Тестирование надежности авиационной электроники

Тестирование надежности авиационной электроники: количественная оценка долговечности для обоснованных закупок

Для менеджеров по закупкам B2B и инженеров по надежности в аэрокосмической, оборонной и тяжелой промышленности надежность является высшей мерой ценности. В то время как квалификационные испытания доказывают, что контактор или авиационный датчик военной авиации могут выдерживать определенные нагрузки, испытания на надежность количественно определяют вероятность его выхода из строя с течением времени. Эти критически важные данные напрямую влияют на общую стоимость владения, планирование технического обслуживания и риски в цепочке поставок. В этом руководстве рассматриваются методологии тестирования надежности авиационной электроники, ключевые показатели, такие как среднее время безотказной работы, и объясняется, как интерпретировать данные о надежности при выборе компонентов для систем, начиная от мониторов авиационных двигателей и заканчивая авиационными счетчиками для наземного вспомогательного оборудования дронов .

Основы: определение надежности и ключевых показателей

Надежность — это вероятностная инженерная дисциплина с конкретными измеримыми результатами.

Основные показатели надежности:

• Надежность R(t): Вероятность того, что компонент будет выполнять предназначенную функцию без сбоев в течение заданного времени t при установленных условиях. Часто выражается в процентах (например, R(1000 часов) = 99,5%).
• Среднее время между отказами (MTBF): Среднее время между ремонтируемыми сбоями системы. Ключевой показатель для таких систем, как блок управления поездом . Примечание. Часто неправильно применяется к предметам, не подлежащим ремонту; для этого используйте MTTF.
• Среднее время до отказа (MTTF): среднее время до отказа неремонтопригодного компонента (например, авиационного предохранителя или герметичного датчика).
• Частота отказов (λ): количество отказов в единицу времени. В течение срока полезного использования оно часто является постоянным и зависит от среднего времени безотказной работы (λ = 1/MTBF).
• Уровень уверенности (C): статистическая достоверность (например, 90%, 95%), связанная с прогнозом надежности. «1 000 000 часов наработки на отказ при доверии 60 %» гораздо менее значимы, чем «100 000 часов при достоверности 90 %».

Методики тестирования надежности

Разные тесты отвечают на разные вопросы надежности.

1. Испытание на долговечность (испытание на выносливость)

Тестирует компонент на отказ или заданную продолжительность при нормальных условиях эксплуатации.

• Цель: Оценить MTTF/MTBF и выявить механизмы изнашивания.
• Метод: Выборка блоков работает непрерывно (например, циклическое переключение военного авиационного реле при номинальной нагрузке) до тех пор, пока заранее определенное количество не выйдет из строя или не будет достигнут предел времени.
• Вывод данных: время отказов, которое затем анализируется с использованием статистических распределений (Вейбулла, экспоненциального) для расчета показателей надежности.

2. Ускоренное тестирование срока службы (ALT)

Применяет повышенную нагрузку для более быстрого ускорения сбоев, а затем моделирует нормальные условия.

• Цель: получить прогнозы надежности компонентов с длительным сроком службы (например, авиационного датчика с расчетным сроком службы 20 лет) в рамках практических испытаний.

• Модель Аррениуса: Для повышения температуры. Повышение температуры ускоряет химические отказы (например, высыхание электролитического конденсатора).
• Закон обратной мощности: для ускорения по напряжению, току или вибрации. Увеличение напряжения может ускорить пробой диэлектрика.
• Ключевое требование: Режим отказа при ускоренной нагрузке должен быть таким же, как и при нормальном использовании. В противном случае экстраполяция недействительна.

3. Высокоускоренное жизненное тестирование (HALT) и высокоускоренное тестирование стресса (HASS)

Был пионером в выявлении слабых мест в конструкции и процессах.

• ОСТАНОВКА (этап проектирования): Качественный исследовательский тест. Нагрузки (температура, вибрация, циклическое переключение мощности) быстро возрастают, выходя за пределы технических требований, чтобы найти пределы эксплуатации и разрушения. Цель — найти и исправить слабые места, а не предугадать жизнь.
• HASS (фаза производства): количественный скрининговый тест, основанный на пределах HALT. 100% производственных единиц (например, каждый модуль управления авиационным двигателем ) перед отправкой подвергаются короткой проверке с высокой нагрузкой для выявления скрытых производственных дефектов (детской смертности).

4. Скрининг экологического стресса (ESS)

Более широкая категория производственного скрининга.

