某雷達二次冷卻裝置可靠性分析

季漢忠

(南京電子技術研究所，南京 210039)

0　引　言

雷達作為典型的復雜電子系統，其內部集成了各種電子元器件。隨著現代雷達技術的發展和功率器件的不斷升級，器件熱耗進一步增加，對冷卻系統的要求越來越高。可行、可靠的熱設計一直是電子設備具備高可靠性的關鍵保障之一。特別是對于大型相控陣雷達而言，傳統風冷方式已較難滿足散熱需求，越來越多的液冷系統應用到雷達領域。[1]作為整個冷卻系統的核心部件，二次冷卻裝置擔負著冷卻系統的最終散熱作用。[2]文獻[3]對雷達系統中液壓系統開展過可靠性分析，其思路和方法對分析其他復雜系統具備一定的指導意義。

本文所述二次冷卻裝置是某雷達系統功率組件、電源模塊等設備的液體冷卻和加熱裝置，其冷卻性能、可靠性等方面具有嚴格要求。通過對該二次冷卻裝置進行系統劃分，基于各系統間運行關系建立可靠性建模，并計算二次冷卻裝置的致命故障間的任務時間(Mean time between critical failures, MTBCF)，對系統可靠性進行評估。根據可靠性分析及設計的過程，提出提升可靠性的具體措施，以滿足大型雷達系統整機冷卻工作需求。

目前，雷達系統二次冷卻裝置可靠性設計存在的主要難點如下：

(1) 基于大型雷達較苛刻的散熱要求，系統的散熱量、供液流量進一步提高，導致零部件數量增加，監控系統更加復雜，零部件故障點增多；

(2) 受國內零部件生產加工工藝水平及國外零部件的采購限制，水泵和風機等主要零部件的基本失效率已無法降低，難以提高可靠性；

(3) 二次冷卻裝置在沖擊、振動、潮濕、高低溫、鹽霧、霉菌等環境下工作時易受到環境應力的影響，導致可靠性降低。

以上難點的存在進一步提高了二次冷卻裝置的可靠性分析的必要性。

1　二次冷卻裝置系統組成及原理

該二次冷卻裝置按子系統劃分主要包括供液系統、換熱系統、補液系統、控制系統及其他連接系統(電纜、管路、接口等)，各系統間的工作流程如圖1所示。

供液系統中的主供液泵將乙二醇冷卻液以一定流量、壓力分別輸送至換熱系統的換熱器中。在換熱器中，空氣與換熱器中的乙二醇冷卻液進行熱交換, 交換出來的熱空氣被風機抽出，使乙二醇冷卻液溫度降低。被冷卻后的乙二醇冷卻液進入雷達系統負載組件。在負載組件中，乙二醇冷卻液吸收器件的熱量而升溫, 同時電子組件得到冷卻。升溫后的乙二醇冷卻液回流至供液泵入口處,再由供液泵輸送到換熱器重新進行循環工作, 周而復始。二次冷卻裝置中設有補液系統。當供液系統的背壓低或流量低時自動開啟補液泵從輔助水箱中對系統進行補液。電控系統以可編程控制器為主控制器，配合觸摸屏實現供液系統、換熱系統、補液系統等執行設備的開關控制，以及對供液溫度、供液壓力、供液流量、回液溫度等主要參數的測量和監控，并將系統運行參數信息、設備運行狀態信息以及故障報警信息等上報給總體。各子系統的組成如下：

(1) 供液系統由供液泵、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、過濾器、除氣器、膨脹罐、壓力開關、壓差開關、加熱器等組成；

(2) 換熱系統由風機、換熱器等組成；

(3) 補液系統由補液泵、液位開關、壓力傳感器等組成；

(4) 控制系統由主控制器、溫度擴展模塊、濾波器、開關電源、觸摸屏、接觸器、相序、防雷、中繼、熱繼、空氣開關、變頻器等組成。

各子系統間協調、無故障工作以保證該二次冷卻裝置滿足冷卻需求。

2　可靠性建模

2.1　二次冷卻裝置可靠性建模

二次冷卻裝置可靠性建模采用GJB813規定的程序和方法建立以產品功能為基礎的可靠性模型。二次冷卻裝置每個功能單元發生故障相互獨立、各單元壽命服從指數分布、二次冷卻裝置相關的外部系統都正常工作作為建模條件。復雜系統可靠性與零件失效的基本邏輯關系主要分為串聯系統、并聯系統、N中取K表決系統等。

系統中任意一個元件失效都會使整個系統失效稱為串聯系統，其任務可靠性模型為

(1)

式中，λS為系統任務失效率，λ0～λn為各子系統任務失效率。

系統中至少有K個元件正常工作時系統就能正常工作，為N中取K表決系統[4]。當K=N-1時，該系統任務可靠性MTBCF數學模型如下：

(2)

