某新型船舶氣象儀可靠性指標(biāo)的計算與驗證

方渭斌，李孟良

(91774部隊，上海 200083)

0 前言

某新型船舶氣象儀主要用于測量風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度和大氣壓力等氣象指標(biāo)，推算真風(fēng)速、真風(fēng)向、平均風(fēng)速、風(fēng)級、最多風(fēng)速角等信息，并提供所測氣象信息的圖像和數(shù)字顯示。該儀器可通過CAN總線、數(shù)字通訊接口和以太網(wǎng)等方式，接受導(dǎo)航設(shè)備信息，給船舶其他設(shè)備提供氣象參數(shù)，為管理人員制訂計劃和決策提供客觀依據(jù)。根據(jù)設(shè)計要求，其整機MTBF值要求達到4×104h。因裝船試驗條件所限，可以采取可靠性計算，并輔以可靠性驗證的方法，對該設(shè)備進行可靠性分析。

1 分析的目標(biāo)與方法

可靠性分析所用數(shù)據(jù)來源于GB、各組件出廠設(shè)計可靠性指標(biāo)、工業(yè)品級元件通用指標(biāo)要求以及設(shè)備樣機裝船試驗，所取假設(shè)均考慮較惡劣條件和較高失效率，且針對該設(shè)備裝船常規(guī)工作階段進行分析。分析的目的是選取合理的數(shù)據(jù)和方法，進行系統(tǒng)可靠性計算，得出其設(shè)計可靠性，查找系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，推動可靠性增長，并依據(jù)可靠性計算和裝船試驗結(jié)果，在一定的置信度下進行系統(tǒng)可靠性驗證。

設(shè)備故障劃分為關(guān)聯(lián)故障或非關(guān)聯(lián)故障，非關(guān)聯(lián)故障不參加可靠性評定。故障判據(jù)如下:①在規(guī)定的條件下，產(chǎn)品的功能或性能不能滿足技術(shù)條件時判為故障;②試驗中時好時壞，原因不明的判為故障;③試驗中更換未滿壽命期限的元器件或組件應(yīng)判為故障;④在規(guī)定應(yīng)力范圍內(nèi)，由于機械零件或元器件的斷裂、變形、破碎、卡死等導(dǎo)致產(chǎn)品不能完成規(guī)定功能的判為故障。

屬于下列情況的故障應(yīng)列入非關(guān)聯(lián)故障:①從屬故障，由其它設(shè)備故障引起的故障;②誤用故障，指對設(shè)備施加了超過其規(guī)定能力的應(yīng)力或人為失誤等，沒按規(guī)定條件使用產(chǎn)品而造成的故障;③修改設(shè)計可以消除的故障。即對一類故障模式已查明原因，并對母體的全部產(chǎn)品采取了有效的糾正措施，經(jīng)驗證不再重現(xiàn)這類故障，則這類故障應(yīng)劃入非關(guān)聯(lián)故障。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

2.1 可靠性框圖

根據(jù)研制方案和樣機，該儀器基本配置由電源模塊、主機、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器構(gòu)成。其基本功能框圖如圖1所示。

圖1 基本功能框圖

考慮到船用電源的數(shù)量及可更換性，可將電源模塊視為雙機冷儲備;風(fēng)速風(fēng)向傳感器為設(shè)備的主要部件，安裝在桅桿，且需連續(xù)工作，2部風(fēng)速風(fēng)向儀互不干擾，且均可獨立完成系統(tǒng)功能，為雙機熱儲備。溫濕度傳感器和大氣壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡單，僅提供輔助數(shù)據(jù)。

根據(jù)故障判據(jù)和系統(tǒng)功能要求，該系統(tǒng)需納入可靠性評定的主要故障模式包括:①電源模塊故障，且無法更換;②2部風(fēng)速風(fēng)向傳感器同時故障;③主控制板故障;④顯示器故障;⑤SSD存儲硬盤故障;⑥RS422擴展板故障。

該系統(tǒng)可靠性框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)可靠性框圖

2.2 可靠性數(shù)學(xué)模型

由可靠性框圖及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)模型，系統(tǒng)的可靠度

式中:Rs(t)為系統(tǒng) (設(shè)備)的可靠度;Rps(t)為電源的可靠度;Rws(t)為風(fēng)速風(fēng)向傳感器的可靠度;Rrs(t)為RS422擴展板的可靠度;Rmb(t)為工控機主板的可靠度;Rdk(t)為工控機SSD硬盤的可靠度;Rmt(t)為工控機顯示器的可靠度。

而電源作為雙機冷儲備系統(tǒng)，取λp為電源模塊故障率，有 Rps(t)=(1+λpt)·e－λpt。

3 系統(tǒng)可靠性分析

3.1 可靠性計算

根據(jù)各組件的基本指標(biāo)，計算得:

