Расчет на надежность стереодекодера СД-А-7

Министерство образования Российской Федерации

 

Тамбовский государственный технический университет

Кафедра: КРЭМС

Курсовой проект

Расчётно-пояснительная записка по дисциплине:

“Анализ и синтез технических систем”

на тему:

“Расчет на надежность стереодекодера СД-А-7 ”

Члены комиссии:______________

______________

Проект защищён:______оценка___

2007 г

Содержание

Введение

1. Характеристика объекта с точки зрения надежности

2. Цель расчета, выбор нормируемых показателей надежности и норм

3. Обоснование метода расчета надежности

4. Расчет надежности элементной базы

5. Расчет надежности с учетом всех видов отказов

6. Выводы и рекомендации

Список используемых источников

Приложение

Введение

Научно-технический прогресс влечет за собой появление новых технических средств передачи, переработки, извлечения и хранения информации. Постоянное усложнение этих технических средств, находящееся в прямой зависимости от многообразия и важности функций, выполняемых современными автоматизированными системами, выдвигает ряд проблем научной методологии, технического проектирования, технологии производства, испытаний опытных образцов и эксплуатации. Главной является проблема обеспечения надежности систем.

Проблема обеспечения надежности в ее современном виде была сформулирована в начале 50-х годов применительно к радиоэлектронным устройствам, построенным из большого числа элементов. В настоящее время методы анализа и контроля надежности широко используются во многих отраслях промышленности. Ненадежность наносит народному хозяйству огромный экономический ущерб, связанный с затратами на запасные части, ремонтное оборудование и содержание технического персонала, не говоря уже об угрозе безопасности и здоровью людей, о политических и моральных факторах, которые не поддаются оценке обычными экономическими показателями. Практический опыт показывает, что часто выгоднее затратить дополнительные средства на обеспечение надежности на этапе разработки, чем расплачиваться за кажущуюся экономию средств при проектировании ненадежностью системы при ее эксплуатации.

Надежность есть свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значение установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. В зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации надежность может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

В данной работе производится расчет и оценка надежности стереодекодера блока тюнера радиокомплекса «Ода – 102 – стерео». Расчет надежности заключается в определении показателей надежности изделия по известным характеристикам надежности составляющих компонентов и условиям эксплуатации.

1. Характеристика объекта с точки зрения надежности

 

Назначение объекта и принцип работы:

Блок стереодекодера СД – А – 7 предназначен для разделения сигналов левого и правого стереоканалов, содержащихся в комплексном стереосигнале. Он выполнен по методу детектирования с предварительным разделением спектра.

Комплексный стереосигнал со входа стереодекодера через конденсатор С1 поступает на устройство восстановления поднесущей частоты, выполненное на транзисторах VT1, VT2, VT6. Настройка контура восстановления поднесущей частоты L1.1C4C3 осуществляется с помощью сердечника катушки L1.1. Подстроечными резисторами R5 и R15 устанавливается максимальное подавление сигнала соседнего канала. Восстановленный полярно – модулированный сигнал можно контролировать на выводе 3 соединителя Х блока.

Канал суммарного стереосигнала выполнен на транзисторе VT12, канал разностного стереосигнала – на транзисторах VT7, VT9. Подавление тональной части полярно – модулированного сигнала осуществляется колебательным контуром L2.2C7. Далее разностный сигнал поступает на детектор на диодах VD1 – VD4 и с его выходов на суммирующее устройство, выполняемое на резисторах R27 – R30. На него же поступает и суммарный стереосигнал.

С выходов суммирующего устройства стереосигналы левого и правого каналов (А и В) поступают на выходные повторители каналов на транзисторах VT13 и VT14, а с них – на выходы левого и правого каналов стереодекодера (на выводы 8 и 10 соединителя Х). Настройка устройства по максимуму переходных затуханий осуществляется переменными резисторами R27, R30 и сердечником контурной катушки L2.

Устройство стереоиндикации и стереоавтоматики выполнено на транзисторах VT3 – VT5, VT8, VT10, VT11.

При отсутствии стереосигнала транзистор VT10 закрыт и сигнал ЗЧ проходит без искажений через VT1, VT12 на VT13 и VT14. При малом уровне сигнала отключение режима «стерео» производится открыванием транзистора VT4, подачей на его базу положительного напряжения.