式中，μ為修復率，μ=1/MTTR；λ0為該表決模型中單元的任務失效率。

基于二次冷卻裝置工作原理建立串聯型可靠性模型，如圖2所示，子系統間無冗余備份。

圖2二次冷卻裝置可靠性框圖

對失效率進行等效處理，并按指數模型建模。二次冷卻裝置任務可靠性數學模型如下：

(3)

式中，λA為供液系統任務失效率；λB為散熱系統任務失效率；λC為補液系統任務失效率；λD為控制系統任務失效率；λE為其他系統任務失效率。

2.2　子系統可靠性建模

根據二次冷卻裝置工作原理，分析各子系統間的工作關系，分別建立子系統可靠性框圖和數學模型，其中供液系統和換熱系統為串聯與表決的組合系統，補液系統和電控系統為串聯。各子系統可靠性框圖如圖3所示。

供液系統中有兩個供液泵，一個為主供液泵，另一個為輔助供液泵。在主供液泵發生故障失效時由輔助供液泵進行供液，屬于表決模型。換熱系統換熱風機4只，低海拔地區采用用3備1。高海拔地區4只風機同時開啟，也屬于表決模型。其余各單元工作時屬于串聯模型。

根據上述公式可以反推N中取K表決系統的任務失效率，從而計算出該模型中供液泵和風機以及換熱器的任務失效率，公式如下：

(4)

3　可靠性(MTBCF)預計

從二次冷卻裝置的可靠性框圖可知，基本可靠性框圖為串聯結構模型，系統的可靠度為

λS=∑NiλGiπQi

(5)

式中，λS為系統故障率，λGi為第i種元器件的通用失效率，πQi為第i種元器件的失效因數，Ni為第i種元件的數量(i=1,2,3,…,n)為元器件種類數。

各單元的基本失效率如表1所示。器件的故障率及失效因數均參考器件的使用手冊或實驗數據(40℃時)所得。將表1中的數據代入到公式(4)中即可求得各系統的任務失效率。下面僅以供液泵和風機為例。

對供液泵而言，其表決模型如表2所示，從而其修復率和任務失效率計算可得

(6)

對風機而言，其表決模型如表3所示，從而其修復率和任務失效率計算可得

(7)

表1　各單元基本失效率

表2　供液泵表決模型

表3　風機表決模型

二次冷卻裝置的MTBCF=-t/lnR(t)，R(t)=e(-λt),式中的t可取一個月的工作時間，每天工作時間為24 h，則

λ供液系統=39.4×10-6+9.45×10-10

λ換熱系統=6.57×10-9

λ補液系統=14.4×10-6

λ控制系統=65.6×10-6

(8)

同時，根據經驗可得

λ管路系統=4×10-6

(9)

采用Matlab進行可靠性仿真，供液系統、補液系統、控制系統的可靠度曲線如圖4所示。雷達二次冷卻裝置系統可靠度曲線如圖5所示。

從而對于二次冷卻裝置，有

R(t)=e-(λ供液系統+λ補液系統+λ換熱系統+λ控制系統+λ管路系統)t

=0.9150

MTBCF=-720/ln(0.9150)=8 108≥8 000 h

(10)

由分析可知，其MTBCF滿足要求(規定值為8 000 h)。

4　提高可靠性的措施

4.1　合理考慮在線維修設計

當相應設備出現故障時，控制系統能及時發現故障設備，并進行故障自動識別、自動隔離和備份設備的自動切換，對設備進行保護。例如，通過斷開風機的配電斷路器，可對損壞的風機在線維修，提高換熱系統可靠性。

4.2　嚴格控制元器件選用

(1) 二次冷卻裝置中所有與冷卻液接觸的零部件、元件(如水箱、傳感器元件、管材等密封件)應耐冷卻液腐蝕，金屬材料推薦選用316L不銹鋼；

(2) 風機、水泵、各種傳感器和觸摸屏等電子器件選用其工作溫度范圍滿足工作和存儲要求的設備；

(3) 換熱系統的風機采用可調速風機，可以根據溫度變化調節風速，提高系統的可靠度；

(4) 二次冷卻裝置中選用的非金屬材料和粘結劑應具備良好的防腐、防菌和防潮濕性能，提高裝置的抗惡劣環境能力，且應為無毒、無異味、耐老化的阻燃材料。

5　結束語

本文對某雷達二次冷卻裝置的可靠性進行了分析。結果顯示，其MTBCF預計值可達到8 108 h，能夠滿足該雷達二次冷卻裝置的規定要求(MTBCF≥8 000 h)。

通過全面的分析確定產品潛在的隱患和薄弱環節，并通過科學預計和行之有效的可靠性設計措施，能夠有效消除對實現產品高可靠性的不利因素，從而提高產品可靠性水平，滿足產品可靠性要求。