Введение к работе
Актуальность темы. Совершенствование горнотехнологических процессов и внедрение новых, более эффективных технологий невозможно без использования систем автоматического управления и обработки информации. Аппаратура систем управления технологическими и производственными процессами, транспортными и горными машинами представляет собой особый, современный класс оборудования на базе вычислительной техники, который в техническом отношении представляет собой электронный модуль или набор модулей различной сложности, как, например, компьютер, бортовая система управления горной машиной или блоки АСУ предприятия.
Ввиду того, что выход из строя модуля ведет к отказу блока или части системы управления, особое значение приобретает повышение надежности электронной аппаратуры и ее устройств. Особенно это относится к технологическим процессам в безлюдных выемках, горнр-шахтному оборудованию повышенной опасности, агрегатам большой единичной мощности и т.п., среди которых доля оборудования с выработанным ресурсом составляет до 40-60 %. Вследствие этого физический износ аппаратуры управления, защиты и сигнализации является основной причиной аварийных остановок оборудования и развития аварийных ситуаций. Отказы оборудования являются событиями случайными по моменту и месту возникновения, но имеют вполне определенные причины, которые вызваны физико-химическими процессами, протекающими в самих элементах и устройствах на различных этапах их жизненного цикла.
Основу любой электронной аппаратуры составляют печатные платы и узлы, из которых затем собирают модули, блоки и устройства. Существует много различных методов изготовления печатных плат. Традиционная суб-трактивная технология имеет принципиальные ограничения, не позволяющие улучшить технические характеристики изделий и приводящие к понижению механической и термической стойкости плат на 20-30 %, что уменьшает надежность электронной аппаратуры, особенности эксплуатации которой в горной промышленности связаны со значительными колебаниями тепловых и электромеханических нагрузок. Наиболее современной является аддитивная технология, однако в Российской Федерации этот метод пока не вышел за пределы отдельных опытных производств.
Для длительной и безотказной работы аппаратуры управления необходимы качественные материалы, элементы и устройства. В качестве элементной базы применяются высоконадежные изделия микроэлектроники, поэтому надежность как новой, так и действующей аппаратуры в целом будет определяться свойствами так называемого с точки зрения надежностных характеристик слабого звена. Физико-химические процессы, протекающие в материалах, элементах и устройствах и приводящие к отказам за время хранения,
транспортирования или эксплуатации горно-технологического оборудования очень сложны, природа их изучена недостаточно. Также практически не исследованы структура и физические свойства химически осажденного металла, определяющего конструктивно-технологические параметры печатных плат и модулей. В связи с этим при проектировании и изготовлении, эксплуатации и ремонте модулей и узлов аппаратуры управления возникает немало трудностей, связанных с особенностями технологических процессов в горной промышленности, условиями работы оборудования, различными климатическими условиями и требованиями, предъявляемыми к аппаратуре. Поэтому более надежную и компактную аппаратуру, изготовленную на основе аддитивной технологии, необходимо приобретать исключительно за рубежом.
Привлечение в данной работе зависимостей, объединяющих конструктивно-технологические параметры модулей и устройств, модели слабого звена и развитие критериев оптимальности на основе фундаментальных физических закономерностей, позволяет конкретизировать и обобщить направление повышения надежности электронной аппаратуры управления, учитывающее особенности ее эксплуатации в горной промышленности, совершенствовать методики расчетов, проектирования и инженерных оценок технических решений.
Связь темы диссертации с государственными программами.
Данная работа выполнена в соответствии с постановлениями ГКНТ и Госплана СССР от 21.10.85 № 593/228 и ГКНТ от 30.08.85 № 355, в соответствии с научно-технической программой 01.05.03 "Разработка теоретических основ построения и проектирования многоуровневых интегрированных систем, включающих сложные управляющие и вычислительные комплексы, роботы и робототехнические системы, автоматизированные рабочие места и другие средства информатики", в рамках комплексной научно-технической программы "Надежность конструкций" (приказ № 659 от 13.11.81 Минвуза РСФСР), программой ГКНТ по проблеме 0.09.05-МП-Фольга, в рамках г/б темы "Развитие теории прогноза технического состояния и надежности сложных механических систем горного оборудования", утвержденной на 1999-2001 гг. в соответствии с тематическим планом Министерства образования (раздел 06.02 "Наука"; № гос. рег.01990010840).
Объект исследования. Аппаратура управления в горной промышленности и ее узлы, техническую основу которых составляют электронные модули и блоки различной сложности, в т.ч. и функционально законченные устройства типа компьютера или бортовой системы управления.
Цель работы. Научное обоснование рациональных конструктивно-технологических параметров электронных блоков, устройств и модулей, обеспечивающих в сложных условиях горной промышленности повышение надежности аппаратуры управления в целом.
