Надежность устройства обнаружения дыма

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Анализ объекта и условие его эксплуатации

1.1 Назначение, состав и структура объекта

датчик надежность дым безотказность

В данном проекте объектом исследования выступает устройство обнаружения дыма. Это устройство может работать как противопожарная сигнализация, издающая громкий звуковой сигнал в случае задымления. Принцип работы основан на ухудшении прозрачности воздуха при появлении в нем дыма. Собственно датчик состоит изооптической пары из сверхяркого светодиода красного цвета сечения и фоторезистора. Они расположены в одной плоскости, так, что между ними расстояние около 3-4 см.

Чувствительность датчика предварительно настраивают так, что даже при малом ухудшении прозрачности воздуха между ними срабатывает компаратор, который включает сирену.

Структурная схема устройства обнаружения дыма представлена на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 - Функциональная схема датчика дыма

ФУ 1 основан на электролитических конденсаторах и стабилизаторе напряжения А1.

ФУ 2 - датчик дыма. Основой служат оптическая пара из светодиода HL1 и фототранзистора HT1. Ток на светодиод поступает через резисторы R1 и R2. Резистор R2 - подстрочный, с его помощью можно регулировать яркость свечения HL1. Сопротивление эмиттер-коллектор фототранзистора HT1 вместе с резистором R3 образует делитель напряжения. Конденсатор С1 служит для подавления помех.

ФУ3 - схема компаратора собрана на сдвоенном усилителе А2. ОУ А2.1 служит непосредственно для управления сиреной F1, а ОУ 2.2 является вспомогательным, с его помощью можно легко настроить датчик без применения измерительных приборов. Компаратор питается стабилизированным напряжением от А1. Опорное напряжение подается на инверсные входы ОУ от делителя R4-VD1-R5. Диод VD1, как и любой другой диод, обладает некоторым прямым напряжением падения, которое стабильно в довольно широком диапазоне. Здесь этот диод создает небольшую разницу в величине опорного напряжения, поданное на инверсные входы ОУ. На А2.1 опорное напряжение немного больше чем на А1.

ФУ 4 - транзисторный ключ VT1 включенный к выходу А2.2, с индикаторным светодиодом в коллекторной цепи. Настройка заключается в подстройке R2 таким образом, чтобы загорелся HL2, но не включилась сирена. Физически, HL2 должен быть расположен так, чтобы от него свет не попадал на НТ1.

ФУ 5 - транзисторный ключ VT2-VT3 подключенный к выходу А2.1, с сиреной на выходе F1. Резисторы R11 и R12 нужны для лучшего закрывания транзисторов VT2-VT3. В случае неполного закрывания, их величины нужно уменьшить.

Теперь, если возникает задымление, и оптическая пара HL1 - HT1 оказывается в этом дыму, прозрачность воздуха между HL1 и HT1 снижается. Сила света, поступающая на НТ1 уменьшается и фототранзистор начинает прикрываться сопротивление его эмиттер - коллектор увеличивается, и соответственно, увеличивается напряжение на его коллекторе. Как только это напряжение становиться равным и выше напряжения на инверсном входе А2.1 на выходе А2.1 возникает напряжение, достаточного для открывания транзисторов VT3 и VT2. Включается сирена F1.

1.2 Климатические и механические воздействия

Данное устройство относится к бытовой радиоэлектронной аппаратуре и предположительно должна работать в жилых помещениях, относится к категории изделия КР - 4.2. Исполнение аппаратуры - общеклиматическое для суши. Воздействие внешней температуры для полной работоспособности устройства не должно превышать +45⁰С и быть не ниже +10⁰С. Предельными температурами являются, верхнее +45⁰С, нижние +1⁰С. Воздействие относительно влажности при температуре 35⁰С должно составлять не более 98%.

2. Разработка требований к надежности объекта

2.1 Выбор номенклатуры и задаваемые значения показателей надежности

Данное изделие является восстанавливаемым, стареющим и изнашиваемым, ремонтируемым обезличенным способом, неконтролируемым перед применением.

