可靠性分配在無(wú)損檢測(cè)儀器中的應(yīng)用

黃春明

（中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

可靠性設(shè)計(jì)是可靠性工程中最重要的組成部分，是提高產(chǎn)品固有可靠性水平的基本措施。可靠性分配是可靠性設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，是指將系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)分配到各功能層次的分系統(tǒng)、設(shè)備及元件，用以確定各個(gè)低層次產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。同時(shí)，可靠性分配是可靠性設(shè)計(jì)的重要理論分析工具，在一定程度上可以評(píng)估設(shè)計(jì)方案、預(yù)估研制成本、指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)，為產(chǎn)品的可靠性水平和質(zhì)量提供保障。

由于國(guó)內(nèi)民用可靠性研究起步相對(duì)較晚，目前尚未建立完善的可靠性體系，大多在參考軍用標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際要求開(kāi)展相應(yīng)的工作，但適用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。隨著行業(yè)快速發(fā)展，迫切需要探索合適的可靠性設(shè)計(jì)方法來(lái)滿(mǎn)足對(duì)無(wú)損檢測(cè)儀器的高質(zhì)量要求。本文以自主研制的多功能無(wú)損檢測(cè)儀器為研究對(duì)象，針對(duì)儀器可靠性指標(biāo)要求，采用評(píng)分法進(jìn)行可靠性指標(biāo)分配，給出了儀器可靠性分配方法與流程，為可靠性設(shè)計(jì)的進(jìn)一步探索提供基礎(chǔ)。

1 可靠性要求

可靠性指標(biāo)是在儀器設(shè)計(jì)階段就提出的可靠性要求，貫穿于設(shè)計(jì)、研制、測(cè)試、驗(yàn)收等儀器研制全過(guò)程。由于本儀器為可修復(fù)使用的產(chǎn)品，選用的可靠性指標(biāo)為平均故障間隔時(shí)間（MTBF），即兩次相鄰故障間工作時(shí)間的平均值，其壽命服從指數(shù)分布。MTBF值越大，儀器的可靠性越高，規(guī)定時(shí)間內(nèi)的故障率越小。

根據(jù)儀器的應(yīng)用環(huán)境、工作特性和質(zhì)量要求，在設(shè)計(jì)階段提出了儀器整機(jī)平均故障間隔時(shí)間MTBF≥3000 h作為可靠性指標(biāo)。

2 可靠性指標(biāo)分配

可靠性分配是為了把系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)按照一定的準(zhǔn)則分配給各組成單元而進(jìn)行的工作，其目的就是將整個(gè)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為每一個(gè)分系統(tǒng)或單元的可靠性指標(biāo)。可靠性分配應(yīng)在儀器研制階段早期進(jìn)行，把可靠性定量指標(biāo)分配到規(guī)定的系統(tǒng)層次，使各層次的設(shè)計(jì)人員明確所研制儀器的可靠性要求，為可靠性整體設(shè)計(jì)、元器件、原材料的選擇提供依據(jù)，同時(shí)為外委加工或外購(gòu)件可靠性定量要求提供依據(jù)。

2.1 分配原則

可靠性分配一般遵循如下原則：

（1）復(fù)雜的單元、技術(shù)上不成熟或技術(shù)難度大的單元、工作環(huán)境惡劣的單元、長(zhǎng)期工作的單元應(yīng)分配較低的可靠性指標(biāo)。

（2）重要度高的單元應(yīng)分配較高的可靠性指標(biāo)。

（3）不易維修、更換的單元應(yīng)分配較高的可靠性指標(biāo)。

（4）可靠性分配應(yīng)在設(shè)計(jì)階段開(kāi)展，使設(shè)計(jì)人員盡早將可靠性要求體現(xiàn)在設(shè)計(jì)中。

（5）分配應(yīng)在目標(biāo)值或規(guī)定值基礎(chǔ)上留有適當(dāng)余量，以便在增加新單元或改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)減少重新分配工作量。

2.2 分配流程

可靠性分配是“分配-驗(yàn)證-再分配-再驗(yàn)證”反復(fù)迭代的過(guò)程。分配流程，如圖1所示。

圖1 可靠性分配流程

2.3 分配方法

可靠性分配方法有很多，比較常用的如平均分配法、AGREE分配法、評(píng)分分配法、比例組合分配法等，所采用的分配方法需要根據(jù)能夠獲取的產(chǎn)品信息進(jìn)行選擇。考慮本儀器尚處于研制初期設(shè)計(jì)階段，元器件型號(hào)尚未定型，結(jié)合可靠性指標(biāo)要求，選擇評(píng)分分配法進(jìn)行可靠性指標(biāo)分配，該方法是通過(guò)評(píng)分對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行綜合分析以獲得系統(tǒng)各組成單元之間可靠性相對(duì)比值[1]。綜合分析本儀器可靠性要求和影響因素，評(píng)分因素主要選取復(fù)雜程度、技術(shù)水平、重要度和環(huán)境條件四個(gè)關(guān)鍵因素，如表1所示。

表1 評(píng)分因素

2.4 數(shù)學(xué)模型

對(duì)儀器進(jìn)行可靠性指標(biāo)分配，首先需要建立可靠性模型。本文從儀器基本可靠性即統(tǒng)計(jì)壽命周期內(nèi)的所有關(guān)聯(lián)故障角度進(jìn)行分配，因此可靠性模型為串聯(lián)模型[2]。

