Разработка конструкции и технологии изготовления модуля управления тепловыми процессами

Определим площадь условной поверхности  теплообмена:

 

  ,                            (4.6.1.1)

 

где L1, L2, L3- соответственно длина, ширина и высота блока;

      Kv - коэффициент заполнения  объёма корпуса.

 

 

За основной показатель, определяющий области целесообразного применения способа охлаждения, принимается величина плотности теплового потока, проходящего через поверхность теплообмена:

 

                                      (4.6.1.2)

 

      где P-суммарная  мощность, рассеиваемая блоком с поверхности теплообмена;

      Kp - коэффициент, учитывающий давление воздуха. Для указанного диапазона давлений; Kp=1.

 

 

 Значит Lg q=Lg7,89=0,9

Вторым показателем служит минимально допустимый перегрев элементов в блоке:

 

dT=T_{i min}-T_c ,                                        (4.6.1.3)

 

где   T_{i min} - допустимая температура корпуса наименее теплостойкого элемента;

           T_c - температура окружающей среды. Для естественного охлаждения

 

T_c=T_{c max}                                           (4.6.1.4)

 

Согласно данным, приведённым в  подразделе, наименее теплостойкими  элементами  являются  конденсаторы  типа  К50-6  и резисторы СП5-3. Для них T_max=70°С.

Таким образом

dT_c=70-40=30°C   

 

Далее,  используя  график  зависимости  dT_c=f(lgq),  приведённый на рисунке 7.8 [3], выбираем предпочтительный способ охлаждения. Вся методика расчёта и рисунок взяты из [3].

Рассчитанным выше значениям lg q и dT соответствует область 1. Для данной области целесообразно применение естественного воздушного охлаждения. Таким образом, для охлаждения измерительного блока выбираем естественное воздушное охлаждение. Такое охлаждение является наиболее простым, надёжным и дешёвым способом охлаждения и осуществляется без затрат дополнительной энергии.

2. Выбор способа герметизации

 

Герметизация - обеспечение практической непроницаемости корпуса РЭС  для жидкостей и газов с  целью защиты его элементов и  компонентов от влаги,  плесневых  грибов,  пыли,  песка,  грязи  и  механических  повреждений [3].

Различают индивидуальную, общую, частичную и  полную герметизацию.

Часто РЭС располагают в разъёмном  герметичном корпусе, который затем  заполняют сухим воздухом или  инертным газом, после чего корпус запаивается. При размещении РЭС в неразъёмном  корпусе существенно затрудняется доступ к компонентам.

В соответствии с изложенным выше анализом климатических и дестабилизирующих факторов,  делаем вывод,  что для обеспечения нормальной работы блока измерителя-регулятора, выполнения всех требований ТЗ никаких работ по герметизации блока не требуется.

3. Выбор способа виброзащиты

 

Под вибрациями понимают механические колебательные процессы, оказывающие  при соответствующих уровнях  дестабилизации влияние на работу аппаратуры.

Вибропрочность - способность РЭС работать в условиях воздействия вибрационных нагрузок.

Виброустойчивость - способность конструкции противостоять разрушающему действию вибрации и продолжать нормально работать после устранения вибрационных нагрузок [3].

Виброизоляция - эффективный способ повышения надёжности РЭС, функционирующих в условиях механических воздействий. Энергия механических колебаний поглощается специальными приспособлениями - виброизоляторами.

Так как устройство управления эксплуатируется в стационарных условиях, то предполагаем, что для обеспечения виброзащиты достаточно применения опорных виброизоляторов.

4. Выбор способа экранирования

 

Экранированием называется локализация  электромагнитной энергии в определённом пространстве за счёт ограничения её распространения всеми возможными способами [3].

Предложенное ранее разделение схемы электрической принципиальной позволяет в наибольшей степени обеспечить её надёжное функционирование. Наиболее ответственным узлом с точки зрения электромагнитной совместимости в блоке является плата контроля и модуль измерительный. Источником наибольших внутренних полей является сетевой трансформатор.

