/>Оглавление
Введение
1.Постановка задачи
1.1Анализ задания на проектирование
1.2Получение недостающих данных
1.3Формулировка решаемой задачи
2.Расчет показателей безотказности
2.1Краткое пояснение метода расчета показателей безотказности
2.2Расчет эксплуатационной безотказности элементов
3.Расчет показателей безотказности ЭУ
3.1Уточнение исходных данных, используемых для расчета эксплуатационнойбезотказности элементов
3.2Выбор и обоснование элементов ЭУ
3.3Определение коэффициентов электрической нагрузки элементов
3.4Результаты расчета эксплуатационной безотказности устройства
3.5Определение показателей безотказности ЭУ
4.Анализ результатов решения
Заключение
Литература
Введение
Проектирование ─ разработка описаний нового или модернизированноготехнического объекта в объеме и составе достаточном для реализации этогообъекта в заданных условиях. Такие описания называются окончательными ипредставляют собой полный комплект документации на проектируемое изделие.
Процесс проектирования делят на этапы, состав и содержание которых взначительной мере определяются природой, типом, характеристиками объектапроектирования.
Традиционно выделяют следующие этапы проектирования:
— Этап предварительного проектирования или этапнаучно-исследовательских работ (НИР). Любое проектируемое изделие должно либоотличаться от аналогов какими-либо характеристиками, либо аналогов не иметь. Влюбом случае анализ выполняемости требований заказчика требует проведения работНИ или расчетного характера. Результатом этапа НИР является техническое задание(ТЗ) на проектирование.
— Этап эскизного проектирования или этап опытно-конструкторскихработ (ОКР).
— Этап технического проектирования, который состоит в выпускеполного комплекта документации на разработанное изделие.
Конструкторско-технологическое проектирование является важнейшейсоставной частью создания радиоэлектронных устройств (РЭУ). От успешноговыполнения этого этапа во многом зависят качественные показатели РЭУ.
При разработке конструкций и технологий РЭУ радиоинженеруконструктору-технологу приходится прибегать к помощи математических методов привыборе решений и оценке их качества. При этом широко используются аналитическиеметоды анализа. Во многих случаях оценить качественные показатели чистоаналитическими приемами весьма затруднительно, либо вообще не представляетсявозможным. В этих случаях прибегают к экспериментальным методам. Поэтому, длярадиоинженера конструктора-технолога важны как аналитические, так иэкспериментальные математические методы, используемые при выбореконструкторско-технологических решений и оценке их качества.
Улучшение качества РЭУ представляет собой процесс непрерывного повышениятехнического уровня продукции, качества ее изготовления, а такжесовершенствование элементов производства и системы качества в целом.
Цель данной курсовой работы является оценка показателей безотказностиузла РЭУ резервирования замещением. По условию необходимо использоватьрасчетный способ оценки. Для осуществления данного проекта была выдана схемаэлектрическая принципиальная и исходные данные к ней, которые подлежат вдальнейшем уточнению.
Безотказность – это свойство изделия непрерывно сохранять работоспособноесостояние в течение определённого времени или наработки. Безотказность работыРЭА напрямую связана с надёжностью.
Надёжность является одной из главнейших проблем конструирования, и понимаютпод ней свойство изделия сохранять во времени в установленных пределах значениявсех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции, взаданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения итранспортирования.
Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости отназначения изделия и условий его применения может включать безотказность,долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетанияэтих свойств. Для описания различных сторон этого свойства на практикепользуются показателями надежности, представляющими собой количественныехарактеристики одного или нескольких свойств определяющих надежность изделия.Используют единичные и комплексные показатели надежности. Под единичнымпонимают такой показатель, который характеризует одно из свойств, составляющихнадежность изделия. Комплексный показатель характеризует несколько свойств,составляющих надежность изделия.
Условие проекта – наличие резервирования замещением и постоянное резервирование.Резервирование – это введение в структуру устройства дополнительного числаэлементов, цепей. Существует три вида резервирования:
1. постоянное;
2. замещением;
3. скользящее.
При постоянном резервировании резервные элементы постоянно подключены косновным и находятся с ними в одном электрическом режиме.
Основными достоинствами постоянного резервирования являются:
ü простота технической реализации;
ü отсутствие даже кратковременного прерывания в работе в случаеотказа элементов резервируемого узла.
