師慧倩，沙新樂

一種電阻箱可靠性評估方法

師慧倩，沙新樂

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

通過對電阻箱功能結(jié)構(gòu)分析，以及使用數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集，確定了可靠性評估方法。經(jīng)過累加計(jì)算和不累加計(jì)算兩種方法，驗(yàn)證了電阻箱可靠性。本文對不具備開展可靠性試驗(yàn)的產(chǎn)品提供了一種可靠性評估方法。

電阻箱 可靠性評估 MTBF

0 引言

電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能日益復(fù)雜，對其完成規(guī)定功能的能力要求也越來越高。產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間和條件下，能夠完成預(yù)定功能的能力即為可靠性。

近年來，在越來越重視產(chǎn)品的可靠性的背景下，研制要求中明確規(guī)定了MTBF等量化指標(biāo)。

對于一些可靠度要求較高使用時(shí)間較長的設(shè)備，若進(jìn)行可靠性壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)長無法滿足研制進(jìn)度要求。若加速壽命試驗(yàn)，不同產(chǎn)品設(shè)備的加速因子與加速模型各不相同，需要逐一研究各類產(chǎn)品加速規(guī)律，目前仍缺少相關(guān)技術(shù)積累，不具備加速試驗(yàn)的條件。

本課題通過計(jì)算評估與產(chǎn)品型式試驗(yàn)相結(jié)合的方式[1]，提供一種機(jī)械結(jié)構(gòu)電氣設(shè)備的可靠性評估方法。

1 設(shè)備簡介

1.1 受試設(shè)備組成

本課題受試設(shè)備為艇用A型電阻箱，用于推進(jìn)電機(jī)起動(dòng)。電阻箱由箱體和電阻組成。其中：箱體由鋼制骨架和鋼制護(hù)板組成；電阻由絕緣支撐和鎳鎘合金。所以A型電阻箱可以看作由機(jī)械結(jié)構(gòu)組成的電氣設(shè)備。

1.2 輔助對比設(shè)備組成

輔助對比設(shè)備B型電阻箱與A型電阻箱結(jié)構(gòu)功能基本相似，由箱體和電阻組成。其中：箱體由鋼制骨架和鋼制護(hù)板組成；電阻由絕緣支撐和鎳鎘合金。所以B型電阻箱可以看作由機(jī)械結(jié)構(gòu)組成的電氣設(shè)備。

1.3 設(shè)備故障判據(jù)

故障判據(jù)是用來判斷設(shè)備是否故障的依據(jù)。在試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)以下任何一種情況即可判斷為故障：

a) 受試設(shè)備無法工作或部分功能失效。

b) 受試設(shè)備參數(shù)檢試結(jié)果超出允許范圍。

c) 受試設(shè)備結(jié)構(gòu)部件或元器件出現(xiàn)松動(dòng)或損壞。

不是由另一故障引起的故障稱為獨(dú)立故障（又叫原發(fā)故障）。由另一故障引起的故障稱為從屬故障（又叫誘發(fā)故障）。對設(shè)備施加了超出其規(guī)定能力范圍的應(yīng)力而造成的故障稱為誤用故障。從屬故障以及誤用故障或者經(jīng)證實(shí)僅屬于某項(xiàng)不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)所引起的故障叫非關(guān)聯(lián)故障，反之為關(guān)聯(lián)故障。非關(guān)聯(lián)故障或者事先已經(jīng)規(guī)定不屬于組織機(jī)構(gòu)責(zé)任范圍內(nèi)的關(guān)聯(lián)故障為非責(zé)任故障，反之為責(zé)任故障。只有責(zé)任故障才可以作為試驗(yàn)故障判別依據(jù)[2]。

2 數(shù)據(jù)收集

根據(jù)用戶需求，A型電阻箱的可靠性指標(biāo)要求平均無故障間隔時(shí)間MTBF ≥96000小時(shí)，約等于11年，常規(guī)壽命試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)常為壽命指標(biāo)的1～1.5倍，試驗(yàn)時(shí)常無法滿足項(xiàng)目進(jìn)度要求。所以電阻箱壽命主要依靠分析評估的方式驗(yàn)證。同時(shí)結(jié)合一系列鑒定試驗(yàn)，驗(yàn)證使用過程的安全性。

2.1 試驗(yàn)項(xiàng)目

本課題受試電阻箱共完成十一項(xiàng)檢試驗(yàn)項(xiàng)目：一般檢查、電阻值測量、絕緣電阻、工頻耐壓、溫升試驗(yàn)、外殼防護(hù)試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、霉菌試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)。

檢試驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。

表1 電阻箱檢試驗(yàn)項(xiàng)目

檢試驗(yàn)項(xiàng)目均委托具有相應(yīng)資質(zhì)的專業(yè)檢試驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行，并出具相應(yīng)報(bào)告。

試驗(yàn)及檢查過程均未發(fā)生故障，受試設(shè)備功性能檢驗(yàn)合格。

2.2 客戶使用數(shù)據(jù)

A型電阻箱和與B型電阻箱均已交付使用多年，使用環(huán)境不僅有油污、鹽霧、霉菌，還有傾斜、搖擺、沖擊及振動(dòng)影響。使用過程中兩型電阻箱均無故障發(fā)生。由客戶提供的使用數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表2 A型電阻箱使用數(shù)據(jù)

