某雷達二次冷卻裝置可靠性分析

季漢忠

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

0　引　言

雷達作為典型的復雜電子系統(tǒng)，其內(nèi)部集成了各種電子元器件。隨著現(xiàn)代雷達技術(shù)的發(fā)展和功率器件的不斷升級，器件熱耗進一步增加，對冷卻系統(tǒng)的要求越來越高?？尚?、可靠的熱設(shè)計一直是電子設(shè)備具備高可靠性的關(guān)鍵保障之一。特別是對于大型相控陣雷達而言，傳統(tǒng)風冷方式已較難滿足散熱需求，越來越多的液冷系統(tǒng)應用到雷達領(lǐng)域。[1]作為整個冷卻系統(tǒng)的核心部件，二次冷卻裝置擔負著冷卻系統(tǒng)的最終散熱作用。[2]文獻[3]對雷達系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)開展過可靠性分析，其思路和方法對分析其他復雜系統(tǒng)具備一定的指導意義。

本文所述二次冷卻裝置是某雷達系統(tǒng)功率組件、電源模塊等設(shè)備的液體冷卻和加熱裝置，其冷卻性能、可靠性等方面具有嚴格要求。通過對該二次冷卻裝置進行系統(tǒng)劃分，基于各系統(tǒng)間運行關(guān)系建立可靠性建模，并計算二次冷卻裝置的致命故障間的任務時間(Mean time between critical failures, MTBCF)，對系統(tǒng)可靠性進行評估。根據(jù)可靠性分析及設(shè)計的過程，提出提升可靠性的具體措施，以滿足大型雷達系統(tǒng)整機冷卻工作需求。

目前，雷達系統(tǒng)二次冷卻裝置可靠性設(shè)計存在的主要難點如下：

(1) 基于大型雷達較苛刻的散熱要求，系統(tǒng)的散熱量、供液流量進一步提高，導致零部件數(shù)量增加，監(jiān)控系統(tǒng)更加復雜，零部件故障點增多；

(2) 受國內(nèi)零部件生產(chǎn)加工工藝水平及國外零部件的采購限制，水泵和風機等主要零部件的基本失效率已無法降低，難以提高可靠性；

(3) 二次冷卻裝置在沖擊、振動、潮濕、高低溫、鹽霧、霉菌等環(huán)境下工作時易受到環(huán)境應力的影響，導致可靠性降低。

以上難點的存在進一步提高了二次冷卻裝置的可靠性分析的必要性。

1　二次冷卻裝置系統(tǒng)組成及原理

該二次冷卻裝置按子系統(tǒng)劃分主要包括供液系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、補液系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及其他連接系統(tǒng)(電纜、管路、接口等)，各系統(tǒng)間的工作流程如圖1所示。

供液系統(tǒng)中的主供液泵將乙二醇冷卻液以一定流量、壓力分別輸送至換熱系統(tǒng)的換熱器中。在換熱器中，空氣與換熱器中的乙二醇冷卻液進行熱交換, 交換出來的熱空氣被風機抽出，使乙二醇冷卻液溫度降低。被冷卻后的乙二醇冷卻液進入雷達系統(tǒng)負載組件。在負載組件中，乙二醇冷卻液吸收器件的熱量而升溫, 同時電子組件得到冷卻。升溫后的乙二醇冷卻液回流至供液泵入口處,再由供液泵輸送到換熱器重新進行循環(huán)工作, 周而復始。二次冷卻裝置中設(shè)有補液系統(tǒng)。當供液系統(tǒng)的背壓低或流量低時自動開啟補液泵從輔助水箱中對系統(tǒng)進行補液。電控系統(tǒng)以可編程控制器為主控制器，配合觸摸屏實現(xiàn)供液系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、補液系統(tǒng)等執(zhí)行設(shè)備的開關(guān)控制，以及對供液溫度、供液壓力、供液流量、回液溫度等主要參數(shù)的測量和監(jiān)控，并將系統(tǒng)運行參數(shù)信息、設(shè)備運行狀態(tài)信息以及故障報警信息等上報給總體。各子系統(tǒng)的組成如下：

