Исследование надежности устройства(датчик дыма)

 

РЕФЕРАТ

 

Пояснительная записка: 48 с., 15 рис., 14 табл., 2 приложения (схема электрическая принципиальная, перечень элементов), 3 ссылки.

Объект исследования –  датчик обнаружения дыма.

Цель работы – исследование надежности схемы устройства.

Методы исследования –  анализ объекта и условия его  эксплуатации, распределение норм надежности по составным частям изделия, ориентировочный  расчет надежности, уточненный расчет надежности, расчет поля допуска на определяющий параметр, расчет параметрической  надежности. произведен уточненный расчет надежности функционального узла (для каждого элемента узла определили уточненные значения интенсивности отказов), а также был произведен параметрический расчет надежности. В ходе выполнения работы были построены необходимые графики. Также данная курсовая работа содержит  принципиальную схему анализируемого устройства.

ИНТЕНСИВНОСТЬ ОТКАЗОВ, ВЕРОЯТНОСТЬ  БЕЗОТКАЗНОЙ РАБОТЫ, НАДЕЖНОСТЬ, НАРАБОТКА, фУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ВРЕМЯ БЕЗОТКАЗНОЙ РАБОТЫ, БЕЗОТКАЗНОСТЬ. 

РЕФЕРАТ

 

Пояснювальна записка: 48 с., 15 рис., 14 табл., 2 додатки (схема електрична принципова, перелік елементів), 3 посилання.

Об'єкт дослідження - датчик виявлення диму.

Мета роботи - дослідження  надійності схеми пристрою.

Методи дослідження - аналіз об'єкта і умови його експлуатації, розподіл норм надійності по складових  частинах вироби, орієнтовний розрахунок надійності, уточнений розрахунок надійності, розрахунок поля допуску на визначальний параметр, розрахунок параметричної  надійності. проведений уточнений розрахунок надійності функціонального вузла (для кожного елемента вузла визначили  уточнені значення інтенсивності відмов), а також був проведений параметричний  розрахунок надійності. В ході виконання роботи були побудовані необхідні графіки. Також дана курсова робота містить принципову схему аналізованого пристрою.

Інтенсивність відмов, ймовірність безвідмовної роботи, НАДІЙНІСТЬ, напрацювання, функціональний елемент, час безвідмовної роботи, безвідмовність.

 

ABSTRACT

 

Explanatory note: 48., 15 fig., 14 tab., 2 applications (electrical schematic diagram, a list of items), 3 references.

The object of study - smoke detection sensor.

Purpose - to study the reliability of the circuit device.

Methods of study - an analysis of the object and the conditions of its use, distribution reliability standards for a product component, an indicative calculation of the reliability, the reliability of an updated calculation, the calculation for determining the tolerance parameter, parameter estimation of reliability. Produced an updated calculation of the reliability of the functional unit (for each element of the node determined accurate values of the failure rate), and was produced by a parametric estimation of reliability. Entering the job were built the necessary graphics. Also, this course work has analyzed the concept of the unit.

The failure rate, the probability of failure, reliability, service life, functional components, uptime, reliability.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Перечень условных сокращений 8

Введение 9

1 Анализ объекта и условия  его эксплуатации 10

1.1 Назначене, состав и структура структура объекта 10

1.2 Климатические и механические воздействия 12

2 Разработка требований  надежности объекта 13

2.1 Выбор номенклатуры и задаваемые значения показателей надежности 13

2.2 Критерии отказов и предельных состояний 13

3 Распределение требований к надежности по функциональным узлам 15

3.1 Расчет показателей безотказности 15

3.2 Ориентировочный расчет надежности 18

3.3 Расчет показателей ремонтопригодности и сравнение их с заданными 23

4 Уточненный расчет надежности узла схемы 27

4.1 Уточненный расчет надежности по внезапным отказам 27

4.2 Уточненный расчет надежности по деградационным отказам 30

5 Расчет поля допуска на определяющий параметр ФУ 35

6 Расчет параметрической надежности ФУ 38

7 Анализ надежности ФУ  41

Выводы 45

Перечень ссылок 46

Приложение А 47

Приложение Б 48

 

