68 1,45 1,33
14 2,18 1,95 1,72 1,58 1,96 1,76 1,55 1,42 1,81 1,63 1,43 1,31
15 2,12 1 ,91 1,70 1,56 1,92 1,73 1,53 1 ,41 1,78 1,60 1,42 1,30
16 2,07 1,87 1 ,67 1,54 1 ,88 1 ,70 1,51 1,39 1,74 1,57 1,40 1,29
17 2,03 1,84 1,64 1,52 1,84 1,68 1,49 1,38 1,71 1,56 1,39 1,28
18 1,99 1,81 1,62 1,50 1,81 1,65 1,48 1 ,37 1,69 1,54 1,38 1,27
19 1,95 1 ,78 1,60 1,48 1,78 1,63 1,46 1,36 1,67 1,52 1 ,37 1,26
20 1,93 1,76 1,58 1,47 1,76 1,61 1,45 1,35 1,65 1,50 1,35 1,25
Таблица П4
00 Вероятность Р2 (Р 1 ) безотказной работы в зависимости от заданных значений Р2(Р,) и /и//г
/г (Р,)
0,999 0,995 0,99 0,98 | 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92
0,1 0,9999 0,9995 0,9990 0,9980 0,9970 0,9959 0,9949 0,9938 0,9928 0,9915
0,2 0,9998 0,9990 0,9980 0,9960 0,9939 0,9919 0,9898 0,9877 0,9856 0,9838
0,3 0,9997 0,9985 0,9970 0,9940 0,9909 0,9878 0,9847 0,9816 0,9785 0,9753
0,4 0,9996 0,9980 0,9960 0,9920 0,9879 0,9838 0,9797 0,9756 0,9714 0,9672
0,5 0,9995 0,9975 0,9950 0,9900 0,9849 0,9798 0,9749 0,9695 0,9644 0,9592
0,6 0,9994 0,9970 0,9940 0,9880 0,9819 0,9758 0,9697 0,9636 0,9574 0,9512
0,7 0,9993 0,9963 0,9930 0,9850 0,9789 0,9718 0,9647 0,9576 0,9505 0,9433
0,8 0,9992 0,9960 0,9920 0,9840 0,9760 0,9679 0,9598 0,9517 0,9436 0,9355
0,9 0,9991 0,9955 0,9910 0,9820 0,9730 0,9639 0,9549 0,9458 0,9368 0,9277
1,0 0 9990 0,9950 0,9900 0,9800 0,9700 ' 0,9600 0,9500 0,9400 0,9300 0,9200
1,2 0,9988 0,9939 0,9880 0,9760 0,9641 0,9522 0,9403 0,9284 0,9166 0,9048
1,5 0,9985 0,9925 0,9850 0,9701 0,9554 0,9406 0,9260 0,9111 0,8939 0,8824
2,0 0,9980 0,9900 0,9801 0,с'604 0,9409 0,9216 0,9025 0,8836 0,8649 0,8484
2,5 0,9975 0,9878 0,9752 0,9508 0,9267 0.9030 0,8796 0,8567 0,8340 0,8119
3,0 0,9970 0,9850 0,9703 0,9412 0,9127 0,8847 0,8574 0,8305 0,8043 0,7787
4,0 0,9960 0,9801 0,9606 0,9225 0,8853 0,8493 0,8143 0,7803 0,7480 0,7164
5,0 0,9951 0,9752 0,9510 0,9040 0,8587 0,8154 0,7738 0,7339 0,6957 0,6591
6,0 0,9941 0,9703 0,9415 0,8859 0,8330 0,7827 0,7350 0,6899 0,6470 0,6064
7,0 0,9931 0,9655 0,9321 0,8682 0,8130 0,7514 0,6983 0,6485 0,6017 0,5579
8,0 0,9921 0,9606 0,9228 0,8508 0,7838 0,7213 0,6634 0,6096 0,5596 0,5132
