基于故障樹分析法對某引信測試儀的可靠性分析及性能優化

丁建寶 曹磐

摘 要：針對某引信測試儀在測試過程中發生的故障較為復雜，且不易排除的問題，本文采用故障樹分析法結合引信測試儀實際故障事件構建了故障樹模型。對故障樹模型進行了定性和定量分析，指出了影響引信測試儀可靠性的關鍵部件。還通過Multisim軟件仿真發現渦輪上電模塊電路產生正弦信號并不穩定的問題，針對該問題對渦輪上電模塊電路進行了改進，仿真與實驗結果驗證了故障樹分析法可以提高引信測試儀工作的可靠性。

關鍵詞：引信測試儀；故障樹分析法；可靠性；性能優化

中圖分類號：TJ430.6 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）02-0033-06

Reliability Analysis and Performance Optimization of a Fuze Tester Based on Fault Tree Analysis Method

DING Jianbao1，CAO Pan2

（1.Jiangsu Yongfeng Machinery Co.，Ltd.，Huaian 211722，China；2.China Guangdong Nuclear Power Group Yangjiang Nuclear Power Co.，Ltd.，Yangjiang 529941，China）

Abstract：Aiming at the problem that physical fault of fuze tester is complex and difficult to exclude during the testing process，a fault tree model is built by combining fault tree analysis with actual fault events of fuze tester. The qualitative and quantitative analysis of fault tree model point out the key parts affecting of the reliability of fuze tester. Through Multisim software finds that sine signal generated by electric circuit module of turbine is not stable，the electric circuit of the turbine is improved to deal with the problem. The results of simulation and experimental verify the fault tree analysis method to improve the reliability of fuze tester.

Keywords：fuze tester；fault tree analysis method；reliability；performance optimization

引 言

引信是利用目標信息和環境信息，在預定條件下引爆或引燃戰斗部裝藥的控制裝置或系統[1]。因此引信失效會導致十分嚴重的后果，誤用會危害己方力量，不作用又會錯失對目標進行攻擊的寶貴機會[2，3]。因此，引信產品的質量把控尤為重要，對引信進行測試是保證引信質量的一種有效手段。

本文研究的某引信測試儀主要由中央控制單元、裝定模塊、測速信號發生模塊、信號采集調理模塊、選擇控制模塊和AC-DC變換單元組成，測試儀的硬件結構組成框圖如圖1所示。引信測試儀在使用過程中可能發生故障，研究要解決的難點就在于從復雜的線路和各種元器件中快速地找出故障。若不盡快找出故障，則會延長引信產品的測試時間周期，嚴重的更會損壞引信產品。針對引信測試儀故障復雜、傳統故障診斷方法周期較長、難度較大等問題，本文運用故障樹分析法對引信測試儀故障現象和原因建立故障樹，并對其進行詳細分析，從而實現對故障源的準確定位，并對引信測試儀中的薄弱環節進行改進，來提高引信測試儀的可靠性。

1 故障樹分析法

故障樹分析又稱事故樹分析[4]，是安全系統工程中最重要的分析方法。故障樹分析分為定性分析和定量分析。定性分析主要是求出此故障的所有最小割集，而定量分析主要分為兩種方法：一是根據底事件的失效概率來進一步測算頂事件的發生概率；二是求出底事件的結構重要度、概率重要度和關鍵重要度，根據重要度的大小排序得出故障診斷和修理順序[5，6]。

1.1 結構重要度

結構重要度指的是此部件在整個系統中所處位置的重要程度，數學表達式如下：

1.2 概率重要度

概率重要度是利用頂事件概率函數偏導數求底事件概率函數，把頂事件進行全概率分解：

P[Φ（X）]=P（xi=1）P[Φ（X）=1|xi=1]+P（xi=0）P[Φ（X）=1|xi=0] （3）

其中：，

則上式為g（Q）=Qig（1i，Q）+（1-Qi）g（0i，Q），兩邊取偏導數得：

1.3 關鍵重要度

關鍵重要度指的是底事件故障概率的變化率與它引起頂事件發生的概率變化率之間的比率。

2 故障樹的建立

通過對引信測試儀的故障歷史和故障模式分析，設定故障樹頂事件是引信測試儀未正常工作，各分支故障樹如圖2、3、4、5、6所示。并對事件進行編號，得出故障樹事件表如表1所示。

