8.2 Защита от механического воздействия

В разрабатываемом ВИП отсутствуют механические и электромеханические устройства (двигатели, тахогенераторы и др.), которые являются внутренними источниками механических воздействий (вибрации). На ВИП действует только внешние механические воздействие, значения которых оговариваются начальными условиями. Для защиты от этих воздействий следует предусмотреть выполнения следующих мер:

использование материалов и электрорадиоэлементов обеспечивающих нормальное функционирование во всем установленном времени работы без изменения своих параметров, при данных внешних механических воздействиях;

обеспечения надежного соединения деталей и узлов между собой;

использование крепежных изделий, исключающих самопроизвольное отсоединений в процессе эксплуатации;

использование амортизаторов.

8.3 Защита от воздействия влаги

Влияние климатических факторов, в том числе влаги, выражается главным образом в возникновении процессов коррозии, изменении электропроводности, потере механических и диэлектрических свойств материалов, разбухании и короблении печатной платы, образовании плесени и грибков и других процессов, приводящих к выходу аппаратуры из строя.

Защиту поверхности печатной платы от воздействий влаги произведем путем нанесения защитного слоя. В качестве защитного покрытия будем применять бакелитовый лак ЛБС-1 ГОСТ 901 - 78. Данный лак предназначен для влагозащиты гетинакса, стеклотекстолита, имеет прочное глянцевое покрытие, которое устойчиво к кислотам и пониженную стойкость к ударам. Лак ЛБС-1 отличается тем, что создаваемая плёнка прозрачная, скрывает поверхности и не меняет первоначальный вид предмета. Это практически идеальный вариант при создании надёжной защиты от различных влияний, разрушений, проникновений пыли, воды.

Для защиты схем и блоков аппаратуры от влаги можно рекомендовать применение фенольного лака СБ-1с (бесцветный) ТУ МХП 2785 - 91. Покрытие такого лака глянцевое, твердое, механически прочное, с хорошей адгезией к металлам и пластмассам (гетинаксу, стеклотекстолиту и др.) Выдерживает воздействие температуры от минус 60 до минус 100°С.

Элементы каркаса выполнены из алюминиевого сплава АД31, имеют естественную оксидную пленку, которая устойчива к воздействию атмосферной влаги, поэтому отсутствует необходимость в нанесении дополнительного защитного покрытия.

9. Расчеты

9.1 Массогабаритный расчет

Масса трансформатора рассчитывается по следующей методике приведенной в [3]. Средняя длина витка обмотки трансформатора определяется по следующей формуле

, (9.3)

где D-наружный диаметр сердечника;

d-внутренний диаметр сердечника;

h-высота сердечника.

Подставив геометрические размеры тороидального сердечника ОЛ-22/30-5 получим среднюю длину обмотки трансформатора равной:

Масса обмотки трансформатора определяется по формуле

(9.4)

Масса изоляции обмотки трансформатора определяется по следующей формуле:

(9.5)

где Км - коэффициент заполнения окна медью;

- удельная масса изоляции;

Киз - коэффициент укладки изоляции.

Приняв для расчётов Км = 0,3, Киз=0,7 и = 1г/см3, подставим данные значения в формулу (9.5) и получим массу изоляции обмотки трансформатора равную 4,86 граммам. Масса же всего трансформатора будет равна сумме массы изоляции обмотки трансформатора, обмотки и массы магнитопровода:

Параметры всех других элементов известны и сведены в таблицу 9.1.1.

Таблица 9.1.1 - Параметры элементов

9.2 Тепловой расчет

Расчет теплового режима ВИП произведем в соответствии с коэффициентным методом расчета средней поверхностной температуры корпуса, предложенном в [8]. Данный метод отличается простотой расчета. Среднеквадратичная ошибка расчетов не превышает Q 15 %.

Находим поверхность нагретой зоны:

, (9.5)

где Lx ,Ly - размеры шасси;

Lz - высота нагретой зоны.

, (9.6)

где h - размер корпуса устройства в направлении оси Z;

Vд - объем деталей устройства;

Vа - объем устройства.