Условия эксплуатации, параметры окружающей среды:

a)  Класс по глобальным зонам использования: 1 класс – наземная РЭС (суша)

b)  Климатическая зона эксплуатации: У (умеренный климат) t=-45…+40 ˚С; W=45…80%; Р=83,6…106 кПа. Категория размещения: 1.1

c)  Группа аппаратуры по ГОСТ 16019-78: группа 1 (стационарная РЭС)

d)  Категория по продолжительности работы: РЭС многократного действия

Возможности ремонта и восстановления объекта в процессе эксплуатации:

ремонтируемый, восстанавливаемый, с допустимыми перерывами в работе.

Структура объекта:

без резерва.

Виды отказов объекта:

отказы электрической схемы (отказы элементов электрической схемы), конструкционные отказы (недостаточное обеспечение объекта по следующим показателям: механическая прочность, условия теплообмена, электромагнитная совместимость), технологические отказы (погрешности предварительного производства, плохая сборка, ошибки в электрическом монтаже, плохая настройка).

2. Цель расчета, выбор нормируемых показателей надежности и норм

 

Цель: рассчитать показатели надежности, которые в полной мере характеризуют надежностные свойства исследуемого объекта, и сравнить их с допустимыми значениями; сделать вывод - удовлетворяет объект требованиям надежности или нет.

Показателем надежности называется техническая характеристика, количественным образом определяющая одно или несколько свойств, составляющих надежность объекта – безотказность, ремонтопригодность, долговечность, сохраняемость.

Различают единичные и комплексные показатели надежности. Единичный показатель надежности относится к одному из свойств, составляющих надежность, а комплексный – к нескольким свойствам.

Кроме того, все показатели надежности подразделяют на интервальные, относящиеся к заданному интервалу наработки, мгновенные, соответствующие заданному моменту времени t и числовые, не связанные с расположением интервала и момента времени t.

Выбор нормируемых показателей надежности производится исходя из вида объекта по методике [3] в следующей последовательности: 1) в зависимости от конструктивного решения (ремонтопригодности), ограничения на продолжительность эксплуатации, временного режима использования по назначению и последствий отказа для объекта устанавливается шифр из четырех цифр; 2) по шифру объекта определяются нормируемые показатели надежности.

Результаты анализа объекта приведены в таблице 1.

Шифр объекта: 2434

Шифру 2434 соответствуют следующие нормируемые показатели надежности:

I.   - средняя наработка до отказа (или среднее время безотказной работы), [ч];

II.   - коэффициент готовности (вероятность того, что объект окажется работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов простоя).

Таблица 1

Цифра шифра	Признак деления	Номер	Примечание
Первая	Ремонтопригодность	2	Ремонтируемый
Вторая	Ограничение продолжительности эксплуатации	4	До достижения предельного состояния
Третья	Временной режим использования по назначению	3	Циклически нерегулярный
Четвертая	Доминирующий фактор при оценке последствий отказа	4	Наличие отказа и вынужденный простой

 

Обоснование норм (допустимых значений) для выбранных показателей надежности является ответственным этапом в проектировании надежной РЭС. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, от правильности результатов данного этапа зависит успех и смысл всех расчетов надежности, так как здесь определяется, какое значение показателя надежности можно считать допустимым. Во-вторых, нет общих правил и рекомендаций для установления норм надежности различных объектов, многое здесь зависит от субъективных факторов. В-третьих, любая ошибка на данном этапе ведет к тяжелым последствиям: занижение нормы ведет к повышению потерь от ненадежности, завышение – от дороговизны.

Обозначим через  значение показателя надежности, которое тем выше, чем надежнее объект, а через N_д – норму показателя надежности, где выполнение условия N≥N_д означает, что объект соответствует требованиям надежности по данному показателю. Величина N_д определяется исходя из достигнутого уровня производства и существующих норм для аналогичных объектов.

Для радиостанций, приемников, передатчиков систем радиотелефонной связи сухопутной службы в [4] даются нормы наработки на отказ  в зависимости от группы аппаратуры, числа и состава электрорадиоэлементов. Для аппаратуры 1 группы (по ГОСТ 16019-78) и числу электрорадиоэлементов (59) менее 1000 норма наработки на отказ =4500 ч.

Общее время восстановления объекта m_Bопределяется суммой

m_{B общ}= t_к + t_р + t_ож + t_дост + t_адм + t_подг + t_пер

где t_к – время, затрачиваемое на поиск и локализацию отказавшего элемента; t_р – время, затрачиваемое непосредственно на устранение неисправности; t_ож – время ожидания отказавшей аппаратуры, если обслуживающий персонал занят восстановлением другой аппаратуры; t_дост – время доставки элементов для замены отказавших; t_адм – время, затрачиваемое на различные непредвиденные задержки, например, на ожидание прибытия специалиста более высокой квалификации, без которого неисправность не может быть устранена; t_пер – время перерывов, необходимое для отдыха обслуживающего персонала; t_подг – время, необходимое для подготовки к включению.

