Несущие конструкции высших структурных уровней

Размещено на http://www.allbest.ru/

НЕСУЩИЕ КОНСТРУКЦИИ ВЫСШИХ СТРУКТУРНЫХ УРОВНЕЙ

1. Выбор корпуса блока по критерию стандартизации

Отличительные черты блока. Элементы высших структурных уровней - блоки, моноблоки, стойки, шкафы, пульты, и т.п. - определяют внешнее оформление РЭА и обеспечивают комплексную защиту её от дестабилизирующих факторов, действующих извне. В зависимости от предъявляемых требований, касающихся внешних воздействующих факторов, все элементы высших уровней (2-го и 3-го) можно разделить на две группы. К первой относятся элементы, которые не обеспечивают герметизацию внутреннего объема, а ко второй группе относятся элементы, обеспечивающие герметизацию.

Основным элементом при функционально - блочном конструировании является блок, который объединяет кассеты, ячейки, печатные латы и другие элементы низших уровней. Отличительной чертой блока является лицевая панель. Блоки могут иметь самостоятельное применение или входить в стойки и шкафы. В настоящее время разработаны и выпускаются типовые ряды блоков для размещения на различных носителях. Нормативный документ на типовой ряд предусматривает внешнее оформление и габариты блоков. Взаимное расположение входящих частей, их электрическая совместимость, обеспечение теплового режима, ремонтопригодности, технологичности, снижение себестоимости, возможность автоматизации процесса сборки и настройки, регулировки блока, обеспечение долговечности и надежности при эксплуатации блока на конкретном носителе - взаимная увязка и выполнение всех этих требований остается за конструктором.

Ряд отраслей промышленности, занятых разработкой и выпуском РЭА, первоначально создавали и выпускали базовые конструкции только для своей отрасли. Такие конструкции и созданные на их основе типоразмеры были предназначены только для определенных условий эксплуатации. Например, конструкции РЭА, предназначенные для установки на корабле, не использовались самолетостроителями, и т.п. По мере усложнения РЭА и расширения её функций задачи, решаемые РЭА на различных носителях, часто оказывались одинаковыми. Так, аппаратура, предназначенная для определения местонахождения объекта, нужна и на самолете, и на морских судах, и на наземных носителях. Поэтому возникла потребность создания аппаратуры, способной решать в различных условиях и на различных носителях одни и те же задачи.

Приступая к разработке аппаратуры, конструктор должен разделить принципиальную схему на логические законченные части по критерию функциональности с учетом максимального числа возможных соединений и унифицированного ряда типоразмеров блока для данных условий эксплуатации, выбрать типоразмер блока для каждой полученной части схемы. При этом может оказаться, что выбранный типоразмер блока не обеспечивает достаточно высокого коэффициента заполнения, а в предшествующих типоразмерах схема не помещается. Это является следствием того, что данный ряд типоразмеров блоков не оптимален для конкретной конструкции РЭА. Конструктору приходится решать сложную задачу. Нарушать функционально - узловой принцип разработки блоков нецелесообразно по условиям производства и эксплуатации, а, кроме того, при отступлении от этого принципа увеличивается число коммутационных связей, что также невыгодно. Поэтому большинство блоков в современной аппаратуре имеет разные коэффициенты заполнения объема.

Коэффициентом заполнения называется отношение объема занимаемого печатным узлом в блоке к объему блока.

2. Выбор корпуса блока с учетом требования ремонтопригодности

Общие соображения. Подавляющее большинство радиоаппаратуры предназначено для длительной эксплуатации и поэтому в течение всего срока службы может неоднократно подвергаться ремонту. Аппаратура разового использования рассчитана на длительное хранение в складских условиях и периодически подвергается профилактическому осмотру при проверке. При обнаружении неисправности такая аппаратура также подвергается ремонту путем замены отказавших элементов и устройств. После ремонта часть элементов будет заменена новыми, поэтому такая характеристика надежности, как вероятность безотказной работы, в этих условиях не может служить оценкой надежности аппаратуры в любой момент времени.