(1) 供液系統(tǒng)由供液泵、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、過濾器、除氣器、膨脹罐、壓力開關(guān)、壓差開關(guān)、加熱器等組成；

(2) 換熱系統(tǒng)由風機、換熱器等組成；

(3) 補液系統(tǒng)由補液泵、液位開關(guān)、壓力傳感器等組成；

(4) 控制系統(tǒng)由主控制器、溫度擴展模塊、濾波器、開關(guān)電源、觸摸屏、接觸器、相序、防雷、中繼、熱繼、空氣開關(guān)、變頻器等組成。

各子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)、無故障工作以保證該二次冷卻裝置滿足冷卻需求。

2　可靠性建模

2.1　二次冷卻裝置可靠性建模

二次冷卻裝置可靠性建模采用GJB813規(guī)定的程序和方法建立以產(chǎn)品功能為基礎(chǔ)的可靠性模型。二次冷卻裝置每個功能單元發(fā)生故障相互獨立、各單元壽命服從指數(shù)分布、二次冷卻裝置相關(guān)的外部系統(tǒng)都正常工作作為建模條件。復雜系統(tǒng)可靠性與零件失效的基本邏輯關(guān)系主要分為串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)、N中取K表決系統(tǒng)等。

系統(tǒng)中任意一個元件失效都會使整個系統(tǒng)失效稱為串聯(lián)系統(tǒng)，其任務可靠性模型為

(1)

式中，λS為系統(tǒng)任務失效率，λ0～λn為各子系統(tǒng)任務失效率。

系統(tǒng)中至少有K個元件正常工作時系統(tǒng)就能正常工作，為N中取K表決系統(tǒng)[4]。當K=N-1時，該系統(tǒng)任務可靠性MTBCF數(shù)學模型如下：

(2)

式中，μ為修復率，μ=1/MTTR；λ0為該表決模型中單元的任務失效率。

基于二次冷卻裝置工作原理建立串聯(lián)型可靠性模型，如圖2所示，子系統(tǒng)間無冗余備份。

圖2二次冷卻裝置可靠性框圖

對失效率進行等效處理，并按指數(shù)模型建模。二次冷卻裝置任務可靠性數(shù)學模型如下：

(3)

式中，λA為供液系統(tǒng)任務失效率；λB為散熱系統(tǒng)任務失效率；λC為補液系統(tǒng)任務失效率；λD為控制系統(tǒng)任務失效率；λE為其他系統(tǒng)任務失效率。

2.2　子系統(tǒng)可靠性建模

根據(jù)二次冷卻裝置工作原理，分析各子系統(tǒng)間的工作關(guān)系，分別建立子系統(tǒng)可靠性框圖和數(shù)學模型，其中供液系統(tǒng)和換熱系統(tǒng)為串聯(lián)與表決的組合系統(tǒng)，補液系統(tǒng)和電控系統(tǒng)為串聯(lián)。各子系統(tǒng)可靠性框圖如圖3所示。

供液系統(tǒng)中有兩個供液泵，一個為主供液泵，另一個為輔助供液泵。在主供液泵發(fā)生故障失效時由輔助供液泵進行供液，屬于表決模型。換熱系統(tǒng)換熱風機4只，低海拔地區(qū)采用用3備1。高海拔地區(qū)4只風機同時開啟，也屬于表決模型。其余各單元工作時屬于串聯(lián)模型。

根據(jù)上述公式可以反推N中取K表決系統(tǒng)的任務失效率，從而計算出該模型中供液泵和風機以及換熱器的任務失效率，公式如下：

(4)

3　可靠性(MTBCF)預計

從二次冷卻裝置的可靠性框圖可知，基本可靠性框圖為串聯(lián)結(jié)構(gòu)模型，系統(tǒng)的可靠度為

λS=∑NiλGiπQi

(5)

