2.5 Розрахунок надійності та теплового режиму

Радіоелектронний апарат в теплофізичних відношеннях являє собою складну систему з великою кількістю джерел тепла. Через практичну неможливість не тільки рішення, але і складання повної системи рівнянь теплообміну доводиться процеси, що відбуваються в радіоелектронній апаратурі, схематизувати, приймаючи ряд спрощувань. У результаті отримують теплову модель апарату, для якої і проводять розрахунок теплового режиму [8].

Визначальними параметрами для розрахунку теплового режиму ПУ в герметичному корпусі є питомі потужності розсіювання блоку пристрою в цілому і нагрітої зони і відповідно:

(2.6)

, (2.7)

де - потужність, яка розсіюється апаратом(= 0,01 Вт), - площа поверхні корпусу, - умовна поверхня нагрітої зони.

, (2.8)

, (2.9)

де - площа підставки апарату; - площа бічної поверхні; - коефіцієнт заповнення обсягу.

= (0.09*2+0.044)=0,17,

=(0.09*2+0.044*0,38)=0,127.

Підставляючи знайдені значення в (2.6) та (2.7) знаходимо:

,

.

Визначаємо температуру у пристрої:

, (2.8)

температуру корпусу пристрою:

. (2.9)

Отримані оцінки (2.8), (2.9) порівнюємо із італонними. Жоден з елементів перегріватися не буде.

У залежності від стадії розробки виробу та повноти обліку факторів, що впливають на показники надійності, розрізняють орієнтовну, повну і остаточну оцінки надійності[9].

Існують наступні методи попередження відмов:

- забезпечення механічної міцності:

1) при компонуванні слід прагнути розмістити важкі елементи у нижній частині пристрою;

2) взаємне розміщення різних за масою елементів має бути таким, щоб центр ваги пристрою був би ближче до вертикальної осі симетрії, а якщо такої немає, то до вертикальної площини симетрії;

3) чутливі до ударів і вібрацій елементи необхідно орієнтувати уздовж передбачуваних напрямів дії механічних навантажень;

4) мінімальні зазори між окремими елементами і конструктивно-функціональними вузлами в напрямку ударних і вібраційних навантажень повинні обиратися з урахуванням можливих деформацій та переміщень;

5) при необхідності забезпечення локальної віброізоляції застосовуються амортизатори.

- забезпечення нормального теплового режиму (початковий етап):

1) проводиться первісна оцінка теплового режиму розроблюваного пристрою, для чого обчислюється сумарна розсіюча потужність від усіх елементів конструкції і знаходиться питома щільність теплового потоку, що виходить від поверхні тривало працюючого обладнання;

2) обирається тип кожуха (герметичного, перфорованого, з фланцями витяжної системи примусового охолодження чи іншими рішеннями), уточнюються розміри корпусу;

3) обирається оптимальний або раціональний тип системи охолодження при найгіршому варіанті впливу навколишнього температури.

- забезпечення нормального теплового режиму (оптимізаційні дії):

1) всі компоненти з малим рівнем теплового навантаження слід розташовувати рівномірно по всій площі;

2) теплочутливі елементи слід розташовувати нижче теплонавантаженого, щоб вони не потрапляли в вихідні теплові потоки від нагрітих тіл, і додатково не нагрівалися;

3) всі теплонавантажені елементи доцільно розташовувати разом і застосовувати для них окремі групові заходи охолодження (теплові труби, радіатори, вентилятори, електротермоохладителі);

4) для досягнення найкращого кондуктивного теплопроцесу нагріті деталі слід монтуваті на масивних теплопровідніх елементах конструкції, для забезпечення ефективної конвекції конструктивно-функціональні вузли слід орієнтувати вертикально, витримуючи необхідні зазори між вузлами і корпусними елементами;

5) для захисту термочутливих елементів від потоків тепла слід застосовувати захисні теплові екрани з полірованих матеріалів;

6) при використанні примусового повітряного охолодження слід приділити увагу заходам зі зниження аеродинамічного опору конструкції повітроводів і раціонального вибору вентилятора.

При розробці технічного завдання, коли ще не зовсім ясні конструктивні форми втілюваного виробу, можна обгрунтовано призначити норми надійності на виріб на основі досягнутих показників надійності в прототипах. Як прототип обирається обєкт, аналогічний за призначенням і принципом дії. Норми його надійності обираються за вихідні і уточнюються для системи, що розробляється з урахуванням пропонованих до неї вимог, умов експлуатації, профілактичного обслуговування і ремонтів (якщо такі допускаються), кваліфікації обслуговуючого персоналу, рівнів технічного оснащенння і технології підприємства-виробника.