Вероятность исправного состояния аппаратуры. Для аппаратуры длительного использования вводится понятие вероятности исправного состояния системы в любой момент времени. Аналитическое выражение вероятности исправного состояния системы может быть получено как решение системы дифференциальных уравнений, составленных на основе применения к поставленной задаче методов теории массового обслуживания:

;

,

где Т0 - время работы до отказа, ч; Тв - время восстановления, ч; 1/Т0 - интенсивность отказов аппаратуры,1/ч; 1/Тв - интенсивность восстановления аппаратуры,1/ч; P0(t) - вероятность исправного состояния аппаратуры; P1(t) - вероятность неисправного состояния аппаратуры.

В качестве начальных условий примем, что вероятность исправного состояния аппаратуры в начальный момент времени (t=0) отличается от единицы, 0<K0<1, т.е. P0(0)=K0. Это означает, что к началу использования аппаратура может находиться в исправном и неисправном состоянии, с вероятностью исправного состояния К0. Решение этой системы с учетом начальных условий будет

.

Это выражение справедливо при К0 в пределах от 0 до 1 и при t в пределах от 0 до ?. При t-?

.

Это значит, что надежность системы длительного использования с восстановлением после возникновения неисправности численно равна коэффициенту готовности. Отсюда видно, что повышение надежности таких систем возможно за счет сокращения времени вынужденного простоя. Теоретически можно получить систему с вероятностью исправного состояния P0(t)~1, при этом Tв~0, что отвечает 100%-ному поэлементному резервированию, однако реализовать это условие на практике не представляется возможным.

Для ряда систем опасен не сам факт отказа, а длительность прекращения работы системы. Для систем, работающих с прерыванием, восстановление аппаратуры после возникновения отказа проводят в период, когда аппаратура не работает. Если созданы условия, при которых время вынужденного простоя аппаратуры будет меньше времени, в течение которого аппаратура не используется, то такой отказ не приведет к срыву выполнения задания.

Рассматривая работу аппаратуры, можно предположить несколько возможных ситуаций:

Система исправна в момент включения и не откажет за время оперативной работы. Очевидно, что при этих условиях задача, стоящая перед аппаратурой, будет выполнена.

Система исправна в момент включения, но во время оперативного использования происходит отказ. При такой ситуации поставленная задача не будет выполнена.

Система неисправна в момент включения, но восстановлена за время tв и не откажет за оставшееся время t-tв. При этом время восстановления tв меньше времени подготовки системы к работе. Если обозначить время подготовки системы к работе tд (допустимое время), то необходимо реализовать условие tв<tд. В этом случае поставленная задача будет выполнена.

Система неисправна в момент включения и не восстановлена за допустимое время простоя, т.е. tв>tд, задача не выполнена.

Вероятность появления второй ситуации относительно мала, так как интенсивность отказов современных элементов, особенно микросхем и микросборок, не превышает 10-7- 10-8 1/ч. С точки зрения конструктора интерес представляет третья ситуация. Задача формулируется так: какой выигрыш по надежности можно получить, если удается восстановить аппаратуру с вероятностью восстановления V(tд)?

Вероятность нормального функционирования. Вероятность того, что задача не будет сорвана вследствие неисправности системы (Рн.ф.), называют вероятностью нормального функционирования в предположении простейших потоков отказов и восстановлений.

Пренебрегая членами высших порядков малости и используя формулу полной вероятности сложного события, получим

,

где Р0 - стационарная вероятность исправного состояния аппаратуры; P(t) - вероятность безотказной работы; 1-P0 - стационарная вероятность неисправного состояния аппаратуры; V(tд) - вероятность восстановления аппаратуры за допустимое время tд; P(t-tв) - вероятность безотказной работы аппаратуры за оставшееся время t-tв .