Определяем объем пустого устройства по формуле:

см3,

где L1 - ширина;

L2 -глубина;

h - высота.

Подставив данные в уравнение (9.6) получим значение высоты нагретой зоны

см.

Зная высоту, определим поверхность нагретой зоны по формуле (9.5):

см2.

Р - мощность действующих в устройстве источников тепла, определяемая как сумма мощностей всех ЭРЭ:

Р=4РVT+3PRБ+2РR1+PR2+6PVD1+4PVD2+РТ , (9.2.2)

Подставив Руд всех ЭРЭ, входящих в модуль, получим

Р=4•20+3•17,3•10-6+2•247,6•10-6+0,25•10-3+6•0,531+10+87,5=180,686Вт

Мощность удельного теплового потока Руд с поверхности нагретой зоны ровна:

Значение среднеобъёмного перегрева нагретой зоны по отношению к окружающей среде рассчитываем по формуле

(9.2.3)

Где множитель, учитывающий зависимость перегрева от удельной мощности;

множитель, учитывающий зависимость перегрева от ширины эффективного зазора между платами;

а - множитель, учитывающий зависимость перегрева от различных факторов приведены на графиках, которые представлены в “Справочнике конструктора”[8].

Из справочника [8, рис.16.14,а] выберем множитель равный 43 град. Из справочника [8, рис.16.14,б] выберем множитель равный 0,8. Множитель, учитывающий зависимость перегрева от коэффициента перфорации а [8, рис.16.15], для герметичных устройств выберем равным 1. Тогда, подставив выбранные значения множителей в формулу (9.8), получим значение среднеобъёмного перегрева:

Температура t внутри блока определяется как сумма среднеобъёмного перегрева и температуры окружающей среды и находится в диапазоне от 49 до 59 .

Так как (наименьшая рабочая температура наиболее критичного элемента), следовательно, тепловой режим ВИП удовлетворяет требованиям ТЗ.

9.3 Расчет надежности

9.3.1 Общие сведения

Под надежностью понимают способность элемента, узла, блока или системы в целом выполнять свои функции в определенных условиях эксплуатации в течение заданного времени.

Надежность является одним из наиболее важных критериев оценки технико-экономической эффективности разрабатываемых устройств и систем электропитания аппаратуры (систем) связи.

Основными наиболее часто применяемыми количественными характеристиками невосстанавливаемой в период эксплуатации аппаратуры электропитания являются интенсивность отказов (t), среднее время безотказной работы (наработка на отказ) Т0(t) и вероятность безотказной работы P(t). Под отказом понимается выход за допустимые пределы хотя бы одного из качественных показателей источника электропитания как в установившимся, так и в переходном режимах работы. При расчете надежности проектируемого устройства электропитания предполагается показательный закон распределения моментов отказа, при котором временная зависимость (t) подчиняется закону, показанному на рисунке 9.1.

Временной интервал t определения надежности устройства (системы) выбирается в области II, так что

(9.3.1)

где n - количество отказавших элементов в течение временного интервала t;

Nср - среднее число элементов, исправно работающих на временном интервале t, при условии, что отказавшие элементы не восстанавливаются и не заменяются новыми.

Для невосстанавливаемой аппаратуры отказ хотя бы одного элемента приводит к отказу аппаратуры в целом, а интенсивность отказов устройства у представляет собой сумму интенсивностей элементов, входящих в устройство:

(9.3.2)

где n - общее число элементов, входящих в устройство.

Рисунок 9.1.1 - Зависимость (t)

Наработка на отказ (т. е. время наработки аппаратуры до первого отказа) невосстанавливаемых устройств электропитания определяется через суммарную интенсивность отказов устройства

(9.3.3)

Вероятность безотказной работы устройства электропитания на заданном интервале функционирования t определяется через интенсивность отказов у или через среднее время между отказами Т0:

(9.3.4)

Вероятность отказа устройства электропитания Q(t) определяется через вероятность безотказной работы:

(9.3.5)

Для восстанавливаемой в процессе эксплуатации аппаратуры электропитания, помимо приведенных параметров количественной оценки надежности, применяют также среднее время простоя (восстановления) аппаратуры (узла аппаратуры), интенсивность восстановления аппаратуры, готовность аппаратуры к функционированию. Так как наш источник питания относится к классу неремонтируемой аппаратуры, то рассматривать эти характеристики не будем, а проведем лишь оценочный расчет надежности.

