Курсовая работа по теории Надежности систем.. Курсовая работа расчет надежности функциональных элементов систем управления
![]()
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева»
КУРСОВАЯ РАБОТА
Красноярск 2020 АННОТАЦИЯ к курсовой работе «Расчет надежности функциональных элементов систем управления.» Ивлев Дмитрий Андреевич Ключевые слова: резервирование, основной элемент, резервный элемент, электрическая нагрузка, интенсивность отказа. Целью работы является расчёт надежности функциональных элементов систем управления. Актуальность темы заключается в повешении надёжности работы элементов систем управления путем прогнозирования эксплуатационной интенсивности отказов элементов и повышения их надёжности. В курсовой работе подробно рассмотрены расчеты электрических нагрузок элементов, спрогнозирована надежность системы путем расчета интенсивности отказов каждого элемента, с помощью методов резервирования и заменой элементов на более надежные, была увеличена надежность системы в целом и описаны основные достоинства и недостатки применения данных методов с практической точки зрения. Курсовая работа содержит: 32 страниц, 8 рисунков, 10 таблицы. Содержание Введение: Надежностью называют свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки. Расширение условий эксплуатации, повышение ответственности выполняемых техническими системами (ТС) функций, их усложнение приводит к повышению требований к надежности изделий. Надежность является сложным свойством, и формируется такими составляющими, как безотказность, долговечность, восстанавливаемость и сохраняемость. Основным здесь является свойство безотказности - способность изделия непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение времени. Потому наиболее важным в обеспечении надежности технических систем является повышение их безотказности. Особенностью проблемы надежности является ее связь со всеми этапами “жизненного цикла” технической системы от зарождения идеи создания до списания: при расчете и проектировании изделия его надежность закладывается в проект, при изготовлении надежность обеспечивается, при эксплуатации - реализуется. Поэтому проблема надежности - комплексная проблема и решать ее необходимо на всех этапах и разными средствами. На этапе проектирования изделия определяется его структура, производится выбор или разработка элементной базы, поэтому здесь имеются наибольшие возможности обеспечения требуемого уровня надежности технической системы. Основным методом решения этой задачи являются расчеты надежности (в первую очередь - безотказности), в зависимости от структуры объекта и характеристик его составляющих частей, с последующей необходимой коррекцией проекта. Поэтому в данной курсовой работе рассчитывается надежность технической системы. Задание на выполнение курсовой работы. ![]() Рис. 1. Импульсный стабилизатор напряжения. Дано: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Определение коэффициента электрической нагрузки ![]() ![]() Где ![]() ![]() В качестве F выбирают такую электрическую характеристику элемента, которая в наибольшей степени влияет на его безотказность (таблица 1.) Таблица 1 - Электрические характеристики, используемы для определения коэффициента электрической нагрузки
С помощь программы Micro – Cap рассчитаем электрическую нагрузку элементов в рабочем режиме. ![]() Рисунок 2 – схема с действующими параметрами элементов. Значения электрических нагрузок элементов в рабочем режиме, приведены в таблице 2. Таблица 2 – значения фактической нагрузки элементов
1.1 Расчёт коэффициента электрической нагрузки резистора. Для резисторов типа МЛТ номинальной мощностью рассеивания равна, ![]() Подставим значения в формулу (1.1), получим: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 1.2 Коэффициент электрической нагрузки диода. Для диода типа (КД213А) средний прямой ток равен 1А: ![]() ![]() 1.3 Коэффициент электрической нагрузки стабилитрона. Для стабилитрона типа (КC139А) номинальная мощность рассеивания: ![]() ![]() ![]() 1.4 Коэффициент электрической нагрузки дросселя. Индуктивность дросселя при токе подмагничивания 1А = около 1мГН. ![]() ![]() 1.5 Коэффициент электрической нагрузки транзистора. Для транзистора типа (КТ208А) рассеиваемая мощность ![]() ![]() ![]() ![]() Для транзистора типа (КТ644Г) рассеиваемая мощность при температуре окружающей среды +25, равна ![]() ![]() ![]() ![]() Транзистор типа (КТ908Б) рассеиваемая мощность ![]() ![]() ![]() ![]() Транзистор типа (КТ315) рассеиваемая мощность ![]() ![]() ![]() 2. Прогнозирование надежности систем изделий. 