При резервировании замещением основной элемент отключают, в случаеотказа, и вместо него подключают резервный.
Скользящее резервирование выполняется замещением резервируемого элементана резервный, в данном случае резервный элемент должен быть однотипныйосновному.
В данном курсовом проекте мы в первую очередь рассчитаем случайное времядо отказа, определим показатели безотказности и оценим влияние способасоединения на выбор метода резервирования.
1.Постановка задачи1.1 Анализ задания напроектирование
При работе над курсовойработой будем использовать следующие исходные данные:
а) Схема электрическаяпринципиальная (Приложение 1);
б) Информация опараметрах элементов согласно перечня элементов (Приложение 2);
в) Вид электрическогомонтажа – двусторонний печатный;
г) Количество сквозныхметаллизированных отверстий на плате – 10% от общего числа отверстий;
д) Для цепей питаниявходных и выходных сигналов предусмотреть соединители.
е) Условия эксплуатациипо ГОСТ 15150-69 для категории исполнения УХЛ4.1;
ж) Вид приемкиэлементов – приемка ОТК («1»);
з) Перегрев в нагретойзоне ЭУ />; средний перегрев воздухав ЭУ />;
и) Заданное времяработы, указанное заказчиком — />;
к) Интересующаягамма-процентная наработка на отказ — />;
Кроме того при расчетепоказателей безотказности, необходимы будут такие данные, как коэффициентыэлектрической нагрузки элементов, которые можно получить из карт электрическихрежимов, для соответствующих элементов. Так же для определения нагрузочныхкоэффициентов, необходимы будут параметры некоторых радиоэлементов, которыеможно получить из справочной литературы.
1.2 Получениенедостающих данных
Определяем коэффициентыэлектрической нагрузки элементов из литературного источника [1]:
Для резистора:
KR= 0,7 (Таблица 7.20, с.157)
KM= 0,7 (Таблица 7.21, с.158)
KЭ= 2,5 (Таблица 7.5, с.143)
λОГ(λ6)х10-6= 0,132 (Таблица 7.9, с.151)
КР –определяется по формуле:
/>
где t– температура окружающей среды (корпуса элемента), 0С;
КН –коэффициент электрической нагрузки резистора по мощности;
A,B, NT,G, NS,J, H– постоянные коэффициенты.
Значения постоянныхкоэффициентов подбираем по таблице 7.19 вышеуказанного источника, c157:
A=0,26;B=0,5078; NT=343;G=9,278; NS=0,878;J=1; H=0,886.
Для расчетакоэффициента электрической нагрузки резистора по мощности, понадобится егономинальная мощность. Так как используемые резисторы рассчитаны на мощность0,125Вт, эту мощность и примем за номинальную. Для конденсаторовэлектролитических:
KC=0,2С0,23(Таблица 7.18, с.157);
KЭ= 2,5 (Таблица 7.5, с.143);
λОГ(λ6)х10-6= 0,52 (Таблица 7.9, с.151);
КР –определяется по формуле:
/>
где tокр– температура окружающей среды (корпуса элемента), 0С;
КН –коэффициент электрической нагрузки конденсатора по напряжению;
Для расчетакоэффициента электрической нагрузки конденсатора по напряжению, понадобится егомаксимально допустимое напряжение. Так как используемые конденсаторы рассчитанына напряжение до 25В, это напряжение и примем за номинальное.
A,B, NT,G, NS,H – постоянные коэффициенты.
Значения постоянныхкоэффициентов подбираем по таблице 7.17 вышеуказанного источника, c156:
A=0,59*10-2;B=4,09; NT=358;G=5,9; NS=0,55;H=3.
Для конденсаторовкерамических:
KC=0,4С0,14(Таблица 7.18, с.157);
KЭ= 2,5 (Таблица 7.5, с.143);
λОГ(λ6)х10-6= 0,52 (Таблица 7.9, с.151);
КР –определяется по формуле:
/>
где tокр– температура окружающей среды (корпуса элемента), 0С;
КН –коэффициент электрической нагрузки конденсатора по напряжению;
Для расчетакоэффициента электрической нагрузки конденсатора по напряжению, понадобится егомаксимально допустимое напряжение. Так как используемые конденсаторы рассчитанына напряжение до 50В, это напряжение и примем за номинальное.
