По надежности

К расчетно-графическим и практическим работам

Методические указания

По надежности

К расчетно-графическим и практическим работам

Методические указания

Утверждено Учебно-издательским

советом ДонНТУ

Протокол № от

Рассмотрено на заседании

кафедры АТ

Протокол № 5 от 14.05.09

Донецк-2009

УДК 381.3

Методические указания к расчетно-графическим и практическим работам по надежности для студентов специальности 7.091401 «Системы управления и автоматики» и 7.092401 «Телекоммуникационные системы»

Составил Константинов С.В.,Донецк,ДонНТУ.2007-76с.

Изложены правила выполнения расчетных работ по надежности, которые выполняются студентами на практических занятиях и в домашних заданиях: приближенный расчет, расчет ремонтопригодности, расчет ЗИП и уточненный расчет. Приведены правила оформления расчетно-графических работ.

Компьютерный набор выполнили студенты группы ТКС-06с Ткачева Л., Кричков Д. и ТКС-07а “с” Горбацкий А. С. и Бляшкин Д. Ю.

Автор: Константинов С. В.

Рецензент: Воронцов А. Г.

Содержание

Введение……………………………………………………………………….4

1. Приближенный расчет надежности………………………………………….5

1.1 Расчет безотказности.....................................................................5

1.2 Расчет ремонтопригодности...........................................................8

1.3 Расчет ЗИП....................................................................................9

1.4 Оформление расчетной работы №1..............................................10

2. Уточненный расчет надежности........................................................15

2.1 Определение режима работы ЭРЭ.................................................18

2.1.1 Режим работы резисторов и транзисторов............................18

2.1.2 Режим работы конденсаторов...............................................27

2.1.3 Режим работы электролитических конденсаторов................28

2.1.4 Режим работы выпрямительных диодов...............................28

2.1.5 Режим работы стабилитронов..............................................28

2.1.6 Режим работы светодиодов..................................................29

2.1.7 Режим работы фотодиодов и фоторезисторов.......................29

2.1.8 Режим работы реле и контактов...........................................29

2.2 Оформление расчетной работы №2.............................................31

Приложение А – λ₀ различных ЭРЭ...................................................40

Приложение Б – коэффициенты нагрузок......................................44

Приложение В – графики для определения α₁...............................45

Приложение Г – α₂ для резисторов и конденсаторов..........................58

Приложение Д – влияние условий эксплуатации..........................60

Приложение Е – затраты времени на ремонт.................................61

Приложение Ж – список сокращений и условных обозначений..62

Литература.......................................................................................75

Министерство образования и науки Украины

Донецкий национальный технический университет

Донецк-2007

ВВЕДЕНИЕ

Надежность - очень важное качество любого изделия. Поэтому оценка надежности необходима в любой разработке.

Данные методические указания должны помочь студентам правильно выполнить некоторые виды расчета надежности. Кроме того, в указаниях изложены правила оформления домашних заданий: расчетно-графической работы №1, содержащей приближенный расчет безотказности, расчет ремонтопригодности и определение количества запасных частей, необходимых для обслуживания партии приборов.

В работе №2 выполняется уточненный расчет надежности, учитывающий условия и режим работы изделий.

Поскольку главную сложность в этом расчете составляет определение режима работы ЭРЭ, этому вопросу посвящено несколько разделов, и приведены примеры таких расчетов.

1 ПРИБЛИЖЕННЫЙ РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ

1.1 РАСЧЕТ БЕЗОТКАЗНОСТИ

Для расчета надежности (безотказности) необходимо составить структурно-логическую схему (СЛС), определяющую алгоритм расчета.

На СЛС элементы, отказ которых приводит к отказу устройства, соединяются последовательно, а элементы, дублирующие друг друга, только совместный отказ которых приводит к отказу устройства, соединяются параллельно.

Вероятность безотказной работы (ВБР) последовательно соединенных на СЛС элементов, равна произведению ВБР этих элементов:

(1)

При параллельном соединении элементов на СЛС вероятность отказа цепи из двух параллельно соединенных элементов равна произведению вероятностей отказов этих элементов:

(2)

Или ; (3)

Подставляя значения в , получим:

(4)

Расчет ВБР цепи из двух параллельно соединенных звеньев удобно производить по формулам (2) и (3).

