Расчет надежности функционального узла электрического прибора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Анализ объекта и условия его эксплуатации

1.1 Назначение, функции, состав и структура объекта

1.2 Климатические и механические воздействия, основные ВВФ

2. Определение требований по надежности изделия

2.1 Требования к объекту по применению

2.2 Выбор номенклатуры и определение показателей надежности

3. Распределение требований к надежности по составным частям изделия

3.1 Расчет показателей безотказности и сравнение их с заданными

3.2 Расчет показателей ремонтопригодности и сравнение их с заданными

3.3 Расчет комплексных показателей надежности

4. Уточненный расчет надежности одного из узлов по внезапным отказам

5. Расчет поля допуска на определяющий параметр функционального узла

6. Расчет параметрической надежности функционального узла

7. Обобщение результатов расчета надежности функционального узла

Выводы

Библиографический список



Введение

Количество электроприборов и аппаратуры, окружающей нас в повседневной жизни, постоянно увеличивается. В домах появились такие необходимые вещи, как стиральная машина, компьютер, телевизор, холодильник, водонагреватель (бойлер), микроволновая печь и т.д. Некоторые из них постоянно включены в сеть и работают круглосуточно. В то же время напряжение электросети ~220 В, от которой питаются электроприборы, не всегда находится в допустимых пределах 187...242 В.

Наиболее опасным для электроприборов и радиоаппаратуры является аварийное повышение сетевого напряжения. Это может случиться при замыкании одного из фазных проводов на нулевой провод или когда происходит отгорание общего нулевого провода. В сети некоторое время может действовать напряжение до 380 В. При этом включенные лампочки лопаются, а все остальные радиоэлектронные устройства выходят из строя.

Не следует забывать и о занижении напряжения в сети, при котором выходят из строя наиболее дорогостоящие электроприборы. Не любят также снижения напряжения ниже допустимой величины импульсные источники питания телевизоров, видеомагнитофонов, персональных компьютеров и другой бытовой радиоаппаратуры. Существует много схем и устройств, которые в той или иной степени способны защитить бытовую технику от запредельного (аномального) высокого или низкого напряжения. Ниже приводится описание защитного устройства, выполненного на базе микроконтроллера (МК).

Соответственно современным требованиям надежность техники должна обеспечиваться системно, охватывая все стадии жизненного цикла. При этом основные вопросы такого обеспечения должны решатся при проектировании, где закладывается необходимая надежность. Именно этим вопросам и посвящается данная работа, то есть разработке требований по надежности всего устройства; распределение требований надежности к отдельным функциональным узлам прибора и ориентировочный расчет надежности; уточненному расчету одного из функциональных узлов прибора по деградационным отказам; обобщение результатов расчета надежности и разработки рекомендаций по поводу обеспечения надежности объекта на этапе проектирования.



1. Анализ объекта и условия его эксплуатации

1.1 Назначение, функции, состав и структура объекта

Целью данного раздела является рассмотрение назначения, принципов действия, основных параметров и условий использования устройства защиты аппаратуры (УЗА) от аномальных напряжений сети.

Устройство защиты (УЗ) предназначено для отключения электроприборов от сети переменного тока напряжением 220 В (50 Гц) в случае уменьшения или увеличения напряжения в сети ниже или выше значений, заданных пользователем. УЗ обладает следующими возможностями и характеристиками:

- постоянный мониторинг напряжения сети, отображение результатов на индикаторе и автоматическое отключение нагрузки при возникновении аномального напряжения сети;

- быстродействие, достаточное для отключения защищаемой нагрузки при возникновении аномального напряжения в сети;

- возможность перестройки пределов и диапазонов контролируемых напряжений;

- возможность программно регулировать точность настроек и стабильно поддерживать их при эксплуатации;

- помехозащищённость и малое энергопотребление;

- мощность достаточна для защиты используемой бытовой техники;

- построено на современной элементной базе.