Якщо прототипу не існує, то норми його надійності просто призначають, грунтуючись на накопиченому досвіді, а потім на основі спрощених розрахунків перевіряють їх правомірність і реалізованість.

Вихідними даними для розрахунку є:

- необхідна ймовірність безвідмовної роботи Р (t);

- середній час роботи;

- допустима інтенсивність відмов;

- кількість компонентів для розрахунку N.

Оцінимо середній час безвідмовної роботи та ймовірність безвідмовної роботи протягом терміну напрацювання. Проведемо розбивку компонентів на групи. Результати приведені в табл. 2.2.

Таблиця 2.2 - Інтенсивності відмов компонентів ПУ

При відомих значеннях інтенсивності відмов груп елементів, ймовірність безвідмовної роботи визначається за формулою:

, (2.12)

де - інтенсивність відмов i-го вузла яка дорівню:

. (2.13)

При орієнтовних оцінках надійності особливості експлуатації враховуються за допомогою поправочних коефіцієнтів наступним чином:

, (2.12)

де - інтенсивність відмов елементів при лабораторних умовах роботи.

Поправочний коефіцієнт знаходиться так:

. (2.13)

Його значення завжди більше одиниці. Фізично він характеризує той факт, що при експлуатації апаратури в реальних умовах (що визначаються її призначенням) відмов у ній може бути в десятки і сотні разів більше, ніж при її роботі в лабораторних умовах. Коефіцієнт враховує вплив на апаратуру механічних факторів (вібрації, ударних навантажень), - кліматичних (температура, вологість), - умови при зниженому атмосферному тиску.

За формулою (2.19) визначаємо інтенсивності відмов для груп компонентів:

,

,

,

,

,

.

Визначимо інтенсивність відмов пристрою управління:

Визначимо середній час безвідмовної роботи:

Згідно технічних вимог ПУ автоматізованої системи тестування має напрацювання на відмову не менш 10000ч.

Визначимо вірогідність безвідмовної роботи пристрою:

. (2.14)

Імовірність безвідмовної роботи Р (t) і середній час безвідмовної роботи відповідно рівні:

 , (2.15)

. (2.16)

Значення поправочних коефіцієнтів для різних електро-радіо-елементів наведені в табл 2.3.

Таблиця 2.3 - Поправочні коефіцієнти

Дані формули враховують реальні умови експлуатації апаратури.

Проведемо оцінку коефіцієнтом навантаження компонентів.

Резистори. Гранична потужність застосовуваних резисторів Вт. Абсолютний межа коефіцієнта навантаження складає [10]:

Конденсатори планарні керамічні. Робоча напруга =100В. Коефіцієнт навантаження конденсаторів [11]:

Конденсатор електролітичний. Максимальна напруга застосовуваного конденсатора =16В. Коефіцієнт навантаження складає:

Діоди. Максимально допустимий постійний прямий струм застосовуваних діодів становить =50мА. Діоди використовуються як випрямлення. Максимальний споживаний струм =1.5мА. Коефіцієнт навантаження діодів дорівнює:

При конструюванні ПУ автоматізованої системи тестування для кожної конкретної групи слід враховувати класифікаційні ознаки і специфічні вимоги, обумовлені в технічному завданні на розробку ПУ.

Система автоматизованоого управління могуть містити ланки, в яких залежність між вхідною u(t) і вихідною y(t) величинами має вигляд

y(t)=u(t-),

де - постійна величина, яка називається часом запізнення.

Такі ланки називають ланками запізнення, так як вони відтворюють зміни вхідної величини без відхилень, але з деяким постійним запізненням .

Передаточна функція ланки запізнення

Системи автоматизованого управління, які містять хоча б одну ланку запізнення, називаються системами з запізненнями. Структурна схема розроблюваної конструкції містить дві ланки запізнення.

Розглядаючи елементи конструкції як систему управління, можна виділити наступні ланки: Wпок(S) - передавальна функція ланки запізнення, яка відповідає за час запізнення на самих показчиках, Wобр(S) - передавальна функція ланки запізнення, яка відповідає за час, який витрачається на обробку інформації процесором. Кожна з ланок вносить у загальну передавальну функцію системи запізнення відповідно до поставлених задач.

Отримані данні :

- ланка запізнення показчиків та індикаторів - =0,04 с.;

- ланка запізнення обробки інформації процесором - =0,06 с.;

Тобто загальне запізнення роботи системи дорівнює: =0,1 с.