Приспособленность объекта к типовым работам по его техническому обслуживанию и ремонту определяется в большей степени факторами, влияющими на активное время ремонта т.е.

m_B = t_к +t_р

Из анализа объекта устанавливаю m_B = 4 ч.

Значит К_Г = /( + m_B) = 4500/(4500+4)=0,99911.

3. Обоснование метода расчета надежности

Расчеты надежности – расчеты, предназначенные для определения количественных показателей надежности. Они проводятся на различных этапах разработки, создания и эксплуатации изделия.

На этапе проектирования расчет надежности производится с целью прогнозирования (предсказания) ожидаемой надежности проектируемого изделия. Такое прогнозирование необходимо для обоснования предполагаемого проекта изделия, а также для решения организационно-технических вопросов: выбора оптимального варианта структуры; способа резервирования; глубины и методов контроля; количества запасных элементов; периодичности профилактики.

На этапе испытаний и эксплуатации расчеты надежности проводятся для оценки количественных показателей надежности. Такие расчеты носят, как правило, характер констатации. Результаты расчетов в этом случае показывают, какой надежностью обладали изделия, прошедшие испытания или используемые в некоторых условиях эксплуатации. На основании этих расчетов разрабатываются меры по повышению надежности, определяются слабые места изделия, даются оценки надежности изделия и влияния на нее отдельных факторов.

Основные трудности при расчете надежности РЭС вызываются следующими обстоятельствами: 1) конструируемый объект содержит большое число элементов; 2) возможны различные виды отказов объекта; 3) часть исходных данных, необходимых для расчета, достоверно неизвестна. Для преодоления этих трудностей используются различные подходы (способ эквивалентной схемы, способ определяющего параметра и допусков, способ коэффициентов влияния и прототипов и др.).

В данной работе при оценке надежности используется способ коэффициентов влияния и прототипов. Выделяется структурная часть объекта (или вид отказов), для которой показатели надежности могут быть определены наиболее точно и в достаточной степени отражают надежность всего объекта. Показатель надежности для этой части обозначим . Влияние надежности других частей (или видов отказов) учитывается коэффициентами по формуле

где  - коэффициент влияния -ой части объекта или -го вида отказов;  - число коэффициентов влияния.

Коэффициенты  могут определяться на основе анализа известных статических данных о причинах возникновения отказов для объектов-прототипов.

Надежность РЭС в значительной степени определяется надежностью элементов электрической схемы. Поэтому в качестве отказов, наиболее точно отражающих надежность всего объекта, выбираю отказы обусловленные нарушениями элементов электрической схемы.

Работоспособность объекта, кроме того, может быть нарушена в результате отказов обусловленных ошибками конструкции, технологии и эксплуатации.

На основе вышеизложенного объект с точки зрения надежности можно представить в виде блок-схемы, блоки которой соединены последовательно в смысле надежности (отказ любого из блоков приведет к отказу всего объекта).

4. Расчет надежности элементной базы

В зависимости от полноты учета факторов, влияющих на надежность объекта, могут проводиться прикидочный расчет надежности, расчет с учетом условий эксплуатации (расчет при подборе типов элементов), уточненный расчет.

Расчет производится в предположении, что имеет место экспоненциальный закон надежности, т.е. время работы объекта между отказами имеет экспоненциальное (показательное) распределение. Основаниями для этого служат: 1) большое число элементов и высокая надежность каждого элемента (срок службы каждого элемента значительно превышает период рабочей эксплуатации РЭС); 2) все отказы, обусловленные некачественным изготовлением, проявляются в период настройки и испытания РЭС перед эксплуатацией; 3) отказы, связанные со старением элементов, в период эксплуатации РЭС составляют незначительную долю от общего числа отказов; 4) вероятность возникновения отказов элементов примерно одинакова в любые интервалы времени эксплуатации; 5) отказы элементов независимы.

 

4.1 Прикидочный расчет производится на этапе проектирования, когда принципиальных схем блоков объекта еще нет. Количество элементов в блоках определяется путем сравнения проектируемого объекта с аналогичными, ранее разработанными объектами. Интенсивность отказов проектируемого нерезервированного объекта определяют путем суммирования значений интенсивностей отказов всех его элементов.

Прикидочный расчет надежности проводится в следующих целях:

-  проверить выполнимость требований по надежности, содержащихся в техническом задании;

-  сравнить по показателям надежности различные варианты проектируемой системы.

