季漢忠

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

0　引　言

雷達(dá)作為典型的復(fù)雜電子系統(tǒng)，其內(nèi)部集成了各種電子元器件。隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和功率器件的不斷升級(jí)，器件熱耗進(jìn)一步增加，對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求越來越高?？尚?、可靠的熱設(shè)計(jì)一直是電子設(shè)備具備高可靠性的關(guān)鍵保障之一。特別是對(duì)于大型相控陣?yán)走_(dá)而言，傳統(tǒng)風(fēng)冷方式已較難滿足散熱需求，越來越多的液冷系統(tǒng)應(yīng)用到雷達(dá)領(lǐng)域。[1]作為整個(gè)冷卻系統(tǒng)的核心部件，二次冷卻裝置擔(dān)負(fù)著冷卻系統(tǒng)的最終散熱作用。[2]文獻(xiàn)[3]對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)開展過可靠性分析，其思路和方法對(duì)分析其他復(fù)雜系統(tǒng)具備一定的指導(dǎo)意義。

本文所述二次冷卻裝置是某雷達(dá)系統(tǒng)功率組件、電源模塊等設(shè)備的液體冷卻和加熱裝置，其冷卻性能、可靠性等方面具有嚴(yán)格要求。通過對(duì)該二次冷卻裝置進(jìn)行系統(tǒng)劃分，基于各系統(tǒng)間運(yùn)行關(guān)系建立可靠性建模，并計(jì)算二次冷卻裝置的致命故障間的任務(wù)時(shí)間(Mean time between critical failures, MTBCF)，對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)可靠性分析及設(shè)計(jì)的過程，提出提升可靠性的具體措施，以滿足大型雷達(dá)系統(tǒng)整機(jī)冷卻工作需求。

目前，雷達(dá)系統(tǒng)二次冷卻裝置可靠性設(shè)計(jì)存在的主要難點(diǎn)如下：

(1) 基于大型雷達(dá)較苛刻的散熱要求，系統(tǒng)的散熱量、供液流量進(jìn)一步提高，導(dǎo)致零部件數(shù)量增加，監(jiān)控系統(tǒng)更加復(fù)雜，零部件故障點(diǎn)增多；

(2) 受國內(nèi)零部件生產(chǎn)加工工藝水平及國外零部件的采購限制，水泵和風(fēng)機(jī)等主要零部件的基本失效率已無法降低，難以提高可靠性；

(3) 二次冷卻裝置在沖擊、振動(dòng)、潮濕、高低溫、鹽霧、霉菌等環(huán)境下工作時(shí)易受到環(huán)境應(yīng)力的影響，導(dǎo)致可靠性降低。

以上難點(diǎn)的存在進(jìn)一步提高了二次冷卻裝置的可靠性分析的必要性。

1　二次冷卻裝置系統(tǒng)組成及原理

該二次冷卻裝置按子系統(tǒng)劃分主要包括供液系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、補(bǔ)液系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及其他連接系統(tǒng)(電纜、管路、接口等)，各系統(tǒng)間的工作流程如圖1所示。

供液系統(tǒng)中的主供液泵將乙二醇冷卻液以一定流量、壓力分別輸送至換熱系統(tǒng)的換熱器中。在換熱器中，空氣與換熱器中的乙二醇冷卻液進(jìn)行熱交換, 交換出來的熱空氣被風(fēng)機(jī)抽出，使乙二醇冷卻液溫度降低。被冷卻后的乙二醇冷卻液進(jìn)入雷達(dá)系統(tǒng)負(fù)載組件。在負(fù)載組件中，乙二醇冷卻液吸收器件的熱量而升溫, 同時(shí)電子組件得到冷卻。升溫后的乙二醇冷卻液回流至供液泵入口處,再由供液泵輸送到換熱器重新進(jìn)行循環(huán)工作, 周而復(fù)始。二次冷卻裝置中設(shè)有補(bǔ)液系統(tǒng)。當(dāng)供液系統(tǒng)的背壓低或流量低時(shí)自動(dòng)開啟補(bǔ)液泵從輔助水箱中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)液。電控系統(tǒng)以可編程控制器為主控制器，配合觸摸屏實(shí)現(xiàn)供液系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、補(bǔ)液系統(tǒng)等執(zhí)行設(shè)備的開關(guān)控制，以及對(duì)供液溫度、供液壓力、供液流量、回液溫度等主要參數(shù)的測(cè)量和監(jiān)控，并將系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息以及故障報(bào)警信息等上報(bào)給總體。各子系統(tǒng)的組成如下：

