1.8 Требование к ремонтопригодности

Блок относится к восстанавливаемым и ремонтируемым изделиям. Ремонт допускается проводить на предприятии-изготовителе или на специальной ремонтной базе.

1.9 Требования к элементной базе и комплектующим изделиям.

В изделии допускается применение комплектующих зарубежного производства при условии их явного преимущества перед отечественными аналогами по основным техническо-экономическим показателям.

1.10 Требования к стандартизации и унификации

Изделие должно быть разработано с максимальным использованием стандартизованных и нормализованных деталей, узлов и конструктивных изделий.

Все элементы конструкции выполнять в соответствии с государственными стандартами.

1.11 Требования к надежности

Показателем надежности и долговечности устройства является среднее время наработки на отказ всех элементов и комплектующих входящих и составляет приблизительно 25000 часов.

1.12Требования к эргономике и дизайну

Устройство должно быть выполнено в удобном для эксплуатации корпусе, хорошо вписывающемся в современный интерьер.

индикатор должен быть выбран с учетом следующих условий работы блока:

- максимальная дистанция наблюдения, м…………………………………2;

- цвет свечения дисплея ……………………………………..желто-зеленый;

- контрастность дисплея ……………………………………………….….4:1;

- интенсивность свечения дисплея, мКд……………………………….….12.

Наличие трещин, царапин, расслоений и других дефектов не допускается.

1.13Требования к безопасности

Согласно ГОСТ Р 52161.1-2004 прибор должен быть сконструирован так, чтоб при нормальной эксплуатации он работал безопасно, чтобы не возникала опасность для работающего с ним человека и окружающей среды, даже в случае небрежного обращения с прибором, возможного при эксплуатации.

Пробор должен быть сконструирован так чтоб была достаточная защита пользователя от случайного контакта с токоведущими частями.

Материалы изделия не должны выделять токсичных, вредных для здоровья человека веществ.

Внешний вид и качество покрытий должны соответствовать нормам. Номенклатура материалов, применяемых в изделии, должна быть минимально возможной и соответствовать требованиям стандартов и действующим ограничительным перечням.

1.14 Производственно-технологические требования.

Следует использовать широко распространенные и общедоступные материалы и комплектующие.

Необходимо минимизировать использование драгметаллов

Целесообразно использовать типовые технологические процессы изготовления узла.

Планируемый объем производства 1000 шт/год

2 Анализ технического задания

Основываясь на области применения рассматриваемого изделия, необходимо выделить основные тенденции проектирования, с помощью которых возможно обеспечить широкие функциональные возможности прибора, относительно низкую стоимость, высокую надежность и привлекательный внешний вид.

Широкие функциональные возможности изделия могут быть обеспечены путем правильного и рационального построения его схемотехнической части. В виду того, что однообразность задачи, решаемой изделием, не требует больших вычислительных мощностей, то наиболее целесообразным решением будет использование микросхем серии КР293 и К155, которые обладают достаточно высокой помехоустойчивостью.

По способу размещения компонентов функциональные ячейки и узлы подразделяются на два типа: односторонние и двусторонние. Последние характеризуются более высокой плотностью монтажа, что позволяет снизить габариты и массу изделия. С целью снижения стоимости изделия желательно использовать односторонний способ монтажа, который позволит отказаться от применения в конструкциях ячеек более дорогих многослойных печатных плат с малым шагом координатной сетки.

По условиям, оговоренным в ТЗ, блок должен надежно работать при случайном воздействии вибраций и небольших ускорений. Поэтому для обеспечения устойчивой работы особых мер принять не следует.

Как следует из данных, приведенных в ТЗ, конструкция блока не будет содержать высокомощных компонентов. Поэтому для обеспечения нормального теплового режима достаточно выполнить рациональную компоновку блока.

В соответствии с ТЗ, блок должен работать в условиях относительно небольшой влажности, поэтому для обеспечения пыле- и влагозащиты достаточно использовать негерметичный глухой корпус.

Для обеспечения внутриаппаратной ЭМС конструкции необходимо: раз- работать топологию плат с учетом возможного возникновения перекрестных помех, обеспечить минимальные индуктивности и сопротивления шин питания, установить на шинах питания фильтрующие конденсаторы.

