Прогнозирование расчётным способом показателей безотказности РЭУ с учётом электрического режима, условий эксплуатации, конструкторско-технологических и других особенностей элементов
Министерство
образования Республики Беларусь
Учреждение
образования
«Белорусский
государственный университет
информатики
и радиоэлектроники»
Факультет
компьютерного проектирования
Кафедра
проектирования информационно-компьютерных систем
Дисциплина:
НТССОБ
Отчёт
по индивидуальному заданию
на
тему
«Прогнозирование
расчётным способом показателей безотказности РЭУ с учётом электрического
режима, условий эксплуатации, конструкторско-технологических и других
особенностей элементов»
Студент: гр. 012502
Бельский М.И.
Руководитель:
Шокурова А.П.
Минск
2014
СОДЕРЖАНИЕ
1.
ОПИСАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ
НАДЁЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ, ВКЛЮЧАЯ СОЕДИНИТЕЛЬ
2.
КОЭФФИЦИЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ ЭЛЕМЕНТОВ
3.
РАСЧЕТ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ ОТКАЗОВ ЭЛЕМЕНТОВ
4.
ИТОГОВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ БЕЗОТКАЗНОСТИ РЭУ
5.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РЕШЕНИЯ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК
ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
безотказность эксплуатационная надёжность
1.
ОПИСАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ
НАДЁЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ, ВКЛЮЧАЯ СОЕДИНИТЕЛЬ
На
рисунке 1.1 представлена исходная электрическая схема каскада, так же исходная
электрическая схема и перечень элементов представлены в приложении.
Рисунок 1.1 - Закладное устройство
В таблице 1.1 приведены основные исходные данные
к расчёту надёжности.
Таблица 1.1 - Исходные данные
|
Количество
однотипных функциональных узлов в составе РЭУ
|
Исполнение
РЭУ по ГОСТ 15150-69
|
Требуемая
вероятность безотказной работы РЭУ за время tз
|
Заданное
время работы РЭУ tз, ч
|
Перегрев
в нагретой зоне Tз, °С.
|
Средний
перегрев воздуха в РЭУ ∆Tв, °С
|
|
40
|
УХЛ
3.1
|
0,95
|
10000
|
30
|
25
|
Напряжение питания - Uпит = 5В
Вид электрического монтажа - двусторонний
печатный.
Вид приёмки элементов - приёмка ОТК («1»).
Количество сквозных металлизированных отверстий
на печатной плате рассчитывается как 20 % от общего числа отверстий.
Информация об элементах (компонентах), входящих
в один функциональный узел, соответствует таблице 1.2.
Таблица 1.2 - Элементы, входящие в один
функциональный узел
|
Позиционное
обозначение
|
Номинал
|
Примечание
|
|
B1
|
|
МКЭ332
|
|
С1
|
10
мкФ
|
К50-35
±20%
|
|
С2
|
240
мкФ
|
ECAP
(К50-35) ±20%
|
|
С3
|
0,047
мкФ
|
К73-17
±10%
|
|
С4
|
24
мкФ
|
К53-52
±10%
|
|
L1
|
|
RLB1314-101KL
|
|
R1
|
33
кОм
|
±10%
С2-23 0,125Вт
|
|
VT1
|
|
КТ2107К
0,225Вт
|
1,5
В
|
|
Количество отверстий во всём устройстве,
учитывая, что количество каскадов равно 40, 720. Следовательно, количество МО
равно 144 (20% от общего количества отверстий).
Определим максимальную температуру элементов
модуля при его работе в составе РЭУ. Верхнее значение предельной рабочей
температуры (tраб max = + 40 
), соответствующее
РЭУ исполнения УХЛ 3.1 по ГОСТ 15150-69.
Предельная рабочая температура tэл max теплонагруженных
элементов (резисторы) определена как tэл max = tраб max + Δtз
= 40 + 30 = 70оС, где Δtз - перегрев
в нагретой зоне конструкции РЭУ. Нагретая зона - это гипотетический объём, в
котором условно рассеивается вся тепловая энергия, выделяемая элементами РЭУ.
Значение величины tэл max для нетеплонагруженных элементов (конденсаторы)
подсчитано как tэл max = tраб max + Δtв
= 40 + 25 = 65 оС, где Δtв - средний
перегрев воздуха внутри конструкции РЭУ.
Все выбранные устройства соответствует данным
тепловым ограничениям.
. КОЭФФИЦИЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ ЭЛЕМЕНТОВ
Коэффициенты электрической нагрузки определяем
по формуле:
|
 ,
|
|
где Fраб - электрическая нагрузка элемента в
рабочем режиме, т. е. фактическая нагрузка на рассматриваемом схемном
элементе.ном - номинальная или предельная по ТУ электрическая нагрузка
элемента, выполняющего в конструкции функцию схемного элемента.
