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可靠度設計系列連載--第三回: 降額設計

時間:2018/2/27 瀏覽:3920

可靠度設計系列連載 --第三回: 降額設計



降額設計是使零部件的使用應力低於其額定應力的一種設計方法。

降額設計可以通過降低零件承受的應力或提高零件的強度的辦法來實現。工程經驗證明,大多數機械零件在低於額定承載應力條件下工作時,其故障率較低,可靠性較高。為了找到最佳降額值,需做大量的試驗研究。當機械零部件的載荷應力以及承受這些應力的具體零部件的強度在某一範圍內呈不確定分佈時,可以採用提高平均強度(如通過大加安全繫數實現)、降低平均應力,減少應力變化(如通過對使用條件的限制實現)和減少強度變化(如合理選擇工藝方法,嚴格控制整個加工過程,或通過檢驗或試驗剔除不合格的零件)等方法來提高可靠性。對於涉及安全的重要零部件,還可以採用極限設計方法,以保證其在最惡劣的極限狀態下也不會發生故障。

1)降額設計概念與目的

l   元器件的可靠性試驗表明,失效率將隨著工作電壓、環境溫度的增加而成倍地增加,

l   降額設計就是使元器件或設備工作時承受的工作應力適當降低於元器件或設備的額定值;

l   降低基本故障率、提高使用可靠性的目的(例子:陶瓷電源)

l   降額主要因素:電應力和溫度

l   降額設計的關鍵:降額的程度與效果;

l   不同類型的元器件對不同應力(電、熱、機械、低氣壓等)的敏感程度是不相同的,因此,降額的重點也是不相同的。例如,電阻的降額重點是功率和工作溫度、電容的降額重點是端電壓和工作溫度、積體電路的降額重點是工作電壓和結溫,等等。由於溫度對任何產品的可靠性的影響具有普遍性,因此,對任何產品而言,溫度都是必不可少的降額參數。

l   通常情況下,手冊上給出的降額等級或者降額參數都是靜態的。實際上,當電路正常工作時,電壓和電流都不是常值,而是處在動態的變化之中,尤其是通電或斷電的瞬間以及電路工作狀態切換時,還會出現浪湧電流或浪湧電壓。因此,在進行降額設計時,還要考慮到電路中可能出現的“動態電應力”,即在直流電壓(電流)的基礎上,再加上動態峰值電壓(電流),作為“總的電應力”。

l

降額準則說明


2)降額設計的機理

n  對電子設備最有影響的應力包括電應力(電壓、電流、功率和頻率)、溫度應力(溫度、濕度)、機械應力(振動、衝擊)等。

n  降額包括有意識地降低元器件所承受的應力和元器件的降額使用。

n  如元器件承受突然的應力變化,如電壓波動等,應注意瞬時值也不應該超過額定值。同時也要考慮批量元器件可靠性參數的分佈情況。

n  過度降額並無益處。如金屬膜電阻器的基本故障率隨工作應力的變化。

3) 降額設計的主要考慮

n  降額設計主要考慮三個問題:

l  降額的基準值,即從什麼樣的溫度、電應力值開始降額;

l  降額尺度,即降額多少合適;

l  降額效果。

n  如薄膜電阻器的降額曲線。

l ABC曲線反映了該型電阻器降額的基準值

l IIIIII級降額曲線反映了不同的降額尺度

l  降額效果可以通過對元器件的故障率預計模型獲得


4) 降額等級

n  一般地,元器件的降額可分為三個等級

l I級降額,是最大程度地降額,適用於設備故障將會危及安全、導致任務失敗和造成嚴重的經濟損失情況時的降額設計。它是保障設備可靠性所必需的最大降額,若採用比他還大的降額,不但設備可靠性不會增長多少,而且設計上難以接受。

l II級降額,是中等程度地降額,適用於設備故障將會使工作任務降級和發生不合理的維修費用情況下的降額設計。這級降額仍處於降低工作應力可對設備可靠性提高有明顯作用的範圍內,它比I級降額易於實現。