Блок должен иметь привлекательный внешний вид и отвечать требовани- ям эргономики. Цвет корпуса необходимо выбрать таким образом, чтобы он оказывал благоприятное воздействие на оператора. Надписи на корпусе долж- ны быть хорошо видимыми, легко читаемыми и нестираемыми.

3 Конструкторский анализ электрической схемы блока

1. Описание электрической структурной схемы пульта коммуникации Структурная схема пульта коммуникации приведена в графической части курсового проекта на чертеже АПИД.408843.014 Э1.

На структурной схеме отображены основные элементы конструкции, схема дает общее представление о работе пульта коммуникации.

Схема запитывается от двух лабораторных блоков питания

напряжением +5 В, +24 В и +24…110 В соответственно.

Программа, запущенная на электронной вычислительной машине (ЭВМ), управляет работой стенда.

Модуль сопряжения и генерации обрабатывает сигналы, поступающие с датчиков давления ВР…ВР2 и катушек проверяемых клапанов YA1, YA2, и передает их на ЭВМ. Также модуль сопряжения и генерации принимает управляющие сигналы с ЭВМ и управляет работой клапанов YA1… YA5.

Промежуточное реле обеспечивает функционирование пульта коммуникации в двух режимах работы «Ручной» и «Автоматический», а также управляет светодиодной индикацией.

Панель коммутации, представляет собой набор переключателей и тумблеров, использующихся для коммуникации работой стенда в ручном режиме.

2. Принцип работы схемы и устройства

В графической части курсового проекта представлена схема электрическая принципиальная модуля сопряжения и генерации АПИД.411521.014 Э3.

Схема модуля сопряжения и генерации состоит из делителя напряжения, твердотельных реле, генератора прямоугольных импульсов с силовыми выходами, реализованного на микросхемах DD1, DD8, DD9. Пульт так же имеет в своем составе панель коммутации, промежуточное реле и индикацию, реализованную в виде светодиодов VD2...VD6 располагающиеся на панели коммутации.

В пульте реализовано два режима работы «Ручной» и «Автоматический», выбор режимов работы пульта осуществляется путем переключения переключателя SA8 на панели коммутации в соответствующее положение.

При выборе режима работы пульта «Ручной» и включение переключателя SA1 «Питание» загораются светодиоды VD2 «+5V», VD3 «+24V», VD4

«+24…110V», VD5 «Ручной». Переключатель SA6 «Прижим» включает клапан подающий давление в тормозной цилиндр, который прижимает проверяемые клапана. Переключатели SA4 «КЭ1», SA5 «КЭ2» подают давление на проверяемые клапана установленные на первой и соответственно второй линиях проверки. Переключатель SA7, в режиме «Проверка» запускает нормальный режим проверки с участием переключателей SA2 «ИЗД.1», SA3 «ИЗД.2», которые коммутируют катушки первого и соответственно второго проверяемого клапана, позволяя проверить функционирование клапанов в нормальном режиме. При выборе переключателем SA7 режима «Прикатка» запускается генератор, собранный на микросхеме DD1, прямоугольных импульсов частотой 1Гц. В режиме «Прикатка» проводиться наработка на отказ проверяемого клапана.

При выборе режима работы пульта «Автомат.» стенд, а также пульт, переходят под коммуникации прикладного программного обеспечения запущенного на ЭВМ.

Конденсаторы С1…С5 защищают цепи питания от помех высокой частоты. Диоды VD1..VD3 защищают схему прибора от бросков напряжения при коммутации катушек клапанов.

3.3 Анализ элементной базы блока по условиям эксплуатации

Анализ элементной базы проводим с целью установки соответствия радиоэлементов требованиям условий эксплуатации и заданным характеристикам разрабатываемого устройства. Для этого составляем таблицу допустимых значений эксплуатационных характеристик радиокомпонентов. Все компоненты, перечисленные в таблице 3.1, работают при влажности 80% (при 25 ⁰С).

