Глава 6 Конструкция эс как большая система

Конструкция ЭС как структурное образование (уровни разукрупнения РЭС). Базовые несущие конструкции. Классификация свойств конструкций РЭС.

Конструкция ЭС как структурное образование

(уровни разукрупнения РЭС)

Конструкция ЭС может быть рассмотрена как определенное структурное образование.

Уровни разукрупнения РЭС (ГОСТ 26632 – 85) по функциональной сложности: радиоэлектронная (РЭ) система, РЭ комплекс, РЭ устройство (РЭУ), РЭ функциональный узел (ФУ) (рисунок 34).

Рисунок 34 – Уровни разукрупнения РЭС по функциональной сложности

Радиоэлектронная система – радиоэлектронное средство, представляющее собой совокупность функционально взаимодействующих автономных радиоэлектронных комплексов и устройств, образующих целостное единство, обладающее свойством перестроения структуры в целях рационального выбора и использования входящих средств при решении технических задач. В состав радиоэлектронной системы могут входить механические, электромеханические и другие средства, без которых невозможна её эксплуатация. В зависимости от сложности решаемых технических задач радиоэлектронная система может быть автономной частью другой радиоэлектронной системы или совокупности систем.

Радиоэлектронный комплекс – радиоэлектронное средство, представляющее собой совокупность функционально связанных радиоэлектронных устройств, обладающее свойством перестроения структуры в целях сохранения работоспособности и предназначенное для решения технических задач. В состав радиоэлектронного комплекса могут входить механические, электромеханические и другие средства, без которых невозможна его эксплуатация. В зависимости от сложности решаемых технических задач радиоэлектронный комплекс может быть автономной частью другого комплекса.

Радиоэлектронное устройство – радиоэлектронное средство, представляющее собой функционально законченную сборочную единицу, выполненную на несущей конструкции, реализующее функции(ю) передачи, приема, преобразования информации или техническую задачу на их основе. В зависимости от сложности технической задачи радиоэлектронное устройство может быть составной частью другого радиоэлектронного устройства.

Радиоэлектронный функциональный узел – радиоэлектронное средство, представляющее собой функционально законченную сборочную единицу, выполненную на несущей конструкции, реализующее функцию преобразования сигнала и не имеющее самостоятельного эксплуатационного применения.

Уровни разукрупнения РЭС по конструктивной сложности согласно ГОСТ 26632–85: РЭ шкаф, РЭ блок, РЭ ячейка.

Радиоэлектронная ячейка (ячейка) – РЭС, выполненное на основе несущей конструкции первого уровня (НК1);

радиоэлектронный блок (блок) – РЭС, представляющее собой совокупность ячеек и выполненное на основе несущей конструкции второго уровня (НК2);

радиоэлектронный шкаф (шкаф) – РЭС, представляющее собой совокупность блоков и (или) ячеек и выполненное на основе несущей конструкции третьего уровня (НКЗ).

Несущая конструкция – это элемент конструкции или совокупность элементов конструкции, предназначенные для размещения технических средств и обеспечения их устойчивости и прочности в заданных условиях эксплуатации.

По сложности НК разделены на три уровня: несущая конструкция первого уровня (НК1), несущая конструкция второго уровня (НК2), несущая конструкция третьего уровня (НК3).

Несущая (базовая несущая) конструкция первого уровня (НК1) или (БНК1) – конструкция, предназначенные для размещения модулей нулевого уровня, изделий электронной техники и электротехники и входящие в НК более высоких уровней. Она может быть выполнена, например, в виде ячейки или кассеты.

Несущая (базовая несущая) конструкция второго уровня (НК2) или (БНК2) – конструкция, предназначенная для размещения РЭС, выполненных на основе НК1. Она может быть выполнена, например, в виде рамы, корпуса блока и т.п.

Несущая (базовая несущая) конструкция третьего уровня (НК3) или (БНК3) – конструкция, предназначенная для размещения РЭС, выполненных на основе НК2 и (или) НК1. Например, в виде корпуса шкафа, стеллажа, стойки, пульта и т.п.