При наличии элементов, выполняющих вспомогательные функции, отказ которых не приводит к отказу всего устройства или системы, их выделяют в отдельную группу. Общую интенсивность отказов такой группы определяют как интенсивность повреждений, которые переводят устройство из исправного состояния в работоспособное. Среднее время исправления повреждений также определяют отдельно.

В этом случае целесообразно построить граф:

где 1. – исправное состояние;

2. – работоспособное состояние;

3. – не работоспособное состояние;

λ _отк. – интенсивность отказов;

λ _пов. – интенсивность повреждений;

μ _восст. - интенсивность устранения отказов;

μ _пов. – интенсивность восстановления повреждений;

Приближенный расчет надежности выполняется тогда, когда есть вариант принципиальной электрической схемы.

При этом расчете режим работы ЭРЭ не учитывается.

Данные расчета сводятся в таблицу (Таблица 1.1).

1. В первой колонке «Наименование ЭРЭ» записываются название и тип ЭРЭ в соответствии с таблицей 4.1 [1].

2. Во второй колонке «количество N_i» проставляют количество однотипных элементов.

3. В третью колонку заносят значения «λ_табл.i», 10^-6 .

4. В четвертой колонке находится результат расчетов произведений «N_i*λ_табл.i» - суммирование которых, дает λ_устр (λ_устр= ).

5. В пятой колонке записаны коэффициенты отказов, определяемые по формуле

К_отк.i= .

Коэффициенты отказов также суммируются (для контроля). Сумма К_отк должна равняться единице. По отклонению определяют правильность расчетов.

Значение К_отк показывает влияние каждого типа комплектующих на общую надежность устройства.

Таблица 1.1

Наименование и тип ЭРЭ	Ni	λтабл.i, 10^-6 1/час	Ni*λтабл.i	Котк.i

1.2 РАСЧЕТ РЕМОНТОПРИГОДНОСТИ

При расчете ремонтопригодности определяется среднее время ремонта. Для этого к таблице 1.1, полученной при приближенном расчете надежности, добавляются две колонки (Таблица 1.2).

6. Среднее время ремонта (замены) ЭРЭ(Таблица 4.22 [1]) – MTTR_i.

7. Произведение К_отк.i*MTTR_i. Последняя колонка суммируется и результат является средним временем восстановления изделия (объекта)

MTTR= .

Имея эти данные, можно определить, сколько изделий может обслуживать один мастер. Для этого можно взять срок – одна неделя (продолжительность рабочего времени за любой срок: месяц, квартал, год – определяется по недельной нагрузке).

За неделю один мастер может отремонтировать (при семичасовом рабочем дне)

N_рем= .

На обслуживание один мастер может взять столько приборов, сколькими обеспечит количество отказов в неделю, равное N_рем.

Один прибор за неделю при круглосуточной работе откажет

N_отк=λ*168.

Количество приборов, которые мастер может взять на обслуживание равно

N_обсл= .

Таблица 1.2

Наименование и тип ЭРЭ	Ni	λтабл.i, 10^-6 1/час	Ni*λтабл.i	Котк.i	MTTRi	Котк.i*MTTRi

1.3 РАСЧЕТ ЗИП

Для ремонта восстанавливаемых изделий (объектов) необходим набор запасных ЭРЭ, позволяющих заменить вышедшие из строя. Расчет количества запасных ЭРЭ выполняется исходя из интенсивности отказов ЭРЭ, времени, на которое заказывается ЗИП, и количества обслуживаемых изделий.

Рассчитаем ЗИП на 1000 изделий, исходя из того, что запасные ЭРЭ заказываются один раз в год.

Для расчета составляем таблицу (Таблица 2).

1. В первой колонке записывается наименование элементов с одинаковыми параметрами.

2. Во второй колонке проставляют стандартные обозначения элементов (т.е. всю информацию, необходимую для заказа).

Например: КТ315А, К155ИЕ7, МЛТ-2-150 Ом – 5%.