УЗ имеет следующие технические характеристики:

- диапазон контролируемых напряжений - 120…380 В;

- нижний/верхний предел устанавливаемых напряжений срабатывания - 160...210/230...255 В;

- время срабатывания при аварии при использовании реле - 0,1 с;

- погрешность измерения напряжения - ±1 В;

- время включения после аварии (задаётся пользователем) - 1…600 с;

- дискретность установки порогов напряжения - 1 В;

- потребляемый ток - 30 мА.

Принцип работы УЗ основан на прямом измерении амплитудного значения сетевого напряжения в течение положительного полупериода, пересчёте его в действующее напряжение и выводе результата измерения на индикатор.

Если сетевое напряжение выходит за установленные пределы, то микроконтроллер подаёт команду - нагрузка отключается от сети, а МК продолжает измерение сетевого напряжения. Если напряжение пришло в норму, то произойдёт отсчёт временного интервала на задержку включения нагрузки (1…600 с). Следует отметить, что задержки на включение продолжительностью 8...10 мин необходимы для таких устройств, в состав которых входят компрессоры (холодильники, кондиционеры, морозильные камеры).

Схему электрическую принципиальную УЗА (см. прил. А) можно разбить на четыре основных функциональных узла (ФУ):

- ФУ 1 - узел формирования переменного напряжения и его стабилизация;

- ФУ 2 - включает в себя низкочастотный (НЧ) фильтр и делитель напряжения;

- ФУ 3 - состоит из микроконтроллера, который является основой устройства;

- ФУ 4 - узел индикации, отображает напряжение сети.

Структурная схема прибора представлена на рис. 1.1.



Рисунок 1.1 - Структурная схема УЗА от аномальных напряжений сети

1.2 Климатические и механические воздействия, основные ВВФ

Для каждого прибора, учитывая условия его эксплуатации, существует ряд воздействий, согласно основным нормам эксплуатации радиотехнической аппаратуры. Основные воздействия для УЗА от аномальных напряжений сети представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 - Нормы климатических и механических воздействий

Вид воздействия, характеристики	Нормы воздействия	Допуск
	Группа 1
Отсутствие резонанса в конструкции: диапазон частот, Гц амплитуда виброперемещения, мм	10-30 0.5-0.8	± 1 ± 15 %
Прочность при транспортировании (в упакованном виде): длительность ударного импульса, мс ускорение пиковое, g число ударов в минуту общее число ударов, не менее	5-10 5, 10, 25 40-80 13000	- ± 20 % - -
Теплоустойчивость: рабочая температура, єС предельная температура, єС	40 55	± 3 ± 3
Влагоустойчивость: относительная влажность, % температура, єС	80 25
Защищенность от воздействия воздушно-пылевого потока со скоростью, м/с	-	-
Устойчивость к пониженному атмосферному давлению, кПа	60	± 0.6

* Величины в скобках приведены для второй степени жесткости

Таблица 1.2 - Характеристика ВВФ и их влияние на заданную конструкцию

Группа ВВФ	Вид ВВФ	Наименование	Единицы измерения	Влияние на конструкцию РЭА
Удар	Механический удар при свободном падении	Пиковое ударное ускорение	м с-2	Данные воздействия деформируют конструкцию и элементы изделия, что в свою очередь приводит к образованию в них механических напряжений и механическому разрушению
		Длительность действия ударного ускорения (фи)	с
		Форма импульса ударного ускорения	-
		Спектр ударного импульса	-
		Частота повторения ударов	с-1, мин-1
		Направление воздействия удара	-
Механическое давление	Динамическое давление	Скорость изменения динамического давления	Па	Динамическое давление может привести к механическим повреждениям и разрушению
		Форма импульса динамического давления	-
		Предельное значение динамического давления	Па
		Продолжительность действия динамического давления	с, мин, ч
		Направление воздействия динамического возд	-
Воздействие влажности воздуха	Повышенная (пониженная) влажность	Относительная влажность при данной температуре	%	Влажность воздуха приводит к окислению элементов, что в свою очередь ведет к изменениям параметров объектов и полному выходу их из строя.
		Абсолютная влажность воздуха	г·м-3
		Продолжительность воздействия	ч, сут
Электрический ток	Постоянный электрический ток	Сила постоянного электрического тока	А	Воздействие электрического тока, как негативное, имеет место за счет превышения допустимых параметров электронного средства. В таком случае ЭРЭ (либо на время, либо окончательно) выходят из строя, Изоляционное покрытие нагревается, плавится, вследствие чего может возникнуть возгорание
		Полярность постоянного электрического тока	+ -
		Плотность постоянного электрического тока	А·м-2
		Продолжительность постоянного электрического тока	с, мин, ч
	Переменный электрический ток	Частота переменного электрического тока	Гц
		Действующее значение переменного электрического тока	А
		Плотность переменного электрического тока	А·м-2
		Продолжительность постоянного электрического тока	с, мин, ч
	Электрический импульс тока (напряжения)	Форма электрического импульса	-
		Амплитуда импульса	А(В)
		Длительность импульса	с