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

 

РЭУ – радиоэлектронное устройство;

ТО – техническое обслуживание;

ФУ – функциональный узел;

ЭРЭ – электрорадиоэлементы.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В данной курсовой работе проводиться  анализ надежности и работоспособности  радиоэлектронного устройства (РЭУ) – датчика дыма. Одной из основных задач проектирования является обеспечение требуемого уровня надежности электронной аппаратуры, т. к. низкая надежность является одной из причин преждевременного снятия объектов с эксплуатации, влечение за собой катастрофических последствий, увеличения затрат на гарантийное обслуживание, снижению эффективности применения ответственной техники.

Надежность – это свойство устройства выполнять требуемые  функции в требуемых условиях эксплуатации в течение заданного  интервала времени.

Надежность техники должна охватывать все стадии жизненного цикла изделия, поэтому в данной работе проводится комплексный анализ надежности и безотказность работы устройства. Проводится ориентировочный расчет надежности всего устройства. Также для одного функционального узла, проводится уточненный расчет надежности.

Результатом работы является получение данных об уровне надежности устройства, возможность, выявить некоторые недостатки и предположить пути повышения надежности.

 

1 АНАЛИЗ ОБЪЕКТА И УСЛОВИЕ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ

1.1 Назначение, состав и структура объекта

 

В данном курсовом проекте  объектом исследования выступает устройство обнаружения дыма (см. прил. А). Это  устройство может работать как противопожарная  сигнализация, издающая громкий звуковой сигнал в случае задымления. Принцип  работы основан на ухудшении прозрачности воздуха при появлении в нем  дыма. Собственно датчик состоит изооптической  пары из сверхяркого светодиода красного цвета сечения и фоторезистора. Они расположены в одной плоскости , так , что между ними расстояние около 3-4см.

Чувствительность датчика  предварительно настраивают так, что  даже при малом ухудшении прозрачности воздуха между ними срабатывает  компаратор, который включает сирену.

Структурная схема устройства обнаружения дыма представлена на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 – Функциональная схема датчика дыма

 

ФУ 1 основан на электролитических  конденсаторах и стабилизаторе  напряжения А1.

ФУ 2 – датчик дыма. Основой  служат оптическая пара из светодиода HL1 и фототранзистора HT1. Ток на светодиод поступает через резисторы R1 и R2. Резистор R2 – подстрочный, с его помощью можно регулировать яркость свечения HL1. Сопротивление эмиттер-коллектор фототранзистора HT1 вместе с резистором R3 образует делитель напряжения. Конденсатор С1 служит для подавления помех.

ФУ3 – схема компаратора  собрана на сдвоенном усилителе  А2. ОУ А2.1 служит непосредственно для управления сиреной F1 ,а ОУ 2.2 является вспомогательным, с его помощью можно легко настроить датчик без применения измерительных приборов. Компаратор питается стабилизированным напряжением от А1. Опорное напряжение подается на инверсные входы ОУ от делителя R4-VD1-R5. Диод VD1, как и любой другой диод, обладает некоторым прямым напряжением падения, которое стабильно в довольно широком диапазоне. Здесь этот диод создает небольшую разницу в величине опорного напряжения, поданное на инверсные входы ОУ. На А2.1 опорное напряжение немного больше чем на А1.

ФУ 4 – транзисторный ключ VT1 включенный к выходу А2.2, с индикаторным светодиодом в коллекторной цепи. Настройка заключается в подстройке R2 таким образом, чтобы загорелся HL2, но не включилась сирена. Физически, HL2 должен быть расположен так, чтобы от него свет не попадал на НТ1.

ФУ 5 – транзисторный ключ VT2-VT3 подключенный к выходу А2.1, с сиреной на выходе F1. Резисторы R11 и R12 нужны для лучшего закрывания транзисторов VT2-VT3. В случае неполного закрывания, их величины нужно уменьшить.