3 故障樹模型定性分析和定量計算

3.1 故障樹定性分析

引信測試儀故障樹有18項最小割集且為一階割集，一階割集對應的是測試儀故障樹的底事件，所以保證每一個底事件模塊的可靠性是保證系統高可靠性的前提，即在使用元器件前需要進行篩選并選用軍品級別的元器件。測試儀的結構函數可以表示為：

3.2 故障樹定量計算

根據設計過程中的數據手冊要素說明，另一方面根據GJB/Z 299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》和GJB/Z 768A-1998《故障樹分析指南》，統計并計算得到了故障樹各底事件的發生概率，表2為測試儀底事件故障發生概率表。

從上表中可以看出每一個底事件發生概率p（xi）不大于0.1，則可以把18個最小割集看作是相互獨立事件。計算可得引信測試儀的失效率P（T）和可靠度R分別為：

由上式可得，引信測試儀故障樹最小割集的概率重要度和關鍵重要度如表3所示。

根據上表得知，x1、x13、x14底事件的重要度相對于其他底事件較高，故這三個底事件為引發故障樹頂事件的主要事件。

因此，需要對這三個事件進行重點檢測和維護。

4 模擬渦輪上電模塊電路改進

根據上文用故障樹分析法得到的結論，引信測試儀的12M晶振、9V電源失效和-9V電源硬件電路部分存在潛在故障，即模擬渦輪上電模塊電路出現問題的概率較大。并對設計的電路在Multisim軟件下進行了仿真，如圖7所示。

由圖7可知，RC振蕩電路有一個起振的過程，即正弦信號從小到大漸變提高，并在50ms達到穩定振蕩狀態。如果在檢測過程中，振蕩電路的幅值沒有穩定，則檢測儀測試的發火/解保電壓是不滿足要求的。圖8顯示對電路進行的改進[7，8]。

如圖9所示，放大電路的輸入信號通過C6連接到三極管1腳，R8、C10用于抑制高頻噪聲，100mF、0.1mF兩個電容并聯去耦濾波，并選擇合適阻值的R7、R8，令輸出功率達到20W，最后使輸出峰值在2ms后到達36V穩定狀態。通過仿真驗證了此方案的可行性，仿真結果如圖10。

將改進后的硬件電路應用于實際檢測當中，運用Altium Designer軟件進行電路原理圖繪制和PCB板的打樣，然后焊接元器件，并進行電路板的調試，制作引信測試儀的實物樣機，如圖11所示。

實驗發現經過對渦輪上電模塊電路的改進，引信測試儀的可靠性得到了加強。

5 結 論

本文采用故障樹分析法對引信測試儀系統進行了可靠性分析，以“引信測試儀未正常工作”作為頂事件建立了引信測試儀系統故障樹模型，進行了定性分析和定量分析，并根據最小割集求得了底事件的概率重要度和關鍵重要度，最后以故障樹分析法得到的結果為依據，改進了引信測試儀模擬渦輪上電模塊電路，經實驗驗證，引信測試儀工作的可靠性得到了提升。

參考文獻：

[1] 馬寶華.戰爭、技術與引信——關于引信及引信技術的發展 [J].探測與控制學報，2001（1）：1-6.

[2] 張合，李豪杰.引信機構學 [M].北京：北京理工大學出版社，2014.

[3] 高越俊.硬目標侵徹引信性能檢測用測試系統設計 [D].南京：南京理工大學，2013.

[4] 芮延年，傅戈燕.現代可靠性設計 [M].北京：國防工業出版社，2007.

[5] 曹明，劉亞斌.故障樹分析法在某型號導引頭故障診斷中的應用 [J].電子設計工程，2016，24（11）：118-119+123.

[6] 孫瑋琢，韓云東.故障樹分析法在裝備故障診斷中的應用研究 [J].電腦編程技巧與維護，2015（20）：93-94.

[7] 鄧明，金業壯.航空發動機故障診斷 [M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[8] 李悅.直流絕緣監測系統的研究 [D].南京：南京師范大學，2012.