Требования по надежности - совокупность количественных и (или) качественных требований к безотказности, долговечности, ремонтопригодности, сохраняемости, выполнение которых обеспечивает эксплуатацию изделий с заданными показателями эффективности, безопасности, экологичности, живучести и других составляющих качества, зависящими от надежности изделия, или возможность применения данного изделия в качестве составной части другого изделия с заданным уровнем надежности.

Переход в предельное состояние заданного объекта при применении по назначению может привести к катастрофическим последствиям. Весомым процессом, определяющим переход в предельное состояние является изнашивание элементов.

Зададимся значениями типовых показателей надежности:

- вероятность безотказной работы Р(t_б.р) = 0,98;

- время непрерывного сеанса безотказной работы t_б.р.=4000 час;

- коэффициент готовности К_г=0,99;

- коэффициент технического использования К_ТИ=0,98;

- коэффициент оперативной готовности К_ог=0,99;

- среднее время восстановления Т_в - 3 часа.

2.2 Возможные критерии отказов и предельных состояний

Критериями отказов для ФУ1 являются:

- прекращение работы устройства - отсутствие питания устройства и отсутствие стабилизации напряжения;

Критериями отказов для ФУ2 являются:

- прекращение выполнения изделием заданных функций - ухудшение чувствительности датчика или ложное срабатывание датчика;

Критериями отказов ФУ3 являются:

- прекращение выполнения изделием заданных функций - отказ работы компаратора, делителя R4, R5;

- снижение качества функционирования устройства - пробой диода VD1 после чего отсутствует разница опорных напряжений на А1.1 и А1.2;

Критериями отказов ФУ4 являются:

- прекращение выполнения изделием заданных функций - прекращение работы транзисторного ключа, а значит отсутствие настройки устройства;

Критерии отказов ФУ5 являются:

- прекращение выполнения изделием заданных функций - неисправность звуковой сирены, а так же выход из строя транзисторного ключа VT2-VT3;

- неправильное функционирование устройства - выход из строя резисторов R11, R12.

3. Распределение требований к надежности по функциональным узлам

3.1 Расчет показателей безотказности

Предполагается простейший поток отказов электрорадиоэлементов (ЭРЭ) и функциональных узлов изделия. Все элементы в устройстве равнозначные, т.е. величины интенсивностей отказов л_i одинаковы. Все элементы в смысле надежности находятся в основном (последовательном) соединение. Процессы деградации не учитываются, а отказы отдельных элементов являются событиями независимыми.

Были определены средние интенсивности отказов отдельных типов элементов л_0j (см. табл. 3.1).

Таблица 3.1 - Средняя интенсивность отказов отдельных типов элементов

Элемент	элем., ч
Пленочный резистор	0,0037
Переменный резистор	0,0024
Конденсатор (керамический, общего применения)	0,0017
Конденсатор алюминиевый	0,0013
Транзистор	0,045
Фотоприемник	0,011
Микросхема	0,0017
Громкоговоритель	0,049
Диод	0,0036
Контактная пайка	0,0013
Проводящая дорожка	0,0024

Произведем расчет средних интенсивностей отказов по типам элементов каждого ФУ и посчитаем суммарную интенсивность отказов всех ФУ. Средняя интенсивность отказов узла:

 (3.1)

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

N_0i - количество элементов i-го типа в ФУ.

Суммарная интенсивность отказов всех ФУ:

(3.2)

Полученные при расчете данные занесем в табл. 3.2.

Таблица 3.2 - Средняя интенсивность отказов каждого ФУ

№ФУ	1	2	3	4	5
., ч	0,0182	0,0498	0,0451	0,1171	0,1936
0,4238

Для каждого функционального узла рассчитываем коэффициент пропорциональности К, характеризующий относительный вес каждого ФУ по уровню интенсивности отказов, т.е. вклад каждого узла в ненадежность всего устройства:

(3.3)

При расчетах должно выполняться условие:

(3.4)

Результаты расчета занесены в табл. 3.3.

Таблица 3.3 - Коэффициенты влияния каждого ФУ

№ФУ	1	2	3	4	5
	0,042945	0,117508	0,106418	0,27631	0,456819

Она составляет л_з=5,05067710^-6 1/час.

Значение л_з распределяем по функциональным узлам с учетом их весовых коэффициентов :

(3.6)

Полученные данные представлены в табл. 3.4.