Теперь, если возникает задымление, и оптическая пара HL1 - HT1 оказывается в этом дыму, прозрачность воздуха между HL1 и HT1 снижается. Сила света, поступающая на НТ1 уменьшается и фототранзистор начинает прикрываться сопротивление его эмиттер –коллектор увеличивается, и соответственно, увеличивается напряжение на его коллекторе. Как только это напряжение становиться равным и выше напряжения на инверсном входе А2.1 на выходе А2.1 возникает напряжение, достаточного для открывания транзисторов VT3 и VT2. Включается сирена F1.

 

 

 

1.2 Климатические и механические  воздействия 

 

Данное устройство относится  к бытовой радиоэлектронной аппаратуре и предположительно должна работать в жилых помещениях, относится  к категории изделия КР - 4.2. Исполнение аппаратуры – общеклиматическое  для суши. Воздействие внешней  температуры для полной работоспособности  устройства не должно превышать +450С и быть не ниже +100С. Предельными температурами являются, верхнее +450С, нижние +10С. Воздействие относительно влажности при температуре 350С должно составлять не более 98%.

 

2 РАЗРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ  К НАДЕЖНОСТИ ОБЪЕКТА

2.1 Выбор номенклатуры  и задаваемые значения показателей  надежности

 

Данное изделие является восстанавливаемым, стареющим и изнашиваемым, ремонтируемым обезличенным способом, неконтролируемым перед применением.

Требования по надежности - совокупность количественных и (или) качественных требований к безотказности, долговечности, ремонтопригодности, сохраняемости, выполнение которых обеспечивает эксплуатацию изделий с заданными показателями эффективности, безопасности, экологичности, живучести и других составляющих качества, зависящими от надежности изделия, или возможность применения данного  изделия в качестве составной  части другого изделия с заданным уровнем надежности.

Переход в предельное состояние  заданного объекта при применении по назначению может привести к катастрофическим последствиям. Весомым процессом, определяющим переход в предельное состояние  является изнашивание элементов.

Зададимся значениями типовых  показателей надежности:

- вероятность безотказной  работы Р(tб.р) = 0,98;

- время непрерывного сеанса  безотказной работы  tб.р.=4000 час;

- коэффициент готовности  Кг=0,99 ;

- коэффициент технического использования КТИ=0,98;

  - коэффициент оперативной готовности Ког=0,99;

- среднее время восстановления Тв – 3 часа.

 

2.2 Возможные критерии  отказов и предельных состояний 

 

Критериями отказов для  ФУ1 являются:

- прекращение работы устройства  – отсутствие питания устройства  и отсутствие стабилизации напряжения;

Критериями отказов для  ФУ2 являются:

- прекращение выполнения  изделием заданных функций –  ухудшение чувствительности датчика  или ложное срабатывание датчика;

Критериями отказов ФУ3 являются :

- прекращение выполнения  изделием заданных функций –  отказ работы компаратора, делителя  R4,R5;

- снижение качества функционирования устройства - пробой диода VD1 после чего отсутствует разница опорных напряжений на А1.1 и А1.2;

Критериями отказов ФУ4 являются:

- прекращение выполнения  изделием заданных функций –  прекращение работы транзисторного  ключа, а значит отсутствие  настройки устройства;

Критерии отказов ФУ5 являются:

- прекращение выполнения  изделием заданных функций –  неисправность звуковой сирены, а так же выход из строя  транзисторного ключа VT2-VT3;

- неправильное функционирование  устройства – выход из строя  резисторов R11, R12.

 

3 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТРЕБОВАНИЙ  К НАДЕЖНОСТИ ПО

 ФУНКЦИОНАЛЬНЫМ УЗЛАМ

3.1 Расчет показателей  безотказности

 

Предполагается простейший поток отказов электрорадиоэлементов (ЭРЭ) и функциональных узлов изделия. Все элементы в устройстве равнозначные,т.е. величины интенсивностей отказов λi одинаковы. Все элементы в смысле надежности находятся в основном (последовательном) соединение. Процессы деградации не учитываются, а отказы отдельных элементов являются событиями независимыми.

