Введение, где определяется цель и актуальность работы
Современная судовая аппаратура — это сложнейший комплекс систем, от безотказной работы которого зависят не только экономическая эффективность коммерческих рейсов, но и, что более важно, безопасность экипажа и сохранность груза. Надежность оборудования напрямую влияет на снижение эксплуатационных расходов и увеличение межремонтных периодов, что делает задачу ее объективной оценки чрезвычайно актуальной. Однако как сравнить два разных устройства, если одно производительнее, а другое дешевле в обслуживании? Для решения этой дилеммы используется интегральный показатель качества (ИПК) — ключевой инструмент, позволяющий свести множество характеристик к единому, понятному критерию.
Целью данной курсовой работы является разработка и практическое применение методики расчета интегрального показателя качества на примере конкретного образца судовой аппаратуры. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
- Проанализировать исходные технические требования к аппаратуре.
- Обосновать выбор конструктивно-технологических решений.
- Выполнить расчет основных параметров и показателей надежности.
- Рассчитать полные затраты на создание и эксплуатацию оборудования.
- Провести итоговый расчет интегрального показателя качества и сделать выводы.
Теоретические основы и сущность интегрального показателя качества
Под «качеством» радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) понимают совокупность свойств, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением. Оценивать такое сложное изделие по одному параметру, например, по производительности или цене, — значит получать однобокую и неполную картину. Именно для комплексной, объективной оценки и был введен интегральный показатель качества.
Согласно определению, ИПК отражает соотношение между суммарным полезным эффектом от эксплуатации продукции и суммарными затратами на ее создание и использование в течение всего жизненного цикла. Проще говоря, формула ИПК — это попытка ответить на вопрос: «Сколько пользы мы получаем на каждый вложенный рубль?».
В основе этого подхода лежит фундаментальный баланс: с одной стороны — производительность и надежность, с другой — финансовые вложения.
В качестве теоретической базы для расчетов используются методы из теории надежности, теории вероятностей и математической статистики, которые позволяют дать количественную оценку таким параметрам, как безотказность и долговечность. Таким образом, ИПК объединяет в себе:
- Полезный эффект: технические характеристики, производительность, показатели надежности (безотказность, ремонтопригодность).
- Совокупные затраты: расходы на разработку (НИОКР), производство, а также все эксплуатационные издержки (ремонт, энергия, ТО) за срок службы.
Этот показатель позволяет сравнивать различные варианты оборудования и выбирать тот, что является наиболее экономически целесообразным в долгосрочной перспективе.
Этап 1. Как обосновать и выбрать конструктивно-технологические решения
Любой расчет начинается с анализа исходных данных — технического задания, которое определяет требования к будущему устройству. Именно на этом этапе закладывается фундамент будущей надежности и эффективности, ведь качество сборки и комплектующих напрямую влияет на итоговую функциональность. В рамках нашей курсовой работы рассмотрим следующий пример:
- Назначение аппаратуры: передвижное автофургонное.
- Требуемая сложность схемы: 20 000 логических вентилей.
- Элементная база: выбор между несколькими сериями интегральных микросхем.
- Конструктивное исполнение: рассматриваются различные варианты печатных плат и корпусов.
- Планируемый срок службы: 8 лет.
- Условия эксплуатации: коэффициент эксплуатации 0,5.
Процесс выбора начинается с анализа элементной базы. На основе требуемого количества вентилей (20 000) и назначения аппаратуры инженер выбирает конкретные серии микросхем, обращая внимание на их уровень интеграции, технологию изготовления, энергопотребление и стоимость. Например, для одного и того же функционала можно использовать большее количество микросхем с низкой степенью интеграции или меньшее — с высокой, что повлияет на габариты, энергопотребление и итоговую надежность.
Далее следует выбор конструктива. Сравниваются варианты исполнения: использование стандартных ячеек, разработка уникальных печатных плат, выбор материала корпуса (металл или пластик) и способа монтажа. Каждое решение аргументируется с точки зрения его влияния на массогабаритные показатели, устойчивость к вибрациям (что важно для передвижной аппаратуры) и стоимость производства. Для курсовой работы важно не просто выбрать один вариант, а аргументированно доказать, почему он предпочтительнее других по совокупности ключевых параметров.
