ОПРЕДЕЛЕНИЕ СЛУЧАЙНОГО ВРЕМЕНИ ДО ОТКАЗА И ХАРАКТЕР ОТКАЗА ЭЛЕМЕНТОВ

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СЛУЧАЙНОГО ВРЕМЕНИ ДО ОТКАЗА И ХАРАКТЕР ОТКАЗА ЭЛЕМЕНТОВ

Под отказом понимают полную или частичную потерю блоком работоспособности вследствие ухода одного или нескольких параметров блока за пределы установленных норм, и по своей физической основе отказ является случайным событием.

По характеру отказы делят на:

- Внезапный или мгновенный — отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значения одного или нескольких параметров функционального блока РЭУ;

- Постепенный (параметрический) — отказ, возникающий в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров блока.

Чёткой границы между внезапным и постепенным отказом не выделяют.

В данном курсовом проекте будем учитывать внезапный характер отказа элементов. Это связано с тем, что внезапный отказ функционального блока РЭУ проще отследить (полный выход блока из строя), а постепенный отказ может явно не проявляться в течение длительного времени.

Для определения среднего времени до отказа предварительно рассчитаем интенсивность отказов элементов.

Определим наработку на отказ по следующей формуле

 [1,стр.162]

Для определения интенсивности отказов элементов используем следующую формулу:

, [1,стр.156]

где

 - номинальная интенсивность отказов;

 - поправочные коэффициенты, учитывающие воздействия механических факторов;

 - поправочный коэффициент, учитывающий воздействия влажности и температуры;

 - поправочный коэффициент, учитывающий давление воздуха;

 - поправочный коэффициент, учитывающий температуру поверхности элемента и коэффициент электрической нагрузки.

Коэффициенты электрических нагрузок будем вычислять по формулам

[1,стр.154]:

для резисторов

для конденсаторов

транзисторов биполярных

для диодов импульсных и стабилитронов

для микросхем

 - узнаем по номограммам [1,стр. 312-315],

коэффициенты - возьмём из таблиц [1,стр. 311],

 - из таблицы [1,стр. 307-310].

В данном случае все коэффициенты  равны единице.

Данную схему реализовали в программе Electronics Workbench, в которой был произведён расчет необходимых параметров элементов, через которые рассчитали коэффициенты электрической нагрузки элементов. Результаты представили в виде таблицы.

Таким образом, получили 15 групп элементов, также отдельные группы составили гнезда и клеммы и печатная плата.

Составим для полученных групп таблицу значений , и  

Итак, произведя ряд расчетов, определили, что интенсивность отказов элементов равна:

,

а наработка на отказ составляет

Таблица 1 – Коэффициенты электрической нагрузки элементов

	Группа элементов	Кол-во элементов в группе	Интенсивность отказов для элементов j-ой группы	Коэффициент электрической нагрузки	Макс. Рабочая температура
1	R1, R3 – R5, R7 – R32	30	0,05	0,1	80
2	R2, R6, R33	3	0,5	0,1	85
3	C1-C3, C28, C38-C40, C44, C53	9	0,55	0,56	80
4	C4-C27, C29-C37, C41-C44, C45-C52, C54, C55	46	0,05	0,1	120
5	L1, L2, L4, L8	4	0,3	0,1	85
6	L3, L5-L7, L9	5	0,2	0,1	80
7	T1	1	0,9	1,5
8	T2, T3	2	0,13	0,5
9	VD1 – VD4	1	1,1	1,5	85
10	VD5, VD6, VD8, VD9, VD11	5	0,5	0,1	85
11	VD7, VD10	2	0,9	0,93	125
12	HL1	1	0,7	2,2	70
13	VT1	1	0,45	0,125	100
14	VT2, VT4-VT6,	4	0,4	0,1	100
15	VT3	1	0,3	0,6	85
16	DA1, DA2	2	0,55	0,9	80
17	DA3	1	0,55	0,2	80
18	Гнезда, клеммы	4	0,7	—	—
19	Плата печатная	1	0,2	—	—

Таблица 2 – Расчет интенсивности отказов элементов

№гр.	Произведение поправочных коэффициентов	Значение	Значение
1	0,8	0,04	1,2
2	0,1	0,05	0,15
3	5	2,75	24,75
4	0,1	0,005	0,23
5	1	0,3	1,2
6	1	0,2	1
7	0,5	0,45	0,45
8	0,5	0,065	0,13
9	3	3,3	3,3
10	1,5	0,75	3,75
11	2,5	2,25	4,5
12	2	1,4	1,4
13	0,2	0,09	0,09
14	1	0,4	1,6
15	2,5	0,75	0,75
16	5	2,75	5,5
17	2,5	1,375	1,375
18	3	2,1	8,4
19	1	0,2	0,2
∑	--		59,975

  3. Определение показателей безотказности

В данном пункте необходимо рассчитать следующие показатели:

·  вероятность безотказной работы за заданное время;

·  гамма-процентную наработку до отказа;

·  среднее время восстановления;

·  вероятность восстановления устройства за заданное время.

Под гамма-процентной наработкой до отказа понимают наработку, в течение которой отказ в изделии не возникает с вероятностью γ, выраженной в процентах, т.е. это есть такая минимальная наработка до отказа, которую будут иметь гамма процентов изделий данного вида.

