Выбор корпуса блока с учетом требования ремонтопригодности

Общие соображения. Подавляющее большинство радиоаппаратуры предназначено для длительной эксплуатации и поэтому в течение всего срока службы может неоднократно подвергаться ремонту. Аппаратура разового использования рассчитана на длительное хранение в складских условиях и периодически подвергается профилактическому осмотру при проверке. При обнаружении неисправности такая аппаратура также подвергается ремонту путем замены отказавших элементов и устройств. После ремонта часть элементов будет заменена новыми, поэтому такая характеристика надежности, как вероятность безотказной работы, в этих условиях не может служить оценкой надежности аппаратуры в любой момент времени.

Вероятность исправного состояния аппаратуры. Для аппаратуры длительного использования вводится понятие вероятности исправного состояния системы в любой момент времени. Аналитическое выражение вероятности исправного состояния системы может быть получено как решение системы дифференциальных уравнений, составленных на основе применения к поставленной задаче методов теории массового обслуживания:

;

.

где Т0 — время работы до отказа, ч; Тв — время восстановления, ч; 1/Т0 — интенсивность отказов аппаратуры, 1/ч; 1/Тв — интенсивность восстановления аппаратуры, 1/ч; P0(t) — вероятность исправного состояния аппаратуры; P1(t) — вероятность неисправного состояния аппаратуры.

В качестве начальных условий примем, что вероятность исправного состояния аппаратуры в начальный момент времени (t=0) отличается от единицы, 0.

.

Это выражение справедливо при К0 в пределах от 0 до 1 и при t в пределах от 0 до ?. При t-?

.

Это значит, что надежность системы длительного использования с восстановлением после возникновения неисправности численно равна коэффициенту готовности. Отсюда видно, что повышение надежности таких систем возможно за счет сокращения времени вынужденного простоя. Теоретически можно получить систему с вероятностью исправного состояния P0(t)~1, при этом Tв~0, что отвечает 100%-ному поэлементному резервированию, однако реализовать это условие на практике не представляется возможным.

Для ряда систем опасен не сам факт отказа, а длительность прекращения работы системы. Для систем, работающих с прерыванием, восстановление аппаратуры после возникновения отказа проводят в период, когда аппаратура не работает. Если созданы условия, при которых время вынужденного простоя аппаратуры будет меньше времени, в течение которого аппаратура не используется, то такой отказ не приведет к срыву выполнения задания.

Рассматривая работу аппаратуры, можно предположить несколько возможных ситуаций:

Система исправна в момент включения и не откажет за время оперативной работы. Очевидно, что при этих условиях задача, стоящая перед аппаратурой, будет выполнена.

Система исправна в момент включения, но во время оперативного использования происходит отказ. При такой ситуации поставленная задача не будет выполнена.

Система неисправна в момент включения, но восстановлена за время tв и не откажет за оставшееся время t-tв. При этом время восстановления tв меньше времени подготовки системы к работе. Если обозначить время подготовки системы к работе tд (допустимое время), то необходимо реализовать условие tв.

Система неисправна в момент включения и не восстановлена за допустимое время простоя, т. е. tв>tд, задача не выполнена.

Вероятность появления второй ситуации относительно мала, так как интенсивность отказов современных элементов, особенно микросхем и микросборок, не превышает 10−7- 10−8 1/ч. С точки зрения конструктора интерес представляет третья ситуация. Задача формулируется так: какой выигрыш по надежности можно получить, если удается восстановить аппаратуру с вероятностью восстановления V (tд)?

Вероятность нормального функционирования. Вероятность того, что задача не будет сорвана вследствие неисправности системы (Рн.ф.), называют вероятностью нормального функционирования в предположении простейших потоков отказов и восстановлений.

Пренебрегая членами высших порядков малости и используя формулу полной вероятности сложного события, получим.

.

где Р0 — стационарная вероятность исправного состояния аппаратуры; P (t) — вероятность безотказной работы; 1-P0 — стационарная вероятность неисправного состояния аппаратуры; V (tд) — вероятность восстановления аппаратуры за допустимое время tд; P (t-tв) — вероятность безотказной работы аппаратуры за оставшееся время t-tв .

В большинстве случаев при наработке на отказ t выполняется условие t>>Tв, где Тв — математическое ожидание случайной величины tв. При этих условиях вторым слагаемым можно пренебречь и выражение вероятности нормального функционирования принимает вид:

. (5−2).

При таких условиях работы аппаратуры, когда не каждый отказ приводит к срыву выполнения задания, можно ввести понятие «длительный отказ», т. е. такой отказ аппаратуры, устранение которого возможно лишь при условии tв>tд.

Понятие длительного отказа. Если в системе зафиксировано n отказов, то число длительных отказов (с учетом восстановления) будет.

.

Наработка на отказ с учетом восстановления.

.

где — суммарное время работы аппаратуры за определенный календарный срок.

В результате проведенных исследований выяснилось, что вероятность восстановления аппаратуры за допустимое время подчиняется распределению Эрланга. Тогда.

.

где .

Тогда наработка на отказ с учетом восстановления.

. (5−3).

Вероятность безотказной работы с учетом восстановления.

. (5−4).

Выигрыш в наработке на отказ за счет восстановления.

. (5−5).

Выигрыш в вероятности безотказной работы.

. (5−6).

