某飛機APU進/排氣門控制盒可靠性研究

王欣

摘 要： 對某飛機APU進/排氣門控制盒的可靠性進行了分析，綜合考慮器件、環(huán)境、電路設(shè)計等可靠性因素，依據(jù)國軍標GJB/Z299C?2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》中提供的方法，通過元器件可靠性預(yù)計法對控制盒的可靠性進行預(yù)計，并根據(jù)一般原理對提高控制盒可靠性的方法進行了探討。對比及驗證表明，控制盒設(shè)計合理，可靠性滿足主機及系統(tǒng)要求。

關(guān)鍵詞： APU進/排氣門控制盒； 可靠性預(yù)計； 可靠性分析； 國軍標GJB/Z299C?2006

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0164?03

Study on reliability of controller for APU inlet/exhaust valves

WANG Xin

（Detachment 71， Unit 95961 of PLA， Beijing 100195， China）

Abstract： The reliability of controller the APU inlet/exhaust valves for an aircraft is analyzed. In consideration of the devices′ reliability factors such as components， environment and circuit design， and according to the methods provided by the military specifications GJB/Z299C?2006 “Electronic Equipment Reliability Prediction Handbook”， reliability of the controller is predicted. The method improving the reliability of the controller is discussed according to general principles. The comparison and verification results show that the design of the controller is reasonable， and the reliability of the controller can meet the system requirements.

Keywords： controller of APU inlet/exhaust valve； reliability prediction； reliability analysis； GJB/Z299C?2006

1 控制盒功能介紹

APU進/排氣門控制盒是飛機APU進/排氣門的核心部件，它的好壞與否直接關(guān)系到APU進/排氣門的工作狀態(tài)。只有在控制盒工作穩(wěn)定、可靠的前提下，才能保證APU進/排氣門順利的打開/關(guān)閉。

APU進/排氣門控制盒主要由驅(qū)動電路，邏輯保護電路，故障檢測保護電路組成。控制盒根據(jù)電子控制器發(fā)送的指令信號，控制電機的正反轉(zhuǎn)，從而決定艙門的開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)。當艙門開啟或關(guān)閉到位時，通過機構(gòu)上的微動開關(guān)信號實現(xiàn)位置信號的反饋，來修正電機的工作狀態(tài)，實現(xiàn)電機控制盒關(guān)閉在低功耗工作模式。

控制盒的原理圖如圖1所示。

2 控制盒可靠性分析

控制盒主要由控制板、航空電插頭、航空接插件、殼體等部分組成一個串聯(lián)系統(tǒng)。

控制盒的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 控制盒的原理圖

圖2 控制盒的結(jié)構(gòu)圖

控制板是控制盒的核心，負責信號的采集、輸入、輸出等。其可靠性主要由印刷板、繼電器、電阻、電容、二極管等決定。

控制盒的航空電插頭、航空接插件負責控制盒指令信號、故障信號、位置反饋信號與電子控制器的連接，其可靠性取決于產(chǎn)品的固有特性。

外殼起著承重、屏蔽、保護作用，其可靠性完全由器件的本身機械特性所決定，基本與電氣部分無關(guān)。因此在可靠性分析時忽略不計。

控制盒環(huán)境要求：根據(jù)主機要求，控制盒的工作環(huán)境溫度為：-55～70 ℃。按照國軍標GJB/Z299C?2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》為飛機無人艙內(nèi)[AUF：]有高溫、高壓、強烈的沖擊與振動等惡劣環(huán)境條件。

3 控制盒的可靠性預(yù)計

根據(jù)國軍標GJB/Z299C?2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》中可靠性預(yù)計的方法：元器件應(yīng)力可靠性預(yù)計法和元器件計數(shù)可靠性預(yù)計法。本文主要采用元器件計數(shù)可靠性預(yù)計法。