9,0 0,9911 0,9558 0,9136 0,8338 0,7602 0,6925 0,6302 0,5730 0,5204 0,4722
10,0 0^9901 0,9510 ‘ 0,9047 0,8172 0,7374 0,6648 0,5987 0,5386 0,4830 0,4344
Продолжение табл П 4
329
Р2 (Pi)
'г 0.91 0,9 | 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 | 0,50 | 0,40 0,3 1
0,1 0,9905 0,9895 0,9839 0,9779 0,9716 0,9649 0,9579 0,9502 0,9330 0,9124 0,8855
0,2 0,9813 0,9792 0,9680 0,9564 0,9441 0,9333 0,9175 0,9029 0,8706 0,8326 0,7860
0,3 0,9721 0,9689 0,9529 0,9353 0,9173 0,8985 0,8787 0,8581 0,8123 0,7597 0,6969
0,4 0,9630 0,9587 0,9369 0,9146 0,8913 0,8671 0,8417 0,8154 0,7578 0,6931 0,6178
0,5 0,9540 0,9487 0,9220 0,8944 0,8661 0,8362 0,8062 0,7748 0,7071 0,6324 0,5477
0,6 0,9450 0,9387 0,9071 0,8747 0,8415 0,8073 0,7722 0,7362 0,6598 0,5771 0,4856
0,7 0,9361 0,9289 0,8925 0,8554 0,8176 0,7789 0,7397 0,6995 0,6156 0,5265 0,4305
0,8 0,9273 0,9191 0,8781 0,8365 0,7944 0,7518 0 7085 0,6648 0,5744 0,4704 0,3817
0,9 0,9136 0,9005 0,8640 0,8181 0,7500 0,7264 0,6785 0 6316 0,5359 0,43«4 0,3384
1,0 0,9100 0,9000 0,8500 0,8000 0,7080 0,7000 0,6500 0,6000 0,5000 0,4000 0,3000
1,2 0,8930 0,8812 0,8232 0,7650 0,6495 0,6518 0,5964 0,5417 0,4353 0,3331 ,2358
1,5 0,8681 0,8538 0,7837 0,7156 0,5624 0,5856 0,5241 0,4648 0,3536 0,2530 0,1643
2,0 0,8282 0,8100 0,7225 0,6400 0,4872 0,4900 0,4225 0,3600 0,2500 0,1600
2,5 0,7901 0,7684 0,6661 0,5724 0,4219 0,4100 0,3405 0,2789 0,1768 0,1012
3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 0,7536 0,6857 0,6240 0,5679 0,5168 0,4702 0,4279 0,3891 0,7290 0,6561 0,5905 0,5814 0,5783 0,4303 0,3874 0,3487 0,6141 0,5220 0,4437 0,3772 0,3206 0,2725 0,2316 0,1969 0,5120 0,4097 0,3277 0 2621 0,2097 0,1678 0 1342 0,1074 0,3163 0,2373 0,1780 0,1335 0,1001 0,3430 0,2401 0,1681 0,1177 0,2746 0,1784 0,1160 0,2165 0,1299 0,1250
gf , T а б л и ц а П.5
с Вероятность P?lPi ) безотказной работы в зависимости от заданных значений P_>(Pi), (ta—ii)/(7—ц) и б
рг (Р-.1 б </и- ц)/«г-И)
0,1 0,2 0,3 | 0,5 2 3 5 10
0,7 0,5 0,89 0,85 0,81 0,776 0,6 0,545 0,455 0,33
1,0 0,97 0,925 0,885 0,83 0,5 0,355 0,177
1,5 0,985 0,965 0,93 0,875 0,375 0,17
2,0 0,996 0,984 0,955 0,91 0,26