Были определены средние  интенсивности отказов отдельных  типов элементов λ0j (см.табл.3.1).

 

Таблица 3.1 – Средняя интенсивность  отказов отдельных типов элементов

Элемент

элем
., ч

Пленочный резистор

0,0037

Переменный резистор

0,0024

Конденсатор (керамический, общего применения)

0,0017

Конденсатор алюминиевый

0,0013

Транзистор

0,045

Фотоприемник

0,011

Микросхема

0,0017

Громкоговоритель

0,049

Диод

0,0036

Контактная пайка

0,0013

Проводящая дорожка

0,0024


 

Произведем расчет средних  интенсивностей отказов по типам  элементов каждого ФУ и посчитаем  суммарную интенсивность отказов  всех ФУ.

Средняя интенсивность отказов  узла:

 

(3.1)

 

где λ0i – интенсивность отказов элементов i-го типа для усредненных условий эксплуатации;

N0i – количество элементов i-го типа в ФУ.

Суммарная интенсивность  отказов всех ФУ:

 

(3.2)

 

Полученные при расчете  данные занесем в табл. 3.2.

 

Таблица 3.2 – Средняя интенсивность  отказов каждого ФУ

№ ФУ

1

2

3

4

5

., ч

0,0182

0,0498

0,0451

0,1171

0,1936

0,4238


 

Для каждого функционального  узла рассчитываем коэффициент пропорциональности К, характеризующий относительный  вес каждого ФУ по уровню интенсивности  отказов, т.е. вклад каждого узла в ненадежность всего устройства:

 

(3.3)

 

При расчетах должно выполняться  условие:

 

(3.4)

Результаты расчета занесены в табл. 3.3.

Таблица 3.3 – Коэффициенты влияния каждого ФУ

№ ФУ

1

2

3

4

5

 

0,042945

0,117508

0,106418

0,27631

0,456819


 

Заданная интенсивность  отказов для всего устройства находится как:

 

. (3.5)

 

Она составляет λз=5,05067710-6 1/час.

Значение λз распределяем по функциональным узлам с учетом их весовых коэффициентов :

 

(3.6)

 

Полученные данные представлены в табл. 3.4.

Рассчитываем необходимые  вероятности безотказной работы для каждого i-го ФУ. Результаты заносим в табл. 3.4.

 

(3.7)

 

Таблица 3.4 – Результаты расчетов

№ ФУ

1

2

3

4

5

, ч

0,2169002

0,5934962

0,5374835

1,39555

2,307246

 

0,999132

0,997626

0,99785

0,994418

0,990771


 

 

 

 

3.2 Ориентировочный расчет надежности

 

Согласно данным ДСТУ составляется таблица 3.5 в которой определяются базовые интенсивности отказов отдельных типов элементов λ0j

Таблица 3.5 – Интенсивность  отказов 

 

Элемент

Данные по элементам

Суммарная интенсивность  отказов

Nj·λ0j·106, 1/ч

Тип и номинал

Количество,

Nj

Иинтенсивность отказов,

λ0j·106, 1/ч

Функциональный узел №1

Линейный стабилизатор напряжения

78L08

1

0,020

0,020

Электролитический алюминиевый  конденсатор С2, С3

К50-6 – 20 мкФ*22 В,

1000 мкФ*22 В

2

0,00012

0,00024

Печатные проводники

  

2

0,0024

0,0048

Контактные пайки

  

7

0,0013

0,0091

Функциональный узел №2

Постоянные металлодиелектрические резисторы

R1,

R3

 

C2-23-0,125

 

2,2 кОм,

300 кОм,

2

0,0037

0,0074

Керамический конденсатор общего применения

С1

К73-17

0,1 мкФ

1

0,0017

0,0017

Проволочный подстроечный резистор R2

C2-23

10 кОм

1

0,0024

0,0024

Светодиод

HL1

RL81-UR2GH739F

1

0,0038

0,0038

Фототранзистор

НТ1

L-53PBT

1

0,0055

0,0055

Печатные проводники

  