元器件計數(shù)可靠性預(yù)計法模型為：

[λGS=i=1nNiλGiπQi] （1）

式中：[λGS]為設(shè)備總失效率，[10-6h；][Ni]為第[i]種元器件的數(shù)量；[λGi]為第[i]種元器件的通用失效率，[10-6h；][πQi]為第[i]種元器件的通用質(zhì)量系數(shù)；[n]為設(shè)備所用元器件的種類數(shù)目。

質(zhì)量等級：B。

環(huán)境分類：[AUF]戰(zhàn)斗機無人艙。

根據(jù)國軍標GJB/Z299C?2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》中提供的數(shù)據(jù)，可以得出控制板元器件質(zhì)量等級系數(shù)及通用失效率，見表1。

繼電器的失效模型為：

[λK=λbπEπQπC1πCYCπrπAπC] （2）

貼片電阻器的失效模型為：

[λr=λbπEπQπR] （3）

貼片電容器的失效模型為：

[λc=λbπEπQπCVπch] （4）

二極管的失效模型為：

[λD1=λbπEπQπTπS] （5）

[λD2=λbπEπQπrπAπS2πC] （6）

穩(wěn)壓二極管的失效模型為：

[λD3=λbπEπQπA] （7）

三極管的失效模型為：

[λV=λbπEπQπAπS2πrπC] （8）

磁棒的失效模型為：

[λL1=λbπEπQ] （9）

貼片電感器的失效模型為：

[λL2=λbπEπQπT] （10）

磁環(huán)的失效模型為：

[λL3=λbπEπQ] （11）

連接器的失效模型為：

[λLJQ=λbπEπQπPπKπC] （12）

印刷板的失效率模型為 ：

[λPCB=（λb1N+λb2）πEπQπC] （13）

其中，[λPCB]為工作失效率，[10-6h；][λb1，][λb2]為基本失效率，[10-6h，][λb1]取值為0.000 17，[λb2]取值為0.001 1；[N]為使用的金屬化孔數(shù)：142；[πE]為環(huán)境系數(shù)，[AUF]取值為20；[πQ]為質(zhì)量系數(shù)，符合GJB362A，取值0.30；[πC]為復(fù)雜度系數(shù)，取值1.0。

焊點的失效率模型為：

[λ焊=NλbπEπQ] （14）

其中，[N]為焊點數(shù)：54；[λ焊]為工作失效率，[10-6h；][λb]為基本失效率，[10-6h]，采用再流焊，取值0.000 070；[πE]為環(huán)境系數(shù)，[AUF]取值為11；[πQ]為質(zhì)量系數(shù)，質(zhì)量等級B，取值1.0。

由公式（1）～（14）及表1可以計算出各個元器件的失效率[λPCB，][λ焊，][λK，][λr，][λc，][λD1，][λD2，][λD3，][λV，][λL1，][λL2，][λL3，][λLJQ，]所以控制板總的失效率為以上各失效率之和，即[λCTR=76.093 6×10-6 h，]所以控制板的MTBF=[1λCTR=]13 141 h。

由計算結(jié)果可以看出控制板的可靠性預(yù)計值遠大于系統(tǒng)最低要求1 500 h 。即使按2倍余量設(shè)計，控制板可達到的平均無故障時間也遠大于系統(tǒng)的最低要求。

4 其他的可靠性保障方法

4.1 器件選用

優(yōu)先選用高等級的元器件；壓縮元器件品種、規(guī)格和供貨單位，考慮可替換性；最大限度的使用具有可靠性數(shù)據(jù)的元器件；選用元器件的質(zhì)量等級滿足單機設(shè)計可靠性指標和要求；在元器件質(zhì)量和供應(yīng)滿足要求前提下，當國產(chǎn)元器件與進口元器件性能價格比相當時，優(yōu)先選用國產(chǎn)元器件；設(shè)計選用元器件充分考慮其參數(shù)的變化范圍，按照相關(guān)標準進行容差設(shè)計。不使用已知不穩(wěn)定或可能導(dǎo)致安全性危險或可靠性風險的元器件。