3,0 0,999 0,997 0,987 0,95 —
4,0 0,99996 0,9994 0,995 0,982 —
5,0 0,999996 0,9998 0,998 0,989 — — — —
0,8 0,5 0,925 0,9 0,875 0,845 0,725 0,67 0,61 0,498
1,0 0,975 0,95 0,93 0,895 0,64 0,515 0,34 0,11
1,5 0,992 0,98 0,95 0,92 0,54 0,335 —
2,0 0,997 0,99 0,975 0,94 0,424 0,155 — —
3,0 0,9997 0,9982 0,991 0,97 0,19
4,0 0,99997 0,9996 0,9972 0,986 —
5,0 0,999997 0,99992 0,9991 0,9992 — — —, —
0,9 0,5 0,965 0,950 0,94 0,928 0,855 0,83 0,79 0,73
1 ,о 0,990 0,980 0,965 0,95 0,81 0,735 0,605 0,37
1,5 0,996 0,991 0,980 0,963 0,745 0,60 0,335
2,0 0,999 0,995 0,986 0,973 0,67 0,425 — —
3,0 0,9999 0,999 0,996 0,985 0,47
4,0 0,99999 0,9998 0,9987 0,995 —
5,0 0,999999 0,99996 0,9996 0,9997 — — — —
0,91 0,5 0,969 , 0,955 0,942 0,93 0,875 0,845 0,805 0,74
1,0 0,991 0,982 Q, 97 0,952 0,83 0,755 0,633 0,71
1,5 0,997 0,992 0,982 0,965 0,77 0,63 0,375
0,92
0,93
0,94
0,95
2,0 3,о 4,0 5,0 0,99910 0,999910 0,999991 0,9999991 0,996 0,9992 0,99985 0,999997 0,989 0,9967 0,9988 0,99964
0,5 0,97 0,963 0,95
1,0 0,992 0,985 0,972
1,5 0,997 0,993 0,984
2,0 0,9992 0,9967 0,99
3,0 0,99992 0,9998 0,997
4,0 0,999992 0,99986 0,999
5,0 0,9999992 0,999974 0,99968
0,5 0,975 0,965 0,955
1,0 0,993 0,986 0,975
1,5 0,998 0,994 0,986
2,0 0,9993 0,997 0,991
3,0 0,99993 0,9994 0,9974
4,0 0,999993 0,99988 0,9981
5,0 0,9999993 0,99976 0,99972
0,5 0,98 0,972 0,964
1,0 0,994 0,989 0,984
1,5 0,9981 0,9946 0,997
2,0 0,9994 0,9975 0,998
3,0 0,99994 0,9995 0,9992
4,0 0,999994 0,99989 0,9997
5,0 0,9999994 0,99998 0,99996
0,5 0,983 0,978 0,97
1 0 0,996 0,99 0,98
1,5 0,9984 0,9995 0,99
2,0 0,9995 0,9998 0,994
3,0 0,99995 0,9999 0,9981
0,975 0,987 0,9955 0,9972 0,70 0,505 0,245 0,460 — —
0,94 0,8^ 0,855 0,83 0,77
0,96 0,84 0,780 0,665 0,45
0,97 0,79 0,660 0,41
0,98 0,73 0,505 — —
0,99 0,545 0,132 —
0,996 0,288 —.
0,99976 — — — —
0,945 0,895 0,875 0,845 0,79
0,965 0,865 0.805 0,7 0,5
0,974 0,815 0,695 0,455 0,115
0,981 0,755 0,545 0,185 —
0,991 0,590 0,165 — —
0,9965 0,335 — — .
0,998 0,125 —. — —
0,955 0,91 0,89 0,865 0,815
0,97 0,885 0,825 0,735 0,55
0,975 0,835 0,73 0,515 0,155
0,985 0,785 0,595 0,23
0,992 0,63 0,21 — —
0,9970 0,385 —
0,9982 0,017 — — —.
