- при расчете нормативных показателей надежности отдельных блоков, устройств и приборов системы (при расчете норм надежности отдельных частей системы);
- для определения минимально допустимого уровня надежности элементов проектируемого изделия;
- при сравнительной оценке надежности отдельных вариантов изделия на этапах предэскизного и эскизного проектирования.
Прикидочный расчет позволяет определить принципиальную возможность обеспечения требуемой надежности изделия и основывается на допущении о равнонадежности (li= const) всех его элементов.
Прикидочный расчет осуществляется следующими методами:
- по усредненной интенсивности отказов;
- коэффициентным методом;
- по показателю надежности.
Расчет по усредненной интенсивности отказов применяется для оценки надежности изделия при сравнении нескольких вариантов его функциональных схем, а также для определения минимально допустимого уровня надежности элементов изделия, т. е. уровня, еще обеспечивающего заданную надежность.
Расчет производится в следующем порядке:
- по справочникам и (или) другой технической литературе определяется ориентировочное число активных элементов Na;
- определяется среднее число пассивных элементов, приходящихся на один активный прибор Nn;
- по справочным данным определяется среднее значение 
интенсивностей отказов элементов;
- вычисляется общее число элементов N = Na + NaNn и средняя интенсивность отказов изделия
| (1) |
- определяются средняя наработка системы на отказ 
и вероятность ее безотказной работы Pc(t) = exp(lct).
При необходимости можно решить обратную задачу, т. е. по заданному числу элементов и известной вероятности безотказной работы изделия за определенное время можно найти максимальную интенсивность отказов элементов:
| (2) |
Рассмотренный метод прикидочного расчета позволяет оценить приближенно надежность РЭС в лабораторных условиях. В реальных же условиях показатели надежности хуже, чем в лабораторных, из-за наличия различных дестабилизирующих факторов. Для учета действия этих факторов и применяют коэффициентный метод расчета надежности, заключающийся в введении поправочного коэффициента Кl показывающего во сколько раз увеличивается интенсивность отказов отдельных элементов и системы в целом в реальных условиях по сравнению с лабораторными.
Для определения ожидаемой средней интенсивности отказов элементов в системе, предназначенной для работы в реальных условиях, необходимо среднюю интенсивность ее отказов в лабораторных условиях умножить на соответствующий поправочный коэффициент (см. приложение 1 [4]):
| (3) |
Расчет по показателю надежности позволяет вычислить параметры системы с не одноврменно работающими элементами, так как показатель надежности А = lt учитывает не только интенсивность отказов элементов, но и время их работы. Данный метод также удобен при расчете норм надежности для отдельных узлов и блоков системы при заданной надежности всей системы.
Этим методом можно решить две задачи.
1. Система содержит N элементов с интенсивностями отказов соответственно l1 ...,lN. Элементы работают неодновременно и время их работы t1 ..., tN. Требуется определить вероятность безотказной работы системы Pc(t), где t - промежуток времени от начала работы первого элемента до конца работы последнего.
Порядок расчета:
а) определяются показатели надежности элементов:
б) определяется показатель надежности 
в) вычисляются вероятность безотказной работы системы и среднее время ее наработки до первого отказа:
2. Система состоит из N равнонадежных элементов, разбитых на S блоков, причем в блоке под номером i содержится Ni элементов. Известна вероятность безотказной работы системы Pc(t). Требуется рассчитать показатели надежности А для каждого блока.
Порядок расчета:
а) вычисляется показатель надежности элементов
б) определяется показатель надежности блоков:
5. Ориентировочный расчет надежности
Ориентировочный метод расчета надежности используется на этапе эскизного проектирования после разработки принципиальной электрической схемы системы. Этот метод позволяет определить рациональный состав элементов системы и наметить пути повышения его надежности на стадии эскизного проектирования.
Ориентировочный расчет, учитывающий влияние на надежность системы только числа и типа применяемых элементов, основывается на тех же допущениях, что и прикидочный, т. е. для его проведения достаточно знать структуру системы, номенклатуру примененных элементов и их число.
Ориентировочный расчет надежности выполняется двумя методами:
- по среднегрупповым интенсивностям отказов элементов;
- коэффициентным методом.
Расчет надежности по среднегрупповым интенсивностям отказов элементов предполагает, что известны интенсивности отказов элементов различных типов li и число элементов Ni каждого типа, входящих в систему.