4.2 抗干擾技術(shù)

設(shè)計中從接地、濾波抑制、殼體抑制以及電路板的電磁干擾抑制等多方面來考慮，主要有以下措施：合理布置PCB板，系統(tǒng)采用單點接地，并盡可能增大地線寬度，改善電磁噪聲；PCB板的金屬化孔都是采用雙過孔，電源線及其接線端點都是雙點雙線。由于電路工作在開關(guān)狀態(tài)，為了減少其電磁能量外泄，控制器外殼采用全封閉屏蔽結(jié)構(gòu)，外殼結(jié)構(gòu)件在加工時，結(jié)構(gòu)件相應(yīng)的搭接面處均予以保護，保證導(dǎo)電性良好，增加屏蔽作用；固定螺孔盡可能采用盲孔；從控制器引出的電纜都外加防波套，其屏蔽層接控制器外殼。

4.3 電路設(shè)計

在實現(xiàn)同樣功能、性能的方案中，選用結(jié)構(gòu)簡潔，元器件數(shù)量較少的設(shè)計方案。針對設(shè)計中所使用的兩組繼電器，分析了潛在電路，合理設(shè)計互鎖，避免兩組繼電器同時接通的可能。設(shè)計了BIT接口，實現(xiàn)故障實時監(jiān)控與故障信息反饋，保證控制盒、線路以及上位機電子控制器在控制盒發(fā)生故障的時候不會受到嚴重的影響。

4.4 環(huán)境可靠性實驗

按照系統(tǒng)和國軍標要求，進行了高溫、低溫、溫度沖擊、溫度?高度、濕熱、霉菌、沙塵、淋雨、積冰?凍雨、振動、加速度、沖擊、噪聲、壽命，電磁兼容等試驗。控制盒的各項性能指標均滿足本身技術(shù)及系統(tǒng)要求。

5 結(jié) 語

可靠性預(yù)計是電子設(shè)備可靠性設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，雖然可靠性預(yù)計能夠提供一些關(guān)于失效率和平均故障間隔時間等可靠性指標，但是數(shù)值計算的結(jié)果與實際情況還存在比較大的差距，因而不能根據(jù)計算結(jié)果單一的來確定控制盒的實際可靠性，有必要從器件選用、抗干擾、電路設(shè)計、環(huán)境試驗等方面來綜合分析控制盒的整體可靠性。通過分析和試驗驗證，該控制盒設(shè)計合理、運行穩(wěn)定，滿足主機及系統(tǒng)要求。

參考文獻

[1] 中國人民解放軍總裝備部.國軍標GJB/Z299C?2006電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊[S].北京：總裝備部軍標出版發(fā)行部，2007.

[2] 宋保維，王曉娟.系統(tǒng)可靠性設(shè)計與分析[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2000.

[3] O′Connor，P D T.實用可靠性工程[M].李莉，譯.4版.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[4] 張增照，潘勇.電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計[M].北京：科技出版社，2007.

[5] 楊為民.可靠性·維修性·保障性總論[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[6] 張燁，康勁松，房立存.驅(qū)動電機系統(tǒng)故障機理及可靠性分析[J].機電一體化，2008，14（12）：64?68.

[7] 孫青，王錫吉.電子元器件可靠性工程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[8] 朱文冰.航天產(chǎn)品電子元器件的可靠性控制[J].電子工程師，2006，32（3）：11?13.

[9] 恩云飛，羅宏偉，來萍.電子元器件失效分析及技術(shù)發(fā)展[J].失效分析與預(yù)防，2006（1）：40?42.