Для расчета показателей восстанавливаемости приведем следующую таблицу

Таблица 3 – Расчет интенсивности отказов элементов с учетом среднего времени восстановления одного элемента

№гр.	Кол-во эл-тов	Значение	Значение	Значение
1	30	0,5	0,04	0,6
2	3	1,2	0,05	0,18
3	9	0,55	2,75	13,6125
4	46	1,1	0,005	0,253
5	4	1,3	0,3	1,56
6	5	1,4	0,2	1,4
7	1	2,2	0,45	0,99
8	2	2,2	0,065	0,286
9	1	0,3	3,3	0,99
10	5	0,6	0,75	2,25
11	2	0,4	2,25	1,8
12	1	0,2	1,4	0,28
13	1	0,7	0,09	0,063
14	4	0,8	0,4	1,28
15	1	0,8	0,75	0,6
16	2	1,2	2,75	6,6
17	1	1,2	1,375	1,65
18	4	0,8	2,1	6,72
19	1	3,0	0,2	0,6
∑	--	--	--	41,71

Значение  представляет собой среднее время восстановления одного элемента и выбирается из таблицы [1, стр.316].

Определим вероятность безотказной работы за заданное время, указанное в исходных данных к проекту.

Расчёт произведём по формуле:

 [1,стр.162],

получаем:

Гамма-процентную наработку до отказа при условии, что , рассчитаем, пользуясь следующей формулой:

 [1,стр.162].

В результате получаем, что

Подсчитаем среднее время восстановления:

 [1,стр.171],

где значение  выбираем из таблицы 3 данного пункта, а значение - из таблицы 2 предыдущего пункта расчетов,

 - среднее время восстановления одного элемента,

 k – количество групп однотипных элементов.

Произведя расчет, получаем следующее значение для времени восстановления:

Рассчитаем вероятность восстановления устройства  за заданное время, которое условно примем равным 2 часа, т.е.

.

 [1,стр.172].

В результате вычислений получаем

Итак, произведя все необходимые расчеты и вычисления, согласно заданию определили требуемые показатели безотказности, значения которых для наглядности представили в виде таблицы:

Таблица 4 – Итоги расчетов

Показатели	Обозначение	Результат
Интенсивность отказов РЭУ
Наработка на отказ
Вероятность безотказной работы за заданное время
Гамма-процентная наработка до отказа
Среднее время востановления
Вероятность восстановления за заданное время		0,94

  4 Обоснование метода резервирования для функционального узла РЭУ

Резервирование – это введение в структуру устройства дополнительного числа элементов, цепей.

Как отмечалось ранее, по способу подключения существует несколько видов резервирования: постоянное, замещением и скользящее.

В данной курсовой работе будет использовано резервирование замещением. При этом основной элемент в случае его отказа отключается от электрической схемы, и вместо него подключается один из резервных элементов. Для подключения резервного элемента используется переключающее устройство. Такие устройства могут работать в автоматическом режиме либо быть ручными.

При резервировании замещением резервные элементы до вступления их в работу могут находиться в одном из трех режимов нагружения:

а) нагруженном режим. Резерв находится в таком же электрическом режиме, как и основной элемент, и его ресурс вырабатывается одновременно с ресурсом основного элемента, точно так же, как и при постоянном резервировании;

б) облегченный режим.

Ресурс резервных элементов начинает расходоваться с момента включения всего устройства в работу, однако интенсивность расхода ресурса резервных элементов до момента включения их вместо отказавших (время t) значительно ниже, чем в обычных рабочихI условиях;

в) ненагруженный режим.

Условия, в которых находится резерв, настолько легче рабочих, что практически резервные элементы начинают расходовать свой ресурс только с момента включения их в работу вместо отказавших.

Основные достоинства резервирования замещением резервируемой аппаратуры: 1) больший выигрыш в надежности по сравнению с постоянным резервированием (в случаях ненагруженного и облегченного резерва);

2) отсутствие необходимости дополнительной регулировки в случае замещения основного элемента резервным, так как основной и резервный элементы одинаковы.

Основные недостатки резервирования замещением:

1) сложность технической реализации и связанное с этим увеличение массы, габаритов и стоимости всего резервируемого РЭУ;

2) перерыв в работе в случае замещения отказавшего элемента;

3) необходимость иметь переключающее устройство высокой надежности. Для обеспечения этого иногда приходится резервировать сами переключающие устройства, обычно используя постоянное резервирование. На практике считается, что надежность переключающего устройства должна быть, по меньшей мере, на порядок выше надежности резервируемого элемента.

Резервирование замещением обычно используют как на уровне комплектующих элементов и каскадов блока, так на уровне всего устройства в целом.

В данной курсовой работе воспользуемся резервированием всего устройства ввиду сложности разделения его на составные блоки и простоте самого устройства, считаемого в среднем высоконадежным. При этом будем использовать нагруженный резерв, поскольку перерывы в работе устройства исключены.

Основной характеристикой резервирования замещением является кратность резерва выражаемая несокращенной дробью и определяемая отношением

  (4.1)

где r — количество резервных элементов, способных замещать

основные элементы данного типа; r = m - n

(см. рис.5.24);

п — количество основных элементов, резервируемых резервными элементами.

 

Рис. 4.1 – Примеры оценки кратности резерва

Примеры оценки кратности резерва понятны из рис. 4.1.

Из рисунка видно, что дробь, описывающую кратность резерва, нельзя сокращать, так как будет потеряна информация о характеристиках резервирования.

Перейдем к непосредственным расчетам.

Из расчета, приведенного в п.3 получили, что вероятность безотказной работы за указанное время будет равно

что является не удовлетворительным показателем. Условимся, что данное значение должно быть не менее 0,95.

Рассчитаем, какое количество резервирований необходимо для достижения поставленной задачи.

Воспользуемся формулой

При выполнении расчетов получим следующие данные:

m	P(t)
1	0,55
2	0,79
3	0,9
4	0,95

При m = 4 мы получаем желаемый результат.

Кратность резерва в данном случае равна

,

А трехкратного резервирования достаточно, чтобы добиться желемого результата.