Таблица 3.1 - Анализ элементной базы блока по условиям эксплуатации

Наименование	Температура, °С			Механические возд.			Влаж- ность (t=+25 0C), %
	min	max	Вибраци, Гц		Линейное ускорение, g
1	2	3	4		5	6
Микросхема К155ЛА3	-10	+70	1-1000		50	98
Твердотельное реле КР293КП12БП	-45	+85	1-600		20	98
Твердотельное реле КР293КП12АП	-45	+85	1-600		20	98
ЧИП конденсатор 0,1 мкФ Y5V	-60	+100	1-5000		200	98
Конденсатор ЕСR 16V	-60	+80	1-3000		50	98
Резистор C2-33H-0,125	-60	+125	1-5000		200	98
Диод 1N4005	-40	+85	1-5000		50	98
Клемник винтовой MB322-500M	-40	+105	1-2000		30	98
Клеммник винтовой MB322-100M	-40	+105	1-2000		30	98
Реле промежуточное РЭК77/4	-60	+85	1-2000		50	98

Продолжение таблицы 3.1

1	2	3	4	5	6
Сетевой переключатель B127B	-20	+50	1-2000	30	98
Сетевой переключатель B128A	-20	+50	1-2000	30	98
Сетевой переключатель B100K	-20	+50	1-2000	30	98
Сетевой переключатель R13-66	-20	+50	1-2000	30	98
Сетевой переключатель B1013	-20	+50	1-2000	30	98
Сетевой переключатель R13112A	-20	+50	1-2000	30	98
Светодиод АЛ307КМ	-40	+85	1-5000	50	98
Светодиод АЛ307НМ	-40	+85	1-5000	50	98
Транзистор КТ503А	-60	+85	1-7000	200	98
Вилка 2РМ14Б4Ш1Е1	-60	+85	1-8000	300	98
Вилка 2РМ18Б4Ш5Е1	-60	+85	1-8000	300	98
Разъем DHS-26M	-55	+105	1-5000	100	98
Разъем DHS-44F	-55	+105	1-5000	100	98
Разъем BNC124	-40	+125	1-8000	200	98
Разъем модульный РРМ77/4	-60	+85	1-5000	100	98
Розетка 2РМ14Б4Г1Е1	-60	+85	1-8000	300	98
Розетка 2РМ18Б7Г1Е1	-60	+85	1-8000	300	98

Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что выбранная элементная база полностью удовлетворяет требованиям технического задания.

3.4 Разукрупнение электрической схемы блока

Любая РЭС строится по иерархическому принципу. Поэтому одной из основных задач конструирования является разукрупнение электрической схемы проектируемого изделия на конструктивно-технологические единицы (КТЕ). Главными принципами разукрупнения при модульном конструировании РЭС являются:

• КТЕ должны быть функционально и конструктивно завершёнными;

• максимальная повторяемость КТЕ в проектируемом изделии;

• увеличение в пределах технологических и экономических ограничений функциональной сложности КТЕ низших уровней;

• конструктивная, технологическая, тепловая и электромагнитная совместимость КТЕ;

• количество выводов у КТЕ должно быть минимальным.

В электрической схеме пульта коммуникации можно выделить следующие функциональные узлы:

• модуль сопряжения;

• модуль генерации.

С помощью математического расчёта выберем наилучший вариант разбиения. Будем рассматривать следующие варианты: из 1 КТЕ и 2 КТЕ.

За критериальную количественную оценку качества разукрупнения примем комплексный показатель:

где , - значения весовых коэффициентов, установленные из условия: _ 1;

К', — нормированные значения показателей качества.

В качестве показателей качества используем массу конструкции m_к, объ- ем конструкции V_К и общую площадь печатных плат S_пл. Все данные сведем в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 – Показатели качества

Вариант разукрупнения	mк, кг	VK, дм3	Sпл, см2
1КТЕ	0,2	0,25	168
2КТЕ	0,25	0,4	140

Пронормировав показатели качества относительно наибольшего значения в каждом столбце, получим таблицу 3.3.

Таблица 3.3 – Пронормированные показатели качества

Вариант разукрупнения	mк, кг	VK, дм3	Sпл, см2
1КТЕ	0,8	0,6	1
2КТЕ	1	1	0,8

Учитывая требования ТЗ и выбор базовой несущей конструкции, полагаем, что весовые коэффициенты равнозначны и равны = 0,33.

Комплексные оценки для трех вариантов разукрупнения будут иметь следующие значения:

Q₁ = 0,33 · 0,8 + 0,33· 0,6 + 0,33 ·1 =0,8,

Q₂ = 0,33·1 + 0,33·1 + 0,33·0,8 =0,9.

