在工程實(shí)踐中，受試驗(yàn)條件、樣機(jī)數(shù)量、經(jīng)費(fèi)等因素限制，很難通過試驗(yàn)對(duì)所有產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，因此需要探尋一種方法來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性的評(píng)估。目前在民用裝備領(lǐng)域，可靠性研究起步相對(duì)較晚，且尚無完善的可靠性體系作為參考，對(duì)于有可靠性要求的儀器，較難尋求到相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法和依據(jù)。
為此，中廣核檢測技術(shù)有限公司的技術(shù)人員將可靠性預(yù)計(jì)這種可靠性評(píng)估方法引入無損檢測儀器研制工程，通過數(shù)據(jù)計(jì)算的方法進(jìn)行可靠性定量預(yù)計(jì)，旨在為無損檢測儀器可靠性水平評(píng)價(jià)及可靠性設(shè)計(jì)提供參考。
1、可靠性預(yù)計(jì)對(duì)象
可靠性評(píng)估對(duì)象主要為自主研制的水下綜合無損檢測儀器，該設(shè)備由7個(gè)核心單元組成，包括電源、通訊網(wǎng)絡(luò)和5個(gè)無損檢測功能單元，均安裝于密封艙內(nèi)，通過密封接頭實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)外檢測數(shù)據(jù)采集及信號(hào)傳輸，具備渦流、超聲、射線檢測等多種檢測功能，具有單方法、多方法等多種檢測模式，其功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 綜合無損檢測儀器功能結(jié)構(gòu)框圖
該綜合檢測儀器的功能單元A為相控陣超聲檢測模塊，功能單元B為超聲多通道和TOFD檢測模塊，功能單元C為陣列渦流檢測模塊，功能單元D為渦流多路器模塊，功能單元E為射線檢測模塊。
該儀器的功能單元A和B可共同構(gòu)成水下綜合超聲檢測分系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)相控陣超聲、超聲多通道和TOFD三種檢測功能，各項(xiàng)檢測技術(shù)可獨(dú)立應(yīng)用也可綜合應(yīng)用，能在水下300 m壓力環(huán)境下實(shí)施檢測工作。功能單元C和D可共同構(gòu)成渦流檢測分系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有精密時(shí)序調(diào)控、快速調(diào)零、高溫漂移補(bǔ)償、高環(huán)境磁場下高靈敏度檢測等功能，能實(shí)施高達(dá)640個(gè)通道的高精度、高效率檢測。功能單元E用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字射線檢測及其檢測影像的采集，從而進(jìn)行缺陷評(píng)估。
該儀器的工作環(huán)境多為工況復(fù)雜的海洋水域，需要長時(shí)間在水下作業(yè)，受制于海上工作條件限制和出海成本控制，無法及時(shí)在海上進(jìn)行現(xiàn)場維修，這對(duì)儀器的可靠性提出了較高的要求，因此需要儀器具有較高的可靠性來滿足長任務(wù)周期的工作需要。
2、可靠性預(yù)計(jì)方法
可靠性預(yù)計(jì)是在產(chǎn)品可靠性結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，利用元器件失效率數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)來預(yù)測產(chǎn)品所能達(dá)到的可靠度或相應(yīng)的可靠性特征量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)可靠性的初步評(píng)估，是對(duì)儀器可靠性進(jìn)行的定量估計(jì)。許多對(duì)可靠性要求高的裝備都要求在設(shè)計(jì)初期就進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)工作，如果在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就開展可靠性預(yù)計(jì)工作，則可根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果提前發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，有效地降低研發(fā)更改成本，節(jié)省研發(fā)時(shí)間。
可靠性預(yù)計(jì)僅能提供大致的估計(jì)值，用于可靠性分配的比較和合理性分析，預(yù)計(jì)值須大于儀器可靠性規(guī)定值或目標(biāo)值?？紤]該儀器工作環(huán)境對(duì)可靠性要求較高，即在海上工作期間不允許發(fā)生任何故障，因此需要對(duì)儀器的基本可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)。
可靠性指標(biāo)要求
鑒于該儀器的工作環(huán)境，考慮實(shí)際工程單次檢測任務(wù)執(zhí)行時(shí)間，在設(shè)計(jì)階段提出了MTBF（平均故障間隔時(shí)間）≥3 000 h的可靠性指標(biāo)要求。
可靠性模型建立
鑒于該儀器現(xiàn)階段初步設(shè)計(jì)已完成，元器件規(guī)格、數(shù)量和環(huán)境、質(zhì)量系數(shù)等都已確定，因此筆者選擇元器件計(jì)數(shù)法進(jìn)行基本可靠性預(yù)計(jì)。進(jìn)行基本可靠性預(yù)計(jì)時(shí)，構(gòu)成產(chǎn)品的所有單元都應(yīng)包括在模型內(nèi)，因此建立的可靠性模型為串聯(lián)模型。儀器基本可靠性框圖如圖2所示。
圖2 儀器基本可靠性框圖
基于上述要求，提出串聯(lián)可靠度數(shù)學(xué)模型：
式中：Rs為串聯(lián)可靠度；Rs(t)為儀器可靠度；λs為儀器等效故障率；ri為第i單元的可靠度；λi為第i單元的失效率。
可靠性預(yù)計(jì)條件
儀器的可靠性預(yù)計(jì)基于以下條件進(jìn)行：