0,965 0,92 0,976 0,885 0,845
0,971 0,9 0,955 0,775 0,695
0,98 0,865 0,77 0,57 0,21
0,986 0,82 0,645 0,295
0,993 0,675 0 275 — —
Продолжение табл. П.5
р. (Р.) 6
0,1 0,2 0.3 0.5 | 2 | 3 | 5 1 10
4,0 0,999995 0,99991 0,9993 0,9975 0,455
5,0 0,9999995 0,999983 0,9998 0,99985 0,225 — — —
0,96 0,5 0,986 0,981 0,975 0,97 0,94 0,925 0,905 0,875
1,0 0,9966 0,992 0,985 0,98 0,92 0,89 0,81 0,66
1,5 0,9987 0,996 0,992 0,985 0,88 0,805 0,635 0,285
2,0 0,9996 0,9984 0,995 0,99 0,845 0,7 0,375 —
3,0 0,99996 0,999 0,9985 0,993 0,73 0,355 — —
4,0 0,999996 0,99993 0,9995 0,995 0,535 — —
5,0 0,9999996 0,999986 0,99984 0,9988 0,305 — — —
0,97 0,5 0,99 0,986 0,98 0,978 0,95 0,94 0,92 0,9
1,0 0,997 0,994 0,99 0,985 0,93 0,92 0,85 0,735
1,5 0,999 0,997 0,994 0,988 0,91 0,845 0,705 0,39
2,0 0,9997 0,9988 0,996 0,992 0,885 0,77 0,48 —
3,0 0,99997 0,9998 0,9989 0,9986 0,74 0,46 . —
4,0 0,999997 0 99995 0,9996 0,9995 0,615 — —
5,0 0,9999997 0,99999 0,99988 0,9999 0,41 — — —
0,98 0,5 0,9983 0,9891 0,988 0,986 0,97 0,965 0,95 0,935
1,0 0,999 0,996 0,993 0,99 0,965 0,94 0,905 0,81
1,5 0,9993 0,998 0,996 0,993 0,94 0,89 0,79 0,535
2,0 0,9998 0,9992 0,997 0,995 0,92 0,83 0,61 —
3,0 0,99998 0,99984 0,9993 0,9992 0,845 0,595 —
4,0 0,999998 0,99997 0,9997 0,9994 0,725 0,22 —
5,0 0,9999998 0,999993 0,99992 0,9997 0,55 — — —
0,99 '0,5 0,997 '0,9955 0,9954 0,993 0,985 0,983 0,915 0,965
1,0 0,999 0,998 0,996" 0,995 0,98 0,97 0,90 0,9
1,5 0,9997 0,9991 0,998 0,996 0,97 0,95 0,89 0,725
2,0 0,9999 0,9996 0,9988 0,997 0,955 0,91 0,775 0,37
3,0 0,99999 0,9999 0,9996 0,9987 0,92 0,76 0,302
4,0 0,999999 0,99998 0,9999 0,9995 0,85 0,47 —
5,0 0,9999999 0,999997 0,99996 0,9997 0,735 0Д1 — —
Таблица П.6
Значения коэффициентов Диксона, учитывающие экстремальные значения ПКГ, при заданной достоверности Р*
п Обозначение р* Обозначение р*
коэффициента 0,9 | 0,95 | 0,99 | 0,995 п коэффициента 0,9 | 0,95 | 0,99 | 0,995
3 Но 0 886 0,941 0,988 0,994 14 Г22 0,492 0,546 0,641 0,674
4 0,679 0,765 0,889 0,926 15 0,472 0,525 0,616 0,647
5 0,557 0,642 0,780 0,821 16 0,454 0,507 0,595 0[б24
6 0,482 0,560 0,698 0,740 17 0,438 0,490 0,577 0,605
7 0,434 0,507 0,637 0,680
8 9 10 Hi 0,479 0,441 0,409 0,554 0,512 0,477 0,683 0,635 0,597 0^725 0,677 0,639 18 19 20 21 Г 22 0,424 0,412 0,401 0,391 0,475 0,462 0,450 0,440 0,561 0,547 0,535 0,524 0,589 0,575 0,562 0,551
4 г 2Л 0.935 0,967 0,992 0,996 22 0,382 0,430 0,514 0 [ 541
5 0,782 0,845 0,929 0,950 23 0,374 0,421 0,505 0,532
6 0,670 0,736 0.836 0,865 24 0,367 0,413 0,497 0,524
7 0,596 0,661 0,778 0,814 25 0,360 0,406 0,489 0,516
8 0,545 0,607 0,710 0,746 26 0,354 0,399 0,486 0,508
9 0,505 0,565 0,667 0,700 27 0,348 0,393 0,475 0,501
10 0,474 0,531 0,632 0,664 28 0,342 0,387 0,469 0,495
11 г 21 0,517 0,576 0,679 0,713 29 0,337 0,381 0,463 0,489
12 0,490 0,546 0,642 0,675 30 0,332 0,376 0,457 0,483
[13 к. — 0,467 0,521 0,615 0,649
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Автоматизированные системы испытаний Методические реко-
мендации Основные полол-ечия/Государственный комитет СССР по