Данные о надежности типовых элементов обычно усредняются по времени и группам элементов и приводятся в виде таблиц значений интенсивностей отказов в справочной литературе. Учитывая большой разброс данных, при ориентировочном расчете надежности аппаратуры выбирают средние табличные значения интенсивностей отказов элементов либо рассчитывают максимальные и минимальные значения показателей надежности аппаратуры, используя экстремальные значения интенсивностей отказов элементов. Приблизительное число элементов различного типа в системе обычно бывает известно уже на этапе эскизного проектирования. Сущность данного метода расчета надежности состоит в определении основных показателей, характеризующих безотказность аппаратуры: наработки на отказ Т0 и вероятности безотказной работы P(t).
Рекомендуемый порядок расчета:
а) все элементы проектируемой системы разбиваются на несколько групп с примерно одинаковыми интенсивностями отказов внутри группы и подсчитывается ориентировочное число элементов Ni в каждой из этих групп;
б) по таблицам находятся значения интенсивностей отказов элементов каждой группы li (среднее или крайнее, если требуется определить максимальные и минимальные значения показателей надежности аппаратуры);
в) вычисляются произведения Nili характеризующие долю отказов, вносимых элементами данной группы в общую интенсивность отказов системы;
д) определяется наработка на отказ из соотношения
е) рассчитывается вероятность безотказной работы системы
;
г) рассчитывается общая интенсивность отказов системы посредством суммирования произведений Nili,- по всем k группам элементов:
При практических расчетах P(t) для любого заданного интервала времени t используется изображенная на рис. 2 номограмма. По горизонтальной оси здесь отложено время, а по вертикальной — вероятность безотказной работы в логарифмическом масштабе, что позволяет «выровнить» функцию P(t), т. е. представить ее в виде прямой линии.
Рис. 2. Номограмма для определения показателей надежности
Используется номограмма следующим образом. Например, на горизонтальной линии, соответствующей значению P(t = Т0) = 0,37, отложим значение наработки на отказ для данной аппаратуры. Соединив эту точку с значением P(t) = 1 на оси ординат прямой линией, получим функцию надежности, по которой непосредственно определяется значение P(t) для любого интервала времени.
Номограмма позволяет решать следующие задачи:
- по известной наработке на отказ Т0 и заданной длительности работы t определять вероятность безотказной работы системы P(t);
- по известной или заданной вероятности безотказной работы P(t) и требуемой длительности работы t определять наработку системы на отказ Т0;
- по известному значению наработки на отказ Т0 и заданной вероятности безотказной работы P(t) находить время t исправной работы системы.
Рассмотрим коэффициентный метод ориентировочного расчета надежности, заключающийся в использовании при расчете показателей надежности системы коэффициентов, связывающих интенсивности отказов элементов различных типов с интенсивностью отказов элемента, характеристики надежности которого достоверно известны. Считается, что интенсивности отказов элементов всех типов изменяются в зависимости от условий эксплуатации одинаково, а следовательно, при различных условиях эксплуатации
где l0 интенсивность отказов элемента, качественные характеристики которого достоверно известны; Ki — коэффициент надежности i-го элемента. Элемент с интенсивностью отказов l0 называется основным элементом расчета системы. Принятое допущение сделано на основе анализа значений интенсивностей отказов, опубликованных в различной технической литературе по вопросам надежности, а также сопоставления аналитических зависимостей интенсивностей отказов сопротивлений и конденсаторов от коэффициентов нагрузки. При значительных изменениях условий эксплуатации такое допущение несправедливо. Основную расчетную формулу для данного метода получим из выражения для интенсивности отказов системы, заменив в нем li произведением средней интенсивности отказов системы в лабораторных условиях и поправочного коэффициента:
Остальные показатели надежности системы, т. е. Т0 и P(t), рассчитываются по уже известным формулам.
Из приведенной формулы для lс видно, что для расчета надежности системы не требуется знать интенсивности отказов элементов всех типов, а достаточно знать лишь коэффициенты Кi число элементов в каждой группе Ni, и интенсивность отказов основного элемента расчета l0 Так как интенсивности отказов элементов зависят от различных факторов и имеют разброс значений, то и коэффициенты для одних и тех же элементов также находятся в определенных пределах, поэтому рекомендуется надежность аппаратуры рассчитывать для максимальных и минимальных значений коэффициентов надежности.
6. Окончательный расчет надежности
Окончательный расчет надежности также называют схемным, так как он выполняется по принципиальной электрической схеме. Производится этот расчет на этапе технического проектирования по опытному образцу изделия для известных условий эксплуатации, режимов работы всех элементов и конструктивного оформления. Для окончательного расчета используются те же формулы, что и для ориентировочного, только интенсивности отказов элементов lэ здесь берутся с учетом реальных условий эксплуатации, т. е. вводится ряд поправочных коэффициентов:
| (4) |
где lб - исходная (базовая) интенсивность отказов электрорадиоэлементов; Кр — коэффициент режима работы, зависящий от коэффициента нагрузки и (или) температуры окружающей среды; Ki — коэффициенты, учитывающие изменения эксплуатационной интенсивности отказов в зависимости от различных факторов; n - число учитываемых факторов.