• Цель: Устранить ранние сбои из популяции продуктов перед поставкой.
• Типичный профиль: циклическое изменение температуры (например, от -40°C до +85°C) в сочетании со случайной вибрацией, часто в соответствии с индивидуальными профилями на основе MIL-STD-810 или внутренних данных.
• Отличие от HASS: напряжения ESS обычно ниже и ближе к экстремальным эксплуатационным значениям, в то время как HASS использует напряжения, полученные из проверенных пределов продукта.

Система закупок: оценка заявлений поставщиков о надежности

Выйдите за рамки маркетинговых заявлений и оцените проверенные данные о надежности.

1. Запросите документированные данные о надежности для конкретных требований: запросите отчет о прогнозировании надежности или сводку испытаний для конкретного компонента (например, номер по каталогу: XYZ-123 Контактор для военной авиации ). Отклоните общие претензии.
2. Внимательно изучите методологию: как были получены данные? Это было из:
   • Исторические полевые данные: (лучше всего) Фактические данные об отказах из большой установленной базы.
   • Ускоренное тестирование на срок службы: (хорошо) Требуется обзор модели ускорения и проверка соответствия режимов отказа.
   • Стандарты прогнозирования (MIL-HDBK-217F/SN29500): (консервативная оценка) основаны на количестве деталей и общей частоте отказов. Полезно для раннего проектирования, но менее точно, чем эмпирические данные.
3. Проверьте уровень уверенности и размер выборки. Прогноз, основанный на тестировании 3 единиц в течение 1000 часов, гораздо менее правдоподобен, чем прогноз, основанный на 50 единицах или обширных полевых данных. В отчете должны быть указаны доверительные интервалы.
4. Проверьте применимость к вашим условиям использования. Среднее время безотказной работы реле при 25°C, номинальной нагрузке 50 % сильно отличается от его среднего времени безотказной работы при 85 °C, 100 % номинальной нагрузки в моторном отсеке. Убедитесь, что данные соответствуют профилю вашего приложения.
5. Запросите информацию о текущих испытаниях на надежность (ORT). Выполняет ли поставщик периодические отборы проб с производства для текущих испытаний на срок службы? Это демонстрирует приверженность постоянному мониторингу.

Тенденции отрасли: прогнозируемая надежность и надежность на основе данных

Достижения в области обеспечения надежности

• Цифровой двойник для прогнозирования надежности: действующая цифровая модель компонента, дополненная реальными эксплуатационными данными, используемая для моделирования старения и прогнозирования остаточного срока службы (RUL) с высокой точностью.
• Моделирование физики отказов (PoF): использование фундаментальных физических и химических моделей (например, моделирование электромиграции в ИС, распространения трещин) для прогнозирования механизмов и времени отказа, что снижает необходимость в обширных физических испытаниях.
• Аналитика больших данных в процессе эксплуатации автопарка: агрегирование данных датчиков и записей об обслуживании тысяч находящихся на вооружении единиц для выявления реальных моделей отказов, корреляций стрессов и проверки лабораторных прогнозов.
• Моделирование роста надежности (Crow-AMSAA): отслеживание того, как надежность улучшается с течением времени в ходе разработки по мере обнаружения и исправления конструктивных недостатков, а также прогноз того, когда целевая надежность будет достигнута.
• ИИ для обнаружения аномалий в тестовых данных: использование машинного обучения для выявления едва заметных сигнатур перед сбоем в потоках данных жизненных испытаний (например, постепенное изменение выходного шума датчика), которые люди могут пропустить.

Фокус: Стандарты и документация по надежности рынков России и СНГ.

Требования надежности в этом регионе часто формализованы через государственные стандарты.

1. Стандарты надежности ГОСТ: Обязательное соблюдение стандартов надежности ГОСТ, таких как ГОСТ 27.002 (Надежность в технике. Основные понятия), а также стандартов надежности конкретных типов продукции.
2. Формальный «Паспорт надежности» (Паспорт Надёжности): обязательный документ, в котором указываются гарантированные показатели надежности продукта (MTBF, интенсивность отказов), используемые методы испытаний и условия годности, часто как часть технического паспорта.
3. Государственная сертификация прогнозов надежности. Для критически важных приложений методология и результаты прогнозирования надежности могут потребовать рассмотрения и одобрения уполномоченными государственными институтами.
4. Акцент на расширенных гарантиях и гарантиях. Контракты часто привязывают оплату или штрафы к продемонстрированным показателям надежности в течение гарантированного периода эксплуатации, что делает критически важными проверенные данные испытаний.
5. Испытание надежности в экстремальных климатических условиях: особые требования к демонстрации надежности в условиях длительного экстремального холода или комбинированных условий холода и влажности, отражающих региональные условия эксплуатации.

