車輛裝備可靠性試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

周金寶，周軍，翟斌

車輛裝備可靠性試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

周金寶，周軍，翟斌

（中國(guó)人民解放軍63969部隊(duì)，江蘇 南京 210028）

針對(duì)當(dāng)前評(píng)價(jià)指標(biāo)無法全面體現(xiàn)車輛可靠性性能，文章在研究可靠性基本概念的基礎(chǔ)上，將故障程度、故障位置等以修正系數(shù)的形式加入平均故障間隔時(shí)間，提出一種車輛裝備可靠性試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，可較為全面地評(píng)價(jià)車輛可靠性，當(dāng)僅進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)仍能進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。所提評(píng)價(jià)指標(biāo)可為壓縮車輛可靠性試驗(yàn)周期奠定基礎(chǔ)。

車輛裝備；可靠性；平均故障間隔時(shí)間；評(píng)價(jià)指標(biāo)

前言

可靠性是車輛裝備的通用質(zhì)量特性之一，是完成其使命任務(wù)的基礎(chǔ)[1-2]。軍用車輛裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、承擔(dān)任務(wù)繁重、使用地域多樣且使用環(huán)境惡劣，故對(duì)其可靠性要求更高。車輛裝備系統(tǒng)或其零部件是否符合可靠性指標(biāo)的要求，需要通過可靠性行駛試驗(yàn)考核及評(píng)定[3-4]。通過可靠性行駛試驗(yàn)考核與評(píng)定，評(píng)價(jià)其可靠性水平，確認(rèn)車輛裝備是否符合可靠性定量要求，且發(fā)現(xiàn)車輛裝備在設(shè)計(jì)、材料和工藝方面的缺陷，為車輛裝備研制、定型、使用和保障提供信息與依據(jù)，因而所有車輛都要進(jìn)行可靠性試驗(yàn)與研究[5-7]。

當(dāng)前對(duì)車輛可靠性的評(píng)價(jià)進(jìn)行了大量研究，評(píng)定所采用的指標(biāo)較多，在汽車試驗(yàn)領(lǐng)域已具有較為廣泛的應(yīng)用[8-12]。但這些指標(biāo)僅能描述部分可靠性特征，無法描述車輛整體效果，當(dāng)可靠性試驗(yàn)進(jìn)行不充分或僅進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)，采用這些評(píng)定方法效果一般。本文擬提出一種綜合性的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠利用較多的試驗(yàn)信息，盡可能全面地描述車輛可靠性。

1 基本概念

1.1 車輛裝備可靠性

車輛裝備可靠性是指車輛裝備在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，對(duì)其本身及車載裝備基本性能的穩(wěn)定、作戰(zhàn)效能的發(fā)揮起關(guān)鍵作用，是車輛裝備最基本、最重要的指標(biāo)之一。

車輛裝備可靠性試驗(yàn)實(shí)在整車基礎(chǔ)上進(jìn)行的試驗(yàn)，但不僅能夠考核車輛整車性能，還能同時(shí)考核車體發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、分動(dòng)器、電力設(shè)備等關(guān)鍵零部件的性能。在高速環(huán)道、山區(qū)公路、加入強(qiáng)化系數(shù)的特種路面上進(jìn)行行駛，對(duì)車輛裝備考核的性能指標(biāo)較為全面，包含車輛加減速動(dòng)力性能、輪胎磨損、車體噪聲等。車輛可靠性試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)條件有著明確的規(guī)定，車輛需在指定范圍的氣象條件下以規(guī)定的裝載形式進(jìn)行行駛，同時(shí)，其基本單位為廣義的時(shí)間，既可以指車輛的實(shí)際行駛時(shí)間，也可以采用其里程或行駛的剖面數(shù)量進(jìn)行表示。

1.2 可靠度函數(shù)

車輛裝備可靠度是表征車輛可靠性程度的重要參數(shù)，傳統(tǒng)可靠性的表述為定性闡述，僅表示為與故障發(fā)生程度相反的一個(gè)參數(shù)，隨著數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理在可靠性工程中的應(yīng)用，逐漸出現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠性定義，將定性描述轉(zhuǎn)化為定量表達(dá)。