Оптимальному варианту разукрупнения РЭС должен соответствовать ми- нимальный комплексный показатель Q_i. Следовательно, оптимальным является

первый вариант разукрупнения с применением одной КТЕ модуль сопряжения и генерации.

3.5 Предварительный расчет объема и массы блока

Расчет производится для проверки выполнения требований к массогабаритным характеристикам изделия при заданном схемотехническом построении. Они определяются с использованием коэффициентов дезинтеграции объема и массы по методике, изложенной в [1], по формулам:

V = V_ЭРК· q_v , (3.2)

m = m_ЭРК· q_m , (3.3)

где V_ЭРК– объем всех ЭРК в блоке, дм³;

m_ЭРК– масса всех ЭРК в блоке, кг;

q_v – коэффициент дезинтеграции объема для заданного типа конструкции; q_m– коэффициент дезинтеграции массы для заданного типа конструкции. Основные группы ЭРК приведены в таблице 3.4

Таблица 3.4 – Массогабаритные характеристики элементной базы блока

Наименование ЭРК	Кол-во n, шт	Установочные параметры
		mi, г	Σmi, г	Vi, мм3	ΣVi, мм3
1	2	3	4	5	6
Микросхема К155ЛА3	1	2	2	350	350
Твердотельное реле КР293КП12БП	6	4	24	1050	6300
Твердотельное реле КР293КП12АП	3	4	12	1050	3150
ЧИП конденсатор 0,1 мкФ Y5V	5	1	5	55	275
Конденсатор ЕСR 16V	1	2	2	625	625
Резистор C2-33H-0,125	18	1	18	44	792
Диод 1N4005	3	1	3	44	132
Клемники винтовые
MB322-100M-07P	1	25	25	650	650
MB322-100M-02P	1	7	7	140	140
MB322-100M-05P	1	14	14	450	450
MB322-100M-03P	1	9	9	230	230
MB322-100M-06P	1	20	20	550	550
MB322-100M-09P	1	30	30	830	830
Реле промежуточное РЭК77/4	1	40	40	100000	100000
Сетевой переключатель B127B	1	10	10	22500	22500

Продолжение таблицы 3.4

1	2	3	4	5	6
Сетевой переключатель B128A	2	10	20	22500	45000
Сетевой переключатель B100K	3	6	18	12000	36000
Сетевой переключатель R13-66	1	6	6	12000	12000
Сетевой переключатель B1013	1	6	6	12000	12000
Сетевой переключатель R13112A	1	6	6	12000	12000
Светодиод АЛ307КМ	3	1	3	80	240
Светодиод АЛ307НМ	2	1	2	80	160
Транзистор КТ503А	1	1	1	90	90
Вилка 2РМ14Б4Ш1Е1	1	20	20	4100	4100
Вилка 2РМ18Б4Ш5Е1	1	30	30	5500	5500
Разъем DHS-26M	1	10	10	3360	3360
Разъем DHS-44F	1	15	15	4500	4500
Разъем BNC124	8	6	48	2000	16000
Разъем модульный РМ77/4	1	35	35	101500	101500
Розетка 2РМ14Б4Г1Е1	1	20	20	4100	4100
Розетка 2РМ18Б7Г1Е1	2	30	60	5500	11000
Плата	1	47	47	25200	25200
Σ			564		455374

При установке компонентов на печатную плату происходит потеря площади и объёма узла, так как невозможно установить все компоненты без потерь. То же самое происходит и при сборке блока. Данные потери учитывают коэффициенты дезинтеграции по объёму и массе, определяемые из [2], которые для данного блока составляют:

по объёму: q_v = 1,8;

по массе: q_м = 1,2.

Рассчитаем удельный объём и массу блока:

V = 455374·1,8 = 819673,2 мм³=0,819 дм³,

m = 564∙1,2 = 676,8 г.

Расчёт удовлетворяет требованиям технического задания на массогабаритные характеристики (V ≤ 3,5 дм³, m ≤ 1,5 кг).