① 儀器組成單元只有故障、正常兩種狀態(tài)；
② 所有輸入均在規(guī)定范圍之內(nèi)，不考慮輸入錯(cuò)誤引起故障的情況；
③ 可靠性建模不考慮儀器的簡單結(jié)構(gòu)件；
④ 故障分布均服從指數(shù)分布，且故障之間是相互獨(dú)立的。
可靠性預(yù)計(jì)參數(shù)選擇
可靠性預(yù)計(jì)方法要根據(jù)儀器研制進(jìn)展的實(shí)際情況進(jìn)行選擇，選擇參考的標(biāo)準(zhǔn)為GJB/Z 299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》和MIL-HDBK-217F-2000《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)軍用手冊(cè)》。在預(yù)計(jì)所用參數(shù)的選擇中，對(duì)國產(chǎn)元器件，采用GJB/Z 299C-2006標(biāo)準(zhǔn)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)計(jì)；對(duì)進(jìn)口元器件，采用MIL-HDBK-217F-2000標(biāo)準(zhǔn)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)計(jì)。
可靠性預(yù)計(jì)需要根據(jù)儀器質(zhì)量要求、工作環(huán)境等多個(gè)影響因素，參考上述手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型計(jì)算。具體從以下幾方面進(jìn)行考慮：
1、質(zhì)量等級(jí)
元器件質(zhì)量直接影響其失效率，不同質(zhì)量等級(jí)對(duì)元器件失效率的影響程度用質(zhì)量系數(shù)πQ來表示，質(zhì)量系數(shù)的選取與所選的元器件質(zhì)量等級(jí)一致。
2、環(huán)境類別
環(huán)境類別是根據(jù)電子設(shè)備使用時(shí)遇到的氣候條件、機(jī)械條件、生物條件等特點(diǎn)對(duì)環(huán)境進(jìn)行劃分，不同環(huán)境類別的環(huán)境應(yīng)力對(duì)元器件失效率影響不同?？紤]儀器在水下密封艙的工作環(huán)境，應(yīng)參考GJB/Z 299C-2006標(biāo)準(zhǔn)，選擇環(huán)境類別為NSB，即參照潛艇內(nèi)環(huán)境條件。
3、通用失效率
依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 299C-2006和MIL-HDBK-217F-2000，分別查取儀器每個(gè)元器件的通用失效率λG。
對(duì)于本文選擇的元器件計(jì)數(shù)法，其失效率模型可表示為：
式中：λGi為第i種元器件在環(huán)境類別為NSB下的通用失效率；πQi為第i種元器件質(zhì)量等級(jí)；Ni為第i種元器件數(shù)量；n為元器件數(shù)量。
3、可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果
查閱標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 299C-2006和MIL-HDBK-217F-2000獲得πQi和λGi，計(jì)算出各元器件失效率λi；再按照式(4)計(jì)算出各單元的失效率。由于該儀器包含7個(gè)核心功能單元，且每個(gè)單元所含元器件數(shù)量較多，共計(jì)413個(gè)，筆者不在此一一列出，僅以功能單元A為例，給出單元A和保險(xiǎn)絲的失效率計(jì)算方法：
功能單元A的失效率計(jì)算結(jié)果如表1所示。
表1 功能單元A失效率計(jì)算結(jié)果
采用與單元A同樣的計(jì)算方法，得出其余單元的失效率。鑒于儀器可靠性模型為串聯(lián)模型，則各單元失效率之和為儀器整機(jī)失效率。儀器整機(jī)預(yù)計(jì)失效率計(jì)算結(jié)果如表2所示。
表2 儀器整機(jī)預(yù)計(jì)失效率計(jì)算結(jié)果
由表2失效率計(jì)算結(jié)果可得儀器的失效率：
則平均故障間隔時(shí)間M可按照式(3)計(jì)算：
即儀器整機(jī)平均故障間隔時(shí)間的預(yù)計(jì)值為4709 h。
從計(jì)算結(jié)果可以看出，儀器整機(jī)的基本可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果（4709 h）為目標(biāo)值（3000 h）的1.57倍，按照1.2～1.5倍要求，該儀器的可靠性水平滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，說明設(shè)計(jì)階段的可靠性設(shè)計(jì)方案是可行的，可靠性分配是合理的。
同時(shí)也發(fā)現(xiàn)單元B失效率相對(duì)較高，根據(jù)需要可以采取簡化設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)等手段進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化，進(jìn)一步提高其可靠性水平。
結(jié)語
1、針對(duì)應(yīng)用于海洋復(fù)雜工況的自主研制的多功能無損檢測儀器開展了可靠性預(yù)計(jì)，給出了儀器的可靠性預(yù)計(jì)方法，為無損檢測儀器在研制過程中的可靠性設(shè)計(jì)提供了借鑒和參考。
2、可靠性預(yù)計(jì)僅是在可靠性設(shè)計(jì)階段通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行的可靠性初步定量估計(jì)，在后續(xù)研制階段中還可通過不同可靠性試驗(yàn)來做進(jìn)一步檢驗(yàn)，如研制中期的可靠性增長試驗(yàn)、設(shè)計(jì)定型階段的可靠性鑒定試驗(yàn)和量產(chǎn)階段的可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)等。
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