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可靠性分配在無損檢測儀器中的應(yīng)用

2023-01-12 03:56黃春明
裝備制造技術(shù) 2022年10期
關(guān)鍵詞:故障率分配儀器

黃春明

(中廣核檢測技術(shù)有限公司,江蘇 蘇州 215000)

0 引言

可靠性設(shè)計是可靠性工程中最重要的組成部分,是提高產(chǎn)品固有可靠性水平的基本措施??煽啃苑峙涫强煽啃栽O(shè)計的重要環(huán)節(jié),是指將系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)分配到各功能層次的分系統(tǒng)、設(shè)備及元件,用以確定各個低層次產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。同時,可靠性分配是可靠性設(shè)計的重要理論分析工具,在一定程度上可以評估設(shè)計方案、預(yù)估研制成本、指導(dǎo)設(shè)計改進,為產(chǎn)品的可靠性水平和質(zhì)量提供保障。

由于國內(nèi)民用可靠性研究起步相對較晚,目前尚未建立完善的可靠性體系,大多在參考軍用標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上根據(jù)產(chǎn)品實際要求開展相應(yīng)的工作,但適用性有待進一步驗證。隨著行業(yè)快速發(fā)展,迫切需要探索合適的可靠性設(shè)計方法來滿足對無損檢測儀器的高質(zhì)量要求。本文以自主研制的多功能無損檢測儀器為研究對象,針對儀器可靠性指標(biāo)要求,采用評分法進行可靠性指標(biāo)分配,給出了儀器可靠性分配方法與流程,為可靠性設(shè)計的進一步探索提供基礎(chǔ)。

1 可靠性要求

可靠性指標(biāo)是在儀器設(shè)計階段就提出的可靠性要求,貫穿于設(shè)計、研制、測試、驗收等儀器研制全過程。由于本儀器為可修復(fù)使用的產(chǎn)品,選用的可靠性指標(biāo)為平均故障間隔時間(MTBF),即兩次相鄰故障間工作時間的平均值,其壽命服從指數(shù)分布。MTBF值越大,儀器的可靠性越高,規(guī)定時間內(nèi)的故障率越小。

根據(jù)儀器的應(yīng)用環(huán)境、工作特性和質(zhì)量要求,在設(shè)計階段提出了儀器整機平均故障間隔時間MTBF≥3000 h作為可靠性指標(biāo)。

2 可靠性指標(biāo)分配

可靠性分配是為了把系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)按照一定的準(zhǔn)則分配給各組成單元而進行的工作,其目的就是將整個系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為每一個分系統(tǒng)或單元的可靠性指標(biāo)??煽啃苑峙鋺?yīng)在儀器研制階段早期進行,把可靠性定量指標(biāo)分配到規(guī)定的系統(tǒng)層次,使各層次的設(shè)計人員明確所研制儀器的可靠性要求,為可靠性整體設(shè)計、元器件、原材料的選擇提供依據(jù),同時為外委加工或外購件可靠性定量要求提供依據(jù)。

2.1 分配原則

可靠性分配一般遵循如下原則:

(1)復(fù)雜的單元、技術(shù)上不成熟或技術(shù)難度大的單元、工作環(huán)境惡劣的單元、長期工作的單元應(yīng)分配較低的可靠性指標(biāo)。

(2)重要度高的單元應(yīng)分配較高的可靠性指標(biāo)。

(3)不易維修、更換的單元應(yīng)分配較高的可靠性指標(biāo)。

(4)可靠性分配應(yīng)在設(shè)計階段開展,使設(shè)計人員盡早將可靠性要求體現(xiàn)在設(shè)計中。

(5)分配應(yīng)在目標(biāo)值或規(guī)定值基礎(chǔ)上留有適當(dāng)余量,以便在增加新單元或改進設(shè)計時減少重新分配工作量。

2.2 分配流程

可靠性分配是“分配-驗證-再分配-再驗證”反復(fù)迭代的過程。分配流程,如圖1所示。

圖1 可靠性分配流程

2.3 分配方法

可靠性分配方法有很多,比較常用的如平均分配法、AGREE分配法、評分分配法、比例組合分配法等,所采用的分配方法需要根據(jù)能夠獲取的產(chǎn)品信息進行選擇??紤]本儀器尚處于研制初期設(shè)計階段,元器件型號尚未定型,結(jié)合可靠性指標(biāo)要求,選擇評分分配法進行可靠性指標(biāo)分配,該方法是通過評分對各個因素進行綜合分析以獲得系統(tǒng)各組成單元之間可靠性相對比值[1]。綜合分析本儀器可靠性要求和影響因素,評分因素主要選取復(fù)雜程度、技術(shù)水平、重要度和環(huán)境條件四個關(guān)鍵因素,如表1所示。

表1 評分因素

2.4 數(shù)學(xué)模型

對儀器進行可靠性指標(biāo)分配,首先需要建立可靠性模型。本文從儀器基本可靠性即統(tǒng)計壽命周期內(nèi)的所有關(guān)聯(lián)故障角度進行分配,因此可靠性模型為串聯(lián)模型[2]。