Этап 2. Проведение структурного анализа и расчет параметров аппаратуры
После того как выбраны основные компоненты и конструктив, необходимо декомпозировать будущее устройство, то есть провести его структурный анализ. Этот процесс подразумевает определение всех составных частей РЭА — от отдельных элементов (резисторов, конденсаторов, микросхем) до функциональных узлов (плат, блоков питания, модулей). Результатом анализа является структурная схема, которая служит основой для всех последующих инженерных расчетов.
На базе этой схемы и паспортных данных выбранных компонентов рассчитываются ключевые технические параметры аппаратуры. К ним относятся:
- Общая рассеиваемая мощность: Суммируется мощность, потребляемая каждым элементом. Этот параметр критически важен для расчета системы охлаждения.
- Характеристики электропитания: Определяются требуемые значения напряжения и токов для питания всех узлов устройства.
- Масса и габариты: Рассчитываются на основе размеров и веса выбранных корпусов, плат, трансформаторов и других компонентов.
Все расчеты должны вестись со строгим соблюдением отраслевых стандартов. Например, при использовании интегральных микросхем их показатели качества и правила применения могут регламентироваться документами вроде ГОСТ 4.465-87. Связь между выбранными на первом этапе компонентами и рассчитанными параметрами должна быть прямой и очевидной: использование более энергоэффективных микросхем приведет к снижению рассеиваемой мощности, а выбор компактного корпуса — к уменьшению итоговых габаритов.
Этап 3. Определение ключевых параметров надежности оборудования
Надежность — это свойство объекта сохранять работоспособность в течение определенного времени, и это один из важнейших компонентов «полезного эффекта» в формуле ИПК. Расчет надежности опирается на данные о безотказности каждого элемента и общую структурную схему устройства. На этом этапе мы переходим от статических характеристик аппаратуры к прогнозированию ее поведения во времени.
Ключевыми показателями, которые необходимо рассчитать, являются:
- Вероятность безотказной работы P(t): Показывает вероятность того, что устройство не откажет в течение заданного времени. В нашем примере этот параметр задан в требованиях и составляет P(t) = 0,95.
- Интенсивность отказов (λ): Характеризует частоту возникновения отказов. Рассчитывается на основе требуемой вероятности безотказной работы.
- Средняя наработка на отказ (MTBF): Величина, обратная интенсивности отказов (MTBF = 1/λ). Это среднее время, которое устройство работает между двумя последовательными отказами.
- Среднее время восстановления (MTTR): Среднее время, необходимое для ремонта и восстановления работоспособности после отказа.
Расчет начинается с суммирования интенсивностей отказов всех компонентов системы (микросхем, конденсаторов, резисторов, разъемов). Важно помнить, что на надежность оборудования сильно влияют режимы его использования и условия эксплуатации. Поэтому в расчеты вводится коэффициент эксплуатации, который учитывает реальную нагрузку на аппаратуру. В нашем примере он равен 0,5, что означает, что устройство не будет работать в предельных режимах. Полученные значения MTBF и MTTR станут неотъемлемой частью финального вычисления интегрального показателя.
Этап 4. Расчет полной стоимости разработки, производства и эксплуатации
Для объективной оценки качества недостаточно знать, насколько хорошо работает аппаратура. Необходимо понимать, во сколько она обойдется за весь период использования. Этот подход называется анализом затрат жизненного цикла и является второй, экономической, чашей весов в формуле ИПК. Расчет совокупных затрат условно делится на три больших блока.
- Затраты на разработку (НИОКР): Включают в себя расходы на проектирование, создание прототипов, проведение испытаний и подготовку конструкторской документации. В рамках курсовой работы эти затраты часто задаются условно или рассчитываются по укрупненным нормативам.
- Затраты на производство: Это себестоимость серийного изготовления одного изделия. Сюда входят стоимость электронных компонентов, материалов, печатных плат, а также затраты на сборку, монтаж, настройку и контроль качества.
- Затраты на эксплуатацию: Наиболее комплексная часть расчета, так как она охватывает весь срок службы изделия (в нашем примере — 8 лет). Эта сумма складывается из множества компонентов:
- Затраты на электроэнергию, потребляемую устройством.