(1) 供液系統(tǒng)由供液泵、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、過濾器、除氣器、膨脹罐、壓力開關(guān)、壓差開關(guān)、加熱器等組成；

(2) 換熱系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、換熱器等組成；

(3) 補(bǔ)液系統(tǒng)由補(bǔ)液泵、液位開關(guān)、壓力傳感器等組成；

(4) 控制系統(tǒng)由主控制器、溫度擴(kuò)展模塊、濾波器、開關(guān)電源、觸摸屏、接觸器、相序、防雷、中繼、熱繼、空氣開關(guān)、變頻器等組成。

各子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)、無故障工作以保證該二次冷卻裝置滿足冷卻需求。

2　可靠性建模

2.1　二次冷卻裝置可靠性建模

二次冷卻裝置可靠性建模采用GJB813規(guī)定的程序和方法建立以產(chǎn)品功能為基礎(chǔ)的可靠性模型。二次冷卻裝置每個(gè)功能單元發(fā)生故障相互獨(dú)立、各單元壽命服從指數(shù)分布、二次冷卻裝置相關(guān)的外部系統(tǒng)都正常工作作為建模條件。復(fù)雜系統(tǒng)可靠性與零件失效的基本邏輯關(guān)系主要分為串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)、N中取K表決系統(tǒng)等。

系統(tǒng)中任意一個(gè)元件失效都會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)失效稱為串聯(lián)系統(tǒng)，其任務(wù)可靠性模型為

(1)

式中，λS為系統(tǒng)任務(wù)失效率，λ0～λn為各子系統(tǒng)任務(wù)失效率。

系統(tǒng)中至少有K個(gè)元件正常工作時(shí)系統(tǒng)就能正常工作，為N中取K表決系統(tǒng)[4]。當(dāng)K=N-1時(shí)，該系統(tǒng)任務(wù)可靠性MTBCF數(shù)學(xué)模型如下：

(2)

式中，μ為修復(fù)率，μ=1/MTTR；λ0為該表決模型中單元的任務(wù)失效率。

基于二次冷卻裝置工作原理建立串聯(lián)型可靠性模型，如圖2所示，子系統(tǒng)間無冗余備份。

圖2二次冷卻裝置可靠性框圖

對(duì)失效率進(jìn)行等效處理，并按指數(shù)模型建模。二次冷卻裝置任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型如下：

(3)

式中，λA為供液系統(tǒng)任務(wù)失效率；λB為散熱系統(tǒng)任務(wù)失效率；λC為補(bǔ)液系統(tǒng)任務(wù)失效率；λD為控制系統(tǒng)任務(wù)失效率；λE為其他系統(tǒng)任務(wù)失效率。

2.2　子系統(tǒng)可靠性建模

根據(jù)二次冷卻裝置工作原理，分析各子系統(tǒng)間的工作關(guān)系，分別建立子系統(tǒng)可靠性框圖和數(shù)學(xué)模型，其中供液系統(tǒng)和換熱系統(tǒng)為串聯(lián)與表決的組合系統(tǒng)，補(bǔ)液系統(tǒng)和電控系統(tǒng)為串聯(lián)。各子系統(tǒng)可靠性框圖如圖3所示。

供液系統(tǒng)中有兩個(gè)供液泵，一個(gè)為主供液泵，另一個(gè)為輔助供液泵。在主供液泵發(fā)生故障失效時(shí)由輔助供液泵進(jìn)行供液，屬于表決模型。換熱系統(tǒng)換熱風(fēng)機(jī)4只，低海拔地區(qū)采用用3備1。高海拔地區(qū)4只風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟，也屬于表決模型。其余各單元工作時(shí)屬于串聯(lián)模型。

根據(jù)上述公式可以反推N中取K表決系統(tǒng)的任務(wù)失效率，從而計(jì)算出該模型中供液泵和風(fēng)機(jī)以及換熱器的任務(wù)失效率，公式如下：

(4)

3　可靠性(MTBCF)預(yù)計(jì)

