黃春明

（中廣核檢測技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

可靠性設(shè)計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?？煽啃苑峙涫强煽啃栽O(shè)計的重要環(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，用以確定各個低層次產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。同時，可靠性分配是可靠性設(shè)計的重要理論分析工具，在一定程度上可以評估設(shè)計方案、預(yù)估研制成本、指導(dǎo)設(shè)計改進，為產(chǎn)品的可靠性水平和質(zhì)量提供保障。

由于國內(nèi)民用可靠性研究起步相對較晚，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)品實際要求開展相應(yīng)的工作，但適用性有待進一步驗證。隨著行業(yè)快速發(fā)展，迫切需要探索合適的可靠性設(shè)計方法來滿足對無損檢測儀器的高質(zhì)量要求。本文以自主研制的多功能無損檢測儀器為研究對象，針對儀器可靠性指標(biāo)要求，采用評分法進行可靠性指標(biāo)分配，給出了儀器可靠性分配方法與流程，為可靠性設(shè)計的進一步探索提供基礎(chǔ)。

1 可靠性要求

可靠性指標(biāo)是在儀器設(shè)計階段就提出的可靠性要求，貫穿于設(shè)計、研制、測試、驗收等儀器研制全過程。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)為平均故障間隔時間（MTBF），即兩次相鄰故障間工作時間的平均值，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)計階段提出了儀器整機平均故障間隔時間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行的工作，其目的就是將整個系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為每一個分系統(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)計人員明確所研制儀器的可靠性要求，為可靠性整體設(shè)計、元器件、原材料的選擇提供依據(jù)，同時為外委加工或外購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)計階段開展，使設(shè)計人員盡早將可靠性要求體現(xiàn)在設(shè)計中。

（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設(shè)計時減少重新分配工作量。

2.2 分配流程

可靠性分配是“分配-驗證-再分配-再驗證”反復(fù)迭代的過程。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)品信息進行選擇。考慮本儀器尚處于研制初期設(shè)計階段，元器件型號尚未定型，結(jié)合可靠性指標(biāo)要求，選擇評分分配法進行可靠性指標(biāo)分配，該方法是通過評分對各個因素進行綜合分析以獲得系統(tǒng)各組成單元之間可靠性相對比值[1]。綜合分析本儀器可靠性要求和影響因素，評分因素主要選取復(fù)雜程度、技術(shù)水平、重要度和環(huán)境條件四個關(guān)鍵因素，如表1所示。

表1 評分因素

2.4 數(shù)學(xué)模型

對儀器進行可靠性指標(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)計壽命周期內(nèi)的所有關(guān)聯(lián)故障角度進行分配，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、超聲多通道檢測單元、超聲相控陣檢測單元、超聲TOFD檢測單元、渦流陣列單元和多路器單元。儀器整機功能結(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數(shù)學(xué)計算獲得各分配單元分配值，評分法采用數(shù)學(xué)模型[3]如下。

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

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

式中：wi為第i個分系統(tǒng)評分數(shù)；w為系統(tǒng)的評分數(shù)。

式中：rij為第i個分系統(tǒng)，第j個因素的評分數(shù)；m為評分因素數(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)值進行分配，按照公式（1）～（4）分配至每個核心組成單元。

本文邀請5位有經(jīng)驗的專業(yè)技術(shù)專家，對表1中4個關(guān)鍵影響因素分別進行評分，然后取平均值?？紤]儀器在研制過程中可能會發(fā)生采購、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%余量進行分配?？煽啃灾笜?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、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)果評估

通?？煽啃苑峙渑c可靠性預(yù)計同步開展，兩者相結(jié)合反復(fù)迭代地進行，通過可靠性預(yù)計結(jié)果來初步評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行詳細設(shè)計和元器件型號確定等，然后根據(jù)元器件參數(shù)開展可靠性預(yù)計，若MTBF預(yù)計值小于可靠性分配值即預(yù)計故障率大于分配故障率，則不能滿足可靠性指標(biāo)要求，需要對可靠性指標(biāo)重新分配。

將可靠性預(yù)計值與分配值進行了比較，比較結(jié)果如表3所示。

表3 可靠性預(yù)計值與可靠性分配值比較結(jié)果

從表3可以看出，λ預(yù)計=212.3583×10-6＜λ分配=289.86×10-6即儀器可靠性預(yù)計故障率比可靠性分配故障率小，說明儀器整機設(shè)計方案初步滿足可靠性指標(biāo)要求，可靠性分配值基本合理。針對預(yù)計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，進一步提高可靠性水平。

5 結(jié)語

本文以自主研制無損檢測儀器為對象，對整機可靠性指標(biāo)進行分配，全面揭示了可靠性分配流程和方法，并通過可靠性預(yù)計結(jié)果對分配結(jié)果進行了驗證。總結(jié)如下：

（1）可靠性分配應(yīng)盡早開展，以使設(shè)計人員將可靠性要求融入設(shè)計方案中，同時為外購件、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)分配的過程，隨著設(shè)計的不斷細化、改進，以及采購件的變化等，各單元的可靠性分配指標(biāo)都需要及時進行調(diào)整。在每次分配時應(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)計同步進行，若可靠性預(yù)計值不能滿足可靠性要求，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。