式中，λS為系統(tǒng)故障率，λGi為第i種元器件的通用失效率，πQi為第i種元器件的失效因數(shù)，Ni為第i種元件的數(shù)量(i=1,2,3,…,n)為元器件種類數(shù)。

各單元的基本失效率如表1所示。器件的故障率及失效因數(shù)均參考器件的使用手冊或?qū)嶒灁?shù)據(jù)(40℃時)所得。將表1中的數(shù)據(jù)代入到公式(4)中即可求得各系統(tǒng)的任務失效率。下面僅以供液泵和風機為例。

對供液泵而言，其表決模型如表2所示，從而其修復率和任務失效率計算可得

(6)

對風機而言，其表決模型如表3所示，從而其修復率和任務失效率計算可得

(7)

表1　各單元基本失效率

表2　供液泵表決模型

表3　風機表決模型

二次冷卻裝置的MTBCF=-t/lnR(t)，R(t)=e(-λt),式中的t可取一個月的工作時間，每天工作時間為24 h，則

λ供液系統(tǒng)=39.4×10-6+9.45×10-10

λ換熱系統(tǒng)=6.57×10-9

λ補液系統(tǒng)=14.4×10-6

λ控制系統(tǒng)=65.6×10-6

(8)

同時，根據(jù)經(jīng)驗可得

λ管路系統(tǒng)=4×10-6

(9)

采用Matlab進行可靠性仿真，供液系統(tǒng)、補液系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的可靠度曲線如圖4所示。雷達二次冷卻裝置系統(tǒng)可靠度曲線如圖5所示。

從而對于二次冷卻裝置，有

R(t)=e-(λ供液系統(tǒng)+λ補液系統(tǒng)+λ換熱系統(tǒng)+λ控制系統(tǒng)+λ管路系統(tǒng))t

=0.9150

MTBCF=-720/ln(0.9150)=8 108≥8 000 h

(10)

由分析可知，其MTBCF滿足要求(規(guī)定值為8 000 h)。

4　提高可靠性的措施

4.1　合理考慮在線維修設(shè)計

當相應設(shè)備出現(xiàn)故障時，控制系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備，并進行故障自動識別、自動隔離和備份設(shè)備的自動切換，對設(shè)備進行保護。例如，通過斷開風機的配電斷路器，可對損壞的風機在線維修，提高換熱系統(tǒng)可靠性。

4.2　嚴格控制元器件選用

(1) 二次冷卻裝置中所有與冷卻液接觸的零部件、元件(如水箱、傳感器元件、管材等密封件)應耐冷卻液腐蝕，金屬材料推薦選用316L不銹鋼；

(2) 風機、水泵、各種傳感器和觸摸屏等電子器件選用其工作溫度范圍滿足工作和存儲要求的設(shè)備；

(3) 換熱系統(tǒng)的風機采用可調(diào)速風機，可以根據(jù)溫度變化調(diào)節(jié)風速，提高系統(tǒng)的可靠度；

(4) 二次冷卻裝置中選用的非金屬材料和粘結(jié)劑應具備良好的防腐、防菌和防潮濕性能，提高裝置的抗惡劣環(huán)境能力，且應為無毒、無異味、耐老化的阻燃材料。

5　結(jié)束語

本文對某雷達二次冷卻裝置的可靠性進行了分析。結(jié)果顯示，其MTBCF預計值可達到8 108 h，能夠滿足該雷達二次冷卻裝置的規(guī)定要求(MTBCF≥8 000 h)。

通過全面的分析確定產(chǎn)品潛在的隱患和薄弱環(huán)節(jié)，并通過科學預計和行之有效的可靠性設(shè)計措施，能夠有效消除對實現(xiàn)產(chǎn)品高可靠性的不利因素，從而提高產(chǎn)品可靠性水平，滿足產(chǎn)品可靠性要求。