λs=1.178 ×10－5/h

MTBFs=84 890 h

大于4×104h，滿足設(shè)計需求。

其可靠度變化曲線如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)可靠度隨使用時間變化情況

因該設(shè)備各分系統(tǒng)為串聯(lián)模型，其失效率為各分系統(tǒng)失效率之和，為查找其可靠性薄弱環(huán)節(jié)，本報告將μi=λi/λs(第i個分機失效率與系統(tǒng)失效率的比值，即其出現(xiàn)故障的可能性占系統(tǒng)故障的比例)作為評估指標(biāo)，得到表1。

表1 各分機失效率與系統(tǒng)失效率之比

可見，系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)為電源和傳感器。因此，應(yīng)進一步提高電源和傳感器的可靠度或功能儲備。

3.2 軟件系統(tǒng)的可靠性

主機操作系統(tǒng)采用成熟穩(wěn)定的Windows XP(PE)，控制軟件選用LabWindows/CVI、Visual C++、CCSStudia3.0等工具開發(fā)，結(jié)構(gòu)合理，界面友好，高效穩(wěn)定，數(shù)據(jù)存儲采用ODBC方式，有效減少了數(shù)據(jù)庫冗余，軟件實現(xiàn)了定時對各主要部件的狀態(tài)進行檢測，實現(xiàn)了故障自動診斷。按照軟件可靠性分析程序，本設(shè)備軟件系統(tǒng)經(jīng)過多次調(diào)試，具備規(guī)范軟件要求。

4 可靠性驗證

采取樣機裝船現(xiàn)場試驗 (含軟件)，在船舶標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境最大應(yīng)力 (強度)情況下連續(xù)使用。置信度的選取與裝備的數(shù)據(jù)量大小和裝備的成熟程度有關(guān)。根據(jù)實際情況和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析對象為更新?lián)Q代設(shè)備，在本報告中，選取訂購方風(fēng)險β=20%，置信度γ取為:

驗證的指標(biāo)為該設(shè)備在船舶環(huán)境中正常使用的情況下，軟硬件系統(tǒng)在置信度為60%的情況下能夠達到平均故障時間下限值MTBFL＞40 000 h的要求。

1)評定模型。

對于由許多具有不同分布單元產(chǎn)品組成的產(chǎn)品，故障率趨于恒定，其壽命分布類型視為指數(shù)分布，試驗數(shù)據(jù)為總試驗時間和故障數(shù)。通過對該系統(tǒng)和設(shè)備的試驗分析，其試驗類型同有替換定時截尾試驗相接近。指數(shù)壽命型單元產(chǎn)品評定采用有替換定時截尾的評定模型如下:

總試驗時間T，故障數(shù)為Z，等效任務(wù)時間t0，等效任務(wù)數(shù)η=T/t0，故障率上限值λu，置信度為γ;當(dāng)Z=0時，有:

2)驗證結(jié)論。

在裝船試驗過程中，該設(shè)備可穩(wěn)定達到設(shè)計功能要求，軟硬件故障均為0。考慮到實際裝船后的使用強度，根據(jù)加速壽命試驗?zāi)Ｐ秃驮囼灲Y(jié)果，按經(jīng)典法計算:

MTBFL=64 017 h＞MTBF=40 000 h。

滿足接收依據(jù)。

5 結(jié)論分析

由可靠性計算和驗證分析結(jié)果，可認(rèn)為該設(shè)備可靠性指標(biāo)滿足功能要求，鑒于該設(shè)備部分部件的更換修理不影響系統(tǒng)功能、分析中所取條件和參數(shù)較為嚴(yán)酷等諸多因素，分析對象平均故障間隔時間滿足設(shè)計要求。根據(jù)分析，建議:①增加電源儲備，進一步提高主要傳感器可靠性，盡可能在不影響系統(tǒng)工作的情況減少通訊、電路接線等連接點，按規(guī)定周期檢查更換各類傳感器、電源開關(guān)等組件，以進一步提高系統(tǒng)可靠度;②在設(shè)備安裝時，綜合考慮可靠性和維修性，以便于系統(tǒng)操作、維護和修理，并明確設(shè)備使用保養(yǎng)要點，減少外界環(huán)境(設(shè)備、人員等)對系統(tǒng)可靠性的影響;③繼續(xù)開展裝船試驗，延長設(shè)備持續(xù)工作時間，進一步收集可靠性信息，進行FTA(故障樹分析)和FMEA(故障模式及影響分析)，及時發(fā)現(xiàn)排除設(shè)計缺陷，實現(xiàn)可靠性增長。

［1］GB 8056－87，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理和解釋－指數(shù)樣本異常值判斷和處理 ［S］.

［2］甘茂治，康建設(shè)，高崎.軍用裝備維修工程學(xué) ［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1999.

［3］金家善，鄭福明.用非可靠性試驗數(shù)據(jù)作產(chǎn)品可靠性評估的研究 ［J］.船舶工程，2001，(6):55－57.

［4］曹恒永.海洋船舶氣象儀的可靠性設(shè)計［J］.山東科學(xué)，1999，12(4):39－45.

［5］范立人.氣象儀器產(chǎn)品可靠性認(rèn)定水平分析 ［J］.氣象水文海洋儀器，1999(2):38－47.