貼片電阻器的失效模型為：

[λr=λbπEπQπR] （3）

貼片電容器的失效模型為：

[λc=λbπEπQπCVπch] （4）

二極管的失效模型為：

[λD1=λbπEπQπTπS] （5）

[λD2=λbπEπQπrπAπS2πC] （6）

穩(wěn)壓二極管的失效模型為：

[λD3=λbπEπQπA] （7）

三極管的失效模型為：

[λV=λbπEπQπAπS2πrπC] （8）

磁棒的失效模型為：

[λL1=λbπEπQ] （9）

貼片電感器的失效模型為：

[λL2=λbπEπQπT] （10）

磁環(huán)的失效模型為：

[λL3=λbπEπQ] （11）

連接器的失效模型為：

[λLJQ=λbπEπQπPπKπC] （12）

印刷板的失效率模型為 ：

[λPCB=（λb1N+λb2）πEπQπC] （13）

其中，[λPCB]為工作失效率，[10-6h；][λb1，][λb2]為基本失效率，[10-6h，][λb1]取值為0.000 17，[λb2]取值為0.001 1；[N]為使用的金屬化孔數(shù)：142；[πE]為環(huán)境系數(shù)，[AUF]取值為20；[πQ]為質(zhì)量系數(shù)，符合GJB362A，取值0.30；[πC]為復(fù)雜度系數(shù)，取值1.0。

焊點的失效率模型為：

[λ焊=NλbπEπQ] （14）

其中，[N]為焊點數(shù)：54；[λ焊]為工作失效率，[10-6h；][λb]為基本失效率，[10-6h]，采用再流焊，取值0.000 070；[πE]為環(huán)境系數(shù)，[AUF]取值為11；[πQ]為質(zhì)量系數(shù)，質(zhì)量等級B，取值1.0。

由公式（1）～（14）及表1可以計算出各個元器件的失效率[λPCB，][λ焊，][λK，][λr，][λc，][λD1，][λD2，][λD3，][λV，][λL1，][λL2，][λL3，][λLJQ，]所以控制板總的失效率為以上各失效率之和，即[λCTR=76.093 6×10-6 h，]所以控制板的MTBF=[1λCTR=]13 141 h。

由計算結(jié)果可以看出控制板的可靠性預(yù)計值遠大于系統(tǒng)最低要求1 500 h 。即使按2倍余量設(shè)計，控制板可達到的平均無故障時間也遠大于系統(tǒng)的最低要求。

4 其他的可靠性保障方法

4.1 器件選用

優(yōu)先選用高等級的元器件；壓縮元器件品種、規(guī)格和供貨單位，考慮可替換性；最大限度的使用具有可靠性數(shù)據(jù)的元器件；選用元器件的質(zhì)量等級滿足單機設(shè)計可靠性指標和要求；在元器件質(zhì)量和供應(yīng)滿足要求前提下，當國產(chǎn)元器件與進口元器件性能價格比相當時，優(yōu)先選用國產(chǎn)元器件；設(shè)計選用元器件充分考慮其參數(shù)的變化范圍，按照相關(guān)標準進行容差設(shè)計。不使用已知不穩(wěn)定或可能導(dǎo)致安全性危險或可靠性風險的元器件。

4.2 抗干擾技術(shù)

設(shè)計中從接地、濾波抑制、殼體抑制以及電路板的電磁干擾抑制等多方面來考慮，主要有以下措施：合理布置PCB板，系統(tǒng)采用單點接地，并盡可能增大地線寬度，改善電磁噪聲；PCB板的金屬化孔都是采用雙過孔，電源線及其接線端點都是雙點雙線。由于電路工作在開關(guān)狀態(tài)，為了減少其電磁能量外泄，控制器外殼采用全封閉屏蔽結(jié)構(gòu)，外殼結(jié)構(gòu)件在加工時，結(jié)構(gòu)件相應(yīng)的搭接面處均予以保護，保證導(dǎo)電性良好，增加屏蔽作用；固定螺孔盡可能采用盲孔；從控制器引出的電纜都外加防波套，其屏蔽層接控制器外殼。