2. Определение требований по надежности изделия

2.1 Требования к объекту по применению

Устройство защиты аппаратуры от аномальных напряжений сети - это изделие конкретного назначения (ИКН), имеющее один вариант применения. По работоспособности - это изделие вида I, которое в процессе эксплуатации может находиться в двух состояниях - работоспособном и неработоспособном. По режиму применения (функционирования) - это изделие длительного непрерывного применения, восстанавливаемое, необслуживаемое, ремонтируемое обезличенным способом.

При эксплуатации необходимо:

- соблюдать требования эксплуатационной документации;

- контролировать состояния изделия;

- ремонтировать своевременно, с использованием новых технологий;

- проводить своевременную и периодическую диагностику.

2.2 Выбор номенклатуры и определение показателей надежности

Требования по надежности - это совокупность количественных и (или) качественных требований о безотказности, долговечности, ремонтоспособности, сохранения, придерживание которых обеспечивает эксплуатацию изделий с данными показателями эффективности, безопасности, экологичности, жизненности и других составляющих качества, которые зависят от надежности изделия, или возможности его использования.

Зададимся значениями типовых показателей надежности:

- вероятность безотказной работы Р(t_б.р)=0.99;

- время непрерывного сеанса безотказной работы t_б.р.=2000 час;

- коэффициент готовности К_г=0,99, К_ог=0,98;

- коэффициент технического использования К_ТИ=0,98;

- средний срок сохраняемости Т_с=3 года;

- среднее время восстановления Т_в - 1.5 час.



3. Распределение требований к надежности по составным частям изделия

3.1 Расчет показателей безотказности и сравнение их с заданными

Для четырех ФУ подсчитываем количество типов элементов, рассчитываем среднюю интенсивности отказов по типам элементов каждого ФУ и суммарную интенсивность отказов всех ФУ. Результаты заносим в табл. 3.1.

Средняя интенсивность отказов для одного узла рассчитывается:

(3.1)

где л_0i - интенсивность отказов элементов i-го типа для усредненных условий эксплуатации [1];

N_0i - количество элементов i-го типа в ФУ.

Суммарная интенсивность отказов всех ФУ:

(3.2)

Для каждого функционального узла определяем коэффициент пропорциональности К, физический смысл которого: относительный вес каждого ФУ по уровню интенсивности отказов. Результаты заносим с табл.3.1.

(3.3)

Проверка правильности расчетов осуществляется:

(3.4)

Определяем заданную интенсивность отказов для всего устройства:

. (3.5)

Для всего устройства интенсивность отказов составляет л_з=510^-6 1/час.

Выполняем распределение параметра л_з по отдельным функциональным узлам с учетом их весовых коэффициентов:

(3.6)

Данные заносим в табл. 3.1.

Находим требуемые вероятности безотказной работы для каждого i-го ФУ. Результаты заносим в табл. 3.1.

