田豐

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某戰(zhàn)場偵察雷達電子機箱重要件壽命預測與可靠性分析

田豐

（中國人民解放軍駐二O六所軍代室，西安 710100）

進行振動與沖擊非常惡劣的履帶車配套的某戰(zhàn)場偵察雷達電子機箱結(jié)構(gòu)件壽命預測和可靠性分析。通過故障模式分析和概率設(shè)計與分析，借助專業(yè)的概率分析軟件，對機箱結(jié)構(gòu)件進行失效概率分析和定量的壽命預測。量化出機箱結(jié)構(gòu)件的工作風險時間，識別出重要件的設(shè)計參數(shù)，確定結(jié)構(gòu)件的重要特性及檢驗要求，并形成重要特性檢驗單元明細表。參照上述分析結(jié)果，在進行機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工的時候，對靈敏度較高的參數(shù)進行重點質(zhì)量監(jiān)控。

質(zhì)量控制；可靠性；壽命預測

亞雷達屬于復雜尖端的產(chǎn)品，具有技術(shù)含量高、涉及學科多、研制周期長、參與單位廣、對質(zhì)量和可靠性要求嚴格等特點。其質(zhì)量控制和可靠性控制是一個十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，貫穿在整個雷達的方案研制、設(shè)計、生產(chǎn)、調(diào)試、檢驗整個過程。它對雷達平時戰(zhàn)備和戰(zhàn)時使用要求，確保穩(wěn)定的工作狀態(tài)和技術(shù)性能，實現(xiàn)裝備戰(zhàn)時完好性起的作用是無法用價值評估的[1-2]。

可靠性是反映產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要的綜合指標。要提高產(chǎn)品的可靠性，必須從設(shè)計、生產(chǎn)到使用的各個環(huán)節(jié)都采取有力的措施，加強質(zhì)量與可靠性管理，加強可靠性培訓，建立嚴格的檢驗制度。雷達系統(tǒng)在研制過程中，如何搞好其可靠性，論證分析工作，并科學合理地確定可靠性要求，對提高系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量、作戰(zhàn)效能和降低系統(tǒng)的壽命周期費用都具有十分重要的意義。通過不斷改進雷達的可靠性，可使其在整個戰(zhàn)時使用發(fā)揮到極致。整機的技術(shù)性能可能主要由一些關(guān)鍵的元器件性能決定，但其可靠性則與所有的硬件及軟件單元有關(guān)。任何一個單元失效，都可能導致整個系統(tǒng)失效。雷達產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件對完成雷達功能具有重要影響。它的失效可能導致雷達不能完成既定任務(wù)[3-5]。

傳統(tǒng)的可靠性理論是基于應力-強度干涉理論。應力-強度干涉理論是以應力-強度干涉模型為基礎(chǔ)的，該模型可清楚地揭示機械零件產(chǎn)生故障和機械強度可靠性設(shè)計的本質(zhì)。機械零件的強度和工作應力均為隨機變量，呈正態(tài)分布狀態(tài)。這是由于影響零件強度的參數(shù)如材料的性能、尺寸、表面質(zhì)量等均為隨機變量，影響應力的參數(shù)如載荷工況、應力集中、工作溫度、潤滑狀態(tài)等都是隨機變量的緣故。零件在工作初期，強度總是大于應力，是不會發(fā)生故障的。但隨著零件在動載荷、腐蝕、磨損、疲勞載荷的長期作用下，強度會逐漸衰減，導致應力超過強度而產(chǎn)生不可靠的情況發(fā)生。當應力與強度的概率分布發(fā)生干涉時，雖然工作應力仍遠小于極限應力（強度）的平均值，但不能絕對保證工作應力在任何情況下都不大于極限應力。當應力超過強度時，將產(chǎn)生故障或失效。應力大于強度的全部概率為失效概率，即不可靠度。

應用統(tǒng)計學的方法對疲勞應力進行了統(tǒng)計計算方法研究，但在工程實際中實例應用不多。究其原因，主要是應用應力-強度干涉模型直接進行可靠性設(shè)計比較復雜。概率計算量大，要求概率計算方法能夠滿足各種工程問題的需要，并能合理處理精度和效率間的權(quán)衡關(guān)系[6-7]。文中運用專業(yè)的概率工具NESSUS對機箱結(jié)構(gòu)進行失效概率計算，并得到各變量的靈敏度和重要度，從而完成對該結(jié)構(gòu)疲勞壽命的可靠度量化以及重要參數(shù)識別[8]。