2.1 Определение интенсивности ![]() 2.2.1 Интенсивность отказа диода. ![]() ![]() Значение коэффициента ![]() ![]() ![]() Где А, ![]() ![]() ![]() Таблица 3 – константы модели полупроводниковых приборов. ![]() ![]() ![]() ![]() Таблица 4 – значение коэффициента ![]() ![]() ![]() Таблица 5 – значение коэффициента ![]() ![]() ![]() Таблица 6 – значение коэффициента ![]() ![]() Подставляем значения в формулу (2.4), рассчитаем коэффициент ![]() ![]() Подставляем значения в формулу (2.3), получаем: ![]() ![]() ![]() 2.2.2 Интенсивность отказа стабилитрона. ![]() ![]() Значение коэффициента ![]() ![]() Подставим значения в формулу (2.5), получим: ![]() ![]() ![]() 2.2.3 Интенсивность отказов транзисторов. ![]() ![]() Значение коэффициента ![]() ![]() Подставим значения в формулу (2.6) получим: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 2.2.4 Интенсивность отказов резистора. ![]() ![]() Значение коэффициента ![]() ![]() ![]() ![]() Где А,B, ![]() ![]() ![]() Таблица 7 – константы модели. ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Таблица 8 – значение коэффициента ![]() ![]() ![]() Таблица 9 – значение коэффициента ![]() ![]() ![]() Таблица 10 – значение коэффициента ![]() ![]() Подставляя значения в формулу (2.8) , найдём значение коэффициента ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Подставляя значения в формулу 2.7 получим: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 2.2.5 Интенсивность отказа дросселя ![]() ![]() Значение коэффициента ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Подставляя значения в формулу (2.7) получим: ![]() ![]() ![]() 2.2 Оценка характеристик надёжности невосстанавливаемых изделий при основном соединении элементов. Общая интенсивность отказов элементов будет равна: ![]() ![]() ![]() Отсюда получим вероятность безотказной работы в течении 10000 часов. ![]() ![]() Наработка до отказа для изделия в цело будет равна: ![]() ![]() 2.3 Расчет основных показателей для выбора номенклатуры. В большинстве случаев общие требования к надежности формулируют в виде записи «требования к показателям надежности по ГОСТ 27.003». Задача расчета сводится к выбору номенклатуры задаваемых показателей, их согласованию и их дальнейшему расчету. Обязательным является расчет четырех основных показателя: Эксплуатационную интенсивность отказов устройства в целом: ![]() ![]() ![]() Где ![]() Наработка на отказ: T = ![]() Вероятность безотказной работы за заданное время t = 10000 час, равна: P (t) = ![]() Гамма-процентная наработка до отказа: Где, ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Учитывая полученные показатели надежности предложим способы повышения надежности и увеличения гамма-процентного ресурса в 1,5 раза. 3. Надежность невосстанавливаемых резервированных изделий. Расчёт количественных характеристик надежности объектов с резервированием определяется видом резервирования. Все рассматриваемые математические зависимости приводятся без учёта надежности переключающих устройств, обеспечивающих перераспределение нагрузки между основными и резервными элементами. Отказ системы произойдет в случае отказа любого элемента схемы, поэтому на схеме замещения по надежности все эти элементы будут соединены последовательно. Поэтому, схема замещения по надежности будет выглядеть следующим образом: ![]() Рисунок 3 – схема замещения по надёжности элементов. 3.1 Общее резервирование с постоянно включенным резервом и целой кратностью. Кратность резервирования m, необходимую для достижения заданной надежности резервированного объекта в определенный момент времени при заданной надежности основного объекта можно найти из выражения: m = ![]() где ![]() ![]() Подставив значения в формулy (3.1), получим: m = ![]() Поскольку количество элементов должно быть целым, округляем в большую сторону и получаем, что для достижения необходимой безотказности работы требуется резервировать основной элемент 4 резервными. Структурная схема надежности общего резервирования с постоянно включенным резервом и целой кратностью имеет вид, как на рисунке 3. ![]() Рисунок 4 – схема замещения по надёжности элементов с постоянным резервированием. Вероятность безотказной работы определяется на основании выражения: P(t) = 1 – ![]() Где ![]() ![]() Наработка до отказа резервированного объекта: ![]() ![]() Интенсивность отказов резервированного объекта: ![]() ![]() Поле подстановки значений в формулу (3.2) получаем: P(t) = 0.996 Поле подстановки значений в формулу (3.3) получаем: ![]() Поле подстановки значений в формулу (3.4) получаем: ![]() ![]() Рассчитаем гамму-процентную наработку до отказа для данного резервирования по формуле (3.4): ![]() ![]() Общее горячее резервирование для невосстанавливаемых объектов дает хороший эффект при малых значениях произведения ![]() 3.2 Раздельное резервирование с постоянно включенным резервом. При раздельном резервировании основной и каждый резервирующий объект могут иметь одинаковое и разное количество элементов. Резервирующие объекты