Эффективность восстановления за допустимое время. На рисунке 5−5 представлена зависимость эффективности восстановления от вероятности восстановления за допустимое время tд. Из приведенной зависимости видно, что при малых V (tд) эффективность восстановления мала, однако уже при вероятности восстановления V (tд)0,8 эффективность восстановления равна 5. Таким образом, только конструктивными мерами, без дополнительных затрат можно значительно повысить надежность длительно эксплуатируемой аппаратуры.

Рис. 1. График эффективности восстановления РЭА за ограниченное время.

Вероятность безотказной работы зависит от времени вынужденного простоя. В выражении (5−3) длительность ремонта не ограничивается, а в формулах (5−4) и (5−6) ограниченность времени ремонтных работ выражена через вероятность восстановления за допустимое время простоя tд. В обоих вариантах уменьшение времени вынужденного простоя, в конечном счете, приводит к повышению надежности аппаратуры.

Время вынужденного простоя. Рассматривая время вынужденного простоя, можно заметить, что оно содержит несколько составляющих: 1) время обнаружения неисправности; 2) время отыскания неисправности; 3) время разборки аппаратуры; 4) время замены отказавшего элемента; 5) время сборки аппаратуры; 6) время настройки и регулировки.

Время обнаружения и время отыскания неисправности определяется предусмотренной звуковой и визуальной сигнализации, наличием аппаратуры встроенного контроля, числом контрольных точек и правильностью их выбора, но в основном схемотехническим решением. Время настройки и регулировки также зависит от отработки схемы.

При достаточно хорошей отработки схемы, при обеспечении условий взаимозаменяемости настройка после ремонта и регулировки вообще может не понадобиться.

Время разборки и сборки аппаратуры, а также время, требуемое на замену отказавшего элемента, целиком определяется конструкцией аппаратуры и выбранным типом блока. Значительное сокращение времени разборки, и сборки аппаратуры может быть достигнуто за счет отказа от резьбовых соединений в элементах конструкции блока и резьбового крепления блока в стойках. Все резьбовые соединения следует заменять на пружинные фиксаторы и быстросъемные стопоры. Таким образом, резко сокращается время на отсоединение составной части (по сравнению с креплением винт — гайка) и исключается потеря крепежа во время ремонта. Однако нормативные документы сковывают инициативу конструктора и в определенное время становятся тормозом в дальнейшем развитии конструирования. В таком случае эти документы подлежат пересмотру и замене. Таким образом, при выборе конструкции блока с учетом ремонтопригодности необходимо исходить из условий эксплуатации аппаратуры с целью максимального удовлетворения требований, касающихся проведения ремонтных работ и сокращения времени вынужденного простоя.

Принятое конструктивное решение в сильной степени влияет на ремонтопригодность. Для повышения ремонтопригодности должно быть предусмотрено следующее: 1) доступность всех входящих частей для осмотра и замены без предварительного удаления других частей конструкции; 2) контрольные точки для подсоединения измерительных приборов при проверке работы РЭА; 3) предотвращение неправильного соединения разъемных частей; 4) возможность установки на столе извлеченных частей в любом удобном положении; 5) предотвращение утери крепежа при ремонтных работах; 6) применение быстросъемных фиксаторов вместо резьбовых соединений; 7) сокращение времени вынужденного простоя.

Рис. 2. Конструкция раскрывающегося блока с кассетами на одинарных шарнирах 1— шарнир; 2—корпус блока; 3—кассеты с одинарными шарнирами; 4 — плата с микросхемами; 5 — рамка

Выполнение п. 1 достигается путем использования конструкций блоков, доступ к внутренним частям которых осуществляется за счет раскрытия, выдвижения или поворота. На рисунке 5−6 и 6−7 представлены варианты конструкции блоков, в которых эти принципы или сочетание их.

Метод раскрытия широко используется в блоках книжной конструкции и позволяет обеспечить доступ к любой печатной плате, расположенной на откидной рамке. При использовании конструкции с одинарными шарнирами общее число «страниц» обычно не превышает четырех (рис.5−8). При креплении рамок на двойных шарнирах конструкция более удобна в работе. В этом случае обеспечивается доступ к любой печатной плате без разборки остальных рамок, но конструкция становиться более сложной.

Метод выдвижение предполагает полное или частичное выдвижение частей конструкции по направляющим. В ряде конструкций выдвижение сочетается с поворотом (см. рис.). При таком варианте компоновки передняя панель поворачивается вокруг общей оси, при этом обеспечивается доступ к элементам печатной платы любой кассеты. Электрическое соединение кассет выполняется с помощью круглых или плоских кабелей.

Все эти методы и их сочетание позволяют сократить время на разборку блока или стойки и при возникновении неисправности быстро ее устранить, т. е. обеспечивают малое время вынужденного простоя и тем самым повышают ремонтопригодность и восстанавливаемость аппаратуры. При определении ремонтопригодности должен быть решен вопрос о замене отказавшего элемента. Очевидно, что тип и степень интеграции заменяемого элемента будет зависеть от элементной базы.

Рис. 3. Блок книжной конструкции на и микросборках, Рис. 5−7. Конструкция панели, в которой микросхемах построенный по принципу раскрытия. использован принцип выдвижения. 1-соединительная колодка; 2-гибкий печатный кабель; 3-передняя 1-выдвигающаяся ячейка; 2-соединитель; 3-колодка; панель блока; 4-рама; 5-задняя панель; 6-соединительная печатная 4-панель; 5-направляющая; 6-кронштейн.плата; 7-стяжной винт; 8-боковая стенка; 9-ячейка.