Ранее авторами был проведен сравнительный анализ существующих методов оценки показателей надежности сложных компонентов и систем [7], разработана методика расчета приближенных значений показателей надежности многофункциональных интегрированных электромагнитных компонентов (МИЭК) [6] и выполнена оценка надежности простой структуры односекционного МИЭК [5]. Однако компоненты имеют более сложные структуры [1, 8], значительно расширяющиеся области их применения в различных электротехнических устройствах [2, 3, 4]. Поэтому возникает необходимость произвести расчеты параметров надежности более сложных структур МИЭК по разработанной методике.
Цель исследования
В данной статье поставлена задача оценки показателей надежности более сложных структур МИЭК по методике, предложенной в [6].
Материал и методы исследования
Рассмотрим различные структуры и схемотехнические исполнения МИЭК с точки зрения материальной и функциональной основы. На рисунке 1 показаны структуры, схемы замещения и функциональные схемы различных схемотехнических исполнений МИЭК. Определим показатели надежности: интенсивность отказа λ(t), среднее время безотказной работы T1, вероятность безотказной работы P(t), плотность распределения времени безотказной работы f(t), различных структур МИЭК, представленных на рисунке 1.
|
Структура |
Схема замещения |
Функциональная схема |
|
|
|
|
|
а) односекционный МИЭК |
||
|
|
|
|
|
б) односекционный МИЭК с выводами в середине каждой из проводящих обкладок |
||
|
|
|
|
|
в) односекционный МИЭК с дополнительной обмоткой, соединенной последовательно с одной из проводящих обкладок |
||
|
|
|
|
|
г) двухсекционный МИЭК |
||
|
|
|
|
|
д) трехсекционный МИЭК |
||
|
Рис. 1. Структуры МИЭК, их схемы замещения и функциональные схемы |
||
Приближенный расчет показателей надежности выполнен при помощи электронных таблиц программы Excel. Учитываются все элементы, включая монтажные. Интенсивности отказов элементов, составляющих МИЭК, приведены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1
Интенсивности отказов элементов, составляющих различные структуры МИЭК
|
Элементы |
Количество |
λ∙10-5, час-1 |
|
Проводящие обкладки, разделенные диэлектриком |
n + 1 |
0,08 |
|
Электрические выводы, расположенные в начале и конце проводящих обкладок (разъемы коаксиальные) |
2∙(n + 1) |
0,021 |
|
Пайки |
4∙(n + 1) |
0,01 |
|
Печатные проводники |
2∙(n + 1) |
0,01 |
Таблица 2
Интенсивности отказов элементов, составляющих схемы замещения различных структур МИЭК
|
Элементы |
Количество |
λ∙10-5, час-1 |
|
Конденсаторы |
2∙n |
0,15 |
|
Катушки индуктивности |
2∙n |
0,075 |
|
Резисторы |
2∙n |
0,075 |
|
Электрические выводы (разъемы коаксиальные) |
2∙(n + 1) |
0,021 |
|
Пайки |
2∙(7∙n + 1) |
0,01 |
|
Печатные проводники |
6∙n |
0,01 |
Рассмотрим односекционный МИЭК, представленный на рисунке 1, а, с точки зрения выполняемых им функций. Односекционный МИЭК выполняет простые функции катушки индуктивности (за счет наличия проводящего материала, свернутого в спираль) и конденсатора (за счет наличия двух проводящих обкладок, разделенных диэлектриком) и составные функции последовательного RLC-контура. Если добавить по одному выводу в середину каждой проводящей обкладки (рисунок 1, б), то односекционный МИЭК сможет выполнять дополнительные простые функции первичной и вторичной обмоток трансформатора и дополнительную составную функцию трансформатора. В случае использования дополнительной обмотки, соединенной последовательно с одной из проводящих обкладок (рисунок 1, в), односекционный МИЭК сможет выполнять те же функции, что и схемотехническое решение односекционного МИЭК с выводами в середине каждой из проводящих обкладок. Двухсекционный МИЭК, представленный на рисунке 1, г, выполняет простые функции катушки индуктивности и конденсатора в зарядной и разрядной цепи, первичной и вторичной обмоток трансформатора и составные функции последовательного RLC-контура и трансформатора. Трехсекционный МИЭК, представленный на рисунке 1, д, выполняет простые функции катушки индуктивности и конденсатора в зарядной и разрядной цепи, первичной и вторичной обмоток трансформатора и составные функции последовательного RLC-контура, трансформатора, генератора импульсов напряжений.
Результаты расчета показателей надежности различных структур МИЭК и их схем замещения с точки зрения материальной и функциональной основы представлены в таблице 3.
