КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
на тему: “Определение безотказности РЭУ при наличиирезервирования замещением (резерв ненагруженный)”
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Уточнение и анализ исходных данных
2. Определение показателейбезотказности
3. Обоснование метода резервированиядля функционального узла РЭУ
Заключение
Литература
ВВЕДЕНИЕ
Целью данного курсового проектированияявляется получение (расчетным способом и моделированием отказов на ЭВМ) исравнение показателей безотказности РЭУ при наличии резервирования замещением(резерв ненагруженный) при определении этих показателей на примере УНЧмощностью 35 Вт на биполярных транзисторах КТ802.
Безотказность – это свойство изделиянепрерывно сохранять работоспособное состояние в течении определённого времениили наработки. Безотказность работы РЭА напрямую связана с надёжностью.
Надёжность характеризуется и другимипоказателями, в их число входят: долговечность, ремонтопригодность,сохраняемость и т.д. Так же для описания надёжности используют сочетания этихпоказателей.
Резервирование – это способ обеспечениянадежности изделия за счет введения в структуру устройства дополнительногочисла элементов, цепей. Существует три вида резервирования:
· Постоянное
· Скользящее
· Замещением
При резервировании замещением функцииосновного элемента передаются резервному элементу только после отказаосновного.
Также различают несколько режимов резервированияили, другими словами, резерв может быть:
· Нагруженным
· Ненагруженным
· Облегченным
При ненагруженном резерве резервныеэлементы находятся в ненагруженном режиме и вероятностью отказа резервныхэлементов пренебрегают.
В данном курсовом проекте используетсярезервирование замещением в ненагруженном режиме.
1. Уточнение и анализ исходных данных
Усилитель НЧ предназначен для совместнойработы с радиоприемником, телевизором, магнитофоном, электропроигрывающимустройством и низкоомным микрофоном. Максимальная выходная мощность усилителя35 Вт. Чувствительность со всех входов, кроме микрофонного,, 200 мВ,чувствительность с микрофонного входа 3 мВ. Диапазон рабочих частот 20 — 20000 Гц. Нелинейныеискажения не превышают 1% во всем диапазоне рабочих частот. Динамическийдиапазон 50 дБ. Входное сопротивление усилителя 300 кОм, с микрофонного входа 2 кОм. Выходное сопротивлениеусилителя 0,3 Ом. Сопротивлениенагрузки 4 Ом. Каскады предварительного усиления выполнены на транзисторах VТ1 — VТ4. Усилительмощности выполнен на транзисторах VТ6 — VТ10 по двухтактной бестрансформаторнойсхеме с положительной обратнойсвязью по питанию. Максимальный ток,потребляемый усилителем, не превышает 1,25 А.
К выданной схеме электрической принципиальной,приведённой в Приложении 1, произведём уточнение параметров элементов.Параметры будем приводить только максимальные. Отразим эти данные в таблице:
Таблица 1.1– Уточнение параметровэлементов схемыТип элемента Позиционное обозначение Наименование Параметры и характеристики Транзисторы биполярные VT1 КТ315Г
Uкб=10В,Iэ=1мА,Iк=100мА, Uкэнас=0,4В VT2 ГТ311А
Uкб=12В,Iэ=15мА,Iк=300мА,
Uкэ нас=0,3В VT3-VT5 КТ315А
Uкб=10В, Iэ=1мА, Iк=100мА,
Uкэ нас=0,4В VT6,VT10 МП20
Uкб=5В,Iэ=25мА,Iк=100мА,
Uкэнас=0,3В VT7 КТ602А
Uкб=10В,Iэ=0,01мА, Iк=0,075А Uкэнас=3В VT8 П215
Uкб=5В, Iэ=0,2А, Iк=5А,
Uкэ нас=0,9В VT9 П4БЭ
Uкб=10В, Iэ=2А, Iк=5А,Uкэ нас=0,5В VT11 П701А
Uкб=10В, Iк=100мА, Uкэ нас=0,2В VT12 П609А
Uкб=3В,Iэ=0,25А,Iк=0,3А,
Uкэнас=2В VT13,VT14 КТ802
Uкб=10В, Iк=5А,Uкэ нас=2В Диоды и стабилитроны VD1 Д810
Uст=10В, Iст=5мА, P=340мВт, диапазон рабочих температур
-60…+125°С VD6,VD7 Д237Б
Iобр=500мкА, Uобр=400В, Uпр=1В, Iпр=0,3А, диапазон рабочих температур
-60…+125°С VD8,VD9 Д813
Uст=13В, Iст=5мА, P=340мВт, диапазон рабочих температур
-60…+125°С
VD2-VD5
(диодный мост) Д214
Iобр=300мкА,Uобр=100В, пр=1,2В, Iпр=10А, диапазон рабочих температур-60…+125°С, рабочая частота 1,1кГц Предохранители FU1
Iср=0,5А FU2 Резисторы типа МЛТ постоянного мощностью 0,25Вт, 0,5Вт и переменного сопротивления Конденсаторы электролитические алюминиевые полярные и неполярные
Остальные необходимые сведения поэлементной базе приведены на схеме ( Приложение А).