A,B, NT,G, NS,H – постоянные коэффициенты.
Значения постоянныхкоэффициентов подбираем по таблице 7.17 вышеуказанного источника, c156:
A=5,909*10-7;B=14,3; NT=398;G=1; NS=0,3;H=3.
Для диодов:
KД=0,6(Таблица 7.15, с.155);
KU=0,7(Таблица 7.16, с.155);
KФ=1,5(Таблица 7.17, с.154);
KЭ= 2,5 (Таблица 7.5, с.143);
λОГ(λ6)х10-6= 0,728 (Таблица 7.9, с.150);
КР –определяется по формуле:
/>
где tокр– температура окружающей среды (корпуса элемента), 0С;
КН –коэффициент электрической нагрузки;
Для расчетакоэффициента электрической нагрузки диодов, понадобится средний прямой ток. Дляполучения данного параметра воспользуемся интернет-справочником [4]. Всоответствии с ним прямой ток диода сборки КД133А равен 0,5А.
A,NT, ТМ, L,/> – постоянныекоэффициенты.
Значения постоянныхкоэффициентов подбираем по таблице 7.13 вышеуказанного источника, c154:
A=44,1025;NT=-2138; ТМ=448;L=17,7; />.
Для транзисторовКТ646Б:
KД=0,5(Таблица 7.15, с.155);
KU=0,5(Таблица 7.16, с.155);
KФ=0,7(Таблица 7.17, с.154);
KЭ= 2,5 (Таблица 7.5, с.143);
λОГ(λ6)х10-6= 0,728 (Таблица 7.9, с.150);
КР –определяется по формуле:
/>
где tокр– температура окружающей среды (корпуса элемента), 0С;
КН –коэффициент электрической нагрузки;
Для расчетакоэффициента электрической нагрузки диодов, понадобится средний прямой ток. Дляполучения данного параметра воспользуемся интернет-справочником [4]. Всоответствии с ним прямой ток диода сборки КД133А равен 0,5А.
A,NT, ТМ, L,/> – постоянныекоэффициенты.
Значения постоянныхкоэффициентов подбираем по таблице 7.13 вышеуказанного источника, c154:
A=5,2;NT=-1162; ТМ=448;L=13,8; />.
Для платы печатной:
KЭ= 2,5 (Таблица 7.5, с.143).
Для соединений пайкойволной:
KЭ= 2,5 (Таблица 7.5, с.143);
λОГ(λ6)х10-6= 0,00034(Таблица 7.9, с.151).1.3 Формулировка решаемой задачи
Для оценкибезотказности работы устройства будем использовать в первую очередьэкспоненциальную характеристику надежности. Она определяется экспоненциальнымзаконом надежности. В этом случае время до отказа распределяется поэкспоненциальной модели. Проводя анализ вероятности выхода из строя каждогоэлемента схемы, получаем ряд значений, случайной величины, характеризующейвероятность отказа того или иного элемента в зависимости от его величины ипараметров влияющей на него среды. Затем проводим анализ всех вероятностейотказов, и находим общую суммарную вероятность отказа. В соответствии сполученным результатом находим расчетные значения таких параметровбезотказности, как:
а) наработка на отказ;
б) вероятностьбезотказной работы за определенное время;
в) гамма-процентнаянаработка на отказ.
График экспоненциальнойзависимости надежности устройства от времени приведен на рисунке 1.1
/>
Рисунок 1.1 – графикэкспоненциальной характеристики надежности
В соответствии сграфиком видно, что надежность устройства уменьшается с увеличением времени егоработы. Модель экспоненциального распределения часто используется дляаприорного анализа, так как позволяет не очень сложными расчетами получитьпростые соотношения для различных вариантов создаваемой системы. На стадииапостериорного анализа (опытных данных) должна проводиться проверкасоответствия экспоненциальной модели результатам испытаний.
2.Расчет показателей безотказности 2.1 Краткое пояснение метода расчета показателейбезотказности
Расчет безотказностиизделия будем вести следующим образом:
1) Определиммодели вероятностей отказов для каждого из элементов схемы.
2) Изтаблиц подберем коэффициенты нагруженности элементов.
3) Всоответствии с справочными параметрами рассчитываем коэффициент режима работы.
4) Длярежима эксплуатации устройства подбираем коэффициент эксплуатации.
