无损检测仪器的可靠性预计
浏览量：667次发布时间：2023年07月10日
在工程实践中，受试验条件、样机数量、经费等因素限制，很难通过试验对所有产品的可靠性进行验证，因此需要探寻一种方法来实现产品可靠性的评估。目前在民用装备领域，可靠性研究起步相对较晚，且尚无完善的可靠性体系作为参考，对于有可靠性要求的仪器，较难寻求到相应的评价方法和依据。
为此，中广核检测技术有限公司的技术人员将可靠性预计这种可靠性评估方法引入无损检测仪器研制工程，通过数据计算的方法进行可靠性定量预计，旨在为无损检测仪器可靠性水平评价及可靠性设计提供参考。
1 可靠性预计对象
可靠性评估对象主要为自主研制的水下综合无损检测仪器，该设备由7个核心单元组成，包括电源、通讯网络和5个无损检测功能单元，均安装于密封舱内，通过密封接头实现舱内外检测数据采集及信号传输，具备涡流、超声、射线检测等多种检测功能，具有单方法、多方法等多种检测模式，其功能结构框图如图1所示。
图1 综合无损检测仪器功能结构框图
该综合检测仪器的功能单元A为相控阵超声检测模块，功能单元B为超声多通道和TOFD检测模块，功能单元C为阵列涡流检测模块，功能单元D为涡流多路器模块，功能单元E为射线检测模块。
该仪器的功能单元A和B可共同构成水下综合超声检测分系统，用于实现相控阵超声、超声多通道和TOFD三种检测功能，各项检测技术可独立应用也可综合应用，能在水下300 m压力环境下实施检测工作。功能单元C和D可共同构成涡流检测分系统，该系统具有精密时序调控、快速调零、高温漂移补偿、高环境磁场下高灵敏度检测等功能，能实施高达640个通道的高精度、高效率检测。功能单元E用于实现数字射线检测及其检测影像的采集，从而进行缺陷评估。
该仪器的工作环境多为工况复杂的海洋水域，需要长时间在水下作业，受制于海上工作条件限制和出海成本控制，无法及时在海上进行现场维修，这对仪器的可靠性提出了较高的要求，因此需要仪器具有较高的可靠性来满足长任务周期的工作需要。
2 可靠性预计方法 可靠性预计是在产品可靠性结构模型的基础上，利用元器件失效率数据和其他数据来预测产品所能达到的可靠度或相应的可靠性特征量，从而实现对可靠性的初步评估，是对仪器可靠性进行的定量估计。许多对可靠性要求高的装备都要求在设计初期就进行可靠性预计工作，如果在产品的设计阶段就开展可靠性预计工作，则可根据预计结果提前发现薄弱环节，有效地降低研发更改成本，节省研发时间。 可靠性预计仅能提供大致的估计值，用于可靠性分配的比较和合理性分析，预计值须大于仪器可靠性规定值或目标值。考虑该仪器工作环境对可靠性要求较高，即在海上工作期间不允许发生任何故障，因此需要对仪器的基本可靠性进行预计。 可靠性指标要求 鉴于该仪器的工作环境，考虑实际工程单次检测任务执行时间，在设计阶段提出了MTBF（平均故障间隔时间）≥3 000 h的可靠性指标要求。 可靠性模型建立 鉴于该仪器现阶段初步设计已完成，元器件规格、数量和环境、质量系数等都已确定，因此笔者选择元器件计数法进行基本可靠性预计。进行基本可靠性预计时，构成产品的所有单元都应包括在模型内，因此建立的可靠性模型为串联模型。仪器基本可靠性框图如图2所示。
图2 仪器基本可靠性框图
基于上述要求，提出串联可靠度数学模型：
式中：Rs为串联可靠度；Rs(t)为仪器可靠度；λs为仪器等效故障率；ri为第i单元的可靠度；λi为第i单元的失效率。
可靠性预计条件
仪器的可靠性预计基于以下条件进行：
① 仪器组成单元只有故障、正常两种状态；