В качестве F выбираем такую электрическую
характеристику элемента, которая в наибольшей степени влияет на его
безотказность. Для резисторов - это мощность рассеивания, для конденсатора -
прикладываемое напряжение.
Для примера рассчитаем коэффициенты нагрузки для
резистора R1 и конденсатора C2. 
для конденсатора
равно 4,1 В, а номинальное значение рабочего напряжения представлен в перечне
элементов в приложении. Рабочая мощность рассеивания резистора R1 равна 
=
0.00115 Вт. Номинальная мощность рассеивания резистора равна 0,125 Вт. Можем
рассчитать коэффициенты нагрузки резистора и конденсатора:
Аналогичным образом рассчитали коэффициенты
нагрузки для остальных элементов устройства. Рассчитанные значения занесены в
таблицу 3.1.
. РАСЧЕТ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ ОТКАЗОВ
ЭЛЕМЕНТОВ
Расчет эксплуатационного значения интенсивности
отказа для транзисторов
н - коэффициент электрической нагрузки (таблица
3.1 [1])ф - коэффициент, учитывающий функциональный режим работы прибора, Kф =
1,5.д - коэффициент, зависящий от значения максимально допустимой по ТУ
нагрузки по мощности (или току), Kд = 0,8.- коэффициент, зависящий от отношения
значения рабочего напряжения на резисторе к максимально допустимому напряжению.
Ku = 0,5.э - коэффициент эксплуатации, зависящий от жёсткости условий
эксплуатации РЭУ. Kэ=3 (таблица 5.22 [1]);п - коэффициент приёмки, учитывающий
степень жесткости требований к контролю качества, Kп = 5,5 (вид приёмки
элементов - приёмка ОТК («1»), таблица 5.23 [1]);
Расчет эксплуатационного значения интенсивности
отказа для светодиодов
Коэффициенты определим аналогично пункту 3.1
lБ=0,162*10-6; Kф = 1; Kд = 0,8; Ku = 0,7; Kэ=3;
Kп = 5,5
Расчет эксплуатационного значения интенсивности
отказа для конденсаторов
lБ=0,023*10-6 ;
Значения Кр для конденсаторов могут быть
рассчитаны с помощью математической модели:
|
KР
= 
|
|
р - коэффициент режима работы, зависящий от
электрической нагрузки (Kн) и температуры корпуса элемента.
Для электролитического алюминиевого
конденсаторов A = 3,59∙10-2; B = 4,09; NT = 358; G = 5,9; NS = 0,55; H =
3.
Кр = 0,7687;
КС - коэффициент, зависящий от значения
номинальной ёмкости и вида конденсатора:
С - ёмкость в мкФ.
КС = 0,340; Kэ = 5; Kп = 5; Пкi = 6.5279
Общая интенсивность отказов, учитывающая
количество элементов данного типа:
Расчет эксплуатационного значения интенсивности
отказа для резисторов
lБ=0,044*10-6
Р для постоянных резисторов рассчитывается по
формуле:
A=0,260; B=0,5078; NT=343; G=9,278;
NS=0,878; J=1; H=0,886Р=0,448
KR - коэффициент, зависящий от значения
номинального сопротивления. Т.к. номинальное сопротивление R=10 кОм (таблица
5.15 [1]), KR=0,7.- коэффициент, зависящий от номинальной мощности. Т.к.
номинальная рассеиваемая мощность = 0,125 Вт (таблица 5.14 [1]), KM = 0,7
K Δ - зависит от
допуска на сопротивление резистора. Т.к. допуск = 5%, KΔ
= 1; Kэ = 5; Kп = 3; Пкi = 3,291
Расчет эксплуатационного значения интенсивности
отказа для металлизированных отверстий
Рассчитаем значение liэ
для платы с МО (количество металлизированных отверстий, N1 = 160)
λБ = 0,000017*10-6
Ксл = 2, так как плата двухсторонняя.