- Расходы на плановое техническое обслуживание.
- Стоимость ремонтов (зависящая от рассчитанной ранее наработки на отказ).
- Расходы на запасные части, инструменты и принадлежности (ЗИП).
- Амортизационные отчисления.
Тщательный расчет всех этих составляющих позволяет получить итоговую сумму совокупных затрат, которая будет использована в финальной формуле для определения интегрального показателя качества.
Финальный этап. Вычисление и анализ интегрального показателя качества
Мы подошли к кульминации всей курсовой работы — сведению воедино технических и экономических расчетов для получения итоговой оценки. Интегральный показатель качества (ИПК) является отношением суммарного полезного эффекта к общим затратам за жизненный цикл продукта. Его общая формула выглядит так:
ИПК = Полезный эффект / Совокупные затраты
Теперь необходимо наполнить эту концептуальную формулу конкретными значениями, рассчитанными на предыдущих этапах. Хотя точный вид формулы может варьироваться в зависимости от методики, ее компоненты остаются неизменными:
- В «Полезный эффект» (числитель) включаются ключевые параметры производительности и, что самое важное, показатели надежности. Чаще всего основной метрикой здесь выступает средняя наработка на отказ (MTBF), так как она напрямую характеризует способность аппаратуры выполнять свои функции без сбоев.
- В «Совокупные затраты» (знаменатель) подставляется итоговая сумма, полученная на четвертом этапе, которая включает затраты на разработку, производство и всю восьмилетнюю эксплуатацию.
Полученное числовое значение ИПК само по себе не является ни «хорошим», ни «плохим». Его истинная ценность проявляется в сравнении. Например, можно рассчитать ИПК для двух разных вариантов конструкции и выбрать тот, у которого показатель выше.
Анализ результата заключается в интерпретации полученного значения. Высокий ИПК говорит о том, что разработанный вариант аппаратуры обладает высокой надежностью и производительностью при относительно низких затратах за жизненный цикл, то есть является экономически целесообразным и качественным решением. Также можно сделать вывод о возможности оптимизации показателя, например, за счет изменения срока службы или выбора других комплектующих.
Заключение, в котором подводятся итоги и формулируются выводы
В ходе выполнения данной курсовой работы была успешно освоена и применена комплексная методика оценки качества сложной судовой аппаратуры. Мы прошли весь путь от анализа исходных требований и обоснования конструкторских решений до детального расчета технических, надежностных и экономических параметров.
Кульминацией работы стало вычисление интегрального показателя качества (ИПК), который позволил свести множество разнородных характеристик к единому, объективному критерию. На основе полученного числового значения был сделан главный вывод об экономической целесообразности и общем уровне качества спроектированного устройства.
Практическая значимость проделанной работы заключается в приобретении навыков системного подхода к проектированию. Было продемонстрировано, что выбор элементной базы, расчет мощности, оценка надежности и анализ затрат являются не разрозненными задачами, а взаимосвязанными этапами единого процесса, нацеленного на создание конкурентоспособного продукта. В качестве возможного направления для дальнейшего анализа можно предложить сравнительный расчет ИПК для нескольких альтернативных вариантов конструкции с целью выбора оптимального из них.
Список использованной литературы
- ОСТ 4 ГО 010.036 «Методика обоснования и выбора конструктивно-технологических решений».
- ОСТ 4 ГО.010.009 «Узлы и блоки радиоэлектронной аппаратуры на микросхемах. Конструирование.»
- Приложения к ОСТ 4 ГО 010.036 «Методика обоснования и выбора конструктивно-технологических решений».
- С.Ф.Прытков, В.М.Горбачева и др. «Надежность ЭРИ: Справочник.», ЦНИИИ МО РФ, 2002
- ОСТ4 ГО.410.221 «Корпуса шкафов морской радиоэлектронной аппаратуры. Руководство по применению.»
- Т.М.Борисенко, Т.Э.Гельфман и др. «Теоретические основы надежности РЭС», методические указания по выполнению курсовой работы — М.: МИРЭА, 2010г.
- www.vecon.ru (взяты массы вилок и розеток разъемов)
- www.vicgain.sdot.ru/spmikro/smikr1.htm (взята мощность, потребляемая блоком от источника питания).