В большинстве случаев при наработке на отказ t выполняется условие t>>Tв, где Тв - математическое ожидание случайной величины tв. При этих условиях вторым слагаемым можно пренебречь и выражение вероятности нормального функционирования принимает вид:

. (5-2)

При таких условиях работы аппаратуры, когда не каждый отказ приводит к срыву выполнения задания, можно ввести понятие «длительный отказ», т.е. такой отказ аппаратуры, устранение которого возможно лишь при условии tв>tд.

Понятие длительного отказа. Если в системе зафиксировано n отказов, то число длительных отказов (с учетом восстановления) будет

.

Наработка на отказ с учетом восстановления

,

где - суммарное время работы аппаратуры за определенный календарный срок.

В результате проведенных исследований выяснилось, что вероятность восстановления аппаратуры за допустимое время подчиняется распределению Эрланга. Тогда

,

где .

Тогда наработка на отказ с учетом восстановления

. (5-3)

Вероятность безотказной работы с учетом восстановления

. (5-4)

Выигрыш в наработке на отказ за счет восстановления

. (5-5)

Выигрыш в вероятности безотказной работы

. (5-6)

Эффективность восстановления за допустимое время. На рисунке 5-5 представлена зависимость эффективности восстановления от вероятности восстановления за допустимое время tд. Из приведенной зависимости видно, что при малых V(tд) эффективность восстановления мала, однако уже при вероятности восстановления V(tд)0,8 эффективность восстановления равна 5. Таким образом, только конструктивными мерами, без дополнительных затрат можно значительно повысить надежность длительно эксплуатируемой аппаратуры.

Рис. 1. График эффективности восстановления РЭА за ограниченное время.

Вероятность безотказной работы зависит от времени вынужденного простоя. В выражении (5-3) длительность ремонта не ограничивается, а в формулах (5-4) и (5-6) ограниченность времени ремонтных работ выражена через вероятность восстановления за допустимое время простоя tд. В обоих вариантах уменьшение времени вынужденного простоя, в конечном счете, приводит к повышению надежности аппаратуры.

Время вынужденного простоя. Рассматривая время вынужденного простоя, можно заметить, что оно содержит несколько составляющих: 1) время обнаружения неисправности; 2) время отыскания неисправности; 3) время разборки аппаратуры; 4) время замены отказавшего элемента; 5) время сборки аппаратуры; 6) время настройки и регулировки.

Время обнаружения и время отыскания неисправности определяется предусмотренной звуковой и визуальной сигнализации, наличием аппаратуры встроенного контроля, числом контрольных точек и правильностью их выбора, но в основном схемотехническим решением. Время настройки и регулировки также зависит от отработки схемы.

При достаточно хорошей отработки схемы, при обеспечении условий взаимозаменяемости настройка после ремонта и регулировки вообще может не понадобиться.

Время разборки и сборки аппаратуры, а также время, требуемое на замену отказавшего элемента, целиком определяется конструкцией аппаратуры и выбранным типом блока. Значительное сокращение времени разборки, и сборки аппаратуры может быть достигнуто за счет отказа от резьбовых соединений в элементах конструкции блока и резьбового крепления блока в стойках. Все резьбовые соединения следует заменять на пружинные фиксаторы и быстросъемные стопоры. Таким образом, резко сокращается время на отсоединение составной части (по сравнению с креплением винт - гайка) и исключается потеря крепежа во время ремонта. Однако нормативные документы сковывают инициативу конструктора и в определенное время становятся тормозом в дальнейшем развитии конструирования. В таком случае эти документы подлежат пересмотру и замене. Таким образом, при выборе конструкции блока с учетом ремонтопригодности необходимо исходить из условий эксплуатации аппаратуры с целью максимального удовлетворения требований, касающихся проведения ремонтных работ и сокращения времени вынужденного простоя.

Принятое конструктивное решение в сильной степени влияет на ремонтопригодность. Для повышения ремонтопригодности должно быть предусмотрено следующее: 1) доступность всех входящих частей для осмотра и замены без предварительного удаления других частей конструкции; 2) контрольные точки для подсоединения измерительных приборов при проверке работы РЭА; 3) предотвращение неправильного соединения разъемных частей; 4) возможность установки на столе извлеченных частей в любом удобном положении; 5) предотвращение утери крепежа при ремонтных работах; 6) применение быстросъемных фиксаторов вместо резьбовых соединений; 7) сокращение времени вынужденного простоя.

