Исследование надежности устройства(датчик дыма)

 

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

Средняя интенсивность отказов  узла:

 

(3.1)

 

где λ_0i – интенсивность отказов элементов i-го типа для усредненных условий эксплуатации;

N_0i – 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 λ_з=5,05067710^-6 1/час.

Значение λ_з 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 λ_0j

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 (λ_зi, λ_рi) и вероятностей безотказной работы (Р_зi, Р_рi) 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 Т_вi - 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 Т_в

№ 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 (К_Г):

 

(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)

 

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

 

Рисунок 3.3 – Зависимость 

 

Исходя из рис. 3.3 условие (3.17) выполняется.

Коэффициент технического использования  К_ТИ определяется как:

 

(3.18)

 

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

t_д – 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) t_д 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