可靠度函數(shù)一般用()表示，用于描述車輛裝備產(chǎn)品運(yùn)行至?xí)r刻時(shí)，該車輛仍能維持所需功能的概率大小。當(dāng)樣本量足夠大時(shí)，考慮到頻率值無限趨近于概率值，往往采用采集的樣本頻率近似該概率值。同時(shí)，所定義的時(shí)刻是一個(gè)廣義的時(shí)間，也可用距離代表。舉例而言，將相同的100輛車輛裝備進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，行駛至2000公里時(shí)，有10輛裝備發(fā)生故障，則故障發(fā)生頻率為10%，未發(fā)生故障的頻率為90%，可將此時(shí)的頻率90%近似為該型車輛裝備在行駛2000公里時(shí)的可靠度。也就是說，該型車輛裝備在行駛2000公里時(shí)的可靠度為90%。

因此車輛裝備可靠度就是車輛裝備行駛至某一時(shí)刻仍未發(fā)生故障的概率，其值越高，說明車輛裝備越不容易發(fā)生故障，即理解上的“越可靠”。

與可靠度相對(duì)應(yīng)的是不可靠度()，也稱為累計(jì)故障率。可靠度()與不可靠度()之和等于1，即：

如果設(shè)(t)為故障概率，或稱為故障概率密度函數(shù)、失效密度函數(shù)，那么：

()、()與(t)的關(guān)系如圖1所示。()是圖1中斜線部分的面積，()是剩下部分的面積。由此還可得到：

圖1 故障概率函數(shù)

瞬時(shí)故障率)是故障概率(t)與可靠度()的比值，亦即：

聯(lián)立式(3)可得：

由式(6)可知，可靠度函數(shù)()也可用瞬時(shí)故障率)來表示，或者說，可靠度是瞬時(shí)故障率的函數(shù)。

2 故障分析

故障是反應(yīng)車輛可靠性的重要環(huán)節(jié)，所有的車輛可靠性定量參數(shù)的獲取均通過采集車輛故障獲得，若要分析車輛裝備可靠性試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，必須先將故障按一定規(guī)則進(jìn)行歸類處理。

2.1 故障定義

故障是可靠性研究的對(duì)象，單從定義理解，可靠性也可稱無故障性，也就是說，故障是一種與車輛裝備可靠性相反的概念內(nèi)涵。對(duì)比車輛裝備可靠性的定義，在前述氣象、裝載前提下，車輛行駛至某個(gè)時(shí)刻或距離發(fā)生了故障，意味著車輛裝備喪失其可靠能力，即發(fā)生了故障。傳統(tǒng)車輛裝備是一種典型的可修復(fù)復(fù)雜機(jī)電設(shè)備，當(dāng)喪失規(guī)定功能時(shí)稱之發(fā)生了故障；若研發(fā)了新型車輛裝備喪失功能即報(bào)廢，即不可修復(fù)時(shí)，故障往往改稱為失效。

2.2 故障類別

當(dāng)前，車輛裝備可靠性試驗(yàn)分類的準(zhǔn)則已經(jīng)十分成熟，故障分類的常用規(guī)則是故障的性質(zhì)和嚴(yán)重程度，按故障導(dǎo)致或可能導(dǎo)致的后果，排除難易和關(guān)聯(lián)性，對(duì)完成任務(wù)影響程度，往往分類為致命故障、嚴(yán)重故障、一般故障和輕微故障四大類，具體分類的規(guī)則和累唄見表1。

表1 故障分類原則

2.3 故障模式及位置

一般來說，車輛裝備的故障模式可以通過試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)逐步積累，常用的車輛裝備各類故障模式如表2所示，這些不同的故障均可歸至表1中的大類。

本文同時(shí)形成基本覆蓋到軍用車輛裝備所有通用零部件以及部分專用零部件所有故障模式的分類庫，故障模式范例庫共計(jì)5904條，分類統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表2 故障模式及代號(hào)

表3 軍用車輛裝備故障位置統(tǒng)計(jì)