5

0,0024

0,012

Контактные пайки

  

9

0,0013

0,0117

  

4

0,0024

0,0096

Функциональный узел №3

Постоянные металлодиелектрические резисторы

R4,

R5

 

C2-23

 

10 кОм,

10 кОм

2

0,0037

0,0074

Операционный усилитель

 

A1.1 A1.2

LM358

1

0,020

0,020

Диод

VD1

1N4148

1

0,0038

0,0038

Печатные проводники

  

7

0,0024

0,0168

Контактные пайки

  

12

0,0013

0,0156

Функциональный узел №4

Постоянные металлодиелектрические резисторы

R6

R7

R12

 

C2-2

 

10 кОм,

430 Ом

3,3 кОм

3

0,0037

 

 

0,0111

Светодиод

HL2

АЛ307

1

0,0038

0,0038

Транзистор кремниевый VТ1

КТ3102

1

0,00074

0,00074

Печатные проводники

  

5

0,0024

0,012

Контактные пайки

  

10

0,0013

0,013

Функциональный узел №5

Постоянные металлодиелектрические резисторы

R8

R9

R10

R11

 

C2-23

10 кОм

10 кОм

2,2 кОм

300 Ом

4

0,0037

0,0148

Транзистор кремниевый средней  мощности

VТ2

КТ816

1

0,00074

0,00074

Транзистор кремниевый VТ3

КТ3102

1

0,00074

0,00074

Громкоговоритель F1

ES-308

1

0,029

0,029

Печатные проводники

  

9

0,0024

0,0216

Контактные пайки

  

14

0,0013

0,0182


 

По (3.1) и (3.2) соответственно найдем среднюю интенсивность отказов  каждого узла и суммарную интенсивность  отказов всех ФУ (0,3664210-6).

Находим требуемые вероятности  безотказной работы для каждого  i-го ФУ:

 

(3.8)

 

Все полученные результаты заносим в табл. 3.6.

 

Таблица 3.6 – Результаты расчетов

№ ФУ

1

2

3

4

5

, ч

0,03414

0,0445

0,0636

0,07484

0,14934

 

0,999863

0,999822

0,999746

0,999701

0,999403


 

Далее сравниваем рассчитанные и заданные показатели безотказности. Результаты расчетов заданных и найденных  интенсивностей отказов (λзi, λрi) и вероятностей безотказной работы (Рзi, Ррi) представлены в таблице 3.7.

Таблица 3.7 – Сравнение результатов

№ФУ

., ч

., ч

   

1

0,2169002

  

0,999132

  

2

0,5934962

  

0,997626

  

3

0,5374835

  

0,99785

  

4

1,39555

  

0,994418

  

5

2,307246

  

0,990771

  

 

Согласно табл. 3.7 требования по надежности обеспечиваются во всех ФУ, так расчеты каждого узла удовлетворяют условиям :

 

(3.9)

 

(3.10)

 

График зависимости вероятности  безотказной работы всего устройства от времени представлен на рис. 3.1.

 

а) рассчитанная вероятность

б) заданная вероятность

Рисунок 3.1 – График сравнения рассчитанной вероятности безотказной

работы с заданной

 

3.3 Расчет показателей ремонтопригодности и сравнение их с заданными

 

Находим среднее время восстановления ФУ:

 

(3.11)

 

где Твi - среднее время восстановления i-го ФУ;

1/ч - суммарная  интенсивность отказов. 

Среднее время восстановления i-го ФУ:

 

(3.12)

 

 – среднее время  обнаружения отказа в i – ом ФУ;

– среднее время устранения отказа в i – ом ФУ.

 

Таблица 3.8 – Исходные данные для расчета Тв

№ ФУ

1

2

3

4

5

То.о., ч

0,20

0,35

0,2

0,35

0,25

Ту.о, ч

0,35

0,4

0,4

0,3

0,5


 

Следуя из (3.12) получаем среднее время восстановления отказов и заносим в табл.3.9.