4 Разработка конструкции блока

4.1 Выбор метода конструирования

Существует два различных подхода к разработке конструкций РЭС. Первый из них основан на широком использовании в РЭС унифицированных несущих конструкций, принимаемых за базу (основу) для создания различных изделий, аналогичных или близких по функциональному назначению. Этот метод называется методом базовых несущих конструкций (БНК), где под БНК понимают несущие конструкции, габаритные, установочные и присоединительные размеры которых стандартизированы и обеспечивают размерную взаимозаменяемость аппаратуры. Такой подход позволяет сократить затраты на проектирование, освоение, производство и эксплуатацию РЭС.

Второй подход заключается в создании РЭС на основе оригинальных несущих конструкций. Его использование наиболее характерно для ракетных РЭС, к которым предъявляют жесткие требования по габаритам, массе и форме, а также для бытовых РЭС, для которых на первом плане стоит оригинальность дизайна.

При компоновке блока целесообразно использовать основные правила функционально-узлового метода, который является разновидностью базового метода конструирования.

4.2 Компоновка блока

Под компоновкой блоков понимают взаимную ориентацию ячеек или других конструктивных зон (электрической коммутации, механических элементов и т.п.) в заданном объеме блока. Для выбора компоновочной схемы решающее значение имеют следующие факторы: вид РЭС (бортовая, наземная и др.), условия эксплуатации (уровни механических, тепловых и др. воздействий), требования к ремонтопригодности, вид используемой элементной базы, способ выполнения электрических соединений и др.

При компоновке блока необходимо определить рациональные величины зазоров между элементами конструкции. Эти зазоры, с одной стороны, должны обеспечивать удобство сборки блока, необходимую степень изоляции между токонесущими элементами, нормальный тепловой режим блока и т.п., а с другой достаточно высокую плотность упаковки компонентов в блоке.

1. Определение габаритных размеров печатных узлов

Согласно ГОСТ Р 53429-2009 ПП размеры каждой из сторон печатной платы должны быть кратными: 2,5 мм при длине до 100 мм включительно; 5 мм до 350 мм включительно. Окончательно получим следующие габаритные размеры печатной платы модуля сопряжения и генерации: длина L_y1=120 мм, ширина L_x1=140 мм, максимальная высота элементов Н_эл = 15 мм.

2. Выбор типа конструкции и схемы компоновки блока.

Компоновку пульта коммуникации для простоты сборки, эксплуатации и ремонта выполняется разъёмной. Коммутацию между модулем сопряжения и генерации, реле, панелью коммутации и внешними разъемами целесообразно осуществить с помощью винтовых клемников.

3. Компоновочный эскиз

В результате разукрупнения блока на КТЕ была определена оптимальная схема компоновки блока, в которой функциональная ячейка (ФЯ) (модуль со- пряжения и генерации) крепиться к основанию блока на четырех бобышках. Предлагаемый способ установки модуля позволяет увеличить степень безопас- ности прибора. Промежуточное реле устанавливается рядом с ФЯ. Основание крепиться к крышки с помощью четырех винтов со стороны основания. Ком- мутационные элементы устанавливаться на панели коммутации, которая кре питься к основной части блока с помощью четырех самонарезающихся винтов. Все разъемы устанавливаются на задней части пульта.

Компоновочный эскиз пульта коммуникации представлен на рисунке 4.1.

1 – модулем сопряжения и генерации; 2 – промежуточное реле;

3 – разъем модульный; 4 – панель коммутации; 5 – кожух; 6 – панель;

7 – внешние разъемы.

Рисунок 4.1 – Компоновочный эскиз пульта коммуникации

При выполнении эскиза принимаем следующие нормы:

– толщина плат h_п=1,5 мм;

• толщина стенок корпуса без учета локальных утолщений типа рёбер жёсткости, приливов и др. принимается равной δ_К = 3 мм;

• высота модульного разъема для монтажа реле, h_МР = 26 мм;

• высота реле, h_Реле = 32 мм;

• воздушный зазор между промежуточным реле и нижней частью пере- ключателя назначается таким, чтобы не было их касания даже при вибрациях, h_ВЗ1 = 10 мм;

• высота переключателя с учетом угла наклона панели коммутации,

h_Пер.= 26 мм;

• расстояние между передним краем корпуса и модульным разъемом,

l_ВЗ1=60 мм;