Рис. 2. Конструкция раскрывающегося блока с кассетами на одинарных шарнирах 1-- шарнир; 2--корпус блока; 3--кассеты с одинарными шарнирами; 4 -- плата с микросхемами; 5 - рамка

Выполнение п.1 достигается путем использования конструкций блоков, доступ к внутренним частям которых осуществляется за счет раскрытия, выдвижения или поворота. На рисунке 5-6 и 6-7 представлены варианты конструкции блоков, в которых эти принципы или сочетание их.

Метод раскрытия широко используется в блоках книжной конструкции и позволяет обеспечить доступ к любой печатной плате, расположенной на откидной рамке. При использовании конструкции с одинарными шарнирами общее число «страниц» обычно не превышает четырех (рис.5-8). При креплении рамок на двойных шарнирах конструкция более удобна в работе. В этом случае обеспечивается доступ к любой печатной плате без разборки остальных рамок, но конструкция становиться более сложной.

Метод выдвижение предполагает полное или частичное выдвижение частей конструкции по направляющим. В ряде конструкций выдвижение сочетается с поворотом (см. рис.). При таком варианте компоновки передняя панель поворачивается вокруг общей оси, при этом обеспечивается доступ к элементам печатной платы любой кассеты. Электрическое соединение кассет выполняется с помощью круглых или плоских кабелей.

Все эти методы и их сочетание позволяют сократить время на разборку блока или стойки и при возникновении неисправности быстро ее устранить, т.е. обеспечивают малое время вынужденного простоя и тем самым повышают ремонтопригодность и восстанавливаемость аппаратуры. При определении ремонтопригодности должен быть решен вопрос о замене отказавшего элемента. Очевидно, что тип и степень интеграции заменяемого элемента будет зависеть от элементной базы.

Рис. 3. Блок книжной конструкции на и микросборках, Рис. 5-7. Конструкция панели, в которой микросхемах построенный по принципу раскрытия. использован принцип выдвижения. 1-соединительная колодка; 2-гибкий печатный кабель; 3-передняя 1-выдвигающаяся ячейка; 2-соединитель; 3-колодка; панель блока; 4-рама; 5-задняя панель; 6-соединительная печатная 4-панель; 5-направляющая; 6-кронштейн.плата; 7-стяжной винт; 8-боковая стенка; 9-ячейка.

3. Компоновка приборов

стандартизация ремонтопригодность компоновка блок

Под компоновкой приборов понимают взаимное расположение и ориентацию ячеек или других конструктивных элементов (элементы электрической коммутации, электромеханические элементы и др.) в заданном объеме прибора.

Пространственная компоновка. Задача размещения элементов в пространстве с точки зрения формализации оказывается более трудной, чем на плоскости. Поэтому, как правило, пространственную компоновку выполняют вручную.

Компоновка - одна из наиболее сложных и ответственных задач конструирования РЭА. Ручной процесс компоновки отнимает много времени, так как приходится рассматривать несколько возможных вариантов и выбирать оптимальный для заданных условий применения РЭА и процесса производства. Производя компоновку, конструктор должен учесть состав элементной базы, удобство эксплуатации, обеспечить высокую ремонтопригодность и предусмотреть мероприятия по защите РЭА от внешних воздействий и внутренний дестабилизирующих факторов.

Компоновка позволяет произвести оценку электромагнитных и тепловых связей, рассчитать кинематические связи, оценить основные конструкторско-технологические решения и рассчитать основные показатели качества конструкции. На стадии компоновки удается решить такие важные вопросы, как совместимость РЭА с объектом и оператором, определить форму будущего изделия и правильность размещения органов регулировки, индикации и контроля.