易知，當(dāng)故障模式和故障位置發(fā)生改變時(shí)，故障程度是不一樣的，所提可靠性指標(biāo)應(yīng)充分考慮這些因素的影響。

3 可靠性試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用定程結(jié)尾試驗(yàn)的方法提出軍用車輛裝備可靠性行駛試驗(yàn)評(píng)價(jià)，對(duì)于可靠性評(píng)價(jià)最常用的指標(biāo)就是平均故障間隔時(shí)間，即MTBF。

3.1常用指標(biāo)

3.1.1平均故障間隔時(shí)間MTBF

按照指數(shù)分布進(jìn)行計(jì)算，其點(diǎn)估計(jì)值為：

（7）

（8）

式中：n為試驗(yàn)樣車輛數(shù)；r為的故障總數(shù)；S為總試驗(yàn)里程；k為終止試驗(yàn)樣車數(shù)；Sj為第j車輛終止試驗(yàn)里程；Se為定程截尾里程。

平均故障間隔里程置信下限值按下式計(jì)算：

（9）

式中，(MTBF)L為平均故障間隔里程置信下限值；S為總試驗(yàn)里程。χ2[2(r+1),α]—自由度為2(r+1)，置信水平為α的χ2分布值，推薦取值為0.1或0.3。

3.1.2千公里維修時(shí)間

若rx>U2-U1和C>U3-U0+rx同時(shí)成立，則(誠(chéng)信，誠(chéng)信)和(欺騙，欺騙)都是納什均衡。由于U1>U0，所以(誠(chéng)信，誠(chéng)信)是帕累托有效的納什均衡。

（10）

式中，TMm為千公里維修時(shí)間；TRm為總試驗(yàn)里程S內(nèi)發(fā)生故障后維修時(shí)間總和；TPm為總試驗(yàn)里程S內(nèi)預(yù)防維修時(shí)間總和。

3.2 結(jié)合維修時(shí)間

平均故障間隔里程是描述車輛可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)，為綜合考慮其它因素，可將維修性參數(shù)賦權(quán)加入可靠性參數(shù)中，彌補(bǔ)MTBF描述可靠性的不足。

將維修時(shí)間的定義向平均故障間隔時(shí)間進(jìn)行等效處理，維修時(shí)間越長(zhǎng)，意味著故障越大，所對(duì)應(yīng)的前一個(gè)故障間隔時(shí)間應(yīng)該越短。定義標(biāo)準(zhǔn)的維修時(shí)間為Ts，實(shí)際維修時(shí)間不高于Ts的故障不做處理，而實(shí)際維修時(shí)間高于Ts的故障應(yīng)進(jìn)行等效處理。記總故障數(shù)為rall，先驗(yàn)的平均故障間隔時(shí)間為MTBF，實(shí)際該故障的維修時(shí)間為TMm，則對(duì)應(yīng)的故障間隔時(shí)間應(yīng)與TMm成反比，若定義標(biāo)準(zhǔn)的維修時(shí)間為Ts，則修正后的MTBF為MTBF*Ts/TMm，此時(shí)，試驗(yàn)等效總里程發(fā)生變化。若記維修時(shí)間超過Ts的故障數(shù)有khigh個(gè)，則修正后的平均故障間隔時(shí)間MTBFr的表達(dá)式為：

（11）

式中，右側(cè)分子第一項(xiàng)表示維修時(shí)間不大于Ts的故障對(duì)應(yīng)的總里程，分子第二項(xiàng)表示維修時(shí)間大于Ts的故障對(duì)應(yīng)的修正總里程。

3.3 結(jié)合故障程度

除維修時(shí)間外，故障程度對(duì)平均故障間隔時(shí)間也有一定影響，可將此項(xiàng)目以賦權(quán)的形式進(jìn)行考慮。故障位置和故障類別均對(duì)應(yīng)不同的故障程度，表1和表2所示的故障分類在對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)給出了四個(gè)權(quán)值，但該權(quán)值沒有考慮到故障位置的影響。

樣本采集：含藻種的樣本采自廣州華南理工大學(xué)校內(nèi)東湖，共設(shè)置2個(gè)采集點(diǎn)，采集水樣用采樣瓶裝好，分離純化在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。