Идея работы. Заключается в использовании комплексного подхода к исследованиям надежности технических объектов и состоящего в выявлении слабых звеньев и изучении процессов их изменения до предельного состояния, отражающих закономерности появления отказов и учитывающих особенности эксплуатации горно-технологического оборудования.
Методы исследования. В работе использованы теоретические и численные методы исследования, математическое и физическое моделирование, лабораторные и промышленные испытания, а также классические и современные методы исследования свойств и структуры материалов.
Научные положения, выносимые на защиту.
Установленные закономерности изменения параметров электронных устройств и физического состояния элементов, обусловленные особенностями горно-технологических условий и режимов эксплуатации оборудования и позволяющие разработать модель рабочего состояния модулей.
Использование квазистатического режима расчета напряженно-деформированного состояния слабого звена электронной аппаратуры, соответствующего процессам монтажа, ремонта, испытаний и предельным режимам эксплуатации наземного и подземного оборудования.
Закономерности появления отказов электронной аппаратуры управления в горной промышленности, деформационные и физико-химические процессы, протекающие в устройствах, элементах и материалах вследствие различных внешних воздействий, носящих случайный характер, за время эксплуатации, транспортирования, ремонта и хранения горно-технологического оборудования.
Научно обоснованные критерии и положения, связывающие конструктивно-технологические параметры электронных модулей с особенностями эксплуатации (включая предельные режимы) и ремонта, условиями транспортирования, хранения и испытаний аппаратуры управления в горной промышленности.
Научная новизна.
Разработана модель рабочего состояния модулей и узлов, учитывающая конструктивно-технологические параметры печатных плат, свойства применяемых материалов и их изменения от различных воздействий в процессе эксплуатации, транспортирования и хранения электронной аппаратуры управления горно-технологического оборудования.
Разработаны модели предельного состояния и расчетные схемы слабого звена, позволяющие получать распределение полей напряжений, деформаций и температур за время монтажа, эксплуатации, ремонта и испытаний модулей электронной аппаратуры горных машин и оборудования.
Получены аналитические выражения, связывающие основные показатели надежности элементов электронной аппаратуры с закономерностями изменения их структуры и физико-химического состояния при процессах,
протекающих в материалах и устройствах при различных воздействиях и изменяющих их свойства и параметры за время эксплуатации, хранения, транспортирования, ремонта и испытаний оборудования в сложных условиях горной промышленности.
Проведено обоснование конструктивно-технологических параметров элементов аппаратуры управления на основе комплексного исследования физико-механических свойств и структуры химически осажденных сплавов. Определены стадии деформации, установлены "структурный" эффект толщины, аномальный характер изменения удельного электросопротивления элементов при механических воздействиях, а также применимость уравнения Петча-Холла для области ультрамелкозернистых материалов.
Исследованы физико-химические закономерности появления отказов (разрушения) слабых звеньев электронной аппаратуры управления за время ее эксплуатации, транспортирования, ремонта и хранения в широком диапазоне электромеханических и тепловых воздействий, характерных для открытых и подземных горных работ.
Предложены критерии смены механизма деформации (толщинолом-кость) и наступления предельного состояния элементов, показатель годности и метод определения граничных значений конструктивно-технологических параметров модулей, учитывающие особенности эксплуатации электронной аппаратуры управления в горной промышленности.
Разработана методика, определяющая соотношения особенностей эксплуатации электронной аппаратуры управления в горной промышленности с условиями испытаний модулей и устройств, имеющих различные конструктивно-технологические параметры.
Предложен и обоснован комплекс решений по созданию научно-технического задела для развития аддитивной технологии изготовления печатных плат в Российской Федерации.
Практическая ценность.
Разработана методика, позволяющая выявить месторасположение опасного сечения слабого звена модулей электронной аппаратуры и связывающая условия отказа элемента с конструктивно-технологическими параметрами плат и различными воздействиями в процессе эксплуатации, хранения, транспортирования, ремонта и испытаний горно-технологического оборудования.
Установлено, что толщину печатных проводников электронной аппаратуры можно уменьшить от 35 до 25-20 мкм, что позволит сократить время технологического процесса изготовления плат и снизить их стоимость на 20-30 % при значительной экономии цветных металлов, что в свою очередь обуславливает снижение стоимости аппаратуры в целом, при тех же характеристиках надежности.
Разработаны модели, имитирующие функциональные характеристики печатных плат, изготовленных по различным технологиям, серийно выпускаемой аппаратуры автоматизации водоотливов УАВ и автоматизации вентиляторных установок УКАВ-2, а также аппаратуры учета и контроля показателей работы экскаватора-драглайна ЭШ 20.90, основанные на композиции двух законов Вейбулла и позволяющие адекватно описать состояние аппаратуры управления на всех этапах жизненного цикла оборудования.
