Адекватность условий испытаний реальным условиям эксплуатации

Исследования, анализ и опыт эксплуатации ЭС показывают, что существует значительное расхождение между показателями надежности, наблюдаемыми в условиях эксплуатации, и показателями, получаемыми расчетным путем или при испытаниях в лабораторных и производственных условиях.

Существует три группы причин неадекватности результатов воздействия на ЭС испытаний и эксплуатации:

1) причины, обусловленные несовершенством методик испытаний;

2) причины, связанные с особенностями эксплуатации и конструкции ЭС;

3) причины, обусловленные несоответствием внешних воздействий, моделируемых при лабораторных испытаниях, реальным внешним воздействиям.

1. Основной причиной несовершенства методик испытаний является ограниченная выборка образцов ЭС, подвергаемых испытаниям в лаборатории, что является следствием роста трудоемкости испытаний.

2. Также неадекватность результатов испытаний связана с особенностями конструктивных и функциональных свойств ЭС (назначения, массы и объема, способа охлаждения и др.). Большинство ЭС при эксплуатации в течение длительного времени находится в неработающем состоянии (установлено, что от 2% до 60% отказов происходит в то время, когда ЭС работает). Иногда для украшения проведения испытаний ЭС, которые эксплуатируются в циклическом режиме, испытывают в непрерывном. Циклическим режимом работы ЭС называют режим, связанный со сравнительно частыми включениями и выключениями аппаратуры. Опыт эксплуатации ЭС показывает, что частые включения/ выключения аппаратуры приводят к большому числу отказов.

Причиной отказов аппаратуры при включениях и выключениях заключается в том, что во время переходных процессов в комплектующих ЭС возникают экстратоки и перенапряжения, величины которых часто намного превышают (хотя и кратковременно) допустимые по ТУ значения.

Дополнительные отказы в условиях эксплуатации возникают из низкого качества изготовления конкретных изделий и местных перегревов при ремонте, обусловленных плотностью компоновки.

3. Степень соответствия условий испытаний условиям эксплуатации определяется не только полнотой знаний о многофакторных условиях эксплуатации, но и возможностями испытательного оборудования. Совершенствование оборудования удорожает проведение испытаний и соответственно стоимость изделий. Поэтому на практике при конструировании испытательного оборудования принимаются компромиссные решения между стремлением обеспечить адекватность условий испытаний и создать дешевое испытательное оборудование.

В связи со всем вышесказанным основной целью разработки новых методов лабораторных испытаний является максимальное приближение условий испытаний к условиям реальной эксплуатации. Для этого предлагается:

- проводить испытания по программам, позволяющим моделировать внешние воздействия с учетом конкретного типа системы, на которой будут установлены ЭС, типа ЭС и места их установки в системе, а также характерных режимов работы системы;

- перейти к испытаниям по программам, имитирующим работу ЭС не только в движении, но и на стоянке; ввести в программу циклы с выключенным ЭС;

- проводить испытания по программам, учитывающим характерные особенности климатических зон, в которых производится эксплуатация системы;

- при составлении программ испытаний широко использовать данные о внешних воздействиях, полученные при испытании систем аналогов, а также путем математического моделирования.

Лекция 2

Классификация испытаний

Все применяемые методы испытаний классифицируются на две большие группы (см. рис. 2.1):

- физические испытания реальных ЭС или макетов;

- испытания с использованием моделей.

Рисунок 2.1

Физические испытания могут проводится как при внешних воздействующих факторах, создаваемых искусственным путем с помощью испытательных стендов (стендовые испытания) или с помощью специальных методов и средств, применяемых в лабораторных условиях (лабораторные испытания), так и при естественных внешних факторах.

Лабораторные и стендовые испытания ЭС отличаются от реальной эксплуатации тем, что при их проведении не удается пока смоделировать все внешние воздействия одновременно в той случайной совокупности, которая имеет место при реальной эксплуатации. Поэтому при исследовании влияния внешних факторов наряду с лабораторными и стендовыми испытаниями проводятся также испытания ЭС в естественных условиях их эксплуатации.

Испытания в естественных условиях в зависимости от условий и места проведения делятся на два вида:

- полигонные;

- натурные.

Полигонные испытания объекта проводят на специально оборудованном полигоне. Широко распространены полигонные испытания ЭС, проводимые при испытании на воздействие внешних климатических факторов.

Натурные испытания объекта реализуются при выполнении трех основных условий:

- испытаниям подвергается непосредственно изготовленное ЭС (т.е. объект испытания) без применения моделей;

- испытания проводятся в условиях и при воздействиях на ЭС соответствующих условиям и воздействиям при ее эксплуатации;

- определяемые характеристики свойств объекта испытаний измеряются непосредственно без использования аналитических зависимостей. При этом допускается применение математического аппарата статической обработки экспериментальных данных.

К натурным испытаниям относится, в частности, опытная эксплуатация ЭС.

Особенностью эксплутационных испытаний является одновременное воздействие внешних и внутренних факторов, характеризуемых случайными их сочетаниями, а также значениями, изменяющимися во времени. Эксплуатационные испытания являются по существу опытной эксплуатацией.

Цель полигонных и натурных испытаний – исследование комплексного влияния естественно воздействующих факторов на изменение параметров, свойств и механизмов отказов ЭС при их эксплуатации и хранении. Эти испытания обеспечивают получение наиболее полной и достоверной информации о комплексном влиянии факторов окружающей среды на ЭС. По результатам полигонных и натурных испытаний разрабатывают рекомендации по способам защиты ЭС от ВВФ.