2 Определение показателей безотказности
Основные показатели надежности
При проектировании РЭС необходима оценкаориентировочной надежности. Эта оценка позволит сопоставить расчеты стехническим заданием.
Как уже говорилось, надежность –способность изделия выполнять определенные задачи в определенных условиях затребуемое время эксплуатации; комплексное свойство, которое в зависимости отназначения изделия и условий его эксплуатации может включать безотказность,долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в отдельности или определенноесочетание этих свойств, как изделия, так и его частей.
Отказ – утрата работоспособности,наступающей внезапно или постепенно.
Работоспособность – состояние изделия, прикотором оно соответствует требованиям, предъявляемым к его основным параметрам.
Безотказность – свойство объектанепрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени.
Долговечность – свойство изделия длительносохранять работоспособность в определенных условиях эксплуатации до полноговыхода его из строя.
Ремонтопригодность – свойство объекта,которое заключается в его пригодности к ремонту и техническому обслуживанию.
Исправность – состояние объекта, прикотором он соответствует всем требованиям технического задания.
Сохраняемость – свойство изделиянепрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение хранения,а также после транспортировки.
Вероятность безотказной работы –вероятность того, что за заданный период времени не произойдет ни одногоотказа.
Для количественного описания различныхсторон надежности используют несколько групп показателей.
Первая группа – показатели безотказности.К основным показателям этой группы относятся:
1. вероятность безотказной работы P(t) в течение заданного времени t;
2. вероятность отказа q(t) в течение заданного времени t;
3. интенсивность отказов λ;
4. средняя наработка до отказа (среднее время безотказной работы, в случаеесли наработка выражается временем) Тср;
5. гамма-процентная наработка до отказа.
Под интенсивностью отказов λпонимаютусловную плотность времени до отказа изделия, определяемую при условии, что дорассматриваемого момента времени отказ не возник.
Под гамма-процентной наработкой до отказапонимают наработку, в течение которой отказ в изделии не возникает свероятностью γ, выраженной в процентах, т.е. это есть такая минимальнаянаработка до отказа, которую будут иметь гамма процентов изделий данного вида.[1, стр. 138 -139]
Ориентировочный расчет показателейнадежности
Существующие методы расчета показателейнадежности РЭУ различаются степенью точности учета электрического режима иусловий эксплуатации. При ориентировочном расчете этот учет выполняетсяприближенно, с помощью обобщенных эксплуатационных коэффициентов. Значения этихкоэффициентов зависят от вида РЭУ и условий их эксплуатации. Исходными даннымипри ориентировочном расчете являются: электрическая принципиальная схема РЭУ, заданноевремя работы tз, условия эксплуатации иливид РЭУ.