стандартам М, 1984
2 Андерман Д И , Воробьев Б А Методы и средства испытаний
РЭА/Под ред А К Манера —Томск Изд во Том унта 1986
3 Бережной В П , Дубицкий Л Т Выявление причин отказов
РЭА —М Радио и связь 1983
4 Буловский П И, Зайденберг М Г Надежность приборов си
стем управления Справочное пособие —М Машиностроение, 1975
5 Вопросы качества радиодеталей/Б Ю Геликман, Г А Горя
чева, В В Стальбовский и др, Под ред В П Балашова — М
Сов радио 1980
6 Глудкин О П, Обичкин Ю Г, Блохин В Г Статистические
методы в технологии производства радиоэлектронной аппаратуры —
М Энергия 1977
7 Глудкин О П, Черняев В Н Технология испытания микро
элементов радиоэлектронной аппаратуры и интегральных микро
схем —М Энергия 1980
8 Действие проникающей радиации на изделия электронной тех
ники/В М Кулаков Е А Ладыгин В И Шаховцов и др , Под ред
Е А Ладыгина —М Сов радио, 1980
9 Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, обо
рудования и сооружении Справочник В 2 т —Т 1/Под ред
А А Герасименко —М ^Машиностроение 1987
10 Испытания радиоэлектронной электронно вычислительной ап
паратуры и испытательное оборудование О П Глудкин А Н Ен
галычев А И Коробов, Ю В Трегубов, Под ред А И Коробова —
М Радио и связь, 1987
11 Испытательная гехника/Под ред В В Клюева — М Ма
шиностроение, 1982 Кн 1 2
12 Кочемасов 3 Н, Ефремова С А, Набоков Ю С Л4икробио
логия —М Медицина, 1984
13 Поляков К П Конструирование приборов и устройств ра
диоэлектронной аппаратуры — М Радио и связь, 1982
14 Семенов А Н, Левченко Т П Надежность бортового радио
электронного авиационного оборудования и методы ее оценки//3а
рубежная радиоэлектроника 1980 № 1 С 3—23
15 Розанов Л Н Вакуумная техника —М Высшая школа,
1990
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие , . . . ................... 3
Введение . . ...................... 6
Г лава 1 Факторы, воздействующие на электронные средства
Проблемы испытаний . 11
§ 1 1 Классификация воздействий и воздействующих
факторов ............. . Ц
§ 1 2 Климатические воздействия . . . .15
§ 1 3 Биологические воздействия ... 22
§ 1 4 Космические воздействия .... .26
§ 1 5 Механические воздействия . . .35
§ 1 6 Проблемы проведения испытаний ЭС . . . . 44
Глава 2 Основы теории испытаний электронных средств 55
§ 2 1 Некоторые понятия теории вероятностей, применяв
мые при испытаниях ЭС . 55
§ 2 2 Выборочный метод испытаний Основные характе-
ристики 63
§ 23 Классификация испытаний 67
§ 24 Проведение лабораторных и стендовых испытаний 80
§25 Программа испытаний ЭС . . 84
§ 2 6 Методика испытаний . . 93
§ 2 7 Классификация н анализ отказов ЭС . 97
Г iaea 3 Испытания электронных средств на механические
воздействия . . 103
§ 3 1 Общие сведения . . .............103
§ 3 2 Виды вибрации 104
§33 Обнаружение резонансных частот . . 109
§ 34 Испытания на виброустойчивость и вибропрочность 112
§35 Воздействие ударной нагрузки . 131
§ 3 6 Воздействие линейной нагрузки . . 146
§37 Воздействие акустического шума 149
Глава 4 Испытания электронных средств на климатические
воздействия . . . 156