(3.7)

Требования по надежности обеспечиваются во всех ФУ (см. табл. 3.1), так расчеты каждого узла удовлетворяют условиям:

(3.8)

(3.9)



Рисунок 3.1 - График сравнения рассчитанной вероятности безотказной работы с заданной

Таблица 3.1 - Интенсивность отказов

Элемент	Данные по элементам	Суммарная интенсивность отказов, Ni·л0j·106
	Типономинал	Количество, Ni	Интенсивность отказов, л0j·106
Функциональный узел №1
Резисторы R1, R3	МЛТ - 0.5	2	0.0037	0.0074
Оксидные конденсаторы С3, С6	470 мкЧ25 В 100 мкЧ10 В	2	0.00012	0.00024
Пленочный конденсатор С 1	К 73-17 0.47 мкЧ630В	1	0.00051	0.00051
Диод общего назначения VD2	1.5КЕ 18СА	1	0.0038	0.0038
Выпрямительный диод VD3	1N4007	1	0.023	0.023
Стабилизатор DA1	КР 1158ЕН 5В	1	0.023	0.023
Проводящие дорожки		14	0.0024	0.0336
Контактные пайки		18	0.0013	0.0221
K1=0.323
л1=0.11365·10-6
лз 1=1.615·10-6
Рз 1(tбр)=0.9968
Р 1(tбр)=0.99977
Функциональный узел №2
Диод общего назначения VD1	1.5КЕ 18СА	1	0.0038	0.0038
Резисторы R2 и R4, R5	МЛТ - 0.5 МЛТ - 0.125	3	0.0037	0.0111
Оксидный конденсатор С 2	1 мкЧ450 В	1	0.00012	0.00012
Пленочный конденсатор С 4	К 73-17 1 мкЧ450 В	1	0.00051	0.00051
Проводящие дорожки		12	0.0024	0.0288
Контактные пайки		12	0.0013	0.0143
K2=0.1669
л2=0.05863·10-6
лз 2=0.8345·10-6
Рз 2(tбр)=0.99967
Р 2(tбр)=0.99988
Функциональный узел №3
Резисторы R6 и R8, R7	МЛТ - 0.5 МЛТ - 0.125	3	0.0037	0.0111
Пленочный конденсатор С 5	К 73-17 0.1 мкЧ630 В	1	0.00051	0.00051
Симистор VS1	BTA12-800	1	0.0034	0.0034
Дроссель L1	DM-0.1, 500 мкГн	1	0.00003	0.00003
Микросхема DD1	ATtiny15L	1	0.0078	0.0078
Транзистор p-n-p VT1	KT972A	1	0.0057	0.0057
Проводящие дорожки		16	0.0024	0.0384
Контактные пайки		26	0.0013	0.0338
K3=0.2868
л3=0.10074·10-6
лз 3=1.434·10-6
Рз 3(tбр)=0.997
Р 3(tбр)=0.9998
Функциональный узел №4
Резисторы R8 - R13	МЛТ - 0.125	5	0.0037	0.0185
Пленочный конденсатор С 7	К 73-17 0.1 мкЧ630 В	1	0.00051	0.00051
Светодиод HL1	АЛ 307БМ	1	0.004	0.004
ЖК индикатор HG1	K0-4B2	1	0.00043	0.00043
Проводящие дорожки		12	0.0024	0.0288
Контактные пайки		20	0.0013	0.026
K4=0.223
л4=0.07824·10-6
лз 4=1.115·10-6
Рз 4(tбр)=0.998
Р 4(tбр)=0.9998

3.2 Расчет показателей ремонтопригодности и сравнение их с заданными

Среднее время восстановления ФУ:

(3.10)

где Т_{вi -} среднее время восстановления i-го ФУ;

- суммарная интенсивность отказов.

Среднее время восстановления i-го ФУ:

(3.11)

T_ooi - среднее время обнаружения отказа в i - ом ФУ;

T_уoi - среднее время устранения отказа в i - ом ФУ.

Задаем это время для Т_{в 1}=0.5 час, Т_{в 2}=0.5 час, Т_{в 3}=2 час, Т_{в 4}=2 час, с учетом время обнаружения и устранения отказов. Рассчитанное время восстановления равно заданному времени восстановления и равно 1.5 час.

(3.12)

Условие (3.12) выполняется.



3.3 Расчет комплексных показателей надежности

Коэффициент готовности (К_Г):

(3.13)

где средняя наработка до отказа;

На рис. (3.1) показан вид зависимости коэффициента готовности от текущего времени.