Для элементов каждой группы посправочникам определяют среднегрупповое значение интенсивности отказов.Значения среднегрупповых интенсивностей отказов для моей схемы приведены втаблице 2.1
Таблица2.1 Наименование Позиционное обозначение на Э3
Количество, nj
λi0·10-6, 1/ч
λi0·10-6 nj,
1/ч 1 2 3 4 5
Конденсаторы
алюминиевые
электролитические
C1,C3,C4, С5,
C6,C8, С9, С10,
С13,C16,C17,C18,
С19, С20, С22,C23,
C24, С25, С28, С29, С30, С31 C2,C7, С11,C12
C14, С15, С21, С26, С27 31 0,55 17,05 Резисторы постоянные непроволочные
R1,R2,R4,R5,
R6,R8,R9,R11,
R12R13,R14,R15,
R16,R17,R18,
R19,R20,R21,R23,
R24,R26,R27,R28,
R29,R30,R31,R32,
R33,R34,R35,R36,
R37,R39,R40,R41,
R42,R43,R44,R45,
R46,R47,R49,R50 44 0,05 2,20 Резисторы переменные непроволочные
R3,R7,R10,R22,
R25,R38,R48 7 0,5 3,50
Диоды
выпрямительные
маломощные
I ср.выпр VD6,VD7, 2 0,2 0,40
Диодный мост
выпрямительный
I ср.выпр VD2-VD5 1 0,4 0,40
Стабилитроны
маломощные VD1,VD8,VD9 3 0,9 2,70 Предохранители FU1,FU2 2 5 10,00
Транзисторы
кремниевые малой мощности VT1,VT3-T5,VT6, VT8-VT10 8 0,4 3,20
Транзисторы
кремниевые большой
мощности
VT13,
VT14 2 0,5 1,00
Транзисторы
кремниевые средней мощности VT7,VT11,VT12 3 0,35 1,05
Транзисторы
германиевые малой мощности VT2 1 0,45 0,45
Трансформатор
питания Т1 1 0,90 0,90 Σ 105 44,20
Значение суммарной интенсивности отказовэлементов определяется по следующей формуле:
/> (1)
где λi0 –среднегрупповое значение интенсивности отказов элементов j-й группы,(приложение П 2.1,[1]);
nj – количество элементов в j-йгруппе.
/> (10-6/ч)
Суммарная интенсивность отказов элементовРЭУ с учетом электрического режима и условий эксплуатации определяется как:
/> (2)
где Кэ – обобщенныйэксплуатационный коэффициент, выбираемый по таблицам в зависимости от вида РЭУили условий эксплуатации. Для стационарных условий принимаем Кэ=2,5(Таблица 5.5,[1])
/> (10-6/ч)
наработка на отказ:
/> (3)
/>(ч)
Вероятность безотказной работы за заданноевремя tз:
/> (4)
/>
Среднее время безотказной работыустройства( средняя наработка до отказа): />
Гамма-процентная наработка до отказа Тγопределяется как решение уравнения:
/> (5)
где γ – доверительная вероятность,принимаем γ=85
В случае экспоненциального распределениявремени до отказа:
/> (6)
/>(ч)
Окончательный расчет показателейнадежности
При окончательном расчете используемкоэффициенты нагрузок KН, приведенные для различных элементов втаблице 2.2
Таблица 2.2 Коэффициенты нагрузок
Активные элементы
0,6
Резисторы
0,7
Конденсаторы
0,8
Другие элементы
0,8
Приведем в таблице 2.3 значениясреднегрупповых интенсивностей отказов с учетом KЭ и KН
Таблица 2.3. Значения среднегрупповыхинтенсивностей отказов с учетом условий эксплуатации и нагрузкиНаименование Позиционное обозначение на Э3
Количество, nj
λi0 ·10-6, 1/ч
λi0·10-6 nj·КЭ КН
1/ч 1 2 3 4 5
Конденсаторы
алюминиевые
электролитические
C1,C3,C4, С5,
C6,C8, С9, С10,
С13,C16,C17,C18,
С19, С20, С22,C23,
C24, С25, С28, С29, С30, С31 C2,C7, С11,C12
C14, С15, С21, С26, С27 31 0,55 34,1 Резисторы постоянные непроволочные
R1,R2,R4,R5,
R6,R8,R9,R11,
R12R13,R14,R15,
R16,R17,R18,
R19,R20,R21,R23,
R24,R26,R27,R28,
R29,R30,R31,R32,
R33,R34,R35,R36,
R37,R39,R40,R41,
R42,R43,R44,R45,
R46,R47,R49,R50 44 0,05 3,850 Резисторы переменные непроволочные
R3,R7,R10,R22,
R25,R38,R48 7 0,5 6,125
Диоды
выпрямительные
маломощные
I ср.выпр VD6,VD7, 2 0,2 0,6
Диодный мост
выпрямительный
I ср.выпр VD2-VD5 1 0,4 0,6
Стабилитроны
маломощные VD1,VD8,VD9 3 0,9 4,05 Предохранители FU1,FU2 2 5 20
Транзисторы
кремниевые малой мощности VT1,VT3-T5,VT6, VT8-VT10 8 0,4 4,8
Транзисторы
кремниевые большой
мощности
VT13,
VT14 2 0,5 1,5
Транзисторы