Рассчитываем необходимые вероятности безотказной работы для каждого i-го ФУ. Результаты заносим в табл. 3.4.

(3.7)

Таблица 3.4 - Результаты расчетов

№ФУ	1	2	3	4	5
, ч	0,2169002	0,5934962	0,5374835	1,39555	2,307246
	0,999132	0,997626	0,99785	0,994418	0,990771

3.2 Ориентировочный расчет надежности

Согласно данным ДСТУ составляется таблица 3.5 в которой определяются базовые интенсивности отказов отдельных типов элементов л_0j.

Таблица 3.5 - Интенсивность отказов

Элемент	Данные по элементам	Суммарная интенсивность отказов Nj·л0j·106, 1/ч
	Тип и номинал	Количество, Nj	Иинтенсивность отказов, л0j·106, 1/ч
Функциональный узел №1
Линейный стабилизатор напряжения	78L08	1	0,020	0,020
Электролитический алюминиевый конденсатор С2, С3	К50-6 - 20 мкФ*22 В, 1000 мкФ*22 В	2	0,00012	0,00024
Печатные проводники		2	0,0024	0,0048
Контактные пайки		7	0,0013	0,0091
Функциональный узел №2
Постоянные металлодиелектрические резисторы R1, R3	C2-23-0,125 2,2 кОм, 300 кОм,	2	0,0037	0,0074
Керамический конденсатор общего применения С1	К73-17 0,1 мкФ	1	0,0017	0,0017
Проволочный подстроечный резистор R2	C2-23 10 кОм	1	0,0024	0,0024
Светодиод HL1	RL81-UR2GH739F	1	0,0038	0,0038
Фототранзистор НТ1	L-53PBT	1	0,0055	0,0055
Печатные проводники		5	0,0024	0,012
Контактные пайки		9	0,0013	0,0117
Функциональный узел №3
Постоянные металлодиэлектрические резисторы R4, R5	C2-23 10 кОм, 10 кОм	2	0,0037	0,0074
Операционный усилитель A1.1 A1.2	LM358	1	0,020	0,020
Диод VD1	1N4148	1	0,0038	0,0038
Печатные проводники		7	0,0024	0,0168
Контактные пайки		12	0,0013	0,0156
Функциональный узел №4
Постоянные металлодиэлектрические резисторы R6 R7 R12	C2-2 10 кОм, 430 Ом 3,3 кОм	3	0,0037	0,0111
Светодиод HL2	АЛ307	1	0,0038	0,0038
Транзистор кремниевый VТ1	КТ3102	1	0,00074	0,00074
Печатные проводники		5	0,0024	0,012
Контактные пайки		10	0,0013	0,013
Функциональный узел №5
Постоянные металлодиэлектрические резисторы R8 R9 R10 R11	C2-23 10 кОм 10 кОм 2,2 кОм 300 Ом	4	0,0037	0,0148
Транзистор кремниевый средней мощности VТ2	КТ816	1	0,00074	0,00074
Транзистор кремниевый VТ3	КТ3102	1	0,00074	0,00074
Громкоговоритель F1	ES-308	1	0,029	0,029
Печатные проводники		9	0,0024	0,0216
Контактные пайки		14	0,0013	0,0182

По (3.1) и (3.2) соответственно найдем среднюю интенсивность отказов каждого узла и суммарную интенсивность отказов всех ФУ (0,3664210⁶). Находим требуемые вероятности безотказной работы для каждого i-го ФУ:

 (3.8)

Все полученные результаты заносим в табл. 3.6.

Таблица 3.6 - Результаты расчетов

№ФУ	1	2	3	4	5
, ч	0,03414	0,0445	0,0636	0,07484	0,14934
	0,999863	0,999822	0,999746	0,999701	0,999403

Далее сравниваем рассчитанные и заданные показатели безотказности. Результаты расчетов заданных и найденных интенсивностей отказов (л_зi, л_рi) и вероятностей безотказной работы (Р_зi, Р_рi) представлены в таблице 3.7.