Уровни разукрупнения РЭС в модульном исполнении по конструктивной сложности (ГОСТ 26632 – 85): РЭ модуль третьего уровня (РЭМ 3), РЭМ 2, РЭМ 1, РЭМ 0 (см. рисунок 34).

Разукрупнение по конструктивной сложности РЭС в модульном исполнении связано с понятием базовой несущей конструкции.

Базовая несущая конструкция – несущая конструкция, предназначенная для размещения РЭС различного функционального назначения, габаритные размеры которой стандартизованы.

Радиоэлектронный модуль (РЭМ) – функционально законченное РЭС, выполненное на основе базовой несущей конструкции того или иного уровня разукрупнения и обладающее свойствами конструктивной и функциональной взаимозаменяемости.

Радиоэлектронный модуль первого уровня (РЭМ1) представляет собой функционально законченную ячейку или кассету, выполненную на основе БНК1 и обладающую свойствами функциональной и конструктивной взаимозаменяемости, РЭМ2 – блок на основе БНК2, РЭМЗ – шкаф на основе БНКЗ.

Радиоэлектронный модуль нулевого уровня (РЭМ0) представляет собой РЭС, предназначенное для реализации функций преобразования информации или преобразования сигналов и выполненное на конструктивной основе, размерно координируемой с БНК1 и обладающее свойствами конструктивной и функциональной взаимозаменяемости. Фактически РЭМ0 представляют собой РЭФУ, например микросхема или микросборка в корпусном или бескорпусном исполнении.

Базовые несущие конструкции

Определение базовой несущей конструкции было дано выше. Поскольку БНК представляют собой частный случай несущих конструкций, то для них также справедливо разделение на три уровня: БНК1, БНК2 и БНКЗ. Определения БНК2 и БНКЗ аналогичны НК2 и НКЗ, а в определении БНК1 введено дополнение, связанное с тем, что для РЭС в модульном исполнении введены четыре, а не три, как в общем случае, уровня разукрупнения: нулевой, первый, второй и третий.

При построении системы НК важное значение приобретает типизация и унификация, которые являются основными методами стандартизации.

Типизация заключается в рациональном сокращении видов объектов путем установления некоторых типовых, выполняющих большинство функций объектов данной совокупности и принимаемых за основу (базу) для создания других объектов, аналогичных или близких по функциональному назначению. Поэтому этот метод часто называют методом базовых конструкций, где под БНК понимают НК, габариты которой стандатизированы.

С помощью БНК определяют конструкции, наиболее характерные и оптимальные для рассматриваемого класса РЭС при разработке конкретного устройства.

Технико-экономический эффект метода базовых конструкций заключается в следующем: при разработке новых устройств используется проверенная базовая конструкция, исключающая поиски возможных решений и возможные ошибки; обеспечивается большая преемственность в производстве устройств, созданных на одной базе; значительно ускоряется подготовка производства и снижаются расходы на её выполнение; намного облегчаются эксплуатация и ремонт устройств, имеющих много общих конструктивных элементов; вокруг типовых (базовых) изделий легко могут создаваться различные модификации (типовые ряды) путем некоторых изменений типового изделия.

Унификация – метод стандартизации, заключающийся в рациональном сокращении существующей номенклатуры объектов путем их отбора или создания новых объектов широкого применения, выполняющих большинство функций объектов данной совокупности, но не исключающих использование других объектов аналогичного назначения. Универсальность этого метода заключается в том, что он исключает использование других объектов аналогичного назначения.

Унификация обладает следующими признаками: единообразие в конструктивном исполнении различных устройств; функциональная законченность устройств; подчинение основных параметров устройств общим требованиям или закону; возможность использования унифицированных изделий в составе устройств различного функционального назначения; обеспечение взаимозаменяемости с учетом наличия единых (или кратных) габаритных, установочных и присоединительных размеров.