Для экранировки от внешних магнитных  полей блок заземляется.

Внутренний электрический монтаж между узлами блока выполнен гибкими  монтажными проводами, сигнальные цепи - гибким проводом в экранирующей оплётке.

По цепям питания необходимо предусмотреть развязывающие фильтры.

Предполагаемые мероприятия по экранированию должны обеспечить надёжную работу измерительного блока.

Дополнительные требования к конструкции  разрабатываемого блока могут быть скорректированы при последующем проектировании при проведении соответствующих расчётов[3].

5. Расчёт надёжности

 

Надёжность является одним из главных  технических параметров, характеризующих  РЭА.   Критерии надёжности задаются в количественном выражении в ТЗ.   Расчётное значение показателей надёжности РЭА должны служить отправным моментом при окончательном выборе схемных и конструктивных решений.  

Надёжность изделия закладывается  в процессе его конструирования  и расчёта и обеспечивается при  его изготовлении путём правильного выбора технологии производства,  контроля качества элементов и готовой продукции,  контроля режимов и условий изготовления. 

Расчёт производится для периода  нормальной эксплуатации при следующих  основных допущениях:  

-  отказы случайны и независимы;

-  учитываются только внезапные  отказы;

-  имеет место экспоненциальный  закон надёжности [3]. 

Кроме того,  при полном расчёте  надежности учитываются электрические  режимы и эксплуатационные условия  работы элементов.  Расчёт производится по методике,  изложенной в [3]. 

Исходные данные для расчёта:  

1.  Схема электрическая принципиальная  и перечень элементов,  используемых  в конструкции. 

2.  Справочные значения интенсивностей  отказов  для лабораторных условий (при коэффициентах электрической нагрузки  Кн = 1). 

3.  Условия эксплуатации с  учётом внешних воздействий. 

4.  Время восстановления элементов  . 

5.  Время непрерывной работы  t. 

6.  Число отказов  n,  после  которых испытания прекращаются. 

7.  Допустимая вероятность безотказной  работы изделия P(t)доп. 

8. Заданное время восстановления  и допустимая вероятность восстановления . 

Для удобства и упрощения работы с информацией,  исходные данные об элементах,  объединённых в группы,  приведены в таблице 4.6.5.1. 

 

Таблица 4.6.5.1. – Данные для расчета надежности.

Наименование элемента /кол.		Кн	20°/40°	20°/40°
1.  Конденсаторы:   -   керамические /41 -  электролитические/1	0, 005 0, 045	0, 5 0, 5	0, 16/0, 12 0, 25/0, 1	1/1 1/1	0, 19 0, 25	0, 04 0, 01
2.   Резисторы:   -  подстроечные/2 -  постоянные/52	0, 12 0, 01	0, 5 0, 5	0, 65/0, 82 0, 65/0, 82	1/1 1/1	0, 65 0, 65	0, 16 0, 33
3.   Транзисторы:   -   мощные/2 -  маломощные/10	0, 2 0, 075	0, 2 0, 7	0, 7/0, 8 0, 7/0, 8	1/1 1/1	0, 7 0, 7	0, 28 0, 53
4.   Диоды:   -   маломощные/2 -   мощные/8 -   стабилитрон/3	0, 02 0, 05 0, 09	0, 2 0, 2 0, 2	0, 7/0, 8 0, 7/0, 8 0, 7/0, 8	1/1 1/1 1/1	0, 7 0, 7 0, 7	0, 028 0, 28 0, 19
5.   Дроссель/1	0, 03	0, 4	0, 5/0, 6	1/2	0, 5	0, 015
6.   Трансформатор/3	0, 013	0, 7	0, 4/1, 5	1/2	0, 4	0, 015
7.   Резистор прово- лочный/2	0, 04	0, 5	0, 65/0, 8	1/1	0, 65	0, 05
8.   Плата/2	0, 02	0, 5	0, 3/0, 41	1/1	0, 3	0, 01
9.   Соединения:   -   винтовые/32 -   пайкой/797	0, 001 0, 007	1 1	0, 1/0, 25 1/1, 2	1/1 1/1	0, 1 1	0, 003 3, 2
10.   Вилка/1	0, 05	0, 5	0, 41/0, 72	1/2	0, 41	0, 02

 

Непосредственно расчёт надёжности проведён на ЭВМ с использованием прикладной программы.  