включены параллельно самим себе и параллельно элементам основного объекта. Структурная схема надежности раздельного резервирования с постоянно включенным резервом и целой кратностью имеет вид, как на рисунке 4. ![]() Рисунок 5 - Раздельное резервирование с постоянно включенным резервом и с целой кратностью. Вероятность безотказной работы определяется на основании выражения: P(t) = ![]() Наработка до отказа резервированного объекта: ![]() ![]() ![]() Интенсивность отказов резервированного объекта: ![]() ![]() Вероятность безотказной работы определим по формуле (3.5) ![]() Общая наработка на отказ резервированного объекта будет равна: ![]() ![]() После подстановки значений в формулу (3.3) получаем: ![]() ![]() Рассчитаем гамму-процентную наработку до отказа для данного резервирования по формуле (3.4): ![]() ![]() ![]() ![]() При прочих равных условиях раздельное резервирование дает существенное повышение надежности по сравнению с общим резервированием. Раздельное резервирование используется для повышения надежности объектов с большим числом элементов и длительным временем использования. 3.3 Общее резервирование с замещением с целой кратностью. В случае общего холодного резервирования работает основной объект, резервные объекты отключены с помощью специальных переключающих устройств. Структурная схема надежности имеет вид: ![]() Рисунок 6 – схема замещения по надёжности элементов общем резервированием с целой кратностью. При отказе основного объекта он отключается, а вместо него подключается один из резервных объектов. Таким образом, резервированный объект откажет при отказе основного и всех резервных объектов. При этом предполагается, что переключающие устройства абсолютно надежны. Вероятность безотказной работы определяется на основании выражения: P(t) = ![]() ![]() ![]() Где ![]() ![]() Наработка до отказа резервированного объекта: ![]() ![]() Интенсивность отказов резервированного объекта: ![]() ![]() При m = 3 Найдём вероятность безотказной работы по формуле (3.8) P(t) = 0.998 Наработка до отказа резервированного объекта рассчитаем по формуле (3.9) ![]() Интенсивность отказов резервированного объекта найдем по формуле (3.10) ![]() ![]() Рассчитаем гамма-процентную наработку до отказа для данного резервирования по формуле (3.4) ![]() ![]() Резервирование замещением является эффективным средством повышения надежности при низкой надежности основного нерезервированного объекта. Объекты с «холодным» резервом надежнее объектов с «горячим» резервом, так как при горячем резервировании произойдет изменение частотных свойств схемы. Наработка до отказа линейно увеличивается с ростом кратности резервирования. 3.4 Раздельное резервирование замещением с целой кратностью. При раздельном резервировании с замещением с целой кратностью структурная схема надежности имеет вид рисунок 6. ![]() Рисунок 7 – схема замещения по надёжности элементов раздельным резервированием с целой кратностью. Вероятность безотказной работы определяется на основании выражения: P(t) = ![]() Наработка до отказа резервированного объекта: ![]() ![]() Интенсивность отказов резервированного объекта: ![]() ![]() Поле подстановки значений в формулу (3.11) получаем: ![]() Поле подстановки значений в формулу (3.12) получаем: ![]() ![]() Поле подстановки значений в формулу (3.13) получаем: ![]() ![]() Рассчитаем гамма-процентную наработку до отказа для данного резервирования по формуле (3.4) ![]() ![]() ![]() Заключение: В данной курсовой работе были приведены основные расчёты повышения надежности системы: - Общее резервирование с постоянно включенным резервом и целой кратностью, гамма процентная наработка увеличилась в 2 раза ( ![]() - Раздельное резервирование с постоянно включенным резервом, , гамма процентная наработка увеличилась в 7 раза ( ![]() ![]() - Общее резервирование с замещением с целой кратностью, гамма процентная наработка увеличилась в 4 раза ( ![]() ![]() - Раздельное резервирование замещением с целой кратностью, гамма процентная наработка увеличилась в 8 раза ( ![]() ![]() результаты показали, что вероятность безотказной работы схемы в целом была увеличена с 0,624 до 0,99. Использование данных методов повышения надежности представляется целесообразным для использования с экономической точки зрения. В ходе работы были получены основные знания в теории надежности, получены практические применения повышения надежности методом резервирования и подбором более надежных элементов. Список использованной литературы: 1. Надежность электронных устройств и элементов автоматики: учебное пособие / М.В.Лукьяненко, Н.П.Чурляева, Т.В.Ткачёва, Сиб.гос. аэрокосмический университет – Красноярск, 2006. – 94 с. 2. http://docs.cntd.ru/document/1200004984 - ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике (ССНТ). |