3. В третью колонку заносится количество элементов с одинаковыми параметрами, содержащихся в одном устройстве.

4. В четвертой колонке записывается интенсивность отказов λ_табл.i.

5. В пятой колонке записывается произведение λ_i*N_i.

6. В шестой колонке просчитывается расчетное количество элементов

N_расч=8,76*λ_i*N_i.

7. В седьмой колонке записывается заказываемое количество ЭРЭ (округляется в большую сторону с учетом норм поставки).

٭ Значение λ_i в таблице нужно умножить на 10^-6. Количество часов в году 8760. Заказ делается для 1000 приборов. Произведение этих трех чисел дает 8,76.

Таблица 2

Наименование элементов	Обозначения	Nод.парам	λтабл.i	λi*Ni	Nрасч	Nзаказ

1.4 ОФОРМЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ РАБОТЫ №1

ЦЕЛЬ: научиться выполнять приближенный расчет надежности устройства, ремонтопригодности изделия, а также расчет ЗИП.

Рисунок 1 – Схема усилителя

ХОД РАБОТЫ

1. Приближенный расчет надежности

1.1. Расчет надежности будем выполнять для схемы усилителя с выходным каскадом, усиливающим напряжение сигнала (рис.1). Режим работы элементов учитываться не будет.

1.2. В таблицу 1.1 заносим наименование ЭРЭ, их количество, интенсивность отказов λ_табл (сослаться на источник), а также произведение N_i* λ_таблi

1.3. Коэффициенты отказов, которые показывают влияние каждого типа комплектующих на общую надежность устройства, определяем по формуле:

Таблица 1.1

Наименование и тип ЭРЭ	Ni	λтаблi, 10^-6, 1/час	Ni* λтаблi, 10^-6, 1/час	Kоткл
резисторы постоянные		0,07	1,82	0,072
резисторы переменные		0,5		0,040
конденсаторы бумажные		0,3	1,8	0,072
конденсаторы электролит		0,135	0,945	0,037
транзисторы германиевый маломощный		1,4	12,6	0,504
стабилитрон кремниевый				0,20
диод германиевый		0,68	0,68	0,027
пайки		0,01	1,15	0,046
Сумма			24,995	1,000

1.4. Интенсивность отказа устройства будет:

; ;

2. Расчет ремонтопригодности

2.1. В таблицу 1.2 заносим всю таблицу 1.1 и 2 дополнительных столбца:

6. - среднее время ремонта (замены) ЭРЭ MTTR_i, и 7. - произведение K_откл i* MTTR_i

Таблица 1.2

Наименование и тип ЭРЭ	Ni	λтаблi, 10^-6, 1/час	Ni* λтаблi, 10^-6, 1/час	Kоткл	MTTRi	Kоткл i* MTTRi
резисторы постоянные		0,07	1,82	0,073	0,4	0,029
резисторы переменные		0,5		0,040	0,5	0,02
конденсаторы бумажные		0,3	1,8	0,072	0,7	0,05
конденсаторы электролит		0,135	0,945	0,038	0,7	0,026
транзисторы германиевый маломощный		1,4	12,6	0,504	0,5	0,252
стабилитрон кремниевый				0,200	0,5	0,1
диод германиевый		0,68	0,68	0,027	0,4	0,011
пайки		0,01	1,15	0,046	0,3	0,014
Сумма			24,995	1,000		0,502

В расчетной работе №1 приводиться только таблица 1.2.

2.2. Среднее время восстановления объекта

MTTR_i =

2.3. За одну неделю один мастер может отремонтировать следующее количество изделий (при рабочей недели 41 час):

2.4. Один прибор за неделю при круглосуточной работе откажет

Nоткл = λ*7*24= 0,0042

2.5. Количество приборов, которые мастер может взять на обслуживание равно

3.Расчет ЗИП

3. Рассчитаем ЗИП на 1000 изделий, исходя из того, что запасные ЭРЭ заказываются один раз в год. Для расчета составляем таблицу 2, в которой записываем наименование элементов с одинаковыми параметрами, их обозначения и количество, интенсивность отказов, а также расчетное количество элементов.