Заданное время работы изделия 10000 часов; заданное время восстановления изделия 3,2 часа; достаточное число  отказов 15.           . 

Далее описывается методика расчёта.  

Определяем интенсивность отказов  по формуле:  

 

                                      (4.6.5.1)

 

где Ni-  число элементов в i-ой группе;

      -  интенсивность отказов элемента i-ой группы с учётом влияния электрических режимов и воздействующих факторов;

       k-   число  групп элементов.  

В группу объединяются элементы,  имеющие  примерно одинаковые интенсивности  отказов.  

Интенсивность отказов элементов i-ой группы:   

 

,                                        (4.6.5.2)

 

где - обобщенный поправочный коэффициент, который учитывает температуру и коэффициент электрической нагрузки;

        - обобщённый  поправочный коэффициент, учитывающий климатические и механические нагрузки.

Определяем наработку на отказ:

 

,                                             (4.6.5.3)

 

Вероятность безотказной работы:  

 

,                                           (4.6.5.4)

 

где t -   заданное время непрерывной  работы устройства.  

Среднее время восстановления:  

 

,                                          (4.6.5.5)

где -   вероятность отказа элемента  i-  ой группы;

       i -   случайное  время восстановления элемента  i-  ой группы.  

Вероятность восстановления:  

 

,                                        (4.6.5.6)

 

Коэффициент готовности:

 

К_г = Т_о/ (Т_о+Т_в),                                        (4.6.5.7)

 

Коэффициент ремонтопригодности:

 

К_г = 1 - К_г,                                             (4.6.5.8)

 

Вероятность нормального функционирования:  

 

,                                         (4.6.5.9)

 

Вероятность безотказной работы с  учётом восстановления:  

 

,                                   (4.6.5.10)

 

Доверительны границы для средней  наработки на отказ:  

 

,         (4.6.5.11)

где  Т  = n*To;

       n -   число  отказов,  которое в первом  приближении можно считать достаточным  для определения показателей  надёжности;

         -   достоверность определения границ;

     -   значение функции хи-квадрат в зависимости от числа степеней свободы 2n и достоверности. 

С помощью программы “SNAD” были получены следующие результаты (см. табл. 4.6.5.2.):

 

Таблица 4.6.5.2. – Результаты расчета надежности

 

Параметр	Значение
Средняя наработка на отказ, ч.	7756,2
Вероятность безотказной работы	0,87904
Среднее время восстановления, ч	0,5
Вероятность восстановления	0,9999
Коэффициент готовности	0,9999
Коэффициент ремонтопригодности	0,00001
Вероятность безотказной работы с  учетом восстановления	0,98
Вероятность нормального функционирования	0,87903
Доверительные границы для наработки  на отказ, ч.	5312,5 и 12584,4

 

 

 

6. Разработка печатной платы с использованием САПР.

 

Печатная плата устройства управления тепловыми процессами была разработана  с помощью программы PCAD.

C помощью системы PCAD решаются следующие задачи.

1. На этапе функционального проектирования:

• создание библиотеки графических изображений символов компонентов;
• формирование схемы электрической принципиальной;
• анализ ошибок в схеме электрической принципиальной;
• выпуск схемы электрической принципиальной;

2. На этапе конструкторского проектирования:

• создание библиотеки коструктивов корпусов компонентов; упаковка вентилей по корпусам, построение базы данных ПП (БДПП);
• интерактивное и / или автоматическое размещение ЭРИ на плате;
• интерактивная и / или автоматическая трассировка электрических соединений;
• выпуск эскиза размещения ЭРИ на плате (контур платы с упрощенным изображением ЭРИ) и эскизов трассировки слоев;
• подготовка данных для получения фотошаблонов на фотоплоттере.