1 故障模式分析和概率設(shè)計與分析

1.1 優(yōu)點

某戰(zhàn)場偵察雷達主機包括天線、波控、移相器、功分器、收發(fā)機箱、后端處理等，收發(fā)機箱包括箱體、天線罩、后板、燕尾等。箱體是整個雷達天線以及后端的結(jié)構(gòu)載體，起到防護和環(huán)境適應性的作用。天線為裂縫波導，為成熟設(shè)計技術(shù)，工藝成型方法為真空鋁釬焊，不存在加工風險。移相器與波控機為其他產(chǎn)品共用件，其指標已經(jīng)經(jīng)過其他產(chǎn)品的檢驗，所以整個雷達主機的難點體現(xiàn)在機箱質(zhì)量控制輕型化上面。箱體通過自身燕尾結(jié)構(gòu)與總體連接固定，受雷達總質(zhì)量約束，箱體為薄壁零件，壁厚最薄處僅為1.2 mm?？紤]到統(tǒng)型的雷達安裝在履帶車上的惡劣環(huán)境，機箱所受的沖擊強度很強，大小為40，工況為箱體底端與下燕尾相連的部位三個方向的位移約束，并且雷達所受的振動非常大（振動試驗圖譜見GJB 150-16A圖C.4與表D.1），因此將該箱體列為重要件。

箱體加工工藝方法如下：采用7075航空鋁合金直接進行銑削加工，在加工最薄處1.2 mm時，設(shè)計了專用加工工裝，同時填充石蠟以確保材料的延展性，加工過程中進行多次熱處理，以消除加工硬化與變形。

考慮到箱體的壁厚較薄，自身強度較弱，需對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵件進行失效概率分析和定量的壽命預測，量化風險時間，識別出重要的設(shè)計參數(shù)。從而在設(shè)計與加工的時候，對靈敏度較高的參數(shù)進行重點質(zhì)量監(jiān)控。

產(chǎn)品可靠性控制是質(zhì)量控制的重要組成部分，通過故障模式分析和概率設(shè)計與分析，可以得到關(guān)重件在什么時候，什么部位，發(fā)生什么破壞，發(fā)生破壞的可能性概率是多少。通過故障模式分析和概率設(shè)計與分析，提高了雷達產(chǎn)品的質(zhì)量，保證了高性能的、高精尖的、大規(guī)模的復雜產(chǎn)品的可靠性和維修性，確保了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。應用系統(tǒng)分析方法，結(jié)合故障樹理論，建立電子機箱結(jié)構(gòu)失效的故障樹如圖1所示。

圖1 故障樹

應用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)失效的系統(tǒng)分析方法[9]，可確定機箱結(jié)構(gòu)失效的兩種模式：應力累積損傷導致強度降低失效，機箱在周期性交變載荷作用下，由于損傷不斷累積，超過機箱的疲勞極限，造成機箱的失效，其主要影響因素為危險截面上的應力幅值及其作用頻率；橫向或縱向的共振失效，由于激振頻率與機箱的固有頻率出現(xiàn)相近、相等或成整數(shù)倍, 可能導致大振幅振動，使其壽命降低或超過機箱的極限應力，出現(xiàn)失效。

可以看出，影響可靠性的因素主要包括：載荷因素、結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作環(huán)境及工作狀況等，其中多數(shù)因素具有明顯的不確定性(模糊性、隨機性)[3]。箱體尺寸、材料等的不確定性，導致構(gòu)件振動固有頻率的不確定[10-11]。外界激振力的頻率和力幅的不確定，共同導致構(gòu)件振動響應的不確定[9]。通過故障模式分析和概率設(shè)計與分析，對結(jié)構(gòu)關(guān)重件進行失效概率分析和定量的壽命預測，可以量化風險時間，識別出重要的設(shè)計參數(shù)，通過故障模式分析和概率設(shè)計與分析，可以得到某關(guān)重件在什么時候，什么部位，發(fā)生什么破壞，發(fā)生破壞的可能性概率是多少。故障模式分析和概率設(shè)計與分析的優(yōu)點在于：在產(chǎn)品設(shè)計期間，重點考慮該處加固、加強措施；在產(chǎn)品生產(chǎn)階段，重點進行工藝與檢驗控制；可靠性試驗通常的破壞是用肉眼觀測的，但如果裂紋發(fā)生在結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部，只能通過該研究確定大致部位后，再通過金屬材料晶相分析進行重點排查；在產(chǎn)品列裝后，結(jié)構(gòu)件不同于電路產(chǎn)品，電器系統(tǒng)均有故障指示，而結(jié)構(gòu)件的破壞只能通過肉眼觀測，或等到發(fā)生破壞后才知道。要預防于未然，只能加強檢測，但是天天觀測也是不現(xiàn)實的。