Рисунок 3.1 - Зависимость

По графику видно, что за время значение не опустится ниже, чем 0.99, заданное значение , следовательно выполняется условие: функциональный надежность безотказность ремонтопригодность

(3.14)

Коэффициент оперативной готовности (К_ОГ) - вероятность того, что изделие, находясь в режиме ожидания и начав в произвольный момент времени выполнение задачи, проработает безотказно требуемое время, рассчитывается (3.3):

(3.14)

К_ОГ зависит только от t, так как t_бр = const (см. рис. 3.2).

Рисунок 3.2 - Зависимость

На рис. 3.3 видно, что за время значение не опустится ниже, чем 0.99, заданное значение , следовательно выполняется условие:

(3.16)

Коэффициент технического использования (К_ТИ):

(3.5)

где t_ном - номинальный фонд времени, на протяжении которого объект может использоваться по назначению, при выборе t_ном ориентируемся на гарантийный срок службы, в данном случае он составляет t_ном=8760 ч (1 год);

t_д - действительный фонд времени.

Действительный фонд времени:

(3.17)

где - среднее время простоя связанного техническим обслуживанием (ТО), но так как в данном устройстве не предусмотрено ТО, та данная величина принимается равной 0;

- среднее время простоя связанного с ремонтом.

Среднее время простоя связанного с ремонтом:

(3.18)

где

t_д в таком случае составляет 8759.997 ч.

Рисунок 3.3 - Зависимость

На рис. 3.3 видно, что за время значение не опустится ниже, чем 0.99, заданное значение , следовательно выполняется условие:

(3.19)



4. Уточненный расчет надежности одного из узлов по внезапным отказам

Проведен качественный анализ элементной базы ФУ №2 (см. прил. Б). Определены элементы с л=const (то есть элементы подверженные катастрофическим отказам типа обрыв и короткое замыкание): R2, R4, R5, C4. Элементы с л?const, то есть элементы подверженные старению: VD1 и C2.

Таблица 4.1 - Значения номинальной и рабочей мощности, рабочего напряжения элементов ФУ

	R2	R4	R5	C4	C2	VD1
Pном, Вт	0.5	0.5	0.125	-	-	0.1
Pраб, Вт	0.0019	0.04	0.00066	-	-	0.0057
Uраб, В	8	200	10	15	15	26
Uном, В	-	-	-	450	25	-

Уточненный расчет надежности производится для каждого ФЭ отдельно с учетом температурного и электрического режимов. Для этого интенсивности отказов элементов корректируются с помощью поправочных коэффициентов.

Для резисторов:

(4.1)

где = 0.0037·10^-6 - интенсивность отказов;

- коэффициент влияния повышенной температуры;

- коэффициент влияния мощности рассеивания;

- коэффициент влияния жесткости электрического режима работы;

- коэффициент влияния уровня качества, равен 3;

- коэффициент влияния жесткости условий эксплуатации, так как у нас стационарное оборудование он равен 10.

Коэффициент влияния повышенной температуры :

(4.2)

где - постоянный коэффициент;

Т=20 ⁰С - температура корпуса (возьмем температуру окружающей среды);

Коэффициент влияния мощности рассеяния

, (4.3)

где Р - мощность рассеяния.

Коэффициент влияния жесткости электрического режима работы для сопротивлений :

(4.4)

где А=0.71, В=1.1 - постоянные коэффициенты [3];

- коэффициент нагрузки, зависящий от рабочей и номинальной мощности соответственно.

Подставив все рассчитанные значения (4.1) получили: ,, =.

Уточненное значения интенсивности отказов конденсаторов:

(4.5)

где - коэффициент влияния емкости;

- коэффициент влияния последовательного сопротивления.

= 0.0051·10^-6 - интенсивность отказов.

Коэффициент влияния емкости :

(4.6)

где D =0.09, постоянный коэффициент;

С=1мкФ - емкость конденсатора.

Коэффициент влияния жесткости электрического режима работы для конденсаторов :

(4.7)

где А=5, В=0.6, - постоянные коэффициенты [3];

Подставив значения (4.5) получили следующие значения: .

Уточненное значение интенсивности отказов диода:

(4.8)

где - коэффициент влияния конструкции контактов [3];

=0.054, коэффициент электрической нагрузки.

