儀器儀表的可靠性預(yù)計(jì)方法及思考

歐陽斌武

[摘要]針對我國儀器儀表行業(yè)的現(xiàn)狀,選擇LJ6010多功能標(biāo)準(zhǔn)源為例,說明具體的預(yù)計(jì)方法和步驟。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就把可靠性預(yù)計(jì)工作做好,為今后的可靠性工作做準(zhǔn)備,最終達(dá)到提高產(chǎn)品可靠性的目的。

[關(guān)鍵詞]儀器儀表可靠性預(yù)計(jì)

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

一、可靠性預(yù)計(jì)對儀器儀表的重要性

可靠性預(yù)計(jì)是運(yùn)用以往的工程經(jīng)驗(yàn)、故障數(shù)據(jù)和當(dāng)代的技術(shù)水平,尤其是以元器件,零部件的失效率作為依據(jù),預(yù)報(bào)產(chǎn)品(元器件,零部件,子系統(tǒng)或系統(tǒng))實(shí)際可能達(dá)到的可靠度,即預(yù)報(bào)這些產(chǎn)品在特定的應(yīng)用中完成規(guī)定功能的概率。對于儀器儀表來說可靠性預(yù)計(jì)就顯得更加重要。

可靠性預(yù)計(jì)是產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)從定性考慮轉(zhuǎn)入定量分析的關(guān)鍵,也是實(shí)施可靠性工程的基礎(chǔ)。在方案研究和工程研制階段,應(yīng)及時(shí)地預(yù)計(jì)系統(tǒng)、分系統(tǒng)或設(shè)備的基本可靠性和任務(wù)可靠性,能比較不同設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)及可靠度,以選擇最佳設(shè)計(jì)方案,并實(shí)施“預(yù)計(jì)——改進(jìn)設(shè)計(jì)”的循環(huán),使儀器儀表達(dá)到規(guī)定的可靠性要求。根據(jù)國情,我國企業(yè)開展可靠性研究工作相對落后,許多產(chǎn)品從方案論證、設(shè)計(jì)研制階段就沒有對產(chǎn)品進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì),這樣后期的可靠性工作就無從談起,因此進(jìn)入生產(chǎn)階段后仍有許多故障和隱患沒有排除。

二、選擇LJ6010多功能標(biāo)準(zhǔn)源為例的原因

LJ6010多功能標(biāo)準(zhǔn)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(jì)量院開發(fā)的用于0.1級以下模擬表和四位半數(shù)字表校驗(yàn)的校準(zhǔn)器。

1.元器件覆蓋面廣。它覆蓋了從軍標(biāo)B級(GJB597的B級:軍品級)、部標(biāo)3、4類(SJ331-3、4類:工業(yè)品級)、低檔(一般有機(jī)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(fā)研制的方法有相當(dāng)?shù)拇硇?。該儀器開發(fā)研制的基本程序:仿制—消化—研制—再開發(fā)—定型—市場—再定型。經(jīng)過后4步的反復(fù)循環(huán),最終定型。這種方式在我國大部分高端儀器的開發(fā)過程中,基本上是一種必然模式,而且這種開發(fā)研制的模式還會(huì)持續(xù)相當(dāng)長時(shí)間。

三、預(yù)計(jì)方法和步驟

(一)預(yù)計(jì)方法及模型的選擇

由于LJ6010多功能標(biāo)準(zhǔn)源原本沒有經(jīng)過可靠性設(shè)計(jì),當(dāng)然談不上可靠性預(yù)計(jì),目前的儀器僅僅定位于科研開發(fā)階段與定型階段。其中元器件計(jì)數(shù)法適用于設(shè)計(jì)的早期階段,對可靠性快速地進(jìn)行初步估計(jì),為確定最佳設(shè)計(jì)方案提供可靠性等方面的數(shù)據(jù);而元器件應(yīng)力分析法是詳細(xì)的可靠性預(yù)計(jì),是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的后期階段的預(yù)計(jì)。因此我們選擇了計(jì)數(shù)法可靠性預(yù)計(jì)和部分應(yīng)力法與計(jì)數(shù)法結(jié)合的可靠性預(yù)計(jì)。該預(yù)計(jì)屬于事后預(yù)計(jì),我們稱為補(bǔ)課性預(yù)計(jì),它很有代表性。在這種補(bǔ)課行為中,首先采用計(jì)數(shù)預(yù)計(jì)法,給出產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)期的產(chǎn)品壽命預(yù)期值,如果這個(gè)預(yù)期值很低,那么產(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初就沒能達(dá)到設(shè)計(jì)的市場要求,通過計(jì)數(shù)預(yù)計(jì)法可以比較和選擇可靠性好的設(shè)計(jì)方案。預(yù)計(jì)模型的選取:進(jìn)口器件使用美國國防部Rome試驗(yàn)室制定的MIL-HDBK-217,它是當(dāng)前國際上商用、軍用領(lǐng)域得到最廣泛的應(yīng)用,它涵蓋幾乎所有的電子、電氣元件和一些機(jī)電器件,提供有元器件應(yīng)力分析法和元件計(jì)數(shù)法兩種預(yù)計(jì)模型。國內(nèi)器件使用信息產(chǎn)業(yè)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(yīng)力分析法和元件計(jì)數(shù)法兩種預(yù)計(jì)模型。