通過分析，可確定重點檢測的時間點，使用者應在給出的時間點定期檢測該某處，以免產(chǎn)生斷裂發(fā)生事故。

比如圖2中機箱在進行分析后，可以給出以下三個重點檢測的時間（該三個檢測時間均是在產(chǎn)品正常壽命之內(nèi)的，且以下時間與概率均為虛擬值，不作為真實產(chǎn)品參考）：（I）5 000 h左右，燕尾頸部位發(fā)生疲勞斷裂的概率為30%；（II）7 200 h左右，天線安裝面密封風道處發(fā)生共振斷裂的概率為50%；（III）15 000 h左右，機箱頂端封板疲勞損傷裂紋的概率為50%?？梢钥闯?，通過故障模式分析和概率設(shè)計與分析，可以大大降低列裝產(chǎn)品發(fā)生故障的概率，防患于未然，提高產(chǎn)品作戰(zhàn)安全指標。

圖2 結(jié)構(gòu)監(jiān)測區(qū)域

1.2 分析方法

首先確定結(jié)構(gòu)的失效模型，通過研究結(jié)構(gòu)的失效模式和相應的可靠度指標，確定結(jié)構(gòu)的失效判別準則，并以三維圖的形式體現(xiàn)。失效模式的確定主要從FMEA分析和經(jīng)驗中獲得；而失效模型的建立需要明確結(jié)構(gòu)的失效模式、相應的可靠度指標以及經(jīng)過驗證的確定性分析模型。在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上，考慮材料、載荷、工作環(huán)境、幾何尺寸等的不確定性，對不確定性因素建模，更能真實反應實際使用情況。然后確定隨機變量，分析并確定結(jié)構(gòu)在幾何尺寸、材料屬性、載荷和邊界條件等方面存在的不確定性因素，并進行數(shù)據(jù)的收集和處理。最后用概率密度函數(shù)將這些隨機變量描述出來，完成對輸入?yún)?shù)不確定性的描述。失效概率的計算是可靠性分析的目的[12]。借助專業(yè)的概率工具NESSUS，通過設(shè)置隨機變量的CDF、PDF曲線，對結(jié)構(gòu)進行失效概率計算，并得到各變量的靈敏度和重要度，從而完成對該結(jié)構(gòu)疲勞壽命的可靠度量化以及重要參數(shù)識別。

根據(jù)可靠度的計算結(jié)果和重要度、靈敏度分析，從而在產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時能更好地控制與分配各參數(shù)的范圍，從加工工藝、制造、選材等方面。尋求提高產(chǎn)品可靠性的有效途徑，從而達到優(yōu)化設(shè)計的目的。概率設(shè)計與分析可以量化結(jié)構(gòu)的可靠度、識別重要參數(shù)，而傳統(tǒng)的確定性分析不能解決該問題。

根據(jù)故障模式影響分析（FMEA），發(fā)現(xiàn)以箱體風道面、燕尾連接附近兩處的疲勞破壞為主要失效模式，即這兩處的疲勞壽命決定了結(jié)構(gòu)的可靠壽命。因此，將該結(jié)構(gòu)的設(shè)計目標值作為疲勞壽命的界限值0。將結(jié)構(gòu)的疲勞壽命用()表示，得到該結(jié)構(gòu)的失效模型為：=0－()。利用有限元模型，得到該結(jié)構(gòu)的應力、應變等仿真結(jié)果，再根據(jù)合理的壽命模型，建立該結(jié)構(gòu)的疲勞壽命模型()。分析并確定結(jié)構(gòu)在幾何尺寸、材料屬性、載荷和邊界條件等方面存在的不確定性因素，并進行數(shù)據(jù)的收集和處理，最后用概率密度函數(shù)將這些隨機變量描述出來，即可得到各隨機變量的CDF、PDF曲線。