5) Помодели вероятности отказов определяем вероятность отказа каждого элемента.
6) Рассчитываемсуммарное значение вероятности отказа для всего изделия в целом.
7) Всоответствии с полученными результатами рассчитываем значения параметровбезотказности.2.2 Расчет эксплуатационнойбезотказности элементов
Основными элементамиустройства являются резисторы, конденсаторы, диодные сборки, выпрямительные,печатная плата, соединения пайкой волной, соединители двухкантактные модели, всоответствии с которыми будут вестись расчеты вероятностей отказов элементовсхемы приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Моделивероятности отказов элементов схемыПозиционное обозначение Вид математической модели расчета Резисторы
/> Конденсаторы
/> Диоды
/> Транзисторы
/> Печатая плата
/> Соединения пайкой волной
/>
Для расчета вероятностиотказов резисторов будут использоваться такие коэффициенты, как:
KR-коэффициент, зависящий от номинального значения сопротивления, и уменьшающийсяс ростом номинального сопротивления элемента.
KM– коэффициент, зависящий от значения номинальной мощности элемента, ивозрастающий с ростом максимальной рассеиваемой на элементе мощности.
KЭ– коэффициент, зависящий от жесткости условий эксплуатации.
КР –коэффициент режима работы, зависящий от электрической нагрузки и температурыкорпуса элемента.
Для расчета вероятностиотказов конденсаторов будут использоваться такие коэффициенты, как:
KС– коэффициент, зависящий от значения номинальной емкости элемента, ивозрастающий с ростом значение емкости.
KЭ– коэффициент, зависящий от жесткости условий эксплуатации.
КР –коэффициент режима работы, зависящий от электрической нагрузки и температурыкорпуса элемента.
Для расчета вероятностиотказов диодов и транзисторов сборок будут использоваться такие коэффициенты,как:
KФ — коэффициент, учитывающий функциональный режим работы прибора.
KД– коэффициент, зависящий от значения максимально-допустимой нагрузки помощности.
KU– коэффициент, зависящий от отношения рабочего напряжения кмаксимально-допустимому.
KЭ– коэффициент, зависящий от жесткости условий эксплуатации.
КР –коэффициент режима работы, зависящий от электрической нагрузки и температуры корпусаэлемента.
Для расчета вероятностиотказов соединений пайкой волной будет использоваться коэффициент:
KЭ– коэффициент, зависящий от жесткости условий эксплуатации.
3.Расчет показателей безотказности ЭУ 3.1 Уточнение исходных данных, используемых для расчета эксплуатационнойбезотказности элементов
Численные значениякоэффициентов, необходимых для расчета безотказности работы устройстваприведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1–Коэффициенты нагруженности элементовПозиционное обозначение
Количество nj
λОГ(λ6)х10-6 1/ч Значение поправочного коэффициента
KP
КФ
КД
KU
KC
КМ
КR
KK
Кn
КЭ R1-R5 5 0,132 0,7 0,7 2,5 C1-C2 2 0,52
0,2С0,23 2,5 C3 1 0,065
0,4С0,12 2,5 VD1-VD2 2 0,728 1 0,6 0,7 2,5 VT1-VT2 1 0,352 0,7 0,5 0,5 Печатая плата 1 - 2,5 Соединения пайкой волной 26 0,00034 2,5 3.2 Выбор и обоснование элементов ЭУ
При расчетеэксплуатационной безотказности РЭУ будем считать, что схемотехническоеисполнение устройства «Источник питания» таково, что все элементыработают в типовых электрических режимах.