(二)預(yù)計(jì)過程

1.確定了預(yù)計(jì)方法和使用的預(yù)計(jì)模型后,就可以按照下面的步驟進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。以LJ6010多功能標(biāo)準(zhǔn)源中的電壓放大電路模塊的預(yù)計(jì)為例。用計(jì)數(shù)法進(jìn)行預(yù)計(jì),其失效率的數(shù)學(xué)表達(dá)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(zhì)量系數(shù);Ni-第i種元器件的數(shù)量;n-設(shè)備所用元器件的種類數(shù)目。確定所用元器件的種類及數(shù)量、質(zhì)量等級和儀器整機(jī)的工作環(huán)境后,按照上面給出的計(jì)算公式,國產(chǎn)器件通過查GJB/Z299B-98電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊;進(jìn)口件參照MIL-HDBK-217F電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)(美國),可知各個(gè)元器件的可靠性參數(shù),代入上面的公式就可以計(jì)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(yīng)力法預(yù)計(jì),采用這種方法所需要的信息除了計(jì)數(shù)法預(yù)計(jì)的那些信息外還有元器件的工作應(yīng)力。其中,溫度應(yīng)力系數(shù)的值取決于電路的工藝;電壓應(yīng)力系數(shù)的值取決于推薦的工作電壓,實(shí)際應(yīng)用的工作電壓和電路處于最惡劣狀態(tài)時(shí)的結(jié)溫。這些在GJB299B和MIL-HDBK-217F中均可查得。計(jì)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(huán)境系數(shù);πR-電流額定因子;πA-應(yīng)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(jì)數(shù)法,求得系統(tǒng)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(shù)量;N-系統(tǒng)中元器件種類數(shù)。通過查GJB/Z299B-98和MIL-HDBK-217F手冊,用應(yīng)力預(yù)計(jì)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(yīng)力法預(yù)計(jì)和計(jì)數(shù)法預(yù)計(jì)的結(jié)果相差不大,證明了我們選擇了計(jì)數(shù)法可靠性預(yù)計(jì)和部分應(yīng)力法與計(jì)數(shù)法結(jié)合的可靠性預(yù)計(jì)模型是正確的。為了工程應(yīng)用方便我們今后可選用計(jì)數(shù)預(yù)計(jì)法進(jìn)行該儀器的整機(jī)預(yù)計(jì)。

4.使用上述方法依次預(yù)計(jì)出各個(gè)模塊以及整。機(jī)的可靠性指標(biāo)后,可以根據(jù)用戶要求看其是否滿足。如果不滿足要求,需根據(jù)預(yù)計(jì)值分析出可靠性差的模塊加以改進(jìn),最終達(dá)到提高可靠性的目的。

四、小結(jié)

綜上所述,正確運(yùn)用元器件計(jì)數(shù)法和應(yīng)力法,能有效地解決早期產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)問題。盡管目前的可靠性預(yù)計(jì)方法還存在諸多不足,關(guān)于可靠性預(yù)計(jì)的爭議也有很多,但是這些都不能抹煞可靠性預(yù)計(jì)在設(shè)備研制過程中對指導(dǎo)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(shí)應(yīng)注意將可靠性預(yù)計(jì)和其他可靠性設(shè)計(jì)分析、可靠性試驗(yàn)、可靠性管理等工作相結(jié)合,才能有效保證產(chǎn)品研制過程可靠性的增長,以及可靠性目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn):

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