從二次冷卻裝置的可靠性框圖可知，基本可靠性框圖為串聯(lián)結(jié)構(gòu)模型，系統(tǒng)的可靠度為

λS=∑NiλGiπQi

(5)

式中，λS為系統(tǒng)故障率，λGi為第i種元器件的通用失效率，πQi為第i種元器件的失效因數(shù)，Ni為第i種元件的數(shù)量(i=1,2,3,…,n)為元器件種類數(shù)。

各單元的基本失效率如表1所示。器件的故障率及失效因數(shù)均參考器件的使用手冊(cè)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)(40℃時(shí))所得。將表1中的數(shù)據(jù)代入到公式(4)中即可求得各系統(tǒng)的任務(wù)失效率。下面僅以供液泵和風(fēng)機(jī)為例。

對(duì)供液泵而言，其表決模型如表2所示，從而其修復(fù)率和任務(wù)失效率計(jì)算可得

(6)

對(duì)風(fēng)機(jī)而言，其表決模型如表3所示，從而其修復(fù)率和任務(wù)失效率計(jì)算可得

(7)

表1　各單元基本失效率

表2　供液泵表決模型

表3　風(fēng)機(jī)表決模型

二次冷卻裝置的MTBCF=-t/lnR(t)，R(t)=e(-λt),式中的t可取一個(gè)月的工作時(shí)間，每天工作時(shí)間為24 h，則

λ供液系統(tǒng)=39.4×10-6+9.45×10-10

λ換熱系統(tǒng)=6.57×10-9

λ補(bǔ)液系統(tǒng)=14.4×10-6

λ控制系統(tǒng)=65.6×10-6

(8)

同時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可得

λ管路系統(tǒng)=4×10-6

(9)

采用Matlab進(jìn)行可靠性仿真，供液系統(tǒng)、補(bǔ)液系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的可靠度曲線如圖4所示。雷達(dá)二次冷卻裝置系統(tǒng)可靠度曲線如圖5所示。

從而對(duì)于二次冷卻裝置，有

R(t)=e-(λ供液系統(tǒng)+λ補(bǔ)液系統(tǒng)+λ換熱系統(tǒng)+λ控制系統(tǒng)+λ管路系統(tǒng))t

=0.9150

MTBCF=-720/ln(0.9150)=8 108≥8 000 h

(10)

由分析可知，其MTBCF滿足要求(規(guī)定值為8 000 h)。

4　提高可靠性的措施

4.1　合理考慮在線維修設(shè)計(jì)

當(dāng)相應(yīng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備，并進(jìn)行故障自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)隔離和備份設(shè)備的自動(dòng)切換，對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。例如，通過斷開風(fēng)機(jī)的配電斷路器，可對(duì)損壞的風(fēng)機(jī)在線維修，提高換熱系統(tǒng)可靠性。

4.2　嚴(yán)格控制元器件選用

(1) 二次冷卻裝置中所有與冷卻液接觸的零部件、元件(如水箱、傳感器元件、管材等密封件)應(yīng)耐冷卻液腐蝕，金屬材料推薦選用316L不銹鋼；

(2) 風(fēng)機(jī)、水泵、各種傳感器和觸摸屏等電子器件選用其工作溫度范圍滿足工作和存儲(chǔ)要求的設(shè)備；

(3) 換熱系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)采用可調(diào)速風(fēng)機(jī)，可以根據(jù)溫度變化調(diào)節(jié)風(fēng)速，提高系統(tǒng)的可靠度；

(4) 二次冷卻裝置中選用的非金屬材料和粘結(jié)劑應(yīng)具備良好的防腐、防菌和防潮濕性能，提高裝置的抗惡劣環(huán)境能力，且應(yīng)為無毒、無異味、耐老化的阻燃材料。

5　結(jié)束語

本文對(duì)某雷達(dá)二次冷卻裝置的可靠性進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，其MTBCF預(yù)計(jì)值可達(dá)到8 108 h，能夠滿足該雷達(dá)二次冷卻裝置的規(guī)定要求(MTBCF≥8 000 h)。

通過全面的分析確定產(chǎn)品潛在的隱患和薄弱環(huán)節(jié)，并通過科學(xué)預(yù)計(jì)和行之有效的可靠性設(shè)計(jì)措施，能夠有效消除對(duì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高可靠性的不利因素，從而提高產(chǎn)品可靠性水平，滿足產(chǎn)品可靠性要求。