表3 B型電阻箱使用數(shù)據(jù)

3 可靠性評估

3.1 可靠性評估方法

指數(shù)分布是可靠性試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析中的重要概念，產(chǎn)品在很多場合下的時(shí)效分布均可認(rèn)為是指數(shù)分布。以下幾種場合均可運(yùn)用指數(shù)分布[3]：

a）電子類產(chǎn)品的壽命分布一般用指數(shù)分布來描述，大部分復(fù)雜非電子產(chǎn)品也可以用指數(shù)分布來描述壽命分布。在非電子類的產(chǎn)品中，除去大型復(fù)雜系統(tǒng)中會(huì)用到指數(shù)分布外，機(jī)械零部件經(jīng)過摩擦后產(chǎn)生的偶然性故障。

b）當(dāng)產(chǎn)品在某類“沖擊”作用下失效時(shí)，可認(rèn)為該失效為指數(shù)分布。

c）當(dāng)產(chǎn)品是由大量元件組成時(shí)，任何一個(gè)元件失效都會(huì)造成產(chǎn)品故障，并且元件間相互獨(dú)立，該產(chǎn)品失效可由指數(shù)分布描述。

A型電阻箱和與B型電阻可看作機(jī)械結(jié)構(gòu)電氣設(shè)備，設(shè)備失效模式符合上述情況，因此可以采用指數(shù)型經(jīng)典評估方法[3]進(jìn)行計(jì)算評估。

MTBF的單側(cè)置信下限為：

置信度的選取應(yīng)按照數(shù)據(jù)量、質(zhì)量季工程上的要求，根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)制定。置信度值過低結(jié)果意義不大，過高的置信度又不現(xiàn)實(shí)。在保證一定估計(jì)精度前提下，較高的置信度需大量樣本。工程上最常用的是單側(cè)置信下限，對于初樣機(jī)階段置信度取值為0.6～0.7，試樣階段置信度取值0.7～0.8，正樣及批產(chǎn)階段一般取值為0.8～0.9[4～5]。

3.2 可靠性評估計(jì)算

3.2.1累加計(jì)算

即A型電阻箱置信度取0.9時(shí)，其MTBF=260783小時(shí)，滿足平均無故障間隔時(shí)間MTBF ≥96000小時(shí)的要求。

3.2.2不累加計(jì)算

無論是A型電阻箱還是B型電阻箱，就目前使用情況來看均未出現(xiàn)故障。若嚴(yán)格按照單臺(tái)使用時(shí)間來計(jì)算，選用使用時(shí)間較早的B型電阻箱，從表2中選擇1號(hào)產(chǎn)品，單臺(tái)使用時(shí)間T為120240小時(shí)。此種計(jì)算方法樣本量較小，置信度不宜定高，綜合考慮各種因素，本次計(jì)算中置信度定為0.7，電阻箱平均無故障間隔時(shí)間MTBF單側(cè)置信下限：

即B型電阻箱置信度取0.7時(shí)，其MTBF=99871小時(shí)，滿足平均無故障間隔時(shí)間MTBF≥96000小時(shí)的要求。

4 結(jié)論

經(jīng)過一系列功能試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)，并結(jié)合客戶使用證據(jù)，對A型電阻箱進(jìn)行可靠性評估分析。鑒于A型電阻箱還是B型電阻箱功能結(jié)構(gòu)相似，可利用投入使用時(shí)間更長的B型電阻箱數(shù)據(jù)輔助驗(yàn)證。

經(jīng)過分析，電阻箱失效模式可以看作指數(shù)分布。根據(jù)客戶使用數(shù)據(jù)，采用指數(shù)型經(jīng)典評估方法，即可計(jì)算出平均無故障間隔時(shí)間MTBF的單側(cè)置信下限值。

若遵守指數(shù)分布可加性原理，將A型電阻箱使用時(shí)長累加計(jì)算，得出MTBF置信下限為260783小時(shí)，滿足MTBF≥96000小時(shí)要求。若不采用累加時(shí)間，用投入使用時(shí)間更長的B型電阻箱單臺(tái)使用時(shí)間，計(jì)算得出MTBF置信下限為99871小時(shí)，也可滿足滿足MTBF≥96000小時(shí)要求。

[1] 宋太亮. GJB-450A裝備可靠性工作通用要求[Z]. 總裝電子信息基礎(chǔ)部, 2004.

[2] 宋太亮. GJB-451A 裝備可靠性維修性保障性術(shù)語[Z]. 總裝電子信息基礎(chǔ)部, 2005.

[3] 劉勇. 可靠性評估：概念和模型機(jī)案例研究[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2018,（5）.

[4] 傅惠民. 仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的壽命預(yù)測和可靠性評估[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新, 2019.

[5] 孫小素. 估計(jì)過程能力指數(shù)單側(cè)置信下限時(shí)樣本容量的確定問題[J]. 經(jīng)濟(jì)經(jīng)緯, 2010.

A Reliability Evaluation Method of Resistance Box

Shi Huiqian, Sha Xinle

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM541

A

1003-4862（2021）07-0011-03

2021-01-12

師慧倩（1989-），研究生。研究方向：低壓斷路器彈簧操動(dòng)系統(tǒng)。E-mail：754493077@qq.com