Войти / Регистрация

Расчёт и программа подтверждения надёжности источников питания

Статья для журнала "Современная Светотехника" №6/2024

В.С. Безруков, А.В. Швец, Д.О. Иванилов

В статье рассмотрен расчет надежности источника питания и полученные результаты на примере расчета надежности модели STAR 100–700T Industrial. Рассмотрены методические указания по экспериментальному подтверждению надежности, продолжительность испытаний. Даны практические предложения по экспериментальному подтверждению надежности.

Введение

Внедрение энергоэффективных технологий в современном освещении неразрывно связано с использованием светодиодных светильников, работа которых сильно зависит от качества вторичных источников питания. Одним из ключевых факторов, определяющих качество вторичных источников питания, является их надежность. Методика расчета надежности источников питания компании «Трион», далее – Компания, представлена в статье [1], где вся процедура расчета надежности проиллюстрирована на примере модели STAR 100–700T Industrial ТУ 27.11.50-002-27335237-2022, разработанной Компанией.

Расчет надежности источника питания

По данным технических условий [2], источник питания STAR 100–700T Industrial ТУ 27.11.50-002-27335237-2022, далее – источник питания, представляет собой встраиваемый стабилизированный одноканальный источник вторичного питания, который обеспечивает стабильную работу светодиодных модулей с точным значением постоянного тока в заданном диапазоне напряжения. Источник питания предназначен для работы от однофазной сети переменного тока с параметрами 230 В ±20% и частотой 50 Гц ±10%.

По своему назначению, выполняемым задачам, возможности восстановления работоспособности после отказа в процессе эксплуатации и возможности технического обслуживания источник питания в соответствии с классификацией, установленной ГОСТ 27.003 [3], представляет собой невосстанавливаемый, обслуживаемый объект конкретного назначения и многократного циклического применения, надежность которого характеризуется средней наработкой до отказа.

Анализ конструкции источника показал, что его работоспособность обеспечивают следующие нерезервируемые электрорадиоизделия: микросхемы, диоды, транзисторы, конденсаторы, резисторы, варисторы, дроссели, трансформаторы, кабели и печатные платы.

Изучение отечественной и зарубежной лите-ратуры по надежности электрорадиоизделий [3–9] позволяет заключить, что наиболее актуальные данные о надежности доступны в справочниках ФГУП «22 ЦНИИ МО РФ» [7, 8]. Справочник «Надежность изделий электронной техники для устройств народно-хозяйственного назначения» [5] недоступен в открытом доступе и не переиздавался с момента выхода в 1990 году, вероятно, из-за закрытия ВНИИ «Электростандарт». Актуальные данные о надежности электрорадиоизделий, отсутствующие в справочниках ФГУП «22 ЦНИИ МО РФ» [7, 8], были взяты из справочника MIL-HDBK-217F [9]. Например, данные об электрорадиоизделиях поверхностного монтажа.

В связи с использованием в источнике элементной базы импортного производства в невоенной сфере в отношении расчета надежности источника выбран трудоемкий, но один из наиболее достоверных вариантов расчета — расчет надежности по характеристикам надежности электрорадиоизделий - аналогов импортного производства с определением коэффициентов моделей, учитывающих условия эксплуатации изделия и качество изготовления электрорадиоизделий коммерческого (не военного) назначения импортного производства.

Детальный анализ состава источника питания STAR 100-700T Industrial позволил выделить элементы, определяющие его надёжность, взаимная увязка характеристик надёжности которых с учётом положений справочной литературы позволила разработать методику определения средней наработки источника до отказа.

Проведённый расчёт средней наработки источника питания STAR 100-700T Industrial до отказа показал, что расчётная оценка средней наработки до отказа составляет 82112 часов. Анализ выполнения требований ТУ показывает, что полученная оценка средней наработки до отказа позволяет выполнить требования ТУ по надёжности и многократно (более чем в 8 раз) превышает установленные в ТУ требования (по ТУ – не менее 10000 часов).

Экспериментальное подтверждение надежности

Анализ нормативно-технической литературы [10-13] показал, что в документе РД 50-690-89 «Методические указания. Надежность в технике. Методы оценки показателей надежности по экспериментальным данным» наиболее полно описан порядок оценки показателей надежности для инженерной практики.

В соответствии с методическими указаниями для определения экспериментальных оценок показателей надежности проводят следующие указанные работы: выбор плана испытаний на надежность; планирование испытаний; сбор необходимой информации; статистическая обработка информации.

Обозначения и определения планов испытаний на надежность достаточно полно представлены в государственном стандарте [10]. План испытаний на надежность устанавливает: число объектов испытаний; порядок проведения испытаний; критерии прекращения испытаний.

Выбор планов испытаний зависит от: типа объекта испытаний; целей испытаний; оцениваемых показателей надежности; условий испытаний и других технико-экономических факторов.