Nрасч = 8,76*λi*Ni

Таблица 2

Наименование элементов	Обозначение	Nод.парам	λтабл.i	λi*Ni	Nрасч	Nзаказ
Резисторы
R1	МЛТ-0,125-470к-5%		0,07	0,07	0,6132
R2, R15,R17	МЛТ-0,125-2к-10%		0,07	0,21	1,8396
R3, R7	МЛТ-0,125-3к-10%		0,07	0,14	1,2264
R4	МЛТ-0,125-200-5%		0,07	0,07	0,6132
R5, R8	СП-1-47к-10%		0,5		8,76
R6, R10	СП-0,125-10к-5%		0,5		8,76
R9	МЛТ-0,125-300-5%		0,07	0,07	0,6132
R11, R19	МЛТ-0,125 —20к-10%		0,07	0,14	1,2264
R12	МЛТ-0,125-30к-5%		0,07	0,07	0,6132
R13	МЛТ-0,125-1,5к-10%		0,07	0,07	0,6132
R14	МЛТ-0,125-47-5%		0,07	0,07	0,6132
R16	МЛТ-0,125-15к-10%		0,07	0,07	0,6132
R18	МЛТ-0,125-36-10%		0,07	0,07	0,6132
R20	МЛТ-0,125-510-5%		0,07	0,07	0,6132
R21	МЛТ-0,125-43к-10%		0,07	0,07	0,6132
R22	МЛТ-0,125-4,3к-10%		0,07	0,07	0,6132
R23, R26	МЛТ-0,125-430к-10%		0,07	0,14	1,2264
R24, R25	МЛТ-0,125-27к-10%		0,07	0,14	1,2264
R27, R28	МЛТ-0,125-150-5%		0,07	0,14	1,2264
Конденсаторы
С1	К50-16-50мк*15В-10%		0,135	0,135	1,1826
С2	К50-16-5мк*15В-10%		0,135	0,135	1,1826
С3	К21-7-3900-10%		0,3	0,3	2,628
С4	К21-7-0,022мк-10%		0,3	0,3	2,628
С5	К50-16-1мк*15В-10%		0,135	0,135	1,1826
С6	К21-7-0,05мк-10%		0,135	0,135	1,1826
С7	К21-7-0,5мк-10%		0,135	0,135	1,1826
С8	К50-16-30мк*15В-10%		0,135	0,135	1,1826
С9	К50-16-100мк*10В-10%		0,135	0,135	1,1826
С10	К22У-1-300-10%		0,3	0,3	2,628
С11	К21-7-51-10%		0,3	0,3	2,628
С12	К50-16-200мк*10В-10%		0,135	0,135	1,1826
С13	К50-16-500мк*15В-10%		0,135	0,135	1,1826
Транзисторы
VT1, VT2, VT3	ГТ309А		1,4	4,2	36,792
VT5, VT9	МП38А		1,4	4,2	36,792
VT7, VT8	МП41А		1,4	2,8	24,528
VT10	ГТ404Б		1,4	1,4	12,264
Диод
V6	Д9Б		0,68	0,68	5,9568
Стабилитрон
V4	КС107А				43,8

Выводы. В выводах следует оценить устройство и расчет надежности (перечислять, что сделано, не надо).

Перечень ссылок:

1. Источник, откуда взята схема

2. Источники справочных данных

2 УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ

Составляется СЛС, как в разделе 1. Для каждой цепочки СЛС составляется отдельная таблица

В этом расчете безотказность устройств определяется с учетом режимов работы элементов. Учитывается также температура окружающей среды (расчетная температура принимается на 10…15˚С выше), время работы (часов в сутки), механические воздействия, влажность и атмосферное давление.

Данные расчета сводятся в таблицу (Таблица 2.1)

1. В первой колонке приводятся условные обозначения элементов на схеме (R1,C1,VT1…). Можно объединять элементы одного номинала, если они работают в одинаковом режиме

2. Во второй колонке приводится тип и номинал элемента (МЛТ-0,25-1к, МБМ-0,5мкФ 160В, КТ-315А) название, если оно не понятно.