Однако специфика натурных испытаний заключается в их большой продолжительности, сложности и высокой стоимости. Эти испытания требуют четкой их организации и оптимального планирования. С целью ограничения объема испытаний программа их проведения должна базироваться на анализе результатов лабораторных и стендовых испытаний, а также требований, предъявляемых к ЭС.

Также можно отметить, что при определении метода физических испытаний важно правильно определить номенклатуру испытываемой аппаратуры. При проведении предварительного анализа рассматривается вся номенклатура ЭС, анализируется степень различия физических процессов деградации, вызванных ВВФ. Натурные испытания достаточно проводить только с «типичными представителями» групп ЭС, а затем результаты испытаний распространить на всю группу. Это уменьшает объем и соответственно стоимость испытаний. Основываясь на этом подходе, можно во многих случаях оценить влияние ВВФ на вновь разрабатываемое ЭС.

Испытания с использованием моделейосуществляются методами физического, статического и математического моделирования. Применение этих методов позволяет отказаться от ряда сложных физических испытаний реального ЭС или его макетов.

Физическое моделирование заключается в том, что первичный параметр объекта испытаний (процесс в элементе схемы или внешний фактор) заменяется простой физической моделью, способной имитировать изменение данного параметра.

Математическое моделирование базируется на использовании уравнений, связывающих входные и выходные параметры объекта испытаний. Эти уравнения выводят на основании изучения конкретного ЭС и его внутренних функциональных связей, после чего и осуществляется математическое описание установленных связей с учетом ВВФ на ЭС.

Необходимость проведения огромного объема экспериментальных исследований, техническая сложность выполнения физических моделей целого ряда устройств, высокая стоимость и длительность проведения испытаний не стимулируют широкого применения методов физического и математического моделирования в практике испытаний ЭС и поэтому в данном курсе лекций рассматриваться не будут.

Более подробно остановимся на статических методах испытаний, частным видом которых являются граничные испытания.

Граничные испытания проводятся для определения зависимости между предельно допустимыми значениями параметров объекта и режимами эксплуатации. Они являются экспериментальным методом, основанным на физическом моделировании области значений первичных[1] параметров, при которых выходные параметры ЭС находятся в пределах допуска, т.е. в области безотказной работы ЭС. Однако определение области безотказной работы ЭС при одновременном изменении многих первичных параметров не представляется возможным, поэтому на практике находят граничные точки области безотказной работы ЭС при изменении какого-либо первичного параметра ЭС (параметр граничных испытаний), сохраняя значения других неизменными. В этом и состоит смысл граничных испытаний. Для его реализации используют изменение выходного параметра ЭС с помощью искусственных приемов, например меняют одно из питающих напряжений, выбранное в качестве первичного параметра граничных испытаний. Границы области, в пределах которой ЭС работает безотказно, определяются при изменении напряжения до момента отказа ЭС по исследуемому выходному параметру в случае, когда остальные первичные параметры ЭС имеют номинальные значения. Затем, при некотором отклонении одного из первичных параметров ЭС от номинального значения, снова наблюдают за выходным параметром ЭС при изменении напряжения. Ясно, что при отклонении первичного параметра в обе стороны от номинального значения выходной параметр будет выходить за пределы допуска при различных значениях напряжения. С помощью полученных при эксперименте значений строится график граничных испытаний (рис. 2.2).

Рисунок 2.2

Этот график представляет собой геометрическое место точек отказа ЭС по выходному параметру Y при определенных значениях параметра граничных испытаний U_гр и какого-либо другого первичного параметра Х_i, т.е. DY_гр=f(DXi,DU_гр), где DY_гр – область изменения выходного параметра, когда он еще находится в переделах допуска, т.е. ЭС работает безотказно.

Учитывая, что в реальных условиях изменения параметров ЭС, как правило, взаимосвязаны, проводят большой объем работ по определению областей безотказной работы ряда элементов. Полученные области накладывают друг на друга. Тогда общее геометрическое место точек всех областей представляет собой область безотказной работы ЭС. Графики граничных испытаний позволяют определить правильность выбора номинальных значений параметров элементов того или иного узла ЭС, питающих напряжений, а также сравнить «запас» надежности аналогичных узлов ЭС. Чем больше площадь области безотказной работы и дальше отстоит от ее границ рабочая точка, тем больше «запас» надежности.

Метод граничных испытаний применяется для исследования ЭС или его узлов на стадии макетирования образцов аппаратуры с целью правильного подбора параметров комплектующих элементов, выбора оптимальных вариантов схем и режима работы ЭС, а также предсказания места и времени появления постепенного отказа элемента или ЭС в целом.

Недостатком метода граничных испытаний является невозможность количественной оценки надежности, а также большая трудоемкость проведения экспериментов, не позволяющая получить данные об изменении выходных параметров ЭС при изменении комплекса внешних воздействий и взаимодействии элементов.

Развитие метода граничных испытаний привело к появлению матричных испытаний. Они заключаются в составлении матрицы ситуаций, которая содержит число столбцов, равное числу моделируемых параметров, а число строк, равное числу перебираемых ситуаций. Результаты испытаний записываются в виде матрицы-столбца с числом элементов матрицы, равным числу реализаций ситуаций.

Использование ЭВМ дает возможность проводить матричные испытания полностью автоматически, что ускоряет перебор ситуаций, проверку работоспособности ЭА в каждой ситуации в соответствии с заданными критериями отказа, регистрацию числа и характера отказов.

Недостатком метода матричных испытаний также является невозможность получения количественной оценки надежности и, в отличие от граничного метода, определения запас надежности.

Виды испытаний

Виды испытаний представлены на рисунке 2.3.

Некоторые виды испытаний этой классификации уже были рассмотрены выше. Остальные рассмотрим подробнее.

Рисунок 2.2