9.3.2 Ориентировочная оценка надежности

Ориентировочная оценка надежности осуществляется на стадии эскизного проектирования и проводится с целью проверки выполнимости требований по надежности, установленных техническим заданием, а также для сравнения показателей надежности различных вариантов разрабатываемой аппаратуры. Оценка основывается на следующих допущениях: отказы элементов являются случайными независимыми событиями, все элементы одного типа имеют равную надежность и работают в номинальном режиме, учитываются только элементы, входящие в основную функциональную схему изделия, отказ одного элемента ведет к отказу всего изделия, все элементы работают одновременно. Основными данными для расчета являются: число элементов (n), интенсивность отказов элементов () и поправочного коэффициента (). Поправочный коэффициент = 12 3 всегда больше единицы. Физически он характеризует тот факт, что количество отказов при работе в реальных условиях во много раз больше чем при работе в лабораторных условиях. Коэффициент 1 учитывает воздействие на аппаратуру механических факторов (вибраций, ударных нагрузок), 2 - климатических факторов (температура, влажность), 3 - условия работы при пониженном атмосферном давлении. Значение поправочных коэффициентов приведены в [9, табл. П4-П6] и при воздействующих факторах оговоренных в ТЗ =2.08. Интенсивность отказов системы с определяется по следующему выражению

(9.14)

где iн - интенсивность отказов в номинальном режиме (лабораторных условиях).

Интенсивность отказов в номинальном режиме определяется для каждого элемента из [9, табл. П8, П9] и заносится в таблицу 9.2, там же интенсивность отказов с учетом поправочного коэффициента.

Таблица 9.2 - Параметры надежности элементов системы

Подставив в формулу 9.14 данные из таблицы 9.2 получим интенсивность отказов системы с = 78.343407•10-6 ч-1. Среднее время безотказной работы устройства рассчитывается по следующему выражению:

(9.15)

9.3.3 Оценка надежности с учетом режимов работы системы

Оценка надежности с учетом режимов работы системы проводится, когда основные схемотехнические и конструкторские проблемы решены, но имеется еще возможность изменить режим работы элементов, что существенно повлияет на надежность системы в целом. Оценка надежности системы с учетом режимов работы элементов основывается на следующих допущениях: отказы элементов являются случайными независимыми событиями, интенсивность отказов элементов сохраняют постоянное значение при заданном режиме работы, все элементы работают одновременно и отказ любого из них приводит к отказу аппаратуры. Режимы работы элементов учитываются поправочными коэффициентами. Влияние электрической нагрузки учитывается коэффициентом нагрузки, который определяется по выражению приведенному ниже.

, (9.16)

где Н - электрическая нагрузка элемента в номинальном режиме;

НН - электрическая нагрузка элемента в реальном режиме.

Формулы для расчета коэффициента нагрузки для каждого типа элементов приведены в [6], в таблице 9.3 представлены подсчитанные значения данных коэффициентов. По полученным коэффициентам КН из [9] определим коэффициент , который зависит от значения коэффициента нагрузки и температуры рабочей среды.

Таблица 9.3 - Подсчитанные коэффициенты нагрузки элементов

Для определения интенсивности отказов системы с.реж с учетом режимов работы воспользуемся формулой (9.17) и данными из таблицы 9.3.

(9.17)

Подставив в данное выражение получим с.реж = 59,766• 10-6 ч-1. Среднее время безотказной работы устройства с учетом режима работы определяется аналогично, как и в предыдущем случае по следующему выражению

(9.18)

Как видно из сравнения полученных результатов, среднее время безотказной работы устройства с учетом режима работы гораздо меньше, чем среднее время безотказной работы устройства с учетом только воздействий внешних факторов, и отражает более реальный показатель надежности.

9.4 Оценочный расчет вибропрочности конструкции