= 0.0038·10^-6 - интенсивность отказов.

Подставив значения (4.8) получили следующее значение: .

Найдена сумма интенсивностей отказов для элементов группы л=const:

. (4.9)

.

Найдено уточненное значения вероятности безотказной работы для элементов группы л=const (см. рис. 4.1).

(4.10)

где t изменяется от 0 до t_бр.

Рисунок 4.1 - Зависимость уточненного значения вероятности безотказной работы от для элементов группы с л=const

По найденным значениям (4.1) , для каждого элемента второй группы (л?const) определено значение средней наработки до отказа ( по номограмме [1].

; .

Определена уточненная наработка до отказа всей совокупности элементов подверженных деградации.

(4.11)

где - параметр масштаба DN - распределения.

Рассчитанное значение: =4,54·10⁵.

Вероятность деградационного отказа (см. рис. 4.2) вычислена по формуле:

(4.12)

где Ф - интеграл Лапласа - Гаусса.

Вероятность безотказной работы элементов группы с л?const (см.рис. 4.2):

(4.13)

Рисунок 4.2 - Зависимость вероятности безотказной работы от t для элементов группы с л?const

Определена уточненная вероятность безотказной работы всего ФУ:

(4.14)

При сравнении заданной вероятности безотказной работы для данного ФУ и уточненного расчета получено, что (см. рис. 4.3).

Рисунок 4.3 - Зависимость и



5. Расчет поля допуска на определяющий параметр функционального узла

Так как для расчетов выбран ФУ №2 то расчет надежности по параметрическим отказам проводим для функциональных элементов (ФЭ) этого узла.

На рис. 5.1 штриховой линей выделена та часть схемы которая является определяющей с точки зрения работоспособности.

Рисунок 5.1 - Выбранная модель объекта

Необходимая зависимость выходного параметра ФУ от первичного параметра определяется следующим выражением:

, (5.1)

где R2, R4, R5, C2, C4 - первичные параметры схемы, номиналы которых указаны на рис. 5.1.

Рассчитываем коэффициент влияния каждого i-го первичного параметра:

(5.2)

Подставив значения в формулу (5.2) получим следующие значения коэффициентов влияния: К_B(С 4) = - 0.952;

К_B(R2) =- 0.909, все остальные элементы ФУ являются маловлиятельными, возьмем из равными 0. Так как коэффициенты влияния отрицательны можно сделать вывод о том, что при увеличении частоты, коэффициент передачи уменьшается, так как данные элементы влияют на входное напряжения, уменьшая его.

По заданным комплектующих элементов определяем среднее значение поля допуска на относительную погрешность каждого первичного параметра по формуле:

(5.3)

где Д_Н и Д_В - нижнее и верхнее значение поля допуска.

Однако элементов заданного ФУ допуск на их параметры является симметричным, а значит при подстановке этих значений в формулу (5.3) эта величина будет равна нулю.

Рассчитываем половину поля допуска на относительную погрешность определяющего параметра:

, (5.4)

где - коэффициент гарантированной надежности (см. табл. 5.1), который характеризует некоторую вероятность нахождения параметра в поле допуска;

- ширина поля допуска на относительную погрешность первичного параметра:

(5.5)

Из (5.5) имеем:дх_{С 4}=5 %, дх_R2=10 %.

Таблица 5.1 - Зависимость P()

Р	0.9	0.95	0.97	0.98	0.99	0.9973	0.999
г	0.548	0.653	0.683	0.775	0.857	1.0	1.1

Для того чтобы найти г нам необходимо определить Р_по:

(5.6)

Из следует, что значение =0.857.

Учитывая значения ширины поля допуска на относительную погрешность первичного параметра и коэффициент влияния каждого i-го первичного параметра определили (5.4) половину поля допуска на относительную погрешность определяющего параметра: 8.5 %.

Рассчитываем предельные значения поля допуска на относительную погрешность определяющего параметра:

(5.7)

(5.8)

Так как допуски на параметры симметричные то , следовательно: =-8.5 %, =8.5 %.

