Физика отказов и влияние эксплуатационных факторов на надежность элементов

Никулин С. М. «Надежность элементов  РЭА»

1. ФИЗИКА ОТКАЗОВ И ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ

1.1 ПРИЧИНЫ ОТКАЗОВ ЭЛЕМЕНТОВ

На элементы РЭА постоянно воздействуют внешние и внутренние эксплуатационные факторы. К первым относятся температура, влажность, давление и химический состав окружающей среды, радиация, электромагнитные поля, механические нагрузки, возникающие при эксплуатации (вибрации, удары) и другие факторы, влияющие на элементы независимо от того, работают они или выключены. Ко вторым факторам относятся напряжения и токи установившихся и переходных режимов работающих под нагрузкой элементов и возникающие в связи с этим выделение в элементе тепла, образование электрических и магнитных полей, механические нагрузки.

Из-за воздействия эксплуатационных факторов в материалах элементов  протекают различные физико-химические процессы, изменяющие их свойства: диффузионные процессы в объеме и на поверхности; перемещение и скопление точечных дефектов и дислокаций в твердых телах; флуктуационные разрывы межатомных связей в металлах и сплавах; разрыв химических связей цепей макромолекул полимерных материалов; сорбционные процессы; электролитические процессы; сублимация материалов; действие поверхностно-активных веществ; структурные превращения в сплавах металлов и др. Скорость и характер протекания этих процессов определяются концентрацией основных веществ и примесей в материалах и уровнями энергетических воздействий на элемент эксплуатационных факторов.

Концентрация проникающих в  материалы веществ и уровень  энергетических воздействий зависят  от качества защиты элемента от влияния  внешних и внутренних эксплуатационных факторов. Возрастание интенсивности  их воздействия на элемент увеличивает  скорость протекания физико-химических процессов, в результате чего возникают  обратимые и необратимые изменения  в материалах.

Обратимые изменения обусловлены  обменом материала элементов с внешней средой за счет сорбции и десорбции, температурными изменениями свойств материала и другими явлениями.

Необратимые же изменения вызываются протеканием в материалах химических реакций; проникновением в них из внешней среды различных веществ и изменением их концентраций в объеме и на поверхности за счет процессов диффузии, а также диффузионным перераспределением остаточных примесей в материалах; отдачей вещества материала во внешнюю среду вследствие сублимации, эрозии и износа; развитием микротрещин в структуре материала, локальными разрушениями и другими процессами.

Возникновение различных физико-химических процессов в материалах и скорость их протекания обусловлены уровнем воздействующих энергий: механической, тепловой, электрической, химической и связан с превращением одного вида энергии в другой. Большинство процессов являются термически активируемыми процессами, т. е. они могут протекать только при определенном уровне тепловой энергии, причем интенсивность их увеличивается при нагревании элемента. Поэтому тепловая энергия часто играет определяющую роль в развитии физико-химических процессов в материалах элементов.

Накопление изменений в материалах приводит к изменению их свойств, параметров элементов и в конечном счете к появлению постепенных и внезапных отказов. Поэтому деление отказов на постепенные и внезапные, с которыми связано создание различных вероятностных моделей отказов, является условным. Различие заключается в скорости накопления изменений. При внезапных отказах этот процесс развивается быстро (лавинообразно) из-за резкого увеличения скорости физико-химических процессов. Это происходит за счет прогрессирующего уменьшения прочности оставшихся звеньев структуры элемента после разрушения наиболее слабых звеньев, в результате чего нормальный уровень нагрузки начинает превышать уровень его прочности. При медленном накоплении изменений может наступить постепенный отказ, когда значение параметра выходит за поле допуска, а прогрессирующее разрушение структуры еще не началось.

Если уровни эксплуатационных нагрузок превышают допустимые для элемента значения, то это приводит к разрушению структуры его материалов и внезапному отказу.