Таблица 3
Показатели надежности различных структур МИЭК
|
Показатели надежности |
Схема замещения на дискретных компонентах |
МИЭК |
Функциональная схема МИЭК |
|
для односекционного МИЭК с выводами в середине каждой из проводящих обкладок |
|||
|
Интенсивность потока отказов, λ, 1/ч |
16,31∙10-6 |
4,66∙10-6 |
9,12∙10-6 |
|
Среднее время наработки на отказ, T1., ч |
61 312 |
214 592 |
109 649 |
|
Время наработки на отказ с заданной вероятностью, t, ч |
6 131 |
21 459 |
10 965 |
|
Время работы устройства, Tp., ч |
30 000 |
30 000 |
30 000 |
|
Вероятность безотказной работы за время работы, Pt |
0,61 |
0,87 |
0,76 |
|
для двухсекционного МИЭК |
|||
|
Интенсивность потока отказов, λ, 1/ч |
17,46∙10-6 |
5,46∙10-6 |
11,37∙10-6 |
|
Среднее время наработки на отказ, T1., ч |
57 274 |
183 150 |
87 951 |
|
Время наработки на отказ с заданной вероятностью, t, ч |
5 727 |
18 315 |
8 795 |
|
Время работы устройства, Tp., ч |
30 000 |
30 000 |
30 000 |
|
Вероятность безотказной работы за время работы, Pt |
0,59 |
0,85 |
0,71 |
|
для трехсекционного МИЭК |
|||
|
Интенсивность потока отказов, λ, 1/ч |
25,88∙10-6 |
7,28∙10-6 |
20,41∙10-6 |
|
Среднее время наработки на отказ, T1., ч |
38 640 |
137 363 |
48 996 |
|
Время наработки на отказ с заданной вероятностью, t, ч |
3 864 |
13 736 |
4 900 |
|
Время работы устройства, Tp., ч |
30 000 |
30 000 |
30 000 |
|
Вероятность безотказной работы за время работы, Pt |
0,46 |
0,80 |
0,54 |
Анализируя результаты оценки показателей надежности различных структур МИЭК и их схем замещения, можно сделать вывод, что интегрированное исполнение компонента приводит к снижению интенсивности потока отказов в 1,5 раза, увеличению среднего времени работы компонента и времени безотказной работы с заданной вероятностью в 1,5 раза, увеличению вероятности безотказной работы на 9% для односекционного МИЭК, на 20% – для двухсекционного МИЭК, на 17% – для трехсекционного МИЭК. Надежность трехсеционного гораздо ниже, чем одно- и двухсекционного структуры (29% и 24% соответственно), что обусловлено значительным расширением функциональных возможностей: трехсекционный МИЭК, выполняет дополнительную составную функцию генератора импульсов напряжений.
Получим значения вероятности безотказной работы и плотности распределения времени до отказа, табулируя функции P(t) = e-λ∙t и f(t) = λ∙e-λ∙t. Результаты табулирования представлены на рисунках 2 и 3.
а) для односекционного МИЭК с выводами в середине каждой из проводящих обкладок
б) для двухсекционного МИЭК
в) для трехсекционного МИЭК
Рис. 2. Вероятность безотказной работы различных структур МИЭК и их схем замещения на дискретных компонентах с материальной и функциональной точек зрения
а) для односекционного МИЭК с выводами в середине каждой из проводящих обкладок
б) для двухсекционного МИЭК
в) для трехсекционного МИЭК
Рис. 3. Плотность распределения времени до отказа различных структур МИЭК и их схем замещения на дискретных компонентах с материальной и функциональной точек зрения
Повышение надежности МИЭК обеспечивается уменьшением числа элементов, отсутствием дополнительных межэлементных и монтажных соединений, паек.
Выводы
1. С целью исследования различных структур МИЭК с точки зрения надежности и разработки устройств на их основе получены табличные данные приближенных показателей надежности одно-, двух- и трехсекционной структур МИЭК.
2. Интегрированное исполнение компонента приводит к снижению интенсивности потока отказов в 1,5 раза, увеличению среднего времени работы компонента и времени безотказной работы с заданной вероятностью в 1,5 раза, увеличению вероятности безотказной работы на 9% для односекционного МИЭК, на 20% – для двухсекционного МИЭК, на 17% – для трехсекционного МИЭК. Надежность трехсеционного гораздо ниже, чем одно- и двухсекционного структуры (29% и 24% соответственно), что обусловлено значительным расширением функциональных возможностей: трехсекционный МИЭК, выполняет дополнительную составную функцию генератора импульсов напряжений. Наиболее оптимальным для применения с точки зрения функционального и элементного подходов является двухсекционная структура МИЭК. Повышение надежности МИЭК обеспечивается уменьшением числа элементов, отсутствием дополнительных межэлементных и монтажных соединений, паек.
Рецензенты:
Гизатуллин Ф.А., д.т.н., профессор кафедры электромеханики ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа;
Сапельников В.М., д.т.н., профессор кафедры «Электротехники и электрооборудования предприятий» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа.
Библиографическая ссылка
Конесев С.Г., Хазиева Р.Т. ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОМПОНЕНТОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=18445 (дата обращения: 10.10.2024).