§ 4 1 Методология климатических испытаний . . 154
§ 42 Воздействие повышенной температуры среды 159
§ 43 Воздействие пониженной температуры среды 166
§ 4" Воздействие изменения температуры среды и тер
моудар 168
§ 4 5 Воздействие повышенной влажности 169
§ 4 6 Воздействие пониженного и повышенного атмосфер
ного давления . . 177
§ 4 7 Воздействие солнечного излучения 180
§48 Воздействие песка и пыли 184
§ 4 9 Воздействие атмосферы, содержащей агрессивные
среды 186
§ 4 10 Воздействие повышенного гидростатическою дав
лен. я Испытание на герметичность . . 187
§4 11 Комплексные климатические воздействия . 189
335
Глава 5. Испытания на биологические, коррозионно-активные
и технологические воздействия .......................... 191
§ 5.1. Биологические воздействия.......................191
§ 5.2. Коррозионио-активиое воздействие................194
§ 5.3 Технологические воздействия......................198
Глава 6. Испытания электронных средств на космические
и радиационные воздействия...............................205
§ 6 1. Воздействие ультранизких давлений .... 205
§ 6 2. Воздействие криогенных температур . . . . 211
§ 6 3. Специальные виды космических испытаний . . 213
§ 6 4. Радиационные воздействия........................219
§ 6 5. Воздействия потоков корпускулярных частиц иа по-
крытии ЭС . .....................................235
Глава 7. Испытания электронных средств на надежность . 238
§ 7.1. Количественные показатели надежности . . , 238
§ 7 2. Планирование испытаний на надежность . . . 242
§ 7.3. Методы планирования испытаний иа надежность 243
§ 7.4. Параметры — критерии годности при испытании
на надежность........................................ 258'
§ 7.5. Испытание на долговечность.....................259
§ 7 6. Испытание на сохраняемость.....................261
§ 7.7. Ускоренные испытания............................263
Глава 8. Статистическая обработка результатов испытаний
электронных средств........................................272
§ 8.1. Влияние точности измерительных средств иа ре-
зультаты испытаний.....................................272
§ 8 2. Критерии исключения выбросов ПКГ прн статисти-
ческой обработке результатов испытаний.................278
§ 8.3. Графические методы представления эксперименталь-
ных данных.............................................282
Глава 9. Автоматизация и обеспечение испытаний электрон-
ных средств..........................................- . 285
§ 9.1. Принцип построения центральной испытательной
станции................................................285
§ 9.2. Разработка автоматизироваииой системы испытаний 289
§9 3. Техническое обеспечение АСИ.................... 297
§ 9.4. Математическое обеспечение АСИ..................304
§ 9.5. Программное обеспечение АСИ...............307
§ 9 6. Информационное обеспечение АСИ , . . « 314
§ 9 7. Организационное обеспечение АСИ . . . .. 316
§ 9 8. Экономическая эффективность применения АСИ . 318
Приложение............................................... 323
Список литературы........................................ 334