（1）可靠性框圖

本儀器由7個(gè)核心單元組成，主要包括電源和通訊網(wǎng)絡(luò)支持單元、超聲多通道檢測(cè)單元、超聲相控陣檢測(cè)單元、超聲TOFD檢測(cè)單元、渦流陣列單元和多路器單元。儀器整機(jī)功能結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 儀器功能結(jié)構(gòu)

基本可靠性是基于將儀器所有單元發(fā)生的故障都要進(jìn)行維修或更換的范疇，即使有些單元故障不影響儀器功能，依然需要考慮在內(nèi)。儀器可靠性框圖，如圖3所示。

圖3 儀器可靠性框圖

（2）數(shù)學(xué)模型

可靠性分配需要通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算獲得各分配單元分配值，評(píng)分法采用數(shù)學(xué)模型[3]如下。

設(shè)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)為λS，分配給每個(gè)分系統(tǒng)的故障率為λi，計(jì)算公式如下：

式中：i=1，2，…，n為分系統(tǒng)數(shù)量；Ci為第i個(gè)分系統(tǒng)的評(píng)分系數(shù)。

式中：wi為第i個(gè)分系統(tǒng)評(píng)分?jǐn)?shù)；w為系統(tǒng)的評(píng)分?jǐn)?shù)。

式中：rij為第i個(gè)分系統(tǒng)，第j個(gè)因素的評(píng)分?jǐn)?shù)；m為評(píng)分因素?cái)?shù)，即j=1為復(fù)雜度，j=2為技術(shù)水平，j=3為重要度，j=4為環(huán)境條件。

式中：i=1，2，…，n為分系統(tǒng)數(shù)量。

3 可靠性分配結(jié)果

根據(jù)可靠性要求，需把可靠性指標(biāo)MTBF≥3000h作為最小目標(biāo)值進(jìn)行分配，按照公式（1）～（4）分配至每個(gè)核心組成單元。

本文邀請(qǐng)5位有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)專(zhuān)家，對(duì)表1中4個(gè)關(guān)鍵影響因素分別進(jìn)行評(píng)分，然后取平均值。考慮儀器在研制過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生采購(gòu)、外協(xié)部件規(guī)格更換，以及有些可能失效的連接器、電纜等附件，于是在可靠性目標(biāo)值基礎(chǔ)上按15%余量進(jìn)行分配。可靠性指標(biāo)分配結(jié)果，如表2所示。

表2 儀器可靠性指標(biāo)MTBF分配結(jié)果

由表2可以看出，MTBF目標(biāo)值3000 h的整機(jī)可靠性指標(biāo)和15%的余量值均已分配至各組成單元，可為各單元提供可靠性定量參數(shù)，并為可靠性設(shè)計(jì)、元器件的選擇、外協(xié)件的質(zhì)量要求提供參考依據(jù)。

4 分配結(jié)果評(píng)估

通常可靠性分配與可靠性預(yù)計(jì)同步開(kāi)展，兩者相結(jié)合反復(fù)迭代地進(jìn)行，通過(guò)可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果來(lái)初步評(píng)估可靠性分配的合理性。在完成可靠性指標(biāo)分配后，各單元按照分配值進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和元器件型號(hào)確定等，然后根據(jù)元器件參數(shù)開(kāi)展可靠性預(yù)計(jì)，若MTBF預(yù)計(jì)值小于可靠性分配值即預(yù)計(jì)故障率大于分配故障率，則不能滿(mǎn)足可靠性指標(biāo)要求，需要對(duì)可靠性指標(biāo)重新分配。

將可靠性預(yù)計(jì)值與分配值進(jìn)行了比較，比較結(jié)果如表3所示。

表3 可靠性預(yù)計(jì)值與可靠性分配值比較結(jié)果

從表3可以看出，λ預(yù)計(jì)=212.3583×10-6＜λ分配=289.86×10-6即儀器可靠性預(yù)計(jì)故障率比可靠性分配故障率小，說(shuō)明儀器整機(jī)設(shè)計(jì)方案初步滿(mǎn)足可靠性指標(biāo)要求，可靠性分配值基本合理。針對(duì)預(yù)計(jì)故障率稍高的超聲相控陣單元，可根據(jù)需要優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高可靠性水平。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以自主研制無(wú)損檢測(cè)儀器為對(duì)象，對(duì)整機(jī)可靠性指標(biāo)進(jìn)行分配，全面揭示了可靠性分配流程和方法，并通過(guò)可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果對(duì)分配結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。總結(jié)如下：

（1）可靠性分配應(yīng)盡早開(kāi)展，以使設(shè)計(jì)人員將可靠性要求融入設(shè)計(jì)方案中，同時(shí)為外購(gòu)件、外協(xié)件的供貨要求提供依據(jù)和支撐。

（2）可靠性分配是多次反復(fù)分配的過(guò)程，隨著設(shè)計(jì)的不斷細(xì)化、改進(jìn)，以及采購(gòu)件的變化等，各單元的可靠性分配指標(biāo)都需要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。在每次分配時(shí)應(yīng)留有一定余量，以減少分配次數(shù)。

（3）可靠性分配可與可靠性預(yù)計(jì)同步進(jìn)行，若可靠性預(yù)計(jì)值不能滿(mǎn)足可靠性要求，則需要優(yōu)化分配值，直到符合要求。

可靠性分配是可靠性工作的重要組成，在儀器設(shè)計(jì)階段可為可靠性水平和質(zhì)量保證提供重要的科學(xué)支撐。