Таблица 3.7 - Сравнение результатов

№ФУ	., ч	., ч
1	0,2169002	0,999132
2	0,5934962	0,997626
3	0,5374835	0,99785
4	1,39555	0,994418
5	2,307246	0,990771

Согласно табл. 3.7 требования по надежности обеспечиваются во всех ФУ, так расчеты каждого узла удовлетворяют условиям:

(3.9)

(3.10)

График зависимости вероятности безотказной работы всего устройства от времени представлен на рис. 3.1.



Рисунок 3.1 - График сравнения рассчитанной вероятности безотказной работы с заданной

3.3 Расчет показателей ремонтопригодности и сравнение их с заданными

Находим среднее время восстановления ФУ:

(3.11)

где Т_вi - среднее время восстановления i-го ФУ;

1/ч - суммарная интенсивность отказов.

Среднее время восстановления i-го ФУ:

(3.12)

- среднее время обнаружения отказа в i - ом ФУ;

- среднее время устранения отказа в i - ом ФУ.

Таблица 3.8 - Исходные данные для расчета Т_в

№ФУ	1	2	3	4	5
То.о., ч	0,20	0,35	0,2	0,35	0,25
Ту.о, ч	0,35	0,4	0,4	0,3	0,5

Следуя из (3.12) получаем среднее время восстановления отказов и заносим в табл. 3.9.

Таблица 3.9 - Время восстановления

№ФУ	1	2	3	4	5
Тві,ч	0,55	1,15	1	1,05	1,15

Исходя из (3.11) время восстановления меньше заданного времени восстановления и равно 1,0476 ч, т.е. выполняется условие:

(3.13)

3.4 Расчет комплексных показателей надежности

В расчетах необходимо, чтобы выполнялось неравенство:

(3.15)

На рис. (3.2) показана зависимость коэффициента готовности от текущего времени, из которого видно, что условие (3.15) выполняется.

Рисунок 3.2 - Зависимость

Далее рассчитываем коэффициент оперативной готовности:

(3.16)

Необходимо, чтобы выполнялось неравенство:

(3.17)

К_ОГ зависит только от текущего времени, так как t_бр = const (см. рис. 3.3).

Рисунок 3.3 - Зависимость

Исходя из рис. 3.3 условие (3.17) выполняется.

Коэффициент технического использования К_ТИ определяется как:

(3.18)

где t_ном - номинальный фонд времени, на протяжении которого объект может использоваться по назначению, t_ном=17520 ч (2 года);

t_д - действительный фонд времени.

Действительный фонд времени:

 (3.19)

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

- среднее время простоя связанного с ремонтом.

Среднее время простоя связанного с ремонтом:

(3.20)

где - среднее число восстановлений.

(3.21)

Исходя из (3.21) t_д с учетом этого равняется 17519,9 ч.

Необходимо, чтобы выполнялось неравенство:

(3.22)

На рис. 3.4 показана зависимость коэффициента технического использования от текущего времени, исходя из которого видно, что условие (3.22) выполняется.



Рисунок 3.4. Зависимость коэффициента технического использования от текущего времени

Выводы

В данном проекте был проведен анализ надежности и безотказности устройства датчика обнаружения дыма.

В результате анализа изделия были проведены следующие расчеты:

- ориентировочный расчет на надежность и безотказность при условии однотипности ЭРЭ, и при условии различных ЭРЭ (по типономиналамы)

- уточняющий расчет надежности и безотказности одного функционального узла;

- расчет полей допуска на определяющий параметр функционального узла;

- расчет полей допуска на определяющий параметр функционального узла;

- расчет параметрической надежности функционального узла.

В результате анализа было подтверждено, что надежность устройства удовлетворяет условиям эксплуатации.

Перечень ссылок

1. Журнал «Радио Мир» №4./ Е.Н. Сакевич. - Москва, - 2003.

2. Анализ и обеспечение надежности электронной аппаратуры при проектирование/ М.Ф. Бабаков. - Учебное пособие. - Харьков: Национальный аэрокосмический университет, 2002.

3. Нормирование и расчет надежности радиоэлектронной аппаратуры/ М.Ф. Бабаков, И.К. Васильева, И.И. Дерюга. - Учебное пособие - Харьков: Национальный аэрокосмический университет «Харьковский авиационный институт», 2008.

Размещено на Allbest.ru

...