кремниевые средней мощности VT7,VT11,VT12 3 0,35 1,575
Транзисторы
германиевые малой мощности VT2 1 0,45 0,675
Трансформатор
питания Т1 1 0,90 1,8 Σ 105 82,038
Суммарнаяинтенсивность отказов по всем группам элементов с учетом условий эксплуатации инагрузки равна:
/> (10-6/ч)
наработка на отказ:
/> (3)
/>(ч)
Вероятность безотказной работы за заданноевремя tз:
/> (4)
/>
Среднее время безотказной работыустройства( средняя наработка до отказа): />
Гамма-процентная наработка до отказа Тγопределяется как решение уравнения:
/> (5)
где γ – доверительная вероятность,принимаем γ=85
В случае экспоненциального распределениявремени до отказа:
/> (6)
/>(ч)
Среднее время восстановления устройства:
/>/> (7)
где τi – среднее времявосстановления i-го элемента (Приложение 4,[1]) ТВ=0,575 ч
Найдем вероятность восстановления РЭУ зазаданное время ν(τз). Примем заданное время τз=1ч. Отсюда
/> (8)
/>
Вероятность отказа:
Q=1-РΣ(t) (9)
Q=1-0,54=0,46
По условию курсового проекта вероятностьбезотказной работы за заданное время tз должна быть равна Pз(tз=10000ч)=0,7. Полученная расчетным способом вероятность безотказной работы за заданноевремя tз равна 0,56, что гораздо ниже, чем 0,7. Одним из способовповышения надежности является резервирование.
3 Обоснованиеметода резервирования для функционального узла РЭУ
Резервирование – введение в техническоеустройство дополнительного числа компонентов и связей по сравнению с минимальнонеобходимым для его нормального функционирования.
Резервирование бывает общее, поэлементноеи смешанное. Цель резервирования – повысить надежность устройства.
При общем резервировании резервируется всеизделие, то есть в случае выхода из строя оно заменяется таким же.
При поэлементном резервированиирезервируются отдельные части изделия и в случаи отказов они заменяются наидентичные.
При смешанном резервировании крупные инаиболее ответственные части изделия имеют общее резервирование, а остальные –поэлементное
Как уже говорилось ранее, по способувведения резерва различают три вида резервирования:
· Постоянное
· Скользящее
· Замещением
Постоянное включение характеризуется тем,что все резервные элементы включены постоянно и находятся в рабочем состоянии втечение всего времени работы основных элементов. Постоянное резервирование эффективнотолько в том случае, если возникающие в РЭА отказы являются статически независимыми,т.е. не влияют друг на друга.
Скользящее включение резервных элементовприменительно лишь в том случае, если изделие состоит только из однотипныхэлементов. Оно характеризуется тем, что любой резервный элемент может заменятьлюбой основной, вышедший из строя. Преимуществом такого резервирования поотношению ко всем перечисленным выше видам является то, что при автоматическомустройстве оно дает наибольшую надежность
При резервировании замещением функцииосновного элемента передаются резервному элементу только после отказаосновного. Для подключения резервного элемента используется переключающееустройство. Такие устройства могут работать в автоматическом режиме либо бытьручными.
Основной характеристикой резервированиязамещением является кратность резерва, выражаемая несокращенной дробью иопределяемая отношением количества резервных элементов к количеству основныхэлементов, резервируемых резервными элементами.
При резервировании замещением резервныеэлементы до вступления их в работу могут находиться в одном из трех режимовнагружения:
· В нагруженном
· В ненагруженном
· В облегченном
В нагруженном режиме резерв находится втаком же электрическом режиме, что и основной элемент, и его ресурсвырабатывается одновременно с ресурсом основного элемента, так же, как и припостоянном резервировании.