Таким образом, чтобы рассчитать надежность необходимо знать реальные режимы работы всех элементов электрорадиоизделия, которые определяются коэффициентами режима работы Кр, зависящими от коэффициента электрической нагрузки Кн и температуры t окружающей среды. Коэффициенты электрической нагрузки в общем случае определяются по формуле
| (5) |
где Эр и Эдоп- реальное и допустимое значения электрического параметра.
Реальное значение электрического параметра находится посредством выполнения расчета по принципиальной электрической схеме, а допустимое значение Эдоп берется из справочников по элементной базе для используемых типов ЭРИ, т. е. выбираются типы активных ЭРИ, а также типономиналы и допуски пассивных ЭРИ. При использовании соотношения (5) необходимо учитывать, что используемые в нем величины должны совпадать по характеру, т. е. быть постоянными, средними, переменными и т. д.
Основные математические выражения для определения реальных интенсивностей отказов и таблицы значений поправочных коэффициентов некоторых ЭРИ представлены в приложении 1 [4].
Приведем соотношения для расчета коэффициентов нагрузки типовых ЭРИ.
Для резисторов коэффициент нагрузки определяется по их средней и допустимой мощностям:
| (6) |
где 
; 
средний ток через резистор; 
среднее напряжение на резисторе.
Для конденсаторов коэффициент нагрузки определяется по максимальному и допустимому напряжениям между обкладками:
| (7) |
Для диодов коэффициент нагрузки определяется в зависимости от их типа.
Для выпрямительного диода используется формула
| (8) |
. Здесь:
- коэффициент нагрузки по мощности
- коэффициент нагрузки по напряжению
- коэффициент нагрузки по току
где Р- средняя мощность; Uo6p - обратное напряжение на диоде; IВып - средний выпрямленный ток.
Для импульсного диода используется формула (8), только в этом случае в нее подставляются импульсные значения параметров, например Римп = UимпIимп и т. д.
Для стабилитрона применяется формула
| (9) |
где 
- определяется по мощности как для выпрямительного диода; 
- определяется по обратному току, 
.
Для транзисторов (биполярных или полевых) коэффициент нагрузки
| (10) |
Здесь коэффициент нагрузки определяется по мощности, рассеиваемой на коллекторе (стоке):
Мощность, рассеиваемая на коллекторе, может быть как импульсной, так и средней за период:
| (11) |
Коэффициенты нагрузки:
- по току коллектора (стока);
- по напряжению коллектор—эмиттер (сток—исток);
- по напряжению коллектор—база (сток - затвор).
На надежность остальных ЭРИ (индуктивностей, трансформаторов) и неразъемных соединений (сваркой, пайкой) электрический и температурный режимы работы не оказывают заметного влияния, поэтому Kн для них не вычисляется, а принимается равным 1.
Схема прибора:
Рис. 3
Расчет надежности
Исходные данные:
Кэ= | 4,0 | t(ч) = | 1000 |
№ группы | Наименование элемента | ni | lсг.i (´10-6)1/ч | Kp. i | ni× Kp. i ×lсг.i (´10-6)1/ч |
1 | Разъемы | 2 | 0,06 | 1 | 0,12 |
2 | Кабели | 2 | 0,5 | 1 | 1 |
3 | Катушки индуктивности | 1 | 0,1 | 1 | 0,1 |
4 | Показывающие механизмы | 1 | 2,0 | 1 | 2,0 |
5 | Пайка | 2 | 0,01 | 1 | 0,02 |
| |||||
Результаты расчета: | L= | 12,96 | ´10-6 1/ч | ||
Тнр. ср= | 0,308 | ´10-4 1/ч | |||
Рнр(t)= | 0,734 |
| |||
Литература
1. Козырь и надежность интегральных микросхем / — М. : Высш. шк., 1987.
2. Фомин примеров и задач расчета надежности РЭА / — М. : МАИ, 1972.
3. Фомин , надежность и автоматизация производства БГИС и микросборок / — М. : Радио и связь, 1981.
4. , Основы надежности электронных средств :— М. : Издательский центр «Академия», 2010. — 240 с.
5. Боровиков основы конструирования, технологии и надежности Мн.: Дизайн ПРО 1988 с. 336
6. Яншин основы конструирования, технологии и надежности ЭВА М.: Радио и связь 1983 с. 312
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 |