② 所有输入均在规定范围之内，不考虑输入错误引起故障的情况；
③ 可靠性建模不考虑仪器的简单结构件；
④ 故障分布均服从指数分布，且故障之间是相互独立的。
可靠性预计参数选择
可靠性预计方法要根据仪器研制进展的实际情况进行选择，选择参考的标准为GJB/Z 299C-2006《电子设备可靠性预计手册》和MIL-HDBK-217F-2000《电子设备可靠性预计军用手册》。在预计所用参数的选择中，对国产元器件，采用GJB/Z 299C-2006标准提供的数据进行预计；对进口元器件，采用MIL-HDBK-217F-2000标准提供的数据进行预计。
可靠性预计需要根据仪器质量要求、工作环境等多个影响因素，参考上述手册标准，选择合适的参数进行数学模型计算。具体从以下几方面进行考虑：
1 质量等级
元器件质量直接影响其失效率，不同质量等级对元器件失效率的影响程度用质量系数πQ来表示，质量系数的选取与所选的元器件质量等级一致。
2 环境类别
环境类别是根据电子设备使用时遇到的气候条件、机械条件、生物条件等特点对环境进行划分，不同环境类别的环境应力对元器件失效率影响不同。考虑仪器在水下密封舱的工作环境，应参考GJB/Z 299C-2006标准，选择环境类别为NSB，即参照潜艇内环境条件。
3 通用失效率
依据标准GJB/Z 299C-2006和MIL-HDBK-217F-2000，分别查取仪器每个元器件的通用失效率λG。
对于本文选择的元器件计数法，其失效率模型可表示为：
式中：λGi为第i种元器件在环境类别为NSB下的通用失效率；πQi为第i种元器件质量等级；Ni为第i种元器件数量；n为元器件数量。
3 可靠性预计结果
查阅标准GJB/Z 299C-2006和MIL-HDBK-217F-2000获得πQi和λGi，计算出各元器件失效率λi；再按照式(4)计算出各单元的失效率。由于该仪器包含7个核心功能单元，且每个单元所含元器件数量较多，共计413个，笔者不在此一一列出，仅以功能单元A为例，给出单元A和保险丝的失效率计算方法：
功能单元A的失效率计算结果如表1所示。
表1 功能单元A失效率计算结果
采用与单元A同样的计算方法，得出其余单元的失效率。鉴于仪器可靠性模型为串联模型，则各单元失效率之和为仪器整机失效率。仪器整机预计失效率计算结果如表2所示。
由表2失效率计算结果可得仪器的失效率：
则平均故障间隔时间M可按照式(3)计算：
即仪器整机平均故障间隔时间的预计值为4709 h。
从计算结果可以看出，仪器整机的基本可靠性预计结果（4709 h）为目标值（3000 h）的1.57倍，按照1.2～1.5倍要求，该仪器的可靠性水平满足设计指标要求，说明设计阶段的可靠性设计方案是可行的，可靠性分配是合理的。
同时也发现单元B失效率相对较高，根据需要可以采取简化设计、降额设计、热设计等手段进行可靠性设计优化，进一步提高其可靠性水平。
结语
1 针对应用于海洋复杂工况的自主研制的多功能无损检测仪器开展了可靠性预计，给出了仪器的可靠性预计方法，为无损检测仪器在研制过程中的可靠性设计提供了借鉴和参考。
2 可靠性预计仅是在可靠性设计阶段通过数学模型进行的可靠性初步定量估计，在后续研制阶段中还可通过不同可靠性试验来做进一步检验，如研制中期的可靠性增长试验、设计定型阶段的可靠性鉴定试验和量产阶段的可靠性验收试验等。
作者：黄春明，中广核检测技术有限公司 工程师，主要研究方向为无损检测技术。
来源：《无损检测》2023年6期