成功獲得11條HPV18型E6基因序列（477 bp，nt105~nt581）， 變異分析發(fā)現(xiàn)， 和參照株（NC001357）序列比對(duì)，獲得的序列均發(fā)生了1個(gè)堿基顛換（C287G），為同義突變。

考慮到已經(jīng)定義了總故障數(shù)量并給予維修時(shí)間進(jìn)行了修正，期望能夠以最簡(jiǎn)單的形式對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。考慮到標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)給出了類別修正，這里定義不大于1的正數(shù)Pi為故障i對(duì)應(yīng)的位置修正系數(shù)，將此代入公式中用于修正故障比重，可得：

從式(3)中笛卡爾速度中獲得可用的離散樣本,然后可以用雅可比矩陣的列向量Ji來改寫式(3)的離散形式，得

（12）

式中，0≤Pi≤1，由表3所示，故障發(fā)生在7個(gè)位置，因而Pi有7個(gè)取值(或定義的更加詳細(xì))。MTBF進(jìn)行修正后，式(9)給出的置信下限也應(yīng)按修正后的數(shù)值進(jìn)行處理。

GenBank登錄號(hào)是MH256113，將菌株16S rDNA序列與GenBank上的其他16S rDNA序列進(jìn)行Blast分析，做進(jìn)化樹(圖2)比較結(jié)果顯示，菌株MBM-7與Arthrobacter protophormiae strain DSM 20168(NR_026195)相似性為99.9%，將該菌鑒定為放線菌目下的原玻璃蠅節(jié)桿菌(Arthrobacter protophormiae)。經(jīng)RDP進(jìn)行分類，其分類地位為：放線菌綱(Actinobacteria)、放線菌目(Actinomycetales)、微球菌科(Micrococcaceae)、節(jié)細(xì)菌屬(Arthrobacter)。

對(duì)比式(7)給出的平均故障間隔時(shí)間的點(diǎn)估計(jì)值，提出的修正MTBFr充分考慮了故障類別、故障程度和故障位置的影響，因而更加全面。對(duì)于大多數(shù)的車輛試驗(yàn)，僅做可靠性試驗(yàn)或試驗(yàn)不充分時(shí)，所提評(píng)價(jià)指標(biāo)仍可有效地刻畫車輛可靠性，因而可有效縮短試驗(yàn)周期，節(jié)約試驗(yàn)成本。

研究人員發(fā)現(xiàn)，近一半的安全座椅與汽車座位并不合適。近日，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員對(duì)50輛家用汽車的座位及60個(gè)安全座椅（共3600個(gè)組合）進(jìn)行了安全測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，座位角度與彈性頭枕的位置導(dǎo)致42%的安全座椅與汽車座椅無法完全兼容。

4 結(jié)論

在分析可靠性概念和故障影響程度的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了軍用車輛裝備故障規(guī)律，加入車輛故障程度、故障位置的影響，對(duì)平均故障間隔時(shí)間進(jìn)行修正，提出一種新的車輛裝備可靠性試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，為車輛裝備可靠性試驗(yàn)的綜合評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

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Research on the reliability test evaluation index for the vehicle equipment

Zhou Jinbao, Zhou Jun, Zhai Bin

( PLA Troop 63969, Jiangsu Nanjing 210028 )

Abstract:Current evaluation index can not fully reflect the reliability performance of vehicles. The fault degree and fault location were joined into the mean time between failures using the forms of correction coefficients based on the study of the basic concept of reliability. Then a new reliability test evaluation index for the vehicle equipment was proposed. Proposed index can evaluate the reliability of vehicles more comprehensively, and also be effective under the condition when only reliability test is carried out. Proposed evaluation index can lay a foundation for reducing vehicle reliability test time.

Keywords:vehicle equipment;reliability;mean time between failures;evaluation index

CLC NO.: U461.7

Document Code: A

Article ID: 1671-7988(2019)14-137-04

中圖分類號(hào)：U461.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2019)14-137-04

作者簡(jiǎn)介：周金寶，碩士，高級(jí)工程師，就職于中國(guó)人民解放軍63969部隊(duì)，研究方向?yàn)檐囕v檢測(cè)與車輛工程。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.045