Таким образом, существует принципиальная причинно-следственная связь  последовательности   или   цепи  событий,   приводящих к отказам элементов. Так, воздействующие на элемент эксплуатационные факторы порождают физико-химические процессы в материалах, которые приводят к изменению свойств этих материалов. В результате этого изменяются параметры элемента и, когда хотя бы один из них выходит за поле допуска, наступает отказ. В этой цепи предшествующее событие выступает как причина последующего события. Исходной же причиной отказов, движущей силой их проявления являются эксплуатационные факторы. Практически можно сделать элемент сколь угодно высокой надежности, но принципиально нельзя создать абсолютно надежный элемент, т. е. элемент с вероятностью безотказной работы p(t) = 1 =const.

Элементы любого типа проектируются  с учетом заданных уровней эксплуатационных нагрузок, и запас их прочности рассчитывается из условия получения заданной надежности, например заданного среднего срока службы t_сл и допустимого отклонения от него ±Δt_сл. Если конкретный элемент данного типа, правильно сконструированный и работавший при нормальных уровнях нагрузок, имел срок службы

t`_сл < t_сл - Δt_сл, то это означает, что при производстве этого элемента допущены отклонения от установленных норм. При этом говорят о производственном отказе и в качестве причины его возникновения указывают на нарушения технологического процесса или его несовершенство. В действительности эти нарушения приводят к снижению надежности элемента из-за образования слабых звеньев в его структуре при производстве, а причиной самого отказа является рассмотренная выше цепь событий.

Аналогично причиной конструктивного отказа для краткости называют ошибки при проектировании, а причиной эксплуатационного отказа — нарушение правил эксплуатации.

Отказы периода приработки обусловлены  значительным снижением надежности некоторых элементов вследствие грубых ошибок при конструировании и в технологии, несоблюдения требований конструкторской и технологической документации, применения материалов с недопустимыми отклонениями параметров, недостаточного контроля качества в процессе производства и т. д. Эти недостатки в принципе устранимы, а элементы со скрытыми грубыми дефектами могут быть выявлены в процессе тренировок и испытаний.

Отказы в период нормальной эксплуатации при нагрузках, не превышающих допустимых уровней, вызваны снижением надежности отдельных элементов из-за менее грубых ошибок и отклонений от норм, что также принципиально устранимо. Но, в конечном счете, достигаемый уровень надежности в этот период обусловлен неучтенными при проектировании и производстве явлениями физико-химических процессов в материалах.

Отказы в период интенсивного старения элементов обусловлены снижением  надежности элементов за счет возрастания  скорости накопления необратимых изменений в материалах, вызванного недостатком резервов, компенсирующих ухудшение параметров элементов.

Наибольший уровень надежности элементов определяется качеством применяемых материалов, степенью совершенства технологического процесса производства и методов проектирования элементов, что в конечном счете зависит от уровня наших знаний физики отказов. Практические же возможности повышения надежности элементов обусловлены экономической целесообразностью реализации того или иного уровня надежности.

1.2 ЦИКЛИЧНОСТЬ РАБОТЫ И ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Цикличность работы элементов и  переходные процессы, возникающие при включении и выключении РЭА, могут существенно влиять на надежность элементов.

Циклическому воздействию элементы подвергаются при периодическом включении под нагрузку, при изменениях условий эксплуатации и суточном изменении температуры, влажности и давления. Цикличность работы, периодические воздействия различных факторов на элементы, особенно колебаний температуры, приводят к многократным изменениям механических напряжений в материалах и узлах элементов, вызванных различием в температурных коэффициентах расширения различных материалов. Это в свою очередь ведет к появлению остаточных дефектов структуры материалов и деформаций в узлах элементов. В результате возникают остаточные изменения параметров элементов, которые иногда называют циклическими изменениями. Например, при периодическом нагревании конденсатора после каждого цикла будет наблюдаться остаточное изменение емкости, которое после нескольких циклов может менять свой знак. Эти циклические изменения со временем могут выйти за поле допуска, что приводит к постепенному отказу. С увеличением интенсивности циклического воздействия (перепада нагрузок и частоты циклов) остаточные механические деформации могут привести к прогрессирующему разрушению конструкции элемента, в результате чего возникает внезапный отказ.