(1)可靠性框圖

本儀器由7個核心單元組成,主要包括電源和通訊網(wǎng)絡(luò)支持單元、超聲多通道檢測單元、超聲相控陣檢測單元、超聲TOFD檢測單元、渦流陣列單元和多路器單元。儀器整機功能結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2 儀器功能結(jié)構(gòu)

基本可靠性是基于將儀器所有單元發(fā)生的故障都要進行維修或更換的范疇,即使有些單元故障不影響儀器功能,依然需要考慮在內(nèi)。儀器可靠性框圖,如圖3所示。

圖3 儀器可靠性框圖

(2)數(shù)學(xué)模型

可靠性分配需要通過數(shù)學(xué)計算獲得各分配單元分配值,評分法采用數(shù)學(xué)模型[3]如下。

設(shè)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)為λS,分配給每個分系統(tǒng)的故障率為λi,計算公式如下:

式中:i=1,2,…,n為分系統(tǒng)數(shù)量;Ci為第i個分系統(tǒng)的評分系數(shù)。

式中:wi為第i個分系統(tǒng)評分?jǐn)?shù);w為系統(tǒng)的評分?jǐn)?shù)。

式中:rij為第i個分系統(tǒng),第j個因素的評分?jǐn)?shù);m為評分因素數(shù),即j=1為復(fù)雜度,j=2為技術(shù)水平,j=3為重要度,j=4為環(huán)境條件。

式中:i=1,2,…,n為分系統(tǒng)數(shù)量。

3 可靠性分配結(jié)果

根據(jù)可靠性要求,需把可靠性指標(biāo)MTBF≥3000h作為最小目標(biāo)值進行分配,按照公式(1)~(4)分配至每個核心組成單元。

本文邀請5位有經(jīng)驗的專業(yè)技術(shù)專家,對表1中4個關(guān)鍵影響因素分別進行評分,然后取平均值。考慮儀器在研制過程中可能會發(fā)生采購、外協(xié)部件規(guī)格更換,以及有些可能失效的連接器、電纜等附件,于是在可靠性目標(biāo)值基礎(chǔ)上按15%余量進行分配??煽啃灾笜?biāo)分配結(jié)果,如表2所示。

表2 儀器可靠性指標(biāo)MTBF分配結(jié)果

由表2可以看出,MTBF目標(biāo)值3000 h的整機可靠性指標(biāo)和15%的余量值均已分配至各組成單元,可為各單元提供可靠性定量參數(shù),并為可靠性設(shè)計、元器件的選擇、外協(xié)件的質(zhì)量要求提供參考依據(jù)。

4 分配結(jié)果評估

通??煽啃苑峙渑c可靠性預(yù)計同步開展,兩者相結(jié)合反復(fù)迭代地進行,通過可靠性預(yù)計結(jié)果來初步評估可靠性分配的合理性。在完成可靠性指標(biāo)分配后,各單元按照分配值進行詳細(xì)設(shè)計和元器件型號確定等,然后根據(jù)元器件參數(shù)開展可靠性預(yù)計,若MTBF預(yù)計值小于可靠性分配值即預(yù)計故障率大于分配故障率,則不能滿足可靠性指標(biāo)要求,需要對可靠性指標(biāo)重新分配。

將可靠性預(yù)計值與分配值進行了比較,比較結(jié)果如表3所示。

表3 可靠性預(yù)計值與可靠性分配值比較結(jié)果

從表3可以看出,λ預(yù)計=212.3583×10-6<λ分配=289.86×10-6即儀器可靠性預(yù)計故障率比可靠性分配故障率小,說明儀器整機設(shè)計方案初步滿足可靠性指標(biāo)要求,可靠性分配值基本合理。針對預(yù)計故障率稍高的超聲相控陣單元,可根據(jù)需要優(yōu)化設(shè)計,進一步提高可靠性水平。

5 結(jié)語

本文以自主研制無損檢測儀器為對象,對整機可靠性指標(biāo)進行分配,全面揭示了可靠性分配流程和方法,并通過可靠性預(yù)計結(jié)果對分配結(jié)果進行了驗證。總結(jié)如下:

(1)可靠性分配應(yīng)盡早開展,以使設(shè)計人員將可靠性要求融入設(shè)計方案中,同時為外購件、外協(xié)件的供貨要求提供依據(jù)和支撐。

(2)可靠性分配是多次反復(fù)分配的過程,隨著設(shè)計的不斷細(xì)化、改進,以及采購件的變化等,各單元的可靠性分配指標(biāo)都需要及時進行調(diào)整。在每次分配時應(yīng)留有一定余量,以減少分配次數(shù)。

(3)可靠性分配可與可靠性預(yù)計同步進行,若可靠性預(yù)計值不能滿足可靠性要求,則需要優(yōu)化分配值,直到符合要求。

可靠性分配是可靠性工作的重要組成,在儀器設(shè)計階段可為可靠性水平和質(zhì)量保證提供重要的科學(xué)支撐。

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