Рассчитываем предельные значения определяющего параметра:

(5.11)

(5.12)

Таким образом допуск на определяющий параметр составляет: D= [-9 %;+9 %].



6. Расчет параметрической надежности функционального узла

По анализу значений коэффициентов влияния элементов, входящих в ФУ отбрасываются маловлиятельные элементы, а именно R4, R5, C2. Считаем, что они не изменяются во времени.

Для влиятельных параметров определяем коэффициент чувствительности по формуле (6.1):

(6.1)

Таким образом А_{С 4}=-0.411·10⁶, А_R2=-1.1·10^-5, из этих значений следует, что керамический конденсатор С 4 является достаточно чувствительным элеменом. Сопротивление R2 можно считать нечувствительным элементом.

Для влиятельных элементов по справочным данным определяем интенсивность параметрических отказов:

(6.2)

где %ПО - для параметричского отказа.

Интенсивность параметрического отказа керамического конденсатора составляет =6.885·10^-8, при 45 % параметрических отказов. =3.13·10^-6 при 95 % параметрических отказов

Определяем среднюю наработку до параметрического (T_ni) отказа каждого влиятельного элемента х_i по налограмме [2]при t_н=3·10⁴: T_{С 4}=3.2·10⁶, T_R2=2·10⁶ Дальше определяем среднюю скорость дрейфа каждого влиятельного элемента:

(6.3)

где х_{доп i} - допустимые значения i-го параметра (min или max в зависимости от направления изменения параметра с течением t).

В данном случае у R2_в=36300, C4_в=1.05·10^-6, max значения допустимого параметра. В таком случае =1650·10^-6, =0.016·10^-12, то есть, средняя скорость дрейфа гораздо выше у R2.

Скорость изменения определяющего параметра при изменении первичных влиятельных параметров:

(6.4)

Рассчитанное значение а =-2.473·10^-8.

Определяем коэффициент вариации DN - распределения:

(6.5)

Коэффициент вариации составляет -0.781.

Тогда вероятность возникновения параметрического отказа:

(6.6)

где у_дн=0.3952 - нижнее допустимое значение определяющего параметра;

у_ном=0.432 - номинальное значение определяющего параметра.

Вероятность возникновения параметрического отказа (см. рис. 6.1) равна:

(6.7)



Рисунок 6.1 - Зависимость



7. Обобщение результатов расчета надежности функционального узла

Обобщение результатов расчетов надежности 2-го ФУ для различных видов отказа по найденным вероятностям безотказной работы.

При анализе элементной базы ФУ определены элементы с л=const (то есть элементы подверженные катастрофическим отказам типа обрыв и короткое замыкание): R2, R4, R5, C4 и элементы с л?const, то есть элементы подверженные старению: VD1 и C2. Для каждого класса элементов были построены графики зависимости вероятности безотказной работы, зависящие от времени безотказной работы (см. рис. 7.1-7.2).

Рисунок 7.1 - Зависимость уточненного значения вероятности безотказной работы от для элементов группы с л=const

Рисунок 7.2 - Зависимость уточненного значения вероятности безотказной работы от для элементов группы с л?const

На рис. 7.2 так как вероятность безотказной работы за время очень маленькая, чтобы посмотреть через какое же время вероятность начнет уменьшаться взяли времени t=200000.

Вероятность возникновения параметрического отказа также является достаточно малым числом при таком времени безотказной работы (см. рис. 7.3).

Рисунок 7.3 - Зависимость

Из всего выше сказанного можно сделать вывод о том, что данный ФУ выполняет все требования по надежности за заданное время безотказной работы (см. рис. 7.4).

Рисунок 7.4 - Зависимость при л=const, при л?const

Низкая надежность производимой техники приводит к таким негативным последствиям, как потеря доверия потребителя к продукции предприятия, снижения конкурентоспособности на внешнем рынке, увеличение затрат на устранение отказов в гарантийный период, совершенствование технологий после начала серийного производства, приводит к снижению безопасности, затратам материальных и трудовых ресурсов и т.д. Поэтому работа по обеспечению надежности должна находиться всегда в центре внимания конструкторских и технологических организаций. Работа по обеспечению надежности должна носить комплексный характер, охватывать все стадии жизненного цикла изделия, так как надежность закладывается при проектировании, обеспечивается при изготовлении, восстанавливается и поддерживается при эксплуатации и ремонте.

