快速上浮脫險充氣裝置可靠性分配及預計

柳初萌，顧靖華，范 維，劉平小

（海軍軍醫大學海軍醫學研究所，上海200433）

快速上浮脫險充氣裝置是潛艇艇員在潛艇失事時采取快速上浮脫險的必需裝備[1]，安裝在單人脫險艙內。在實施快速上浮脫險時，艇員著脫險服進入單人脫險艙，通過脫險服上的充氣接頭與充氣裝置對接，為脫險服儲氣囊供氣，既能保證對脫險艇員的正常氣體供應，又能防止艇員擠壓傷的產生。因此，充氣裝置的可靠性對艇員生命安全起著至關重要的影響。

系統的可靠性建模、分配和預計是可靠性工作計劃中的主要內容之一。可靠性建模分配的主要目的是根據系統組成和任務剖面，建立充氣裝置的可靠性模型，在此基礎上，把系統的可靠性指標分配到各功能單元和部件，為系統研制者提供功能單元和部件的可靠性設計指標[2]，從而為可靠性設計和進一步預計奠定重要基礎。可靠性預計的主要目的是預先估計產品的可靠性參數，了解其是否滿足規定的可靠性指標，以便及時發現設計中存在的可靠性方面的問題并及時修改，確保在資金和時間等資源限制下達到要求的指標。

1 可靠性建模

充氣裝置依據功能可劃分為控制器、連接閥和管路三個功能單元（如圖1所示），根據各自的功能原理和功能關系，確定充氣裝置基本可靠性模型為串聯模型。其中，控制器依據功能可劃分為補償腔、閥座、閥桿、彈簧、膜片和反饋腔6個功能部件；連接閥依據功能可劃分為安全閥、閥體、單向閥、節流閥和充氣接口5個功能部件；管路依據功能可劃分為供氣管路和反饋管路2個功能部件。

圖1 充氣裝置可靠性框圖

要建立任務可靠性模型首先需確認其任務剖面，即充氣裝置在完成規定任務這段時間內所經歷的時間和環境時序描述。充氣裝置的工作流程主要包括：脫險服充氣接頭與充氣裝置充氣接口連接；控制器反饋腔壓力下降，閥桿移動開啟供氣；控制器向連接閥供氣；連接閥為脫險服儲氣囊供氣；單人脫險艙快速加壓期間，持續供氣；單人脫險艙內壓力與外界環境壓力平衡后，艇員松開充氣接頭，離艇快速上浮至水面；連接閥停止供氣，閥內壓力上升，向控制器反饋壓力；控制器反饋腔壓力上升，自動關閉，充氣結束。根據充氣裝置的工作流程建立典型任務剖面。

在充氣裝置執行任務過程中，要求各功能模塊單元和功能部件均能正常工作，從功能和結構角度看，各模塊和部件相對獨立，工作時相互協作，共同完成規定的功能，任一模塊或部件故障都將導致任務失敗，因此，充氣裝置任務可靠性框圖為串聯結構，其任務可靠性模型與基本可靠性模型一致。

2 可靠性分配

充氣裝置可靠性指標為系統平均故障間隔時間MTBF≮24h，可靠性指標分配采用加權分配法，計算公式為：

式中：MTBF為系統平均故障間隔時間；MTBFj為第j個單元平均故障間隔時間；Kji為第j個單元第i個加權因子；m為加權因子數量；n為單元數量。

加權因子包括環境因子、維修因子、元件質量因子、標準化因子、重要性因子和復雜因子。打分時具體采用如下原則：處于惡劣環境的單元或部件，環境因子取低些；易維修的單元或部件，維修因子取低些；單元或部件中如采用較多可靠性水平低的元器件時，元器件質量因子取低些；采用非標件或不成熟零部件多的單元或部件，標準化因子取低些；重要的單元或部件，重要性因子取高些；復雜的單元或部件，復雜因子取低些。

根據所選用的加權分配法，對各加權因子等設計特性進行打分，這些因子由系統總師及各分系統設計師等多位專家打分后獲得。打分結果如表1所示。

表1 充氣裝置各模型單元可靠性指標分配表

將上述表中結果代入式（1），經計算得到分配結果如表2所示。

表2 充氣裝置各模型單元可靠性指標分配結果

各功能單元部件的可靠性指標分配方法與上述內容相一致，可計算得到各部件分配到的MTBF指標。

3 可靠性預計

充氣裝置可靠性預計采用故障率預計法。該方法主要用于非電子產品的可靠性預計，其原理與電子元器件的應力分析法基本相似，都是對基本故障率的修正，以獲得產品的實際故障率。故障率預計法的基本原理是根據單元模塊的基本故障率，根據工程經驗和實際使用環境等條件，對基本故障率進行修正，得出單元模塊的工作故障率。其預計模型見式（2）：

式中：λ 為工作故障率（h）；λb為基本故障率（h）；K為環境因子，由工程經驗確定，參考GJB/Z 299B-98電子設備可靠性預計手冊中各環境系數；D為降額因子，由工程經驗確定。

根據預計的各單元故障率，計算系統故障率，并預計系統的MTBF.串聯系統的故障率和MTBF計算模型可用式（3）和式（4）表示。

式中：λs為系統故障率（h）；λi為各單元的故障率（h）；MTBFS為系統平均故障間隔時間（h）。

其中，充氣裝置各單元模塊的基本故障率可由可靠性分配得到。

充氣裝置在艇內海水環境使用，需考慮高低溫、振動、海水腐蝕、鹽霧等環境條件。參照GJB/Z 299B-98給出的環境分類，充氣裝置所屬的環境惡劣情況屬于艦載普通艙內與艙外之間，接近于惡劣地面固定條件，但要承受偶然強烈的振動和沖擊。按此環境分類，對應環境系數為10.因充氣裝置各單元工作時為一整體，且安裝與艙內同一位置，故各單元所屬環境情況視為相同，取環境因子K值為10.

設備各零部件一直工作在額定應力值下，其性能退化速率較快，降額使用有利于延緩和減小性能退化。設備在低于額定值情況下工作，可降低零部件失效率，同時，降額也使設計具有一定安全余量，提高系統可靠性。故應根據各單元的實際工作狀態，確定各單元降額因子D，具體分配和工作故障率計算結果見表3.

表3 充氣裝置各單元模塊工作故障率

根據表3的結果，可計算出充氣裝置的MTBF為：

根據選定的方法預計結果，表明充氣裝置MTBF為43.73 h大于24 h，滿足系統可靠性指標的定量要求。

4 結束語

機械產品的可靠性工作必須從定性的設計、分析入手，發現薄弱環節，從而改進設計，使定性分析起到影響設計、提高可靠性的作用[3]。通過可靠性分配，將可靠性目標分配到系統的各單元，實現設計目標分解；通過可靠性預計，預計不同設計方案能否達到預期的可靠性目標，為設計決策提供依據。可靠性工作可為標準化工作、設計分析以及維修計劃的制訂提供依據，也可通過詳細的可靠性預計，發現分系統、單元、元器件的薄弱環節和易出故障的問題，以便采取有效的補救措施，提高系統的可靠性。