儀器儀表的可靠性預計方法及思考

歐陽斌武

[摘要]針對我國儀器儀表行業的現狀,選擇LJ6010多功能標準源為例,說明具體的預計方法和步驟。在產品的設計階段就把可靠性預計工作做好,為今后的可靠性工作做準備,最終達到提高產品可靠性的目的。

[關鍵詞]儀器儀表可靠性預計

中圖分類號:TH7文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0820118-01

一、可靠性預計對儀器儀表的重要性

可靠性預計是運用以往的工程經驗、故障數據和當代的技術水平,尤其是以元器件,零部件的失效率作為依據,預報產品(元器件,零部件,子系統或系統)實際可能達到的可靠度,即預報這些產品在特定的應用中完成規定功能的概率。對于儀器儀表來說可靠性預計就顯得更加重要。

可靠性預計是產品可靠性設計從定性考慮轉入定量分析的關鍵,也是實施可靠性工程的基礎。在方案研究和工程研制階段,應及時地預計系統、分系統或設備的基本可靠性和任務可靠性,能比較不同設計方案的特點及可靠度,以選擇最佳設計方案,并實施“預計——改進設計”的循環,使儀器儀表達到規定的可靠性要求。根據國情,我國企業開展可靠性研究工作相對落后,許多產品從方案論證、設計研制階段就沒有對產品進行可靠性預計,這樣后期的可靠性工作就無從談起,因此進入生產階段后仍有許多故障和隱患沒有排除。

二、選擇LJ6010多功能標準源為例的原因

LJ6010多功能標準源(以下簡稱儀器)能輸出交直流電壓、交直流電流、電阻信號,是黑龍江省計量院開發的用于0.1級以下模擬表和四位半數字表校驗的校準器。

1.元器件覆蓋面廣。它覆蓋了從軍標B級(GJB597的B級:軍品級)、部標3、4類(SJ331-3、4類:工業品級)、低檔(一般有機材料封裝民用級)和自制器件或部件,極具有代表性。

2.該儀器開發研制的方法有相當的代表性。該儀器開發研制的基本程序:仿制—消化—研制—再開發—定型—市場—再定型。經過后4步的反復循環,最終定型。這種方式在我國大部分高端儀器的開發過程中,基本上是一種必然模式,而且這種開發研制的模式還會持續相當長時間。

三、預計方法和步驟

(一)預計方法及模型的選擇

由于LJ6010多功能標準源原本沒有經過可靠性設計,當然談不上可靠性預計,目前的儀器僅僅定位于科研開發階段與定型階段。其中元器件計數法適用于設計的早期階段,對可靠性快速地進行初步估計,為確定最佳設計方案提供可靠性等方面的數據;而元器件應力分析法是詳細的可靠性預計,是在產品設計的后期階段的預計。因此我們選擇了計數法可靠性預計和部分應力法與計數法結合的可靠性預計。該預計屬于事后預計,我們稱為補課性預計,它很有代表性。在這種補課行為中,首先采用計數預計法,給出產品設計時期的產品壽命預期值,如果這個預期值很低,那么產品在設計之初就沒能達到設計的市場要求,通過計數預計法可以比較和選擇可靠性好的設計方案。預計模型的選取:進口器件使用美國國防部Rome試驗室制定的MIL-HDBK-217,它是當前國際上商用、軍用領域得到最廣泛的應用,它涵蓋幾乎所有的電子、電氣元件和一些機電器件,提供有元器件應力分析法和元件計數法兩種預計模型。國內器件使用信息產業部第五研究所制定的GJB/Z299,它是以MIL-HD-BK-217為參考制定出的,也有元器件應力分析法和元件計數法兩種預計模型。

(二)預計過程

1.確定了預計方法和使用的預計模型后,就可以按照下面的步驟進行可靠性預計。以LJ6010多功能標準源中的電壓放大電路模塊的預計為例。用計數法進行預計,其失效率的數學表達式為:

式中:λGS-模塊總失效率,10-6/h;λGi-第i種元器件的通用失效率,10-6/h;πQi-第i種元器件的通用質量系數;Ni-第i種元器件的數量;n-設備所用元器件的種類數目。確定所用元器件的種類及數量、質量等級和儀器整機的工作環境后,按照上面給出的計算公式,國產器件通過查GJB/Z299B-98電子設備可靠性預計手冊;進口件參照MIL-HDBK-217F電子設備可靠性預計(美國),可知各個元器件的可靠性參數,代入上面的公式就可以計算出電壓放大電路模塊的失效率及平均壽命:λGS=115.308

×10-6/hMTBF(平均壽命)=1/λGS=8672.43h。

2.用應力法預計,采用這種方法所需要的信息除了計數法預計的那些信息外還有元器件的工作應力。其中,溫度應力系數的值取決于電路的工藝;電壓應力系數的值取決于推薦的工作電壓,實際應用的工作電壓和電路處于最惡劣狀態時的結溫。這些在GJB299B和MIL-HDBK-217F中均可查得。計算失效率的公式為:

λp=λb(πE×πR×πA×πS2×πc)

式中:λp-工作失效率;λb-基本故障率;πE-環境系數;πR-電流額定因子;πA-應力因子;πS2-電壓額定因子;πC-配置因子。上述各種因子的故障算出后,利用元件計數法,求得系統的故障率:

式中:λpi-第i種元器件的故障率;Ni-第i種元器件的數量;N-系統中元器件種類數。通過查GJB/Z299B-98和MIL-HDBK-217F手冊,用應力預計法得到交流放大電路模塊的失效率及平均壽命。

λS=156.210×10-6/hMTBF=6401.64h

3.可見應力法預計和計數法預計的結果相差不大,證明了我們選擇了計數法可靠性預計和部分應力法與計數法結合的可靠性預計模型是正確的。為了工程應用方便我們今后可選用計數預計法進行該儀器的整機預計。

4.使用上述方法依次預計出各個模塊以及整。機的可靠性指標后,可以根據用戶要求看其是否滿足。如果不滿足要求,需根據預計值分析出可靠性差的模塊加以改進,最終達到提高可靠性的目的。

四、小結

綜上所述,正確運用元器件計數法和應力法,能有效地解決早期產品可靠性預計問題。盡管目前的可靠性預計方法還存在諸多不足,關于可靠性預計的爭議也有很多,但是這些都不能抹煞可靠性預計在設備研制過程中對指導開展可靠性工程工作的重要意義。在開展可靠性工程工作時應注意將可靠性預計和其他可靠性設計分析、可靠性試驗、可靠性管理等工作相結合,才能有效保證產品研制過程可靠性的增長,以及可靠性目標的實現。

參考文獻:

[1]MIL-HDBK-217FN2,美國軍用手冊《電子設備可靠性預計手冊》修訂通告2[S].

[2]GJB299B-98,電子設備可靠性預計手冊[S].

[3]郭宗文、周真,電子產品可靠性預計方法的研究[J].黑龍江電子技術,1999,(4).

[4]曾聲奎、趙廷弟、張建國等,系統可靠性設計分析教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2001.