圖3為某戰(zhàn)場偵察雷達天線收發(fā)機箱失效預測的三維模型，各變量的靈敏度如圖4所示。

圖3 三維模型

圖4 各變量的靈敏度

利用分析結(jié)果，還可以基于可靠度對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)可靠度的計算結(jié)果和靈敏度分析，設(shè)計人員能從結(jié)構(gòu)件自身尺寸、外形、構(gòu)造等，并從加工工藝、材料等方面尋求提高可靠性的有效途徑，從而達到優(yōu)化設(shè)計的目的。

根據(jù)圖4，可以了解各變量的均值和標準差對失效概率的影響程度。從圖4中可以看出，與其他因素相比，B、P的標準差對失效概率的影響最大，因此在產(chǎn)品設(shè)計和制造階段，只需要通過控制變量B、P的標準差就可以大幅度提高該產(chǎn)品的可靠度，建議B、P區(qū)域進行零件探傷處理。

各控制變量對應區(qū)域如下：AF右出風口；AI機箱燕尾連接區(qū)域兩外側(cè)；P燕尾連接區(qū)域；C機箱頂部兩側(cè)；B風道面；S頂部16個鋼絲螺套底孔；T機箱頂部提手安裝區(qū)域。

1.3 分析結(jié)論

根據(jù)特性分析的結(jié)果，確定關(guān)鍵、重要特性及檢驗要求，并形成關(guān)鍵、重要特性檢驗單元明細表，內(nèi)容見表1。

表1 重要特性檢驗單元明細表

要說明的是，產(chǎn)品交付后，燕尾經(jīng)過多次反復拆卸，可能會造成配合面磨損，會影響雷達的定位原點的偏移，同時可能會造成雷達基座固定的不牢靠性，造成波束指向零位的偏移，需定期進行雷達的光電軸一致性標校。同時還應考慮矩形插座具備插合次數(shù)壽命，定期更換連接器。

利用分析結(jié)果，還可以基于可靠度對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)可靠度的計算結(jié)果和靈敏度分析，設(shè)計人員能從結(jié)構(gòu)件自身尺寸、外形、構(gòu)造等，并從加工工藝、材料等方面尋求提高可靠性的有效途徑，從而達到優(yōu)化設(shè)計的目的。

2 結(jié)語

產(chǎn)品可靠性控制是質(zhì)量控制的重要組成部分，通過故障模式分析和概率設(shè)計與分析，可以得到關(guān)重件在什么時候、什么部位、發(fā)生什么破壞、發(fā)生破壞的可能性概率是多少。通過故障模式分析和概率設(shè)計與分析，提高了雷達產(chǎn)品的質(zhì)量，保證了高性能的、高精尖的、大規(guī)模的復雜產(chǎn)品的可靠性和維修性，確保了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。在產(chǎn)品研制過程中，通過故障模式分析和概率設(shè)計與分析，進行關(guān)重件的關(guān)重特性研究和分析，得出關(guān)重特性檢驗要求。開展全面的質(zhì)量和可靠性的設(shè)計、分析、試驗工作，成為實現(xiàn)設(shè)計目標的必然選擇。在產(chǎn)品正式列裝后，給出部隊使用者應在哪些重點區(qū)域，在多少使用時間以后進行關(guān)鍵件的故障檢測，從而避免了不知何時、何處的盲目檢測。

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Lifespan Prediction and Reliability Analysis of Important Components of a War Field Detection Radar′s Electronic Enclosure

TIAN Feng

(PLA's Military Representative Office at 206 Research Institute, Xi′an 710100, China)

To carry out lifespan prediction and reliability analysis on structural components of products matching the track vehicle under harsh vibration and impact circumstances.Through the design and analysis of failure mode analysis and probability, and with the aid of the probability of professional analysis software, the failure probability analysis and the quantitative life prediction of chassis structure were carried out.The work risk duration of chassis structure was determined. Important parts of design parameters were identified. Important characteristics and inspection requirements of the structure were determined. And schedule of inspection unit form important characteristics was formed.With reference to the above analysis, in structure design and processing, monitoring the quality of higher sensitivity of parameters is the key.

quality control; reliability; lifespan prediction

10.7643/ issn.1672-9242.2017.12.020

TJ07

A

1672-9242(2017)12-0102-04

2017-07-17；

2017-08-28

田豐（1971—），男，碩士，高級工程師，主要從事武器裝備科研與生產(chǎn)過程的技術(shù)質(zhì)量管理和監(jiān)督方法研究，以及武器裝備可靠性研究。