Кt = 3,745; Kэ = 4; Kп = 5; Пкi = 47037,2
Общая интенсивность отказов, учитывающая
количество элементов данного типа:
Расчет эксплуатационного значения интенсивности
отказа соединений пайкой волной
Рассчитаем значение liэ
соединений пайкой волной для отверстий, где нет металлизации (n = 640):
λБ = 0,000069*10-6
Кt = 3,745; Kэ = 4; Kп = 5; Пкi = 74,9
Общая интенсивность отказов, учитывающая
количество элементов данного типа:
Расчет эксплуатационного значения интенсивности
отказа соединителей
Рассчитаем значение liэ
для соединителей (n = 40):
lБ = 0,0041*10-6
Кр рассчитывается как:
окр = 40 0С (максимальная при исполнении УХЛ
2.1)
Кк - коэффициент, учитывающий, влияние на
надежность количества задействованных контактов N=2, рассчитывается как:
Кк = 1,361
Кn = 0,328; Kэ = 3; Kп = 2,5; Пкi = 2,6339
Общая интенсивность отказов, учитывающая
количество элементов данного типа:
Таблица 3.1 - Расчёт эксплуатационной
безотказности элементов модуля
|
Позиционное
обозначение
|
Количество
nj
|
КН
|
λБ,
х 10-6 1/ч
|
Вид
математической модели расчета λЭ
|
Значение
поправочного коэффициента
|
ПКi
|
λЭjnj,
10-6 1/ч
|
|
|
|
|
|
Кр
|
Кt
|
КФ
|
КД
|
КU
|
КC
|
КR
|
КM
|
КΔ
|
КК
|
Кn
|
КЭ
|
КП
|
|
|
|
B1
|
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C1
|
1
|
0,2
|
0,173
|
λЭ=λБКРКСКЭКП
|
0,01
|
|
|
|
|
1,12
|
|
|
|
|
|
1,5
|
5
|
0,084
|
0,014
|
|
C2
|
1
|
0,2
|
0,173
|
λЭ=λБКРКСКЭКП
|
0,01
|
|
|
|
|
1,31
|
|
|
|
|
|
1,5
|
5
|
0,098
|
0,016
|
|
C3
|
1
|
0,2
|
0,173
|
λЭ=λБКРКСКЭКП
|
0,01
|
|
|
|
|
0,85
|
|
|
|
|
|
1,5
|
5
|
0,063
|
0,011
|
|
C4
|
1
|
0,2
|
0,173
|
λЭ=λБКРКСКЭКП
|
0,01
|
|
|
|
|
1,17
|
|
|
|
|
|
1,5
|
0,087
|
0,015
|
|
L1
|
1
|
0,3
|
0,01
|
λЭ=λБКРКЭКП
|
0,35
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2
|
5
|
3,5
|
0,035
|
|
R1
|
1
|
0,3
|
0,044
|
λЭ=λБКрКRКМКΔКЭКП
|
0,48
|
|
|
|
|
|
1,6
|
0,7
|
1
|
|
|
1,3
|
3
|
2.096
|
0,628
|
|
VT1
|
1
|
0,23
|
0,044
|
λЭ=λБКРКФКДКUКЭКП
|
0,17
|
|
1,5
|
1,0
|
0,7
|
|
|
|
|
|
|
1,2
|
7
|
1,323
|
0,264
|
|
Печатная
плата с МО
|
1
|
-
|
17*10-6
|
λЭ=λБ[N1Ксл+N2(Kсл+13)]КtКЭКП
|
|
1,92
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,2
|
5
|
11,52
|
0,004
|
|
Соединение
пайкой
|
15
|
-
|
69*10-6
|
λЭ=λБКtКЭКП
|
|
1,92
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,2
|
5
|
11,52
|
0,011
|
. ИТОГОВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ БЕЗОТКАЗНОСТИ РЭУ
Подсчитаем эксплуатационную интенсивность
отказов всего устройства. Для этого просуммируем значения, приведённые в
последнем столбце таблицы 3.1:
В предположении экспоненциального закона
надёжности находим расчётные значения других показателей безотказности
устройства. Хотя в последнее время установлено, что время до отказа ряда
элементов лучше описывается другими законами, большинство РЭУ подчиняются
экспоненциального закону. Также стоит отметить, что данный закон много проще
применить в практических расчётах надёжности.
Так как устройство невосстанавливаемое,
расcчитаем такие основные показатели надёжности как:
а) Средняя наработка до отказа. При
экспоненциальном законе надёжности Tср = T0. Однако для нашего случая,
невосстанавливаемое устройство, T0 физического смысла не имеет.
б) Вероятность безотказной работы за время tр =
10000 ч.:
|
PM(tp)
= ≈
0,0001
|
в) Гамма-процентная наработка до отказа при γ
= 95%:
|
Tγ
= -T0ln(γ/100) = T0∙ln0,95 ≈ 61 ч
Результаты прогнозирования расчётным способом
показателей безотказности РЭУ с учётом электрического режима, условий
эксплуатации, конструкторско-технологических и других особенностей элементов
занесены в таблицу 1.