Для расчета надежности необходимо иметь логическую модель безотказной работы системы (структурная схема надежности). Так как проектируемый объект без резерва, то его схема надежности последовательная.

Средние, минимальные и максимальные значения интенсивности отказов каждого типа элементов определяю из приложения 3 [2].

Составляю сводную таблицу данных (табл. 2).

Таблица 2

Порядковый номер и тип элемента		Число элементов каждого типа nj	Границы и среднее значение интенсивности отказов *10^6, 1/ч			Суммарные значения интенсивности отказов элементов определенного типа *10^6, 1/ч
			λj min	λj cp	λj max	njλj min	njλj cp	njλj max
1. Резисторы	Непроволочные	30	0,010	0,020	0,040	0,300	0,600	1,200
	Переменные	4	0,020	0,260	0,500	0,080	1,040	2,000
2. Конденсаторы	Керамические	8	0,042	0,150	1,640	0,336	1,200	13,120
	Электролитические	2	0,003	0,035	0,513	0,006	0,070	1,026
3. Диоды		4	0,021	0,200	0,452	0,084	0,800	1,808
4. Транзисторы		14	0,160	0,500	1,670	2,240	7,000	23,380
7. Катушки индуктивности		4	0,001	0,008	0,020	0,004	0,032	0,080
10. Плата (гетинакс)		1	0,100	0,100	0,100	0,100	0,100	0,100
11. Пайка (печатный монтаж)		149	0,010	0,080	0,150	1,490	11,920	22,350

По данным таблицы 2 рассчитываю граничные и средние значения интенсивностей отказов, а также другие показатели безотказности электрической схемы по формулам:

 

где, m – число типов элементов схемы.

1/ч, 1/ч, ;

, ,

;

 ч,  ч,  ч.

Проверка: >  (215517>4500).

 

4.2 Расчет с учетом условий эксплуатации аппаратуры, т.е. с учетом влияния механических воздействий, высотности и климатических факторов производится с помощью поправочных коэффициентов по формуле , где - интенсивность отказов j –го элемента в номинальном режиме (температура окружающей среды 20 ˚С, коэффициент нагрузки равен 1; - поправочные коэффициенты, учитывающие соответственно воздействие влажности и температуры; - коэффициент, учитывающий одновременное воздействие вибрации и ударных нагрузок. Если в объекте имеется - однотипных элементов, имеющих одинаковые  и значения поправочных коэффициентов, то для всей электрической схемы интенсивность  определяется по формуле

В приложении 3 [2] нахожу интенсивность отказов элементов для нормальных условий работы, а поправочные коэффициенты в приложении 4 [2]. Составляю сводную таблицу данных (табл.3)

Таблица 3

Номер и наименование элемента	Обозначение на схеме	Тип элемента	Кол-во элементов j-го типа nj, шт	Интенсивность отказов в номинальном режиме λ0j*106, 1/час	Поправочные коэффициенты			Интенсивность отказов элементов j-го типа с учетом условий эксплуатации, njλ0j К1,2,jК3,jК4,j*106, 1/час
					К1,2,j	К3,j	К4,j
Резисторы	R1-R4,R6-R14, R16-R26, R28, R29, R31-R34	Металлодиэлектрические	30	0,2	1,07	1	1	6,420
	R5, R15, R27,R30	Переменные	4	0,26				1,113
Конденсаторы	С2-С5, С7-С10	Керамические	8	1,4				11.984
	C1, C6	Электролитические	2	2,4				5.1360
Диоды	VD1-VD4	Кремниевые	4	0,7				2,996
Транзисторы	VT1-VT14	Кремниевые высокочастотные мощностью менее 1Вт	14	2,6				38,948
Катушки индуктивности	L1.1, L1.2, L2.1, L2.2	-	4	0,5				2,140
Плата	-	-	1	0,1				0,107
Пайка	-	Печ. мон.	149	0,15				23,916

По данным таблицы 3 рассчитываю суммарное значение интенсивности отказов для всей электрической схемы  1/ч. На основе значения  определяю другие показатели надежности с учетом условий эксплуатации  и  ч.

Проверка: >  (10780>4500).

4.3 Уточненный расчет производится, когда конструкция объекта в основном определена. Здесь, прежде всего, учитывается отклонение электрической нагрузки элементов схемы и окружающей их температуры от номинальных значений. Интенсивность отказов элемента j–го типа уточненная и всей схемы  рассчитываются по формулам:

где - поправочный коэффициент, определяемый как функция коэффициента , учитывающего электрическую нагрузку, и температуры  для элемента j–го типа.