4.3 電路設(shè)計

在實現(xiàn)同樣功能、性能的方案中，選用結(jié)構(gòu)簡潔，元器件數(shù)量較少的設(shè)計方案。針對設(shè)計中所使用的兩組繼電器，分析了潛在電路，合理設(shè)計互鎖，避免兩組繼電器同時接通的可能。設(shè)計了BIT接口，實現(xiàn)故障實時監(jiān)控與故障信息反饋，保證控制盒、線路以及上位機電子控制器在控制盒發(fā)生故障的時候不會受到嚴重的影響。

4.4 環(huán)境可靠性實驗

按照系統(tǒng)和國軍標要求，進行了高溫、低溫、溫度沖擊、溫度?高度、濕熱、霉菌、沙塵、淋雨、積冰?凍雨、振動、加速度、沖擊、噪聲、壽命，電磁兼容等試驗。控制盒的各項性能指標均滿足本身技術(shù)及系統(tǒng)要求。

5 結(jié) 語

可靠性預(yù)計是電子設(shè)備可靠性設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，雖然可靠性預(yù)計能夠提供一些關(guān)于失效率和平均故障間隔時間等可靠性指標，但是數(shù)值計算的結(jié)果與實際情況還存在比較大的差距，因而不能根據(jù)計算結(jié)果單一的來確定控制盒的實際可靠性，有必要從器件選用、抗干擾、電路設(shè)計、環(huán)境試驗等方面來綜合分析控制盒的整體可靠性。通過分析和試驗驗證，該控制盒設(shè)計合理、運行穩(wěn)定，滿足主機及系統(tǒng)要求。

參考文獻

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[5] 楊為民.可靠性·維修性·保障性總論[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[6] 張燁，康勁松，房立存.驅(qū)動電機系統(tǒng)故障機理及可靠性分析[J].機電一體化，2008，14（12）：64?68.

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[8] 朱文冰.航天產(chǎn)品電子元器件的可靠性控制[J].電子工程師，2006，32（3）：11?13.

[9] 恩云飛，羅宏偉，來萍.電子元器件失效分析及技術(shù)發(fā)展[J].失效分析與預(yù)防，2006（1）：40?42.

貼片電阻器的失效模型為：

[λr=λbπEπQπR] （3）

貼片電容器的失效模型為：

[λc=λbπEπQπCVπch] （4）

二極管的失效模型為：

[λD1=λbπEπQπTπS] （5）

[λD2=λbπEπQπrπAπS2πC] （6）

穩(wěn)壓二極管的失效模型為：

[λD3=λbπEπQπA] （7）

三極管的失效模型為：

[λV=λbπEπQπAπS2πrπC] （8）

磁棒的失效模型為：

[λL1=λbπEπQ] （9）

貼片電感器的失效模型為：

[λL2=λbπEπQπT] （10）

磁環(huán)的失效模型為：

[λL3=λbπEπQ] （11）

連接器的失效模型為：

[λLJQ=λbπEπQπPπKπC] （12）

印刷板的失效率模型為 ：

[λPCB=（λb1N+λb2）πEπQπC] （13）

其中，[λPCB]為工作失效率，[10-6h；][λb1，][λb2]為基本失效率，[10-6h，][λb1]取值為0.000 17，[λb2]取值為0.001 1；[N]為使用的金屬化孔數(shù)：142；[πE]為環(huán)境系數(shù)，[AUF]取值為20；[πQ]為質(zhì)量系數(shù)，符合GJB362A，取值0.30；[πC]為復(fù)雜度系數(shù)，取值1.0。

焊點的失效率模型為：

[λ焊=NλbπEπQ] （14）

其中，[N]為焊點數(shù)：54；[λ焊]為工作失效率，[10-6h；][λb]為基本失效率，[10-6h]，采用再流焊，取值0.000 070；[πE]為環(huán)境系數(shù)，[AUF]取值為11；[πQ]為質(zhì)量系數(shù)，質(zhì)量等級B，取值1.0。