• длина модульного разъема, l_МЗ1=78 мм;

• воздушный зазор между модульным разъемом и выступающей частью внешнего разъема, l_ВЗ2 = 5 мм;

• длина выступающей части внешнего разъема внутрь корпуса, l_РБ1=7 мм;

• длина выступающей части внешнего разъема наружу корпуса,

l_РБ2=7 мм;

• боковые зазоры между модулем сопряжения и генерации и боковой стенкой корпуса, назначаемые из условия удобства сборки и монтажа блока, везде должны быть l_ЗБ1 = 2 мм;

• расстояние между модулем сопряжения и генерации и модульным

разъемом, l_ЗМ-Р=17 мм;

• ширина модульного разъема, l_МЗ2=44 мм;

• боковые зазоры между модульным разъемом и боковой стенкой корпу- са, назначаемые из условия удобства сборки и монтажа блока, везде должны быть l_ЗБ2 = 11 мм;

Из эскиза видно, что длину L_К, ширину В_К и высоту Н_К корпуса блока можно рассчитать по формулам:

L_К= L_x1+2·δ_К + l_ЗБ1 + l_ЗМ-Р + l_МЗ2 + l_ЗБ2 , B_К= L_y1+2·δ_К +l_ВЗ1+l_МЗ1+l_ВЗ2+l_РБ1 ,

L_К=140+2·3+2+17+44+11=220 мм; B_К=60+2·3+78+5+7=156 мм;

H_К= h_МР +2·δ_К+ h_Реле + h_ВЗ1+ h_Пер.,

H_К 26+3·2+32+10+26=100 мм,

Объём корпуса блока V_б:

V_б = L_К·B_К·H_К ,

V_б =220·156·100= 3432000 мм² ≈ 3,4 дм³.

Габаритные размеры блока (длина L_б, ширина В_б и высота Н_б) определяются следующим образом:

L_б= L_К =220 мм,

В_б = B_К + l_РБ2,

В_б =156+7=163 мм;

Н_б = H_К+h_н ,

Н_б =100+3=мм, где h_н – высота ножек.

4.3 Выбор системы охлаждения

Массогабаритные характеристики блока во многом зависят от способа его охлаждения, который в свою очередь должен обеспечить нормальный тепловой режим конструкции.

Выбор системы охлаждения будем производить по методике, изложенной в [2]. При выборе системы охлаждения используются следующие исходные данные:

• мощность, потребляемая блоком от источника питания Р = 2 Вт;

• максимальное значение температуры окружающей среды t_cмакс=35⁰ С;

• допустимая рабочая температура наименее теплостойкого элемента

t_{эл min} = 50⁰ С;

• минимальное давление окружающей среды Нc_min = 684 мм. рт. ст.;

• нормальное атмосферное давление Н = 760 мм. рт. ст.;

• длина корпуса А = 220 мм;

• ширина корпуса В = 156 мм;

• высота корпуса Н = 100 мм;

Тепловой поток рассеивания блока Р_блт, Вт., определим следующим обра-

зом:

^Р_блт ^Р_бл ^{1 η}(4.1)

где ^{η 0,6} - коэффициент полезного действия.

^Р_блт ^{2 10,60,8} Вт.

Площадь поверхности теплообмена (корпуса блока):

S_к = 2(А∙В + А∙Н + В∙Н) (4.2)

S_к = 2∙(220∙156 + 220∙100 + 156∙100) = 143840 мм² = 0,14 м²

Поправочный коэффициент на давление окружающей среды:

где H_Cmin – минимальное давление окружающей среды, мм рт.ст.;

H – нормальное атмосферное давление, равное 760, мм рт.ст.

Поверхностная плотность теплового потока, Р_os, Вт/м²:

Допустимый перегрев конструкции, Δt_доп, °С, рассчитывается по формуле:

^Δtдоп ^{= t}эл.min ^{- t}c.max^{, (4.5)}

где t_эл.min – допустимая рабочая температура наименее теплостойкого элемента, [⁰ C];

t_с.max – максимальная температура окружающей среды, ⁰ C.

Δt_доп = 50 – 35=15 °С.

Из пункта 4.9 по графику [2] определяется, что для данной конструкции можно использовать естественный воздушный способ охлаждения.