Поправочные коэффициенты  для элементов выбираю в приложении 4 [1,2]. Температуру  принимаю равной +40 ˚С (как максимальную температуру для умеренного климата) плюс +10 ˚С (за счет нагрева самих элементов) для расчета надежности объекта при работе в наихудшем для него режиме. Составляю сводную таблицу данных (табл. 4).

По данным таблицы 4 рассчитываю суммарное значение интенсивности отказов для всей электрической схемы

=77,709*10^-6 1/ч.

На основе значения  определяю уточненные значения показателей надежности

=exp[-77,709*10^-6 *t], =12686 ч.

 

Проверка: >  (12686>4500).

Таблица 4

Номер и наименование элемента	Обозначение на схеме	Тип элемента	Кол-во элементов j–го типа nj, шт	Поправочные коэффициенты			Интенсивность отказов элементов j–го типа с учетом условий эксплуат. , 1/ч	Уточненная интенсивность отказов элементов j–го типа , 1/ч
Резисторы	R1-R4,R6-R14, R16-R26, R28, R29, R31-R34	Металлодиэлектрические	30	0,6	50	0,92	5,906	5,434
	R5, R15, R27,R30	Переменные	4	0,6		0,92	1,024	0,942
Конденсаторы	С2-С5, С7-С10	Керамические	8	0,7		0,46	5,513	2,536
	C1, C6	Электролитические	2	0,7		1,73	8,885	15,372
Диоды	VD1-VD4	Выпрямительные	4	0,5		0,76	2,277	1,730
Транзисторы	VT1-VT14	Высокочастотные	14	0,5		0,84	32,716	27,482
Кат. Индуктивности	L1.1, L1.2, L2.1, L2.2	-	4	0,5		0,3	0,624	0,193
Плата	-	-	1	-		1	0,107	0,107
Пайка	-	Печ. мон	149	-		1	23,9145	23,9145

5. Расчет надежности с учетом всех видов отказов

В заключении анализа надежности объекта рассчитываются окончательные значения нормируемых показателей надежности, которые учитывают все возможные виды отказов – отказы элементов электрической схемы, конструкционные, технологические, эксплуатационные и другие.

Общая интенсивность отказов λ_об =λ_сх* к_к* к_т* к_э,где к_к, к_т, к_э – поправочные коэффициенты, учитывающие увеличение интенсивности отказов за счет ошибок конструкции, технологии и эксплуатации соответственно. Анализ показывает, что 60% всех отказов вызвано нарушениями элементов электрической схемы, 30% - ошибками конструкции и 10% - нарушениями технологии изготовления и сборки.

Коэффициенты к_к, к_т определяются по формулам:

к_к=(δ_сх+δ_к)/δ_сх =(60+30)/60=1,5,

к_т=(δ_сх+δ_к+δ_т)/(δ_к+δ_сх)=(60+30+10)/(60+30)=1,1,

где δ_сх, δ_к, δ_т – доли в процентах трех видов отказов соответственно.

Используя найденные значения поправочных коэффициентов определяю общую интенсивность отказов

λ_об = 77,709*1,5*1,1*10^-6=128,221*10^-6 1/ч.

Значит m_toб = 1/λ_об =7799 ч и К_{Г об}=7799/(4+7799)=0,99949.

Проверка: m_toб >  (7799>4500),

К_{Г об} >К_Г (0,99956 > 0,99933).

6. Выводы и рекомендации

Проведенный расчет показал, что на этапе проектирования объект удовлетворяет требованиям надежности.

В качестве рекомендации по повышению надежности объекта можно отметить следующее. Значительная часть отказов происходит из-за ошибок и нарушений технологического процесса, допускаемых производственным персоналом в процессе изготовления изделий. Поэтому для уменьшения количества таких ошибок надо минимизировать использование ручного труда в процессе производства. Высокую надежность может иметь только та аппаратура, при производстве которой широко используются автоматизация и механизация производственных процессов.

Кроме того соблюдение заданных условий эксплуатации, своевременное и качественное проведение профилактического осмотра и ремонта также может существенно повысить надежность объекта.

Список используемых источников

1.  Муромцев Ю.Л., Грошев В.Н., Чернышова Т.И. Надежность радиоэлектронных и микропроцессорных систем. Тамбов, ТИХМ, 2002.

2.  Теория надежности радиоэлектронных систем в примерах и задачах / Под ред. Г.В. Дружинина. – М.: Энергия, 2001.

3.  Голинкевич Т.А. Прикладная теория надежности. - М.: Высш. школа, 1999.

5. Кофанов Ю.Н. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности радиоэлектронных средств. – М.: Радио и связь, 2003.