В облегченном режиме ресурс резервныхэлементов начинает расходоваться с момента включения всего устройства в работу,однако интенсивность расхода ресурса резервных элементов до момента включенияих вместо отказавших значительно ниже, чем при обычных рабочих условиях.
В ненагруженном режиме резервные элементыначинают расходовать свой ресурс только с момента включения их в работу вместоотказавших.
Основные достоинства резервированиязамещением:
· Больший выигрыш в надежности посравнению с постоянным резервированием в случаях ненагруженного и облегченногорезерва;
· Отсутствие необходимостидополнительной регулировки в случае замещения основного элемента резервным, таккак основной и резервный элементы одинаковы.
Основные недостатки резервирования замещением:
· Сложность технической реализации исвязанное с этим увеличение массы, габаритов, и стоимости всего резервируемогоРЭУ;
· Перерыв в работе в случаезамещения отказавшего элемента;
· Необходимость иметь переключающееустройство высокой надежности.
· Характер отказа элементов при резервированиизамещением не играет роли, так как отказавший элемент отключается отэлектрической схемы и вместо него подключается исправный.
С учетом выше изложенного, для повышениянадежности и улучшения показателей безотказности исследуемого УНЧ на транзисторахКТ802 разумно и оправданно применение общего резервирования замещением с целойкратностью в ненагруженном режиме.
Методы анализа безотказности зависят оттого, в каком режиме нагружения находится резерв.
Рассмотрим анализ безотказности РЭУ приналичии резервирования замещением с ненагруженным режимом работы резервныхэлементов. Разобьем схему на 5 узлов по 21 элемент в каждом.
Выражения для определения вероятностибезотказной работы за время t в случае одного основногоэлемента и m-1 резервных имеют вид:
/> (11)
/> (12)
Для простоты расчетов примем t=tз=10000ч. Т.к. узелсодержит 21 элементов, то возможно воспользоваться резервированием с кратностью2, т.е. резервных элементов должно быть по крайней мере m=42и соответственно
m-1=41. Сведем втаблицы 3.1 и 3.2 результаты вычислений по блокам до резервирования и послесоответственно.
Таблица 3.1 Вероятности безотказной работыблоков до резервированияНомер блока
Интенсивность отказов блока
/>
Наработка на отказ />
Вероятность безотказной работы /> 1 9,25
1,081·105 0,6 2 12,7
7,874·104 0,51 3 4,55
2,198·105 0,67 4 11,7
8,547·104 0,5 5 6
1,667·105 0,62
Таблица3.2 Вероятности безотказной работыблоков после резервированияНомер блока
Вероятность безотказной работы /> 1 0,8 2 0,75 3 0,92 4 0,7 5 0,85
Среднее значение вероятности безотказнойработы всего устройства будет равно:
/>
Т. о. после резервирования устройствопроработает 10000 часов с вероятностью безотказной работы, равной 0,804, чтобольше, чем 0,7 и удовлетворяет предъявляемым требованиям. При этом на каждыйосновной элемент должно приходиться 2 резервных.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Входе выполнения курсового проекта былпроизведен расчет показателей надежности УНЧ на транзисторах КТ802. Дляповышения надежности устройства с целью улучшить показатели безотказности былоприменено общее резервирование замещением с кратностью резервирования, равнойдвум. После резервирования вероятность безотказной работы функционального узлаРЭА составила P`(t) = 0,804, что полностью удовлетворяет заданию на курсовойпроект, согласно которому вероятность безотказной работы устройства за заданноевремя tз=10000 ч. должна быть не меньше, чем 70%.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Боровиков С.М. Теоретическиеосновы конструирования, технологии и надежности. – Мн.: Дизайн ПРО, 1998. – 335с.
2. БоровиковС.М. Теоретические основы конструирования, технологии и надёжности:Учеб.-метод. пособие к курсовому проектированию для студ. спец. «Моделированиеи компьютерное проектирование РЭС» и «Проектирование и производство РЭС». –Мн.: БГУИР, 2004, – 55 с.
3. А.П.Ястребов. Проектирование ипроизводство радиоэлектронных средств. – С-П.: Учеб. Пособие, 1998, – 279 с.