可靠性分配在無損檢測儀器中的應用

黃春明

（中廣核檢測技術有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

可靠性設計是可靠性工程中最重要的組成部分，是提高產品固有可靠性水平的基本措施。可靠性分配是可靠性設計的重要環節，是指將系統或產品的可靠性指標分配到各功能層次的分系統、設備及元件，用以確定各個低層次產品的可靠性指標。同時，可靠性分配是可靠性設計的重要理論分析工具，在一定程度上可以評估設計方案、預估研制成本、指導設計改進，為產品的可靠性水平和質量提供保障。

由于國內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，大多在參考軍用標準基礎上根據產品實際要求開展相應的工作，但適用性有待進一步驗證。隨著行業快速發展，迫切需要探索合適的可靠性設計方法來滿足對無損檢測儀器的高質量要求。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要求，采用評分法進行可靠性指標分配，給出了儀器可靠性分配方法與流程，為可靠性設計的進一步探索提供基礎。

1 可靠性要求

可靠性指標是在儀器設計階段就提出的可靠性要求，貫穿于設計、研制、測試、驗收等儀器研制全過程。由于本儀器為可修復使用的產品，選用的可靠性指標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，其壽命服從指數分布。MTBF值越大，儀器的可靠性越高，規定時間內的故障率越小。

根據儀器的應用環境、工作特性和質量要求，在設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。

2 可靠性指標分配

可靠性分配是為了把系統的可靠性指標按照一定的準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的可靠性指標轉化為每一個分系統或單元的可靠性指標。可靠性分配應在儀器研制階段早期進行，把可靠性定量指標分配到規定的系統層次，使各層次的設計人員明確所研制儀器的可靠性要求，為可靠性整體設計、元器件、原材料的選擇提供依據，同時為外委加工或外購件可靠性定量要求提供依據。

2.1 分配原則

可靠性分配一般遵循如下原則：

（1）復雜的單元、技術上不成熟或技術難度大的單元、工作環境惡劣的單元、長期工作的單元應分配較低的可靠性指標。

（2）重要度高的單元應分配較高的可靠性指標。

（3）不易維修、更換的單元應分配較高的可靠性指標。

（4）可靠性分配應在設計階段開展，使設計人員盡早將可靠性要求體現在設計中。

（5）分配應在目標值或規定值基礎上留有適當余量，以便在增加新單元或改進設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能夠獲取的產品信息進行選擇。考慮本儀器尚處于研制初期設計階段，元器件型號尚未定型，結合可靠性指標要求，選擇評分分配法進行可靠性指標分配，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雜程度、技術水平、重要度和環境條件四個關鍵因素，如表1所示。

表1 評分因素

2.4 數學模型

對儀器進行可靠性指標分配，首先需要建立可靠性模型。本文從儀器基本可靠性即統計壽命周期內的所有關聯故障角度進行分配，因此可靠性模型為串聯模型[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絡支持單元、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。儀器整機功能結構，如圖2所示。

圖2 儀器功能結構

基本可靠性是基于將儀器所有單元發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。儀器可靠性框圖，如圖3所示。

圖3 儀器可靠性框圖

（2）數學模型

可靠性分配需要通過數學計算獲得各分配單元分配值，評分法采用數學模型[3]如下。

設系統的可靠性指標為λS，分配給每個分系統的故障率為λi，計算公式如下：

式中：i=1，2，…，n為分系統數量；Ci為第i個分系統的評分系數。

式中：wi為第i個分系統評分數；w為系統的評分數。

式中：rij為第i個分系統，第j個因素的評分數；m為評分因素數，即j=1為復雜度，j=2為技術水平，j=3為重要度，j=4為環境條件。

式中：i=1，2，…，n為分系統數量。

3 可靠性分配結果

根據可靠性要求，需把可靠性指標MTBF≥3000h作為最小目標值進行分配，按照公式（1）～（4）分配至每個核心組成單元。

本文邀請5位有經驗的專業技術專家，對表1中4個關鍵影響因素分別進行評分，然后取平均值。考慮儀器在研制過程中可能會發生采購、外協部件規格更換，以及有些可能失效的連接器、電纜等附件，于是在可靠性目標值基礎上按15%余量進行分配。可靠性指標分配結果，如表2所示。

表2 儀器可靠性指標MTBF分配結果

由表2可以看出，MTBF目標值3000 h的整機可靠性指標和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，并為可靠性設計、元器件的選擇、外協件的質量要求提供參考依據。

4 分配結果評估

通常可靠性分配與可靠性預計同步開展，兩者相結合反復迭代地進行，通過可靠性預計結果來初步評估可靠性分配的合理性。在完成可靠性指標分配后，各單元按照分配值進行詳細設計和元器件型號確定等，然后根據元器件參數開展可靠性預計，若MTBF預計值小于可靠性分配值即預計故障率大于分配故障率，則不能滿足可靠性指標要求，需要對可靠性指標重新分配。

將可靠性預計值與分配值進行了比較，比較結果如表3所示。

表3 可靠性預計值與可靠性分配值比較結果

從表3可以看出，λ預計=212.3583×10-6＜λ分配=289.86×10-6即儀器可靠性預計故障率比可靠性分配故障率小，說明儀器整機設計方案初步滿足可靠性指標要求，可靠性分配值基本合理。針對預計故障率稍高的超聲相控陣單元，可根據需要優化設計，進一步提高可靠性水平。

5 結語

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，并通過可靠性預計結果對分配結果進行了驗證。總結如下：

（1）可靠性分配應盡早開展，以使設計人員將可靠性要求融入設計方案中，同時為外購件、外協件的供貨要求提供依據和支撐。

（2）可靠性分配是多次反復分配的過程，隨著設計的不斷細化、改進，以及采購件的變化等，各單元的可靠性分配指標都需要及時進行調整。在每次分配時應留有一定余量，以減少分配次數。

（3）可靠性分配可與可靠性預計同步進行，若可靠性預計值不能滿足可靠性要求，則需要優化分配值，直到符合要求。

可靠性分配是可靠性工作的重要組成，在儀器設計階段可為可靠性水平和質量保證提供重要的科學支撐。