Для обеспечения надежности следует выполнять следующие виды работ:

- разработка программ обеспечения надежности;

- установление требований к надежности, выбор номенклатуры и нормирование показателей надежности изделий с учетом особенностей его конструктивного исполнения, режимов применения и условий эксплуатации;

- анализ надежности лучших отечественных и зарубежных аналогов, составных частей, комплектующих изделий, свойств конструкционных материалов;

- изучение условий эксплуатации и ВВФ;

- выбор конструктивных материалов и комплектующих элементов;

- разработка методов и средств испытаний;

- разработка мероприятий, обеспечивающих стойкость изделий к ВВФ;

- анализ причин отказов опытных образцов, разработка мероприятий по их устранению;

- технико-экономический анализ эффективности.

Основными методами и способами обеспечения надежности на данной стадии являются: рациональный выбор конструкции, введения резервирования (метод обеспечения надежности, состоящих в применении дополнительных средств и возможностей в целях сохранения работоспособности объекта), обоснование запасов прочности, введение в конструкцию средств обнаружения отказов и определения предотказного состояния средствами технического диагностирования, расчет размерных цепей и обоснование допусков на размеры и параметры, обеспечение ремонтной и эксплуатационной технологичности, проведение испытаний и расчетов надежности, установление требований к надежности комплектующих изделий, к качеству конструкционных материалов.

Параметры элементов данного устройства имеют определенный разброс относительно номинального значения, из-за влияния различных факторов. Каждое устройство имеет определенный набор элементов. Значение параметров элементов изменяется случайным образом, что приводит к произвольному изменению выходного параметра устройства. Для определения вероятности нахождения выходного параметра в пределах поля допуска необходимо иметь несколько образцов, каждый из которых будет обладать своим значением выходного параметра.

Определение полей допусков позволяет еще на этапе проектирования определиться, какую элементную базу использовать. Более дорогостоящую и качественную, если это элемент чувствительный к допуску и требовательный к условиям эксплуатации. Или же если требования более гибкие, возможность замены аналогичным, но более дешевым.



Выводы

В данном курсовом проекте был проведен анализ надежности и безотказности устройства защиты аппаратуры от аномальных напряжений сети. В результате анализа подтвердили, что надежность устройства удовлетворяет условиям эксплуатации. Значения параметров вероятности безотказной работы, полученных при ориентировочном расчете для каждого функционального узла, соответствуют заданным. Так как самым влиятельным является ФУ №2 для него был проведен уточненный расчет по внезапным, деградационным и по параметрическим отказам. Значения вероятностей безотказной работы во всех трех случаях соответствуют заданным в техническом задании. Уточненный расчет влиятельного ФУ подтвердил правильность ориентировочных расчетов, поэтому можно считать, что другие ФУ соответствуют необходимой надежности и вероятности безотказной работы.

Для устройства в целом были описаны мероприятия, позволяющие обеспечить заданный уровень требований к надежности, а также мероприятия для понижения стоимости устройства, не влияя на его надежность.



Библиографический список

1. Бабаков М.Ф. Анализ и обеспечение надежности электронной аппаратуры при проектировании: Учебное пособие. - Харьков "ХАИ", 2002.

2. Бабаков М.Ф. Проектная оценка надежности РЭА: Учебное пособие. - Харьков "ХАИ", 2006.

3. Бабаков М.Ф. Васильева И.К., Дерюга И.И. Нормировка и расчет надежности радиоэлектронной аппаратуры - Харьков "ХАИ", 2008.

Перечень условных обозначений, сокращений, терминов:

ВВФ - внешние воздействующие факторы.

ИКН - изделие конкретного назначения.

МК - микроконтроллер.

НЧ - низкие частоты.

ТО - техническое обслуживание.

УЗ - устройство защиты.

УЗА - устройство защиты аппаратуры.

ФУ - функциональный узел.

ФЭ - функциональный элемент.

Размещено на Allbest.ru

...