В общетехническом понимании базовые конструкции представляют собой изделия, в которых определенные конструкторские решения сохранены неизменными (унификация и типизация) для ряда изделий.

В качестве примера как частный случай можно рассмотреть понятия, приведенные в ГОСТ 20504–81. Согласно которому для РЭС вводятся понятия – элементный базис, изделия нулевого порядка – монтажная вдвижная плата, изделия первого порядка – каркас частичный, изделия второго порядка – каркас блочный, каркас комплектный, изделия третьего порядка – кожух встраиваемый, кожух настенный, кожух настольный, стойка стационарная, стойка передвижная, стойка настольная, шкаф напольный, шкаф настенный, тумба, стол, секция пульта, секция щита, подставка, вставка пульта, вставка щита. Причем ГОСТ 20504 – 81 предусматривает обязательную входимость изделий низших уровней в высшие.

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 = C₁ = C₂ , R = R₁ = R₂ .

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  – 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 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 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 , 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 , выраженной в процентах.

Средний срок службы – математическое ожидание срока службы.

Показатели сохраняемости

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

Средний срок сохраняемости – математическое ожидание срока сохраняемости.

Показатели ремонтопригодности

Вероятность восстановления – вероятность того, что время восстановления работоспособного состояния объекта на превышает заданное значение.

Гамма – процентное время восстановления – время в течение которого восстановление работоспособности объекта будет осуществлено с вероятностью , выраженной в процентах.

Среднее время восстановления – математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния объекта после отказа.

Интенсивность восстановления – условная плотность вероятности восстановления работоспособного состояния объекта, определенная для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента восстановление не было завершено.

Средняя трудоемкость восстановления – математическое ожидание трудоемкости восстановления объекта после отказа.

Технологичность является одним из важнейших свойств конструкции РЭС (см. с. 72).

Номенклатура количественных показателей технологичности для деталей и сборочных единиц (СБ) дана в ГОСТ 14.205–83 (таблица 2.1).

Таблица 2.1 Показатели технологичности

Показатель	Деталь	СБ
Трудоемкость изготовления (Ти )	+	+
Удельная материалоемкость (энергия) (Ум)	+	+
Технологическая себестоимость (Тс)	+	+
Средняя оперативная трудоемкость технического обслуживания и ремонта	–	+
Средняя оперативная стоимость технического обслуживания	–	+
Удельная трудоемкость изготовления изделия	–	+
Трудоемкость монтажа	–	+
Коэффициент применяемости материала (Кпм)	–	+
Коэффициент унификации конструктивных элементов (Ку)	+	+
Коэффициент сборности	–	+

Т_и определяется как

, (2.18)

где Т_i – трудоемкость изготовления i-ой составной части изделия,

N – количество составных частей изделия.

У_м определяется как

(2.19)

где G_и – масса изделия (детали),

Р – мощность, затраченная на его изготовление.

Т_С определяется как

, (2.20)

где С_м – стоимость материалов,

С_з – заработная плата производственных рабочтх,

С_цр – цеховые расходы на электроэнергию, амортизацию оборудования.

К_пм определяется как

, (2.21))

где N – общее количество наименований деталей,

N_м – общее количество примененных в конструкции типоразмеров и марок материалов.

К_у определяется как

, (2.22)

где N – количество деталей одного наименования,

N_н – количество наименований (типоразмеров) деталей в изделии.

Патентность – свойство технических разработок находиться под охраной международного авторского права, если они обладают новизной, полезностью и юридически оформлены.

Патентоспособность (П_п) – возможность патентования за рубежом.

Патентная чистота (П_ч)– неиспользование чужих патентов без юридического оформления.

Литература

Основная

[1, 2, 3, 8, 9, 10, 11, 12].

Дополнительная

[19, 23].

Контрольные вопросы и задания

1 Перечислите основные свойства конструкции РЭС и дайте им определение.

2 Объясните структурную иерархию конструкций РЭС.