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浅析电子电气系统可靠性预计

可靠性预计作为一种分析手段提供系统可靠性的相对度量,为系统设计决策提供依据。在进行系统可靠性预计时,首先需根据系统各组成单元串并联关系和任务剖面或寿命剖面建立系统可靠性框图和相应的数学模型。

本文从分析基本可靠性和任务可靠性的基本概念入手,示例说明建立了基本可靠性模型和任务可靠性模型,并在假设系统寿命服从指数分布的基础上,预计了电子电气系统的基本可靠度和任务可靠度。

一概述

系统定义:指由若干组成部分结合起来为了完成某种特定功能的有机整体。

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图1  系统组成示意图


电子电气系统(以下简称“系统”)的可靠性是建立在系统组成单元可靠性基础上的,并依赖于这些组成单元之间的相互联结关系。预计作为一种分析手段提供系统可靠性的相对度量,为系统设计决策提供依据。可靠性预计分为基本可靠性预计和任务可靠性预计,系统的可靠性预计值分别用失效率(λ)、可靠度(R)表示。由于建立可靠性模型对可靠性预计是必须的,因此在进行系统可靠性预计时,首先需根据系统各组成单元串并联关系和任务剖面或寿命剖面建立系统可靠性框图和相应的数学模型。


特别说明:若将系统可靠性预计值用于或转换为现场可靠性的度量时,必须非常慎重。




二可靠性建模与预计概念

可靠性建模与预计是用于估计所设计系统是否符合规定可靠性要求的一种方法。建模的目的是为了对系统进行可靠性分析,特别是为了进行可靠性预计。

可靠性模型是用于预计或估计系统可靠性的模型,其包括基本可靠性模型和任务可靠性模型。

1)基本可靠性模型包括一个可靠性框图和一个相应的可靠性数学模型。基本可靠性模型是一个串联模型,包括那些冗余或代替工作模式的单元都按串联处理,用以估计系统及其组成单元引起的维修及后勤保障要求。基本可靠性模型的详细程序应该达到系统规定的分析层次,以获得可以利用的信息,而且失效率数据对该层次系统设计来说能够作为考虑维修和后勤保障要求的依据;

2)任务可靠性模型包括一个可靠性框图和一个相应的数学模型。任务可靠性模型应该能描述在完成任务过程中系统各单元的预定用途。预定用于冗余或代替工作模式的单元应该在模型中反映为并联结构,或适用于特定任务阶段及任务范围的类似结构。任务可靠性模型的结构比较复杂,用以估计系统在执行任务过程中完成规定功能的概率。任务可靠性模型中所用系统单元的名称和标志应该与基本可靠性模型中所用的一致。

特别说明:只有在系统既没有冗余又没有代替工作模式情况下,基本可靠性模型才能用来估计系统的任务可靠性。

系统可靠性预计根据定量分析的要求,其可分为基本可靠性预计和任务可靠性预计。

1)基本可靠性预计是用串联模型估计系统所有部件对维修和后勤保障的要求。它考虑系统所有单元(包括备件)在执行任务和准备执行任务过程中发生的所有要求维修或更换的失效,这些零部件故障提出了维修和后勤保障要求。

2)任务可靠性预计一般是利用复杂的串并联模型估计系统成功地完成规定任务的概率。它考虑系统各单元件在执行任务过程中发生的足以影响任务成功的各种故障。

3)基本可靠性预计与任务可靠性预计结合使用。任务可靠性预计表明系统成功地实现任务目标的设计能力,而基本可靠性预计表明,由于系统不可靠给预期的维修和后勤保障增加的负担。冗余设计可以提高任务可靠性,但会降低基本可靠性并增加维修和后勤保障的负担,也会提高系统的造价。在某些情况下,如果一个设计的基本可靠性比另外的设计高得多,即使其任务可靠性稍低,也可能更为可取。

特别说明:在进行复杂系统可靠性预计时,用户应该同时提出基本可靠性和任务可靠性两种指标,设计者应同时建立基本可靠性和任务可靠性模型,以在人力、物力、费用和任务之间进行综合权衡。在一定的条件下得到最合理的设计方案。


可靠性预计程序

电子电器系统可靠性预计程序:

a) 明确系统定义:包括说明系统功能、系统任务和系统各组成的接口;

b) 明确系统的故障判据;

c) 明确系统的工作条件;

d) 绘制系统的可靠性框图,可靠性框图绘制到进行失效模式及影响分析的最低单元层次;

e) 建立系统可靠性数学模型;

f) 预计各组成单元的可靠性指标;

g) 根据系统可靠性模型预计其基本可靠性或任务可靠性。




可靠性预计前提条件

电子电器系统可靠性预计前提条件:

a) 系统组成单元只有故障与正常两种状态,不存在第三种状态;

b) 系统所有输入在规定范围之内,即不考虑由于输入错误而引起故障的情况;

c) 在进行可靠性建模时,不考虑系统中的简单结构件等;

d) 假设人员是完全可靠的,人员与系统之间没有相互作用问题;

e)系统的故障之间是相互独立的。




各研制阶段预计方法的选取

可靠性预计应随研制工作的进展而深化,一般分三个阶段:

1)可行性预计,用于方案论证阶段。在这个阶段,信息的详细程度只限于系统的总体情况、功能要求和结构设想。一般采用相似产品法或元件计数法,以工程经验来预计系统的可靠性,为方案决策提供依据。

2)初步预计,用于初步设计阶段。该阶段已有了工程图或草图,系统的组成已确定,可采用元件计数法或评分法预计系统的可靠性,发现设计中的薄弱环节并加以改进。

3)详细预计,用于详细设计阶段。这个阶段的特点是系统的各个组成单元都具有了工作环境和使用应力信息,可采用应力分析法或故障率预计法来较准确的预计系统的可靠性,为进一步改进设计提供依据。

 不同研制阶段可靠性预计方法的选取,见下表: 

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六可靠性预计示例

6.1电子电气系统基本可靠性预计

6.1.1 基本可靠性建模

根据GJB 813-1990规定的程序和方法建立系统的基本可靠性模型。由于只对系统的基本可靠性进行预计,故可靠性预计模型为串联模型,见图2示例。

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图2系统基本可靠性框图示例


6.1.2 基本可靠性预计

系统及其组成单元失效率(λ)确定:

可按GJB/Z 299C-2006提供的基本数据和方法进行预计,得出各个组成单元的失效率(λi)并累加求和,即可得出整个系统的失效率(λs)。如图2系统的失效率计算公式如下式1:

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系统及其组成单元的基本可靠度(R)计算:

可根据6.1.2节可靠性预计结果并通过建立可靠度R与失效率λ的数学模型,即可计算出整个系统及其组成单元的基本可靠度。

若各单元的寿命分布均为指数分布,则图2系统各个单元的基本可靠度为:

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式中:

λi——第i个组成部分的失效率;

t——任务工作时间。 

则图2系统的基本可靠度为:

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式中:

Rs——系统的可靠度;

Ri——第i个组成部分的可靠度。

若图2系统中各单元的可靠度分别为R1=0.92,R2=0.93,R3=0.95,R4=0.98,则系统的基本可靠度Rs=0.92*0.93*0.95*0.98≈0.80。


6.2电子电气系统任务可靠性预计

6.2.1 任务可靠性建模

根据GJB 813-1990规定的程序和方法建立系统的任务可靠性模型。任务可靠性强调规定的任务剖面和完成任务的能力,所以建立任务可靠性模型首先需要确定任务剖面。一个系统的基本可靠性框图是唯一的,而任务可靠性框图则因任务不同而不同,应当根据不同的任务和任务剖面,画出其任务可靠性框图。见图3示例。

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图3 系统任务可靠性框图示例


6.2.2 任务可靠性预计

系统及其组成单元失效率(λ)确定:

在进行任务可靠性预计时,单元的可靠性数据应当是对影响系统安全和任务完成的故障统计而得出的数据,如系统的任务故障率和致命故障间任务时间(MTBCF)等。但如果缺乏单元任务可靠性数据,也可以用GJB 813-1990推荐的可靠性预计方法得出的基本可靠性的预计值代替,但系统预计结果会偏保守。

系统及其组成单元的任务可靠度(R)计算:

1)先根据各个组成单元中各个模块冗余关系或代替工作模式,逐一建立每个组成单元的任务可靠性模型框图,按照组成单元的任务可靠性框图模型及串并联关系分别计算每个组成单元的失效率(λi)。根据各组成单元的失效率,按照可靠性数学模型计算出每个组成单元的任务可靠度Ri

2)针对整个电子电气系统,如图3根据各个组成单元的冗余关系或代替工作模式,建立整个系统的任务可靠性框图,根据串并联关系结合各个组成单元的任务可靠度计算出整个系统的任务可靠度。

若图3系统中各单元的故障服从指数分布(见式2),则

1)单元1,由A1、A2、A3 组成,A1、A2 并联后与A3 串联,其任务可靠度为:

浅析电子电气系统可靠性预计(图8)

2)单元2,由B1、B2、C1、C2、D1、D2 组成,B1、B2、C1、C2、D1、D2 两两并联后再串联,其任务可靠度为:

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3)单元3,由E1、E2、E3 组成,E1、E2 并联后与E3串联,其任务可靠度为:

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4)单元4,由F1、F2、F3、F4、F5 组成,F1、F2、F3、F4两两并联后与F5串联,其任务可靠度为:

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5)单元5,由G1、G2、G3、G4、G5 组成,G1、G2、G3、G4两两并联后与G5串联,其任务可靠度为:

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6)单元6,由H组成,其任务可靠度为:

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则图2系统的任务可靠度为:Rs=R1×R2×R3×R4×R5×R6(R1~R6结果计算代入略)

式中:

 Rs——系统的任务可靠度;

 Ri——各单元模块的任务可靠度;

 λi——各单元模块失效率,单位为10-6/h;

 t ——任务工作时间。


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