Показано, что применение аддитивной технологии изготовления печатных плат позволяет исключить сложную биметаллическую конструкцию проводников в опасном сечении, повысить надежность аппаратуры управления за счет структурного и функционального резервирования и устранить экологически вредные технологические операции.
Установлена корреляция между физико-механическими свойствами, структурой элементов и конструктивно-технологическими параметрами печатных плат, .на основе чего проведена оптимизация технологии изготовления фольги для печатных элементов электронной аппаратуры.
Разработаны способы, соответствующие методики и оборудование, а также алгоритм функционирования автоматизированной системы неразру-шающего контроля конструктивно-технологических параметров элементов модулей и устройств электронной аппаратуры при их изготовлении, эксплуатации, техническом обслуживании, ремонте и проведении испытаний.
Показано математическим и физическим моделированием, подтверждено лабораторными и промышленными испытаниями, что учет выводов и рекомендаций, полученных в работе, позволяет повысить надежность электронной аппаратуры управления в горной промышленности за счет уменьшения частоты и интенсивности отказов слабого звена в 2-4 раза и повышения гамма-процентного срока службы оборудования в целом.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием классических и современных методов исследований свойств и структуры материалов и элементов, хорошей сходимостью результатов теоретического анализа, математического и физического моделирования с экспериментальными данными и промышленными испытаниями, а также статистической обработкой результатов экспериментальных и теоретических исследований. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 12 % с доверительной вероятностью 0,95.
Реализация выводов и рекомендаций.
Основные научные положения работы, в т.ч. модель рабочего состояния модулей, модели предельного состояния слабого звена, соответствующие процессам монтажа, ремонта и экстремальным условиям эксплуатации, обоснование граничных значений конструктивно-технологических параметров элементов модулей, нашли свое применение при ремонте, модернизации, наладке и эксплуатации аппаратуры управления щековых дробилок СМД-117,
приборов контроля температуры подшипников дробилок типа КСМ, метал-лоискателей ЭМИ-6 на АООТ "Уралнеруд"; аппаратуры автоматизации главных водоотливов шахт и вентиляторных установок на ОАО "СУБР"; электронного комплекса контроля и регулирования температуры и влажности "Иней", комплекса средств автоматического контроля холодильных машин КС А, комплекса регистрации и регулирования технологических процессов на комбинате "Горный"; на участке добычи и переработки алюминий-содержащих шлаков ЗАО "Корпорация Европа". Результаты исследования структуры и физических свойств материалов использованы при разработке технологического процесса получения медной фольги для изготовления печатных плат на комбинате АО "Уралэлектромедь" и в институте УНИПРО-МЕДЬ. Методики измерения, расчетов и контроля переданы Уманскому заводу "Мегомметр", Омскому электромеханическому заводу, Воронежскому объединению "Электросигнал", Кировскому машиностроительному заводу, предприятиям п/я В-2588, п/я Р-6118, п/я Р-6704. Научные, методические и практические результаты работы внедрены в учебный процесс УПТА в дисциплинах "Надежность и диагностика систем управления", "Надежность систем автоматизации", "Надежность и неразрушающие методы контроля".
Экономический эффект от внедрения указанных научно-технических разработок по уровню цен на 1998 г. составляет 1161 тыс.руб.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на IV Республиканской конференции молодых ученых (Таллин, 1981), Республиканской научно-технической конференции "Системы и устройства радиотехники, автоматики и автоматизированного проектирования" (Свердловск, 1982), Всесоюзном семинаре "Новые методы технологии изготовления печатных плат" (Москва, 1982), Зональном семинаре "Прогрессивные методы гальванических покрытий деталей машин" (Курган, 1983), семинаре "Новые технологические процессы в технологии изготовления печатных плат" (Свердловск, 1983), Уральской конференции "Актуальные вопросы электрохимической технологии и защиты металлов" (Свердловск, 1983), II Всесоюзной конференции "Термодинамика и полупроводниковое материаловедение" (Москва, 1983), Всесоюзном семинаре "Гальванотехника в промышленности" (Москва, 1985), VII Республиканской конференции "Химическая физика и физическая химия" (Таллин, 1987), X Юбилейной школе УрО РАН "Расчет и управление надежностью больших механических систем" (Ильмены, 1995), Международной конференции "Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий" (Сочи, 1998), Уральской научно-практической конференции по метрологии (Екатеринбург, 1998). .
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 35 работ.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы из 144 наименований и приложения. Она содержит 273 страницы машинописного текста, 45 таблиц и 47 рисунков.