Ключевые стандарты и справочники по надежности

• MIL-HDBK-217F (Примечание 2): Прогноз надежности электронного оборудования. Классический (хотя и устаревший) справочник по прогнозированию надежности подсчета деталей. Часто используется в контрактах.
• IEC TR 62380 / RDF 2000: Более современные справочники данных по надежности, используемые в коммерческой и европейской аэрокосмической отрасли.
• MIL-STD-785: Программа обеспечения надежности для разработки и производства систем и оборудования. Описывает задачи, необходимые для комплексной программы обеспечения надежности.
• MIL-HDBK-189: Управление ростом надежности. Руководства по отслеживанию повышения надежности в ходе разработки.
• Telcordia SR-332: процедура прогнозирования надежности телекоммуникационного оборудования, иногда адаптированная для коммерческой авионики.

Программа обеспечения надежности YM: от прогнозирования к проверенной эффективности

В YM надежность обеспечивается посредством многоэтапной программы. При разработке нового высококачественного датчика вибрации авиационного двигателя наша команда специалистов по надежности сначала создает модель физики отказов (PoF) для определения критических напряжений на элементе МЭМС и паяных соединениях. Это влияет как на проектирование, так и на план испытаний. Затем мы подвергаем прототипы строгой остановке в наших специализированных камерах, чтобы найти слабые звенья и повысить рентабельность проектирования.

Для проверки производства мы проводим ускоренные испытания на срок службы статистических образцов из каждой крупной производственной партии. Например, из партии реле военной авиации будут отобраны образцы для ускоренного электрического испытания на срок службы в 5000 часов при повышенной температуре и напряжении. Данные этих испытаний поступают в нашу собственную базу данных надежности , что позволяет нам предоставлять клиентам прогнозы безотказной работы, подкрепленные эмпирическими данными, а не только ручными расчетами. Кроме того, наши профили HASS , разработанные на основе ограничений HALT, проверяют 100% критически важных линий продукции, гарантируя, что сбои в области детской смертности исключены перед отправкой.

Практическое руководство: определение требований к надежности в запросе предложений

Основные элементы описания работы по надежности (SOW):

1. Определите показатель надежности и цель: « Авиационный счетчик для дронов должен демонстрировать среднее время наработки на отказ (MTBF) не менее 50 000 часов при уровне достоверности 90% в соответствии с эксплуатационным профилем, определенным в Приложении А».
2. Укажите эксплуатационный/окружающий профиль: подробно опишите рабочий цикл, профили нагрузки, условия температуры, вибрации и влажности, для которых должно быть действительно заявление о надежности.
3. Определите метод проверки: укажите, как будет доказываться соответствие (например, «Соответствие должно быть продемонстрировано с помощью демонстрационного испытания надежности в соответствии с MIL-HDBK-781, Планом испытаний XXXX или путем подачи подтвержденного отчета о прогнозировании надежности в соответствии с Уведомлением 2 MIL-HDBK-217F, подкрепленного полевыми данными поставщика за минимум 10 000 совокупных единиц часов».).
4. Требовать доставки данных: обязать доставку полного отчета об испытаниях надежности или прогнозного отчета в качестве результата контракта.
5. Ссылка на гарантию. Рассмотрите возможность согласования гарантийного срока или условий с продемонстрированными показателями надежности.

Распространенные ошибки в характеристиках надежности:

• Указание нереально высокого среднего времени безотказной работы: Требование наработки на отказ в 1 000 000 часов для сложного нового электронного блока может быть нереалистичным и привести к несоблюдению требований поставщиком или завышению стоимости.
• Отсутствие уровня достоверности. Среднее время безотказной работы без уровня достоверности статистически бессмысленно.
• Неопределение эксплуатационного профиля: Надежность не имеет смысла без определенных условий. Надежный компонент в лаборатории с климат-контролем может быстро выйти из строя на лету.
• Путаница MTBF со сроком службы: MTBF — это средняя частота отказов в течение срока службы. Ожидается, что компонент с наработкой на отказ 100 000 часов не прослужит 100 000 часов; это означает, что частота отказов составляет 1/100 000 отказов в час.