Классификация свойств конструкций РЭС

Все многообразие свойств конструкций РЭС может быть классифицировано.

Классификация свойств конструкций является условием формализации процесса проектирования. Она позволяет выделить существенный классообразующий признак; сформулировать требования к данному классу РЭС; определить свойства, которые обеспечат выполнение этих требований; выбрать конструктивное решение, соответствующее этим требованиям и свойствам, а также методы конструкторского проектирования, пригодные для разработки каждого класса конструкций.

Основные свойства конструкций РЭС – масса, габаритные размеры, стоимость, функциональная связь, совместимость (с объектом установки, человеком-оператором), надежность, технологичность, патентность (рисунок 35). Количественные выражения критериев качества позволяют сравнивать конструкции РЭС и выбирать лучшую.

В каждой рассмотренной классификационной группе конструкция РЭС обладает определенными свойствами, которые являются доминирующими для данной группы. Классификация свойств конструкций позволяет выработать критерии для сравнения РЭС. Если наиболее существенные свойства конструкции удается выразить количественно, то можно сравнивать варианты конструкции, используя ЭВМ.

Рисунок 35– Свойства конструкций РЭС

Функциональная связь РЭС (ГОСТ 26632–85) – обмен РЭС информацией для обеспечения их функционирования как единого целого при решении поставленных задач.

Функциональная связь образуется между элементами конструкции, деталями, ЭРЭ. Эта связь обеспечивает выполнение заданных функций за счет организации внутренних связей, создаваемых элементами конструкции.

Функциональные связи классифицируется следующим образом: Ф_э – функциональная электрическая связь, Ф_п – функциональная пространственная связь, Ф_м – функциональная механическая связь, Ф_эм – функциональная электромагнитная связь, Ф_т – функциональная тепловая связь.

Ф_э осуществляется посредством электрического, магнитного или электромагнитного поля. Степень связи определяется геометрическим положением элементов и свойствами среды, в которой находится поле. Ф_э обеспечивается электрическим током через токопровод, степень связи определяется свойствами материала проводника, его геометрической формой. Взаимное расположение соединенных проводами элементов конструкции существенного значения для степени связи не имеет.

Чаще всего количественно функциональная электрическая связь выражается с помощью уравнения связи (1.1) .

Например, из набора ЭРЭ (резистор, транзистор, конденсатор – рисунок 36) можно получить функционально различные РЭУ (усилитель – рисунок 37, мультивибратор – рисунок 38, триггер – рисунок 39).

Рисунок 36 – ЭРЭ: транзистор, конденсатор, резистор

Количественными показателями этих связей являются параметры, связанные между собой зависимостью, характеризующей как степень, так и характер взаимосвязи.

Например для усилителя (рисунок 37):

где K_u – коэффициент усиления,

β – коэффициент усиления транзистора по току,

r _б – сопротивление базы транзистора,

r _э – сопротивление эмиттера,

R_г – сопротивление.

Рисунок 37 – Усилитель

Для мультивибратора (рисунок 38):

,

где Т – период колебаний,

C = C ₁ = C ₂ , R = R ₁ = R ₂ .

I_k0 – ток коллектора,

E_п – напряжение питания.

Рисунок 38 – Мультивибратор

Для триггера (рисунок 39):

;

,

где — напряжение смещения;

– напряжение коллектора открытого транзистора;

– коллекторный ток открытого транзистора;

– напряжение на катоде закрытого транзистора.

Рисунок 39 – Триггер

Ф_п характеризуется расположением элементов, выполняющих основные функции.

Количественными показателями Ф_п являются следующие параметры:

– коэффициент использования площади основания (в частности, платы) K_s

, (2.4)

где S_{i уст} – установочная площадь i -го элемента,

S _осн – площадь основания,

N – количество ЭРЭ схемы РЭС;

– коэффициент использования объема блока K_v

, (2.5)

где V_{i уст} – установочный объем i -го элемента,

V _бл – объем блока;

– количество элементов в единице объема блока n

. (2.6)

Ф_м определяются характером закрепления элементов конструкции.

Различают три группы механических связей [23]: кинематические, динамические, статические.

Кинематические связи в конструкциях обеспечивают закономерное, заданное назначением самой конструкции, взаимное перемещение или движение их частей (деталей). При этом силы, обеспечивающие перемещение, не влияют на характер перемещения деталей и не являются основными параметрами. Кинематические связи определяют координату взаимного перемещения одной детали относительно другой. Примером конструкций с кинематическими связям являются механизмы настройки РЭС, направляющие для вращательного движения в органах управления, конденсаторах переменной емкости, движки токосъемников для поступательного движения в подстроечных резисторах, плунжеры в отрезках волноводов механических аттенюаторов.

Динамические связи в конструкциях обеспечивают движение деталей, за счет действующей силы. Пример: пружинные механизмы, пружины. Количественной оценкой Ф_м , например, для пружинных амортизаторов служит ,

где F – сила, действующая на объект,

k – коэффициент упругости,

x – величина перемещения.

Статические связи в конструкциях обеспечивают определенную нагрузку, устанавливают и сохраняют положение одной детали относительно другой. Пример: резьбовые, заклепочные соединения, пайка, запрессовка.

Количественные оценки статических связей определяются величиной силы трения неподвижных деталей, координатами центра тяжести, центра жесткости, величинами прочности, жесткости конструкции.