По результатам компоновки составляется компоновочная схема (схема размещения, габаритный чертеж). К настоящему времени известно несколько методов компоновки (рис. 5-9), отличающихся друг от друга принципами формализации, приемами выполнения и способами пространственного размещения составляющих элементов.

Этапы компоновочных работ. Компоновка электронной аппаратуры выполняется методом последовательных приближений. На первом этапе, когда решается вопрос об укрупненной компоновки аппаратуры в целом, составляются сводные таблицы и схемы соединений отдельных частей системы.

На втором этапе, на основании данных, полученных на первом этапе, определяется требуемое число операторов, их взаимосвязь и проводится эскизная компоновка рабочих мест. Основой для этих работ служат данные о характере, виде и потоке информации, поступающей к оператору. Определяется вид и характер органов управления, индикации и контроля. Точная оценка внешних компоновочных параметров пультов управления требует участия специалистов по инженерной психологии и художников - конструкторов.

По результатам анализа и обсуждения разрабатываются эскизные чертежи рабочих мест операторов и необходимые изменения структурной схемы РЭА с учетом ввода дополнительных согласующих и автоматизированных систем.

На третьем этапе компоновки решается задача эскизного размещения РЭА на объекте установки. Окончательно решаются вопросы, связанные с формой и габаритами отдельных частей РЭА. Просматриваются варианты системы охлаждения, виброзащиты и герметизации. Согласовываются места входа и выхода кабельных вводов, расположение электрических разъемов, определяются источники возможных излучений, решаются вопросы взаимозаменяемости и ремонтопригодности на объекте установки.

При аналитической компоновке подсчитывается число элементов каждого вида и ориентировочный объем каждого элемента. Затем с учетом достижимого коэффициента заполнения объема подсчитывают объем конструкции. Для сложной аппаратуры этот метод оказывается малопригодным в силу громоздкости вычислений. В ряде случаев можно воспользоваться номограммами, которые приводятся в нормативных документах. Этот метод не обладает достаточной наглядностью и не дает возможности оценить пространственную компоновку.

Аппликационная и модельная компоновки позволяют получить эскизы, на основании которых разрабатывают конструкторскую документацию. Эти методы используются на последних этапах компоновочных работ.

Модельная компоновка позволяет получить пространственные модели сложной формы. Объемные составляющие части изготавливают из пенопласта в виде упрощенных геометрических форм: кубов, цилиндров, параллелепипедов и др. Крепление таких моделей к несущей конструкции осуществляется с помощью клея или постоянных ферритовых магнитов. Эскиз компоновки можно получить фотографированием либо зарисовкой.

Натурная компоновка предполагает использование реальных конструкций. Для натурального макетирования используются узлы, блоки, приборы. Благодаря этому создается большая наглядность. Натурная компоновка позволяет решать на макете ряд сложных задач, которые графически бывает очень трудно представить.

Часто на практике натурную компоновку используют вместе с модельной, когда часть блоков или устройств заменяется их моделями. Очень часто такой прием используется при макетном размещении РЭА на новых типах самолетов, при этом удается решать такие вопросы, как удобство работы с аппаратурой, доступность, обеспечение ремонтопригодности и пр.

Климатические факторы оказывают влияние на конструктивное исполнение корпуса блока. При легких климатических условиях корпус блока делают негерметичным, а при тяжелых - герметичным.

Ужесточение механических и климатических условий эксплуатации аппаратуры приводит к увеличению вспомогательного объема блока. Увеличение механических нагрузок требует повышения механической жесткости и прочности блока, так же как герметизация блока с целью защиты элементов от повышенной влажности и большого перепада давлений. Повышение прочности и жесткости корпуса достигается за счет увеличения толщины стенок, введения ребер жесткости, фланцевых соединений и т.п. Все это приводит к увеличению вспомогательного объема блока и его общего объема.

Как один из основных факторов, влияющих на габаритные размеры блока, выступает применяемая элементная база и число электрорадиоэлементов, размещенных в блоке.

Размещено на Allbest.ru