l III級降額,是最小程度的降額,適用於設備故障只會對任務的完成有小的影響並易於修復的情況,這級降額的可靠性增長效果最大,設計上也不會有什麼困難。

5) 降額標準

n  對於數位電路,實際扇出係數與額定扇出係數之比應小於0.9。規定的電源電壓不能超出。

n  一般電容器的電壓降額係數取為0.4-0.5,其失效率約為額定失效率的1/10

n  電阻器的功率降額係數取為0.5左右。

n  對於開關及連接件,其電流降額係數應在0.5以下。如繼電器,指的是觸點電流降額。

n 降額設計不能隨便用,降額不足或降額太大都可能出現危險。


6) 降額設計原則

n  各類元器件均有一個最佳的降額範圍,在此範圍內應力變化對其故障率影響較大。過度的降額也不可取,增加元器件的數量;降額到一定程度後,可靠性的提高是很微小的;過度降額反而有害:大功率電晶體在小電流下,大大降低放大係數而且參數穩定性降低;繼電器的線包電流不僅不能降低,反而應在額定值之上,否則影響可靠的接觸;

n  電應力降額容易,對溫度降額,主要依靠熱設計;

n  降額提高可靠性,但要綜合考慮可靠性、體積、重量和費用等問題;

n  根據設計、可靠性等的需要進行,一般參照GJB/Z-35《元器件降額準則》在datafiles中。


7) 降額準則的制定

在工程型號中制定降額準則,指導降額設計;

l  參照GJB/Z-35制定降額準則(file:2.3_GB-35-93元器件可靠性降额准则国家标准)

l  根據可靠性需求、以往的經驗或相似型號的降額準則確定

w  元器件的種類及其在不同重要性要求下的降額等級;

w  系統/分系統及其要求的降額等級;

w  確定具體的參數應力;

l  編制降額準則初稿;

l  廣泛徵求意見,修改降額準則初稿;

l  確定正式的“降額準則”;

在選用元器件時,要貫徹以下原則:

1) 要嚴格限制元器件的種類、規格和數量;

2) 要根據元器件在產品中的重要性、使用環境、維修級別等,在優選手冊中選取。元器件的品質等級要符合使用環境條件的要求;失效率要符合可靠性的要求;性能指標要滿足功能的要求;

3) 盡可能不用或者少用非標準件和手冊外元器件;

4) 如果因為某種特殊要求,需要在優選手冊外選取元器件時,要嚴格按照規定的審批程式進行審批。

5) 在選用元器件時,即使是國產器件,元器件製造廠家的品質信譽和供貨能力,也是必須考慮的要素。

6) 儘量少用進口元器件,在特殊情況下非用不可時,除技術參數、環境參數、品質等級必須滿足使用要求外,還必須具有可靠的、穩定的供貨管道。

1)為什麼要控制電子元器件的選擇與正確使用

n  電子元器件是電子、電氣系統的基礎產品,是能夠完成預定功能而不能再分割的電路基本單元,其自身的可靠性是十分重要的;

n  設計人員注重元器件的功能與性能,不關心其“品質等級”;

n  元器件的採購缺乏“品質等級”概念“,管道不暢、不穩;

n  元器件的使用:近一半的元器件失效並非由於元器件本身的固有可靠性不高,而是由於使用者對元器件選擇不當或使用有誤。

2)電子元器件的品質等級

n 品質等級:是指元器件裝機使用之前,在製造、試驗及篩選過程中其品質的控制等級。 它對元器件的失效率有很大的影響。

n  目前,預計國外、國內元器件失效率時,用品質係數πQ作為不同品質等級對元器件工作失效率影響的調整係數。

3)元器件的選擇與控制

n 目的

l  保證元器件的性能、品質等應滿足產品要求;

l  保證暢通的採購管道、穩定的貨源;

l  減少品種;

l  降低採購費用;

l  正確的使用。

n 選擇控制的總原則

l  元器件的技術性能、品質等級、使用條件等應滿足產品要求;

l  優先選用經實踐證明品質穩定、可靠性高、有發展前途且供應管道可靠的標準元器件;

l  在產品設計時,應最大限度地壓縮元器件的品種、規格及其生產廠點;

l  要嚴格控制新研元器件的使用。

4)元器件的正確使用

n  使用中存在的問題

l  對元器件的性能掌握不夠。

l  測試不當或測量儀器接地不當而燒毀電路。

l  調機不當,造成損傷

l  靜電損傷值得注意

n  措施

l  降額使用

l  熱設計

l  抗輻射設計

l  防靜電設計

l  操作過程中的問題

l  儲存與保管的問題

n  抗輻射設計

l  航天器中使用的元器件:外空間的各種輻射

l  核爆炸環境:高能中子和射線

n  防靜電設計

l  製造過程(人的靜電防護)

l  儲存

l  運輸過程

n  操作過程中的問題

l  安裝的機械損傷

n  儲存與保管的問題

l  存儲環境