Ф_эм нежелательные связи, возникающие как побочный результат формирования Ф_э , Ф_п , Ф_м . К Ф_эм относятся паразитные емкостная, индуктивная, волноводная, электромагнитная связи, связь через общее сопротивление, по цепям питания. Количественно Ф_эм оценивается величиной паразитной наводки на цепь приемника наводки (изменение величины выходного параметра).

Ф_т являются нежелательным результатом малого коэффициента полезного действия РЭС. Количественная оценка Ф_т – температурой в определенной точке РЭС.

Все виды функциональных связей могут быть оценены количественно.

Совместимость – свойство конструкции, зависящее от размещения РЭС на объекте установки и связи с человеком-оператором (см. рисунок 35).

Совместимость с объектом установки классифицируется следующим образом: С_п – пространственная совместимость, С_в – весовая, С_э – электрическая, С_эм – электромагнитная.

С_п – определяет возможность размещения и закрепления РЭС на объекте, удобство монтажа и демонтажа при ремонте.

Количественная оценка С_п выражается K_s, K_v (см. формулы 2.4, 2.5).

С_в определяет совместимость с объектом установки по массе и оценивается коэффициентом использования массы K_m.

, (2.7)

где G _бл – масса блока,

G _апп – масса всей аппаратуры.

Соотношение масс важно при анализе механических воздействий.

С_э определяет совместимость по параметрам сигналов, питающим напряжениям.

С_эм определяет условия существующей электромагнитной обстановки и оценивается параметрами основных сигналов.

Совместимость с человеком-оператором классифицируется следующим образом: С_эрг – эргономическая, С_эст – эстетическая.

С_эрг определяется удобством работы на объекте, возможностью ошибок, утомляемостью человека-оператора.

Количественными оценками С_эрг могут быть критерии оценки деятельности оператора (см. формулы 2.1 – 2.3). Эргономические показатели содержатся в ГОСТ 21552 – 84.

С_эст определяет требования к внешнему виду РЭС, соответствие его нормам психологического восприятия человека (сочетание цветов, размеров, окраски индикаторов). Эстетические показатели содержатся в РД 50–259–81.

Надежность (ГОСТ 27.002 – 89) – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

П р и м е ч а н и е. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность (Б), долговечность (Д), ремонтопригодность (Р) и сохраняемость (А) или определенные сочетания этих свойств.

Безотказность (Б) – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Работоспособное состояние – такое состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Наработка – продолжительность или объем работы объекта.

П р и м е ч а н и е. Наработка может быть как непрерывной величиной (продолжительность работы в часах, километраж пробега и т. п.), так и целочисленной величиной (число рабочих циклов, запусков и т. п.).

Долговечность (Д) – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Предельное состояние – такое состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Ремонтопригодность (Р) – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость (А) – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортировки.

Б, Д, А определяются конструктивными особенностями РЭС, ее защищенностью от температурных изменений, влаги, пыли, механических воздействий, а также учетом эксплуатационных режимов работы.

Надежность обусловлена физико-химическими процессами, происходящими в аппаратуре под действием внешних и внутренних дестабилизирующих факторов.

Количественные показатели представляют собой параметры, характеризующие Б, Д, А, Р.

Показатель надежности – количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта.

Различают показатели надежности для невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов.

Невосстанавливаемый объект – объект, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния не предусмотрено в нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Восстанавливаемый объект – объект, для которого в рассматриваемой ситуации проведение восстановления работоспособного состояния предусмотрено в нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.

Показатели безотказности для невосстанавливаемых объектов:

1) вероятность безотказной работы – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ объекта не возникнет:

, (2.8)

где – количество объектов, отказавших на отрезке времени (от 0 до t);

N – количество объектов, работоспособных в начальный момент времени.

Для РЭС характерно:

, (2.9)

где l – интенсивность отказов;

2) интенсивность отказов – условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, определяемая при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не возник:

, (2.10)

где D t – малый отрезок наработки;

3) средняя наработка до отказа – математическое ожидание наработки объекта до первого отказа:

. (2.11)

Для РЭС – . (2.12)

 

Показатели безотказности для восстанавливаемых изделий:

1) параметр потока отказов – отношение математического ожидания количества отказов восстанавливаемого объекта за достаточно малую его наработку к значению этой наработки:

, (2.13)

где – количество отказов, наступивших от начального момента времени до достижения наработки t;

– количество отказов на отрезке D t.

Для стационарных потоков отказов

. (2.14)

2) средняя наработка на отказ – отношение суммарной наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию количества отказов в течение этой наработки:

, (2.15)

или , (2.16)

для стационарных потоков отказов

. (2.17)

Показатели долговечности

Гамма - процентный ресурс – суммарная наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с вероятностью g, выраженной в процентах.

Средний ресурс – математическое ожидание ресурса.

Ресурс – суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.

Гамма - процентный срок службы – календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с вероятностью g, выраженной в процентах.

Средний срок службы – математическое ожидание срока службы.

Показатели сохраняемости

Гамма - процентный срок сохраняемости – срок сохраняемости, достигаемый объектом с заданной вероятностью g, выраженной в процентах.

Средний срок сохраняемости – математическое ожидание срока сохраняемости.