Даже при относительно малых  значениях интенсивности отказов *_ц, при большом числе циклов надежность элементов может существенно снижаться и определяться в основном факторами, связанными с цикличностью работы.

При каждом включении и выключении аппаратуры элементы подвергаются воздействию  электрических и прочих переходных процессов, определяемых ее электрическими схемами и конструкцией. Перегрузки за счет этого могут достигать больших значений и приводить к снижению надежности элементов. Результаты проведенных испытаний РЭА показали, что наибольшее количество отказов элементов происходит в начальный период после включения. С увеличением числа циклов работы увеличивается и число воздействий переходных процессов на элементы, что также снижает их надежность.

Процесс установления напряжений и  токов в элементах после включения  аппаратуры определяется постоянными  времени цепей и колеблется от 1 до 20 с. За это время отношение амплитуды выброса тока или напряжения к их установившимся значениям может достигать нескольких десятков. Переходные процессы при выключении аппаратуры протекают обычно быстрее (до 3 с) и сопровождаются меньшими перегрузками. Переходные электрические процессы приводят к двум основным типам характерных отказов: короткому замыканию в результате пробоя и обрыву соединений при перегорании. Другие типы переходных процессов, связанные с установлением номинальной температуры элементов, влажности, механических напряжений, оказывают также существенное влияние на надежность. Из них наиболее существенны тепловые переходные процессы.

Для уменьшения влияния переходных процессов на надежность элементов  в РЭА применяют циклический  «плавный» режим, характеризуемый замедлением скоростей нарастания и спада питающих напряжений при включении и выключении аппаратуры специальными устройствами. Это позволяет иногда в несколько раз повысить надежность элементов и РЭА в целом.

1.3 МЕХАНИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ

В зависимости от назначения аппаратуры и места ее установки элементы могут подвергаться различным механическим воздействиям. Наиболее опасными из, них являются вибрации. На современных самолетах частотный диапазон вибраций лежит в пределах от 1—2 Гц до 8—10 кГц. Однако наибольшие амплитуды вибраций находятся обычно в пределах от 10 Ги до 2 кГц. При этом ускорения достигают 10—16g.

Совпадение частот вибраций с собственными резонансными частотами элементов приводит к резкому увеличению амплитуд их колебаний и перегрузкам, что ускоряет процессы разрушения механических узлов, разгерметизации, возникновению коротких замыканий и т. д. В регулируемых элементах под действием вибраций наблюдается нарушение регулировок. Для радиоламп и некоторых других элементов наиболее опасным является интервал частот вибраций от 175 до 500 Гц.

Источником вибрации может быть акустическое воздействие на поверхность  РЭА, что вызывает акустические колебания  элементов. Действие механических ударов по аппаратуре сопровождается возникновением затухающих вибраций элементов на собственных  частотах. Ударная нагрузка может  привести к механическому разрушению элементов.

В целом механическую прочность  элементов характеризуют: виброустойчивость, вибропрочность, ударостойкость и устойчивость к воздействию постоянных ускорений.

Виброустойчивость — это способность элемента сохранять свои электрические параметры в продолах технических условий при вибрациях в заданном диапазоне частот и ускорений. Она характеризуется также диапазоном частот, ц котором отсутствуют механические резонансы конструкции.

Вибропрочность — это свойство элементов противостоять разрушающему действию внбрапий. Она характеризуется ускорением и длительностью его воздействия, после которых элемент может выполнять свои функции.

Ударостойкость – это способность элемента противостоять воздействию механических ударов. Она характеризуется значением ударного ускорения при заданном числе ударов, выдерживаемых элементом.

Устойчивость к воздействию постоянных ускорений определяет способность элемента выдерживать постоянные ускорения, сообщаемые при помощи центрифуги.