由公式（1）～（14）及表1可以計算出各個元器件的失效率[λPCB，][λ焊，][λK，][λr，][λc，][λD1，][λD2，][λD3，][λV，][λL1，][λL2，][λL3，][λLJQ，]所以控制板總的失效率為以上各失效率之和，即[λCTR=76.093 6×10-6 h，]所以控制板的MTBF=[1λCTR=]13 141 h。

由計算結(jié)果可以看出控制板的可靠性預(yù)計值遠大于系統(tǒng)最低要求1 500 h 。即使按2倍余量設(shè)計，控制板可達到的平均無故障時間也遠大于系統(tǒng)的最低要求。

4 其他的可靠性保障方法

4.1 器件選用

優(yōu)先選用高等級的元器件；壓縮元器件品種、規(guī)格和供貨單位，考慮可替換性；最大限度的使用具有可靠性數(shù)據(jù)的元器件；選用元器件的質(zhì)量等級滿足單機設(shè)計可靠性指標和要求；在元器件質(zhì)量和供應(yīng)滿足要求前提下，當國產(chǎn)元器件與進口元器件性能價格比相當時，優(yōu)先選用國產(chǎn)元器件；設(shè)計選用元器件充分考慮其參數(shù)的變化范圍，按照相關(guān)標準進行容差設(shè)計。不使用已知不穩(wěn)定或可能導(dǎo)致安全性危險或可靠性風險的元器件。

4.2 抗干擾技術(shù)

設(shè)計中從接地、濾波抑制、殼體抑制以及電路板的電磁干擾抑制等多方面來考慮，主要有以下措施：合理布置PCB板，系統(tǒng)采用單點接地，并盡可能增大地線寬度，改善電磁噪聲；PCB板的金屬化孔都是采用雙過孔，電源線及其接線端點都是雙點雙線。由于電路工作在開關(guān)狀態(tài)，為了減少其電磁能量外泄，控制器外殼采用全封閉屏蔽結(jié)構(gòu)，外殼結(jié)構(gòu)件在加工時，結(jié)構(gòu)件相應(yīng)的搭接面處均予以保護，保證導(dǎo)電性良好，增加屏蔽作用；固定螺孔盡可能采用盲孔；從控制器引出的電纜都外加防波套，其屏蔽層接控制器外殼。

4.3 電路設(shè)計

在實現(xiàn)同樣功能、性能的方案中，選用結(jié)構(gòu)簡潔，元器件數(shù)量較少的設(shè)計方案。針對設(shè)計中所使用的兩組繼電器，分析了潛在電路，合理設(shè)計互鎖，避免兩組繼電器同時接通的可能。設(shè)計了BIT接口，實現(xiàn)故障實時監(jiān)控與故障信息反饋，保證控制盒、線路以及上位機電子控制器在控制盒發(fā)生故障的時候不會受到嚴重的影響。

4.4 環(huán)境可靠性實驗

按照系統(tǒng)和國軍標要求，進行了高溫、低溫、溫度沖擊、溫度?高度、濕熱、霉菌、沙塵、淋雨、積冰?凍雨、振動、加速度、沖擊、噪聲、壽命，電磁兼容等試驗。控制盒的各項性能指標均滿足本身技術(shù)及系統(tǒng)要求。

5 結(jié) 語

可靠性預(yù)計是電子設(shè)備可靠性設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，雖然可靠性預(yù)計能夠提供一些關(guān)于失效率和平均故障間隔時間等可靠性指標，但是數(shù)值計算的結(jié)果與實際情況還存在比較大的差距，因而不能根據(jù)計算結(jié)果單一的來確定控制盒的實際可靠性，有必要從器件選用、抗干擾、電路設(shè)計、環(huán)境試驗等方面來綜合分析控制盒的整體可靠性。通過分析和試驗驗證，該控制盒設(shè)計合理、運行穩(wěn)定，滿足主機及系統(tǒng)要求。

參考文獻

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