 

Таблица 3.9 – Время восстановления

№ ФУ

1

2

3

4

5

Тві,ч

0,55

1,15

1

1,05

1,15


 

Исходя из (3.11) время восстановления меньше заданного времени восстановления и равно 1,0476 ч, т.е. выполняется условие:

 

(3.13)

 

3.4 Расчет комплексных показателей надежности

 

Коэффициент готовности (КГ):

 

(3.14)

 

где средняя наработка до отказа.

В расчетах необходимо, чтобы выполнялось неравенство:

 

(3.15)

 

На рис. (3.2) показана зависимость коэффициента готовности от текущего времени, из которого видно, что условие (3.15) выполняется.

 

 

Рисунок 3.2 – Зависимость

 

Далее расчитываем коэффициент оперативной готовности:

 

(3.16) 

Необходимо, чтобы выполнялось  неравенство:

 

(3.17)

 

КОГ зависит только от текущего времени, так как tбр = const (см. рис. 3.3).

 

Рисунок 3.3 – Зависимость 

 

Исходя из рис. 3.3 условие (3.17) выполняется.

Коэффициент технического использования  КТИ определяется как:

 

(3.18)

 

где tном – номинальный фонд времени, на протяжении которого объект может использоваться по назначению, tном=17520 ч (2 года);

tд – действительный фонд времени.

Действительный фонд времени:

 

(3.19)

 

где - среднее время простоя связанного техническим обслуживанием (ТО), но в данном устройстве не предусмотрено ТО, то данная величина принимается равной 0;

- среднее время  простоя связанного с ремонтом.

Среднее время простоя  связанного с ремонтом:

 

(3.20)

 

где - среднее число восстановлений.

 

(3.21)

 

Исходя из (3.21) tд с учетом этого равняется 17519,9 ч.

Необходимо, чтобы выполнялось  неравенство:

 

(3.22)

 

На рис. 3.4 показана зависимость коэффициента технического использования от текущего времени, исходя из которого видно, что условие (3.22) выполняется.

 

 

Рисунок 3.4 Зависимость коэффициента технического использования от текущего времени 

4 УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ  УЗЛА СХЕМЫ

4.1 Уточненный расчет надежности по внезапным отказам

Расчеты проводятся для более  точной оценки показателей надежности за счет использования более вероятностной  модели возникновения отказов и  более полного учета факторов влияющих на безотказность работы узла схемы.

Проведен анализ элементной базы ФУ №5 ( см. прил. А). Данный узел содержит в себе элементы с постоянной интенсивностью отказа(λ=const): резисторы R8,R9, R10, R11 и элементы с непостоянной (неопределенной) интенсивностью отказа (λ≠const): транзисторы VT2, VT3, громкоговоритель F1.

Напряжения на элементах  были рассчитаны с использованием программы  Electronics Workbench (см. рис. 4.1).

а)       б)

а – напряжения на элементах  в открытом состоянии транзисторов;

б - напряжения на элементах  в закрытом состоянии транзисторов;

Рисунок 4.1 – Расчет напряжений с использованием программы Electronics Workbench

 

Значения напряжений и  рассчитанная мощность элементов заданного  функционального узла представлена в таблице 4.1.

 

Таблица 4.1 – Значения номинальных  и рабочих напряжений и мощностей  элементов ФУ

Элемент

R8

R9

R10

R11

VT2

VT3

F1

Pном, Вт

0,125

0,125

0,125

0,125

1

0,25

20

Pраб, Вт

0,005

0,0001

0,012

0,00024

–

-

17,7

Uном, В

250

250

250

 250

25

30

  14,7

Uраб, В

7

1

10,8

0,8

12

11,9

10,5

Исследование надежности устройства(датчик дыма) 📙 Курсовая → 🆔 96146

Исследование надежности устройства(датчик дыма) 📙 Курсовая → 🆔 96146

Исследование надежности устройства(датчик дыма)