3. В третьей колонке проставляется количество одинаковых элементов, работающих в одинаковом режиме.

4. В четвертой колонке указывается обозначение параметра, по которому определяется коэффициент нагрузки, и его значение (Р=0,1Вт, U=13B, I=32мА).

5. В пятой колонке указывается номинальное значение параметра (0,125Вт, 16В, 40мА).

6. В шестой колонке проставляется значение коэффициента нагрузки, равное отношению фактического значения параметра к его номинальному значению. Если К_н>1, элемент требует замены.

7. В седьмую колонку заносятся значения коэффициента α₁, учитывающего режим работы (К_н) и температуру. Этот коэффициент находится по таблицам 4.4…4.6 [1] или графикам (приложение В).

8. В восьмой колонке проставляется коэффициент α₂, зависящий от технологий изготовления. Для резисторов α₂ определяется по таблице 4.7, для конденсаторов по графикам (приложение Г), для ППП принимается равным 1.

9. В девятой колонке проставляется значение λ_табл, которое берется из приложения А или из табл. 4.1 [1] для большинства ЭРЭ, а для ИМС – из таблиц 4.11, 4.13. Для расчета берется максимальное значение λ_табл, так как нам неизвестны условия, для которых определялись значения этих коэффициентов.

10. В десятую колонку заносятся значения λ_{рабочее}, которое определяется по формуле

λ_раб=λ_табл* α₁* α₂.

11. В одиннадцатую колонку заносятся значения λ в отключенном состоянии, это значение может меняться в довольно широких пределах в зависимости от условий, в которых работает устройство. Мы будем принимать

λ_откл=0,1 λ_табл.

12. В двенадцатую колонку заносится расчетное значение λ, которое определяется из выражения

λ_расч.i=[λ_раб.i*t_раб+ λ_откл.i*(24-t_раб)]/24,

где t_раб – время работы устройства в сутки.

13. В тринадцатую колонку проставляют значения произведения λ_расч.i* N _i. Числа, занесенные в эту колонку, суммируются и дают в итоге λ устройства.

14. В четырнадцатую колонку заносят значения коэффициентов отказов, которые определяется по формуле

K_отк.i=(λ_расч.i* N _i)/λ_устр,

где числитель берется из соответствующей строки колонки тринадцать, а знаменатель равен сумме всех произведений: λ_расч.i* N _i, полученное в этой же колонке.

15. Пятнадцатая колонка содержит значения MTTR_i, которые берутся из таблицы 4.22. Поскольку студент располагает информацией о времени восстановления при выходе из строя различных элементов, он может выбрать любое значение в пределах, указанных в таблице 4.22, и даже за пределами этих значений, если для этого есть основание.

16. Последняя, шестнадцатая колонка содержит произведение MTTR_i*K_отк.i, суммирование которых дает среднее время восстановления устройства MTTR_устр.

Пример заполнения таблицы приведен ниже.

Таблица 2.1 – Уточненный расчет надежности.

Условное обозначение на схеме	Тип и номинал элемента	Количество Ni	Параметр и его значение	Номинал	Kн	α1
R1, R2, R6	МЛТ-0.5-1к		P=0.3 Вт	0.5	0.6	0.73
VT1, VT5	КТ 814 А		P=0.5 Вт		0.5	0.4
C1, C7	К50-6-16В-100 мкФ		U=12 В		0.75	0.54

α2	λтабл.i	λраб.i	λоткл.	λрас.i	λрас.i*Ni	Kотк.i	MTTRi	MTTRi*Kотк.i
0.6	0.07	0.03	0.007	0.019	0.057	0.012	0.5	0.006
	1.44	0.576	0.144	0.36	0.72	0.144	0.6	0.086
	0.135	0.146	0.014	0.08	0.16	0.032	0.5	0.016
	∑ = 1.45	∑ = 0.188		∑ = 0.108

Примечание: в пример заполнения таблицы 2.1 приняты t_окр.=30˚С (t_устр.=40˚С), время работы 12 часов в сутки.

Дата добавления: 2015-04-30