Таблица 1 - Результаты прогнозирования расчётным
способом показателей безотказности РЭУ
|
Показатель
безотказности РЭУ
|
Результат
|
|
Средняя
наработка до отказа, Tср, ч
|
1294
|
|
Вероятность
безотказной работы за заданное время tЗ, P(tЗ)
|
0,0001
|
|
Гамма-процентная
наработка до отказа при g = 95%,
Tγ, ч
|
61
|
Следовательно, вероятность безотказной работы
датчик колебания кузова автомобиля за заданное время tр = 10000 часов равняется
P(tр) = 0,0001ч. Это означает, что 0,0001% исследуемых устройств из партии
должны работать безотказно в течении tр = 10000 часов работы.
Наработка до отказа равняется Tср = 1294часов.
Это значит, что в среднем N устройств будут работать до отказа 1294часов.
Гамма-процентная наработка до отказа при γ
= 95% равняется Tγ = 61 час.
Это означает, что у 95% исследуемых устройств из партии в течение суммарной
наработки, равной 61 час, отказ не возникнет.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проделанной работы провели
прогнозирование расчётным способом показателей безотказности РЭУ с учётом
электрического режима, условий эксплуатации, конструкторско-технологических и
других особенностей элементов. При расчёте учитывали характеристики элементов
РЭУ, эксплуатационные и организационные характеристики.
В целом, проанализировав полученные результаты
можно сделать вывод, что исследуемый прибор, состоящий из 40 каскадов «Мигалка»
характеризуется очень небольшой вероятностью безотказной работы за исследуемый
период времени.
Надёжность устройства можно пытаться повысить
несколькими способами.
Использование новых материалов, обладающих
улучшенными физико-химическими характеристиками, и новых элементов, обладающих
повышенной надёжностью. Такие решения, как правило, делают устройство намного
дороже по себестоимости.
Принципиально новые конструктивные решения.
Электрическая принципиальная схема должна содержать минимальное количество
элементов. Так, в нашем случае очень много однотипных функциональных узлов.
Выделение каждого узла в отдельное, независимое от отказа других узлов,
устройство очень значительно повысит надёжность устройства.
Как ещё один вариант повышения надёжности -
уменьшение коэффициентов электрической нагрузки элементов (например,
использовать резистора с большой рассеиваемой мощностью). Стоит учитывать, что
такое решение приводит к увеличению массогабаритных характеристик устройства и
его цены.
Защита устройства от неблагоприятных внутренних
и внешних воздействий, таких, как, например, температура. Её можно понижать
принудительным охлаждением. Однако такое решение слишком сложное для заданного
модуля.
Использование резервирования. Также значительно
повышает массу, габариты и цену изделия.
В заключение стоит отметить, что главным
решением по улучшению надёжности заданного устройство является полная его
схемотехническая переработка, уменьшение количества и качества элементов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
[1]
Боровиков, С. М. Теоретические основы конструирования, технологии и надёжности
: учеб. для студ. инж.-тех. спец. вузов / С. М. Боровиков. - Минск : Дизайн
ПРО, 1998. - 336 с.
[2]
ГОСТ 27.002-89. Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения.
- М. : Изд-во стандартов, 1990.
[3]
ГОСТ 15150-69. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для
различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и
транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды. -
М. : Изд-во стандартов, 1980.
[4]
ГОСТ 27.301-95. Надёжность в технике. Расчёт надёжности. Основные положения. -
М. : Изд-во стандартов, 1990. - 27 с.
[5]
Надёжность изделий электронной техники для устройств народнохозяйственного
назначения : справочник / Разработан в соответствии с руководящим документом РД
50-670-88. - М. : ВНИИ «Электронстандарт», 1990. - 188 с.
[6]
Надёжность электрорадиоизделий, 2002 : справочник / С. Ф. Прытков [и др.]. - М.
: ФГУП «22 ЦНИИИ МО РФ», 2004. - 574 с.
[7]
Расчёт показателей надёжности радиоэлектронных средств : учеб.-метод. пособие /
С. М. Боровиков, И. Н. Цырельчук, Ф. Д. Троян ; под ред. С. М. Боровикова. -
Минск : БГУИР, 2010. - 68 с. : ил. [8] Приборы и электронные компоненты
[Электронный ресурс]. - Режим доступа: <http://www.chipdip.ru>.
[9]
Роткоп Л. Л. Обеспечение тепловых режимов при конструировании РЭА. : справ.
пособие / Л. Л. Роткоп, Ю. Е. Спокойные. - М. : Сов. радио, 1976. - 232 с.
Похожие работы на - Прогнозирование расчётным способом показателей безотказности РЭУ с учётом электрического режима, условий эксплуатации, конструкторско-технологических и других особенностей элементов
|