В соответствии с приложением методического указания [13] для невосстанавливаемых объектов при проведении определительных испытаний на надежность для средней наработки объекта до отказа рекомендованы перечисленные планы испытаний [NUN], [NUr], [NUz], [NUT], [NRr], [NRT], определение каждого из которых описано в [1].

По расчетам, проведенным для наиболее подходящих планов, оптимальная продолжительность испытаний составила 65 тыс. часов (~7,4 года). С формулами расчетов для каждого плана испытаний также можно ознакомиться в статье журнала [1].

Столкнувшись с неприемлемым количеством требуемого времени для испытаний, по причине ограниченных сроков опытно-конструкторской работы и затрачиваемых ресурсов, предложенный в научно-технической литературе метод экспериментального подтверждения надёжности реализовать трудоемко, так как нет возможности провести ускоренные испытания.

Сотрудниками компании разработана программа подтверждения надежности источников питания в обеспечение экспериментального подтверждения заданных в ТУ [2] или полученных по результатам расчёта уровней средней наработки до отказа источников питания серии Industrial с использованием сбора и обработки информации о надёжности по результатам наблюдений за функционированием подконтрольной партии источников.

Предлагаемая Компанией программа подтверждения надежности источников питания

Сбор и обработка информации в процессе эксплуатации источников проводится с целью:

— подтверждения достигнутого фактического уровня надёжности путём контроля показателя «средняя наработка до отказа, То»;

— определения наименее надёжных элементов источника и разработки рекомендаций по устранению причин отказов.

Наблюдения проводятся за N источниками на k объектах эксплуатации. В процессе подконтрольной эксплуатации фиксируют все неисправности и отказы источников.

Под неисправностью источника принято решение считать состояние источника, при котором хотя бы один параметр источника не соответствует хотя бы одному из требований, установленных в документации на источник.

Под отказом источника считать событие, заключающееся в нарушении функционирования источника, исключающее возможность его использования для выполнения основной задачи.

Отказы источников разделяются на зачётные и не зачётные.

Отказ источника является не зачётным, если:

— отказ, вызван нарушениями правил эксплуатации или неправильными действиями эксплуатирующего персонала;

— отказ произошёл по причине выхода за требуемые пределы внешних факторов, оговоренных и заданных в ТУ (питающее напряжение, температура окружающей среды, относительная влажность воздуха и т.д.);

— причины отказа однозначно устранены и не могут проявляться в дальнейшем.

Остальные отказы, в том числе, по которым не представляется возможным принять меры по исключению причин их возникновения, считаются зачётными и учитываются в расчёте надёжности.

Не зачётные отказы в расчёте надёжности не учитываются.

В ходе наблюдений за техническим состоянием источников фиксируется и передаётся следующая первичная информация: зав. номер источника (однократно по каждому источнику); дата изготовления источника (однократно по каждому источнику); дата ввода в эксплуатацию (однократно по каждому источнику); условия эксплуатации (характеристики помещения, улица и т.д., характеристики питающего напряжения) (однократно по каждому объекту эксплуатации); наработка источников (ежемесячно не позднее определенного числа месяца, следующего за отчётным).

При возникновении неисправности (отказа) источника объект эксплуатации формирует и направляет следующую информацию: дата, время, внешнее проявление неисправности (отказа) источника; наименование, обозначение, заводской номер, наработка неисправного источника; условия, при которых произошёл отказ (характеристики входного тока и напряжения, температура и влажность окружающей среды).

Отказавший источник с сопроводительной документацией, содержащей сведения, указанные в настоящем пункте, передаётся для исследования и классификации отказа.

Исследование причин неисправности (отказа) источника проводится в течение нескольких рабочих дней после получения неисправного источника и сопроводительной документации на него. По результатам исследования составляется и направляется акт, в котором указывается: сведения об отказавшем источнике (наименование, обозначение, заводской номер, наработка); дата, время, внешнее проявление неисправности (отказа) источника; условия, при которых произошёл отказ (характеристики входного тока и напряжения, температура и влажность окружающей среды); перечень работ, проведённых для определения причин неисправности (отказа) источника; причина неисправности (отказа) источника; классификация неисправности (отказа) (конструкционный, производственный, эксплуатационный, дефект не подтвердился); предложения по исключению повторения неисправности.

По итогам сбора и анализа вышеуказанных сведений специалистом по надёжности готовится полугодовой (или годовой) аналитический отчёт (или справка) о техническом состоянии и надёжности источников по результатам подконтрольной эксплуатации, содержащий сведения о подтверждённом уровне надёжности источника, предложения о целесообразности продолжения наблюдения и рекомендации по исключению выявленных неисправностей и отказов.

Планирование наблюдений программы подтверждения надежности источников питания

Планирование наблюдений заключается в определении количества источников N и продолжительности наблюдений за их работой τ при выявлении m зачётных отказов, необходимых для подтверждения расчётной оценки (или требуемой по ТУ) средней наработки источника до отказа, To.