Приведем характеристикиосновных элементов схемы:
а) Резисторы
Таблица 3.2 –габаритные размеры резисторовТип Размеры, мм Мах рабочее напряжение Н D L d С2-34-0,125 Вт 6.0 2 3 28 0.60 250
/>
Рисунок 3.1 – Цветоваямаркировка резисторовЦвет 1, 2 знач. номинала Степень Точность ЧЕРНЫЙ 0,0 1 КОРИЧНЕВЫЙ 1,1 10 +1(F) КРАСНЫЙ 2,2 100 +2(G) ОРАНЖЕВЫЙ 3,3 1К ЖЕЛТЫЙ 4,4 10К ЗЕЛЕНЫЙ 5,5 100К +0,5(D) СИНИЙ 6,6 1М +0,25(С) ФИОЛЕТОВЫЙ 7,7 10М +0,10(В) СЕРЫЙ 8,8 +0,05(А) БЕЛЫЙ 9,9 ЗОЛОТОЙ 0,1 +5(J) СЕРЕБРЯНЫЙ 0,01 + 10(К)
б) Конденсаторы
Конденсатор К10-73. Техническиепараметры:
/>
Рисунок 3.2 –Габаритные размеры конденсаторов
Таблица 3.3 –технические параметры конденсаторовТип К10-73 Рабочее напряжение, В 50 Номинальная емкость, мкФ 10 Допуск номинальной емкости,% 20 Рабочая температура, С -40...85 Выводы/корпус радиал. пров. Диаметр корпуса D, мм 5 Длина корпуса L, мм 11
Таблица 3.4 — Габаритные размеры конденсаторовWV(SV), В 6.3(8) 10(13) 16(20) 25(32) 35(44) 50(62) 63(79) С, мкФ D x L mA D x L mA D x L mA D x L mA D x L mA D x L mA D x L mA 0.47 4x7 4 4x7 5 1 4x7 9 4x7 11 2.2 4x7 19 4x7 21 3.3 4x7 24 4x7 26 4.7 4x7 24 5x7 29 5x7 33 10 4x7 29 5x7 32 5x7 36 6x7 44 22 4x7 34 5x7 38 5x7 45 6x7 51 6x7 60 8x7 65 33 5x7 42 5x7 47 6x7 60 6x7 65 8x7 72 47 5x7 50 6x7 65 6x7 70 8x7 78 100 6x7 77 6x7 87 6x7 90 220 8x7 130 8x7 140
Конденсатор КМ-50Тип конденсатора Группа по температурной стабильности Диапазон номинальных емкостей, пФ ном raquo; Интервал рабочих температур. Минимальная наработка, тыс. ч КМ-6 (А) /> 120..-2700 /> -60… 4-85 10,0 КМ-6(А) /> 22 000-… 10* /> -60. .+85 /> КМ-6 (Б) /> 120..-5100 /> -60… .+85 /> КМ-6 (Б) /> 22000... 35 (25) -60...+85 /> /> 2,2. 10 laquo; /> /> />
Информация об элементах(компонентах) схемы соответствует таблице 3.2.
Таблица 3.2 – Элементыи компоненты, входящие в устройствоЭлемент, компонент Позиционное обозначение Тип Функциональ-ное назначение Количество Примечание Типоразмер элементов Резистор R1-R5 C2-34 Нагрузка 5
R=20Ом±5%
P=0,125Вт 8х3х3 Конденсатор С1-С2 К10-73 - 2
/>
25В 5х5х7 Конденсатор С3 КМ Сглаживаю-щий 1
/>25В 7х2х6 Диоды VD1-VD2 КЦ407 Двухполупе-риодный выпрямитель 2 - 4х8х4 Транзисторы VT1-VT2 КТ646Б Ключевой 2 - 9х9х6 Металлизированные отверстия, пропаянные волной - - - 260 - - 3.3 Определение коэффициентовэлектрической нагрузки элементов
Определяем коэффициентыэлектрической нагрузки элементов из литературного источника [1]:
Для резистора КР– определяется по формуле:
/>
где t– температура окружающей среды (корпуса элемента), 0С;
КН –коэффициент электрической нагрузки резистора по мощности
/>;
/>
A,B, NT,G, NS,J, H– постоянные коэффициенты.
/>
/>
Для конденсаторов КР– определяется по формуле:
/>
где tокр– температура окружающей среды (корпуса элемента), 0С;
КН –коэффициент электрической нагрузки конденсатора по напряжению
/>;
/>;
A,B, NT,G, NS,H – постоянные коэффициенты.
/>
/>
Для диода КР– определяется по формуле:
/>
где tокр– температура окружающей среды (корпуса элемента), 0С;
КН –коэффициент электрической нагрузки
/>;
A,NT, ТМ, L,/> – постоянныекоэффициенты.
/>
Для транзистора КР– определяется по формуле:
/>
где tокр– температура окружающей среды (корпуса элемента), 0С;
КН –коэффициент электрической нагрузки
/>;
A,NT, ТМ, L,/> – постоянныекоэффициенты.
/>