Определение минимальной продолжительности наблюдений проводится по формулам:

при отсутствии зачётных отказов (m = 0)

формула 1

при наличии зачётных отказов (m ≠ 0)

формула 2

Минимальные продолжительности наблюдений τmin в часах, рассчитанные по формулам (1) и (2) для средней наработки на отказ To = 82112 часа при различном количестве зачётных отказов m от 0 до 3 и количестве источников N от 10 до 70 приведены в таблице 1.

таблица 1

При отсутствии отказов (m = 0) оценка средней наработки источника до отказа   по результатам наблюдений определяется по формуле:

формула 3

где     ti – наработка i – го источника по результатам наблюдений.

При наличии отказов (m ≠ 0) оценка средней наработки источника до отказа   определяется по формуле:

формула 4

где m – количество выявленных отказов;

          τj – наработка изделия до j - го отказа;

          T – время завершения испытания.

Для подтверждения средней наработки источника до отказа по результатам наблюдений уровень средней наработки источника до отказа, заданный в ТУ или полученный по результатам расчёта, считается экспериментально подтверждённым при выполнении следующего неравенства:

формула 5

где Т0  – оценка средней наработки источника до отказа, полученная по результатам наблюдений;

          ТТУ(РР) – уровень средней наработки источника до отказа, заданный в ТУ или полученный по результатам расчёта

Заключение

Предложенный расчет надежности учитывает условия эксплуатации изделия и качество изготовления электрорадиоизделий коммерческого назначения импортного производства, что даёт более достоверные данные.

Предложенная компанией «Трион» программа подтверждения надежности источников питания, для определения экспериментальных оценок показателей надежности и для подтверждения заданных в ТУ или полученных по результатам расчёта уровней средней наработки до отказа источников питания серии Industrial, основана на сборе и обработке информации о надёжности по результатам наблюдений за функционированием подконтрольной партии источников питания.

Программа подтверждения надежности источников питания позволяет за счет определения зачетных и незачетных отказов и увеличения количества объектов наблюдений сократить оптимальную продолжительность испытаний с 65000 часов до 813 часов при отсутствии выявленных зачетных отказов, и до 3520 часов при выявленных трех зачетных отказах.

Оптимальная продолжительность испытаний в диапазоне от 813 до 3520 часов при использовании на объекте эксплуатации 70 штук источников питания может укладываться в сроки опытно-конструкторских работ и снизит объем затрачиваемых ресурсов для экспериментального подтверждения надёжности.

Литература

1.       О надежности источников питания / А.В. Швец, А.С. Сорокин, С.Д. Панин, В.С. Безруков // Полупроводниковая светотехника журнал. — 2023. –— № 4. — С. 26–31.

2.       Источник питания STAR серии Industrial. Технические условия. ТУ 27.11.50.002-27335237-2022. М.: ООО «ТРИОН», 2022.

3.       ГОСТ 27.003-2016. Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности.

4.       ГОСТ Р 27.102-2021. Надежность в технике. Надежность объекта. Термины и определения.

5.       ГОСТ 27.301-95. Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения.

6.       Надежность изделий электронной техники для устройств народно-хозяйственного назначения. Справочник. Разработан в соответствии с руководящим документом РД 50-670-88. М.: ВНИИ «Электростандарт», 1990.

7.       Надежность электрорадиоизделий. Справочник. Разработан в соответствии с руководящим документом РД В 319.01.20-98. М.: ФГУП «22 ЦНИИ МО РФ», 2006.

8.       Надежность электрорадиоизделий импортного производства. Справочник. Раз-работан в соответствии с руководящим документом РД В 319.01.20-98. М.: ФГУП «22 ЦНИИ МО РФ», 2006.

9.       Reliability prediction of electronic equip-ment: Military Handbook MIL–HDBK-217F, Notic 2. Washington, Department of Air Force, 1995.

10.     ГОСТ 27.410-87. Методы контроля показателей надежности и планы контрольных испытаний на надежность.

11.     ГОСТ 27.402-95. Надежность в технике. Планы испытаний для контроля средней наработки до отказа (на отказ). Часть 1. Экспоненциальное распределение.

12.     Аронов И. З., Бодин Б. В., Лапидус В. А. Надежность и эффективность в технике. Т. 6. Экспериментальная отработка и испытания. М.: Машиностроение, 1989.

13.     Методические указания. Надежность в технике. Методы оценки показателей надежности по экспериментальным данным. РД 50-690-89. М., 1990.

 

10.01.2025

Возврат к списку

Остались вопросы?

Оставьте онлайн-заявку, и наш менеджер свяжется с Вами в ближайшее время.

Задать вопрос
Мы используем cookie-файлы 
Корзина ×
Авторизация