某雷达二次冷却装置可靠性分析

季汉忠

(南京电子技术研究所，南京 210039)

0　引　言

雷达作为典型的复杂电子系统，其内部集成了各种电子元器件。随着现代雷达技术的发展和功率器件的不断升级，器件热耗进一步增加，对冷却系统的要求越来越高。可行、可靠的热设计一直是电子设备具备高可靠性的关键保障之一。特别是对于大型相控阵雷达而言，传统风冷方式已较难满足散热需求，越来越多的液冷系统应用到雷达领域。[1]作为整个冷却系统的核心部件，二次冷却装置担负着冷却系统的最终散热作用。[2]文献[3]对雷达系统中液压系统开展过可靠性分析，其思路和方法对分析其他复杂系统具备一定的指导意义。

本文所述二次冷却装置是某雷达系统功率组件、电源模块等设备的液体冷却和加热装置，其冷却性能、可靠性等方面具有严格要求。通过对该二次冷却装置进行系统划分，基于各系统间运行关系建立可靠性建模，并计算二次冷却装置的致命故障间的任务时间(Mean time between critical failures, MTBCF)，对系统可靠性进行评估。根据可靠性分析及设计的过程，提出提升可靠性的具体措施，以满足大型雷达系统整机冷却工作需求。

目前，雷达系统二次冷却装置可靠性设计存在的主要难点如下：

(1) 基于大型雷达较苛刻的散热要求，系统的散热量、供液流量进一步提高，导致零部件数量增加，监控系统更加复杂，零部件故障点增多；

(2) 受国内零部件生产加工工艺水平及国外零部件的采购限制，水泵和风机等主要零部件的基本失效率已无法降低，难以提高可靠性；

(3) 二次冷却装置在冲击、振动、潮湿、高低温、盐雾、霉菌等环境下工作时易受到环境应力的影响，导致可靠性降低。

以上难点的存在进一步提高了二次冷却装置的可靠性分析的必要性。

1　二次冷却装置系统组成及原理

该二次冷却装置按子系统划分主要包括供液系统、换热系统、补液系统、控制系统及其他连接系统(电缆、管路、接口等)，各系统间的工作流程如图1所示。

供液系统中的主供液泵将乙二醇冷却液以一定流量、压力分别输送至换热系统的换热器中。在换热器中，空气与换热器中的乙二醇冷却液进行热交换, 交换出来的热空气被风机抽出，使乙二醇冷却液温度降低。被冷却后的乙二醇冷却液进入雷达系统负载组件。在负载组件中，乙二醇冷却液吸收器件的热量而升温, 同时电子组件得到冷却。升温后的乙二醇冷却液回流至供液泵入口处,再由供液泵输送到换热器重新进行循环工作, 周而复始。二次冷却装置中设有补液系统。当供液系统的背压低或流量低时自动开启补液泵从辅助水箱中对系统进行补液。电控系统以可编程控制器为主控制器，配合触摸屏实现供液系统、换热系统、补液系统等执行设备的开关控制，以及对供液温度、供液压力、供液流量、回液温度等主要参数的测量和监控，并将系统运行参数信息、设备运行状态信息以及故障报警信息等上报给总体。各子系统的组成如下：

(1) 供液系统由供液泵、压力传感器、流量传感器、温度传感器、过滤器、除气器、膨胀罐、压力开关、压差开关、加热器等组成；

(2) 换热系统由风机、换热器等组成；

(3) 补液系统由补液泵、液位开关、压力传感器等组成；

(4) 控制系统由主控制器、温度扩展模块、滤波器、开关电源、触摸屏、接触器、相序、防雷、中继、热继、空气开关、变频器等组成。

各子系统间协调、无故障工作以保证该二次冷却装置满足冷却需求。

2　可靠性建模

2.1　二次冷却装置可靠性建模

二次冷却装置可靠性建模采用GJB813规定的程序和方法建立以产品功能为基础的可靠性模型。二次冷却装置每个功能单元发生故障相互独立、各单元寿命服从指数分布、二次冷却装置相关的外部系统都正常工作作为建模条件。复杂系统可靠性与零件失效的基本逻辑关系主要分为串联系统、并联系统、N中取K表决系统等。

系统中任意一个元件失效都会使整个系统失效称为串联系统，其任务可靠性模型为

(1)

式中，λS为系统任务失效率，λ0～λn为各子系统任务失效率。

系统中至少有K个元件正常工作时系统就能正常工作，为N中取K表决系统[4]。当K=N-1时，该系统任务可靠性MTBCF数学模型如下：

(2)

式中，μ为修复率，μ=1/MTTR；λ0为该表决模型中单元的任务失效率。

基于二次冷却装置工作原理建立串联型可靠性模型，如图2所示，子系统间无冗余备份。

图2二次冷却装置可靠性框图

对失效率进行等效处理，并按指数模型建模。二次冷却装置任务可靠性数学模型如下：

(3)

式中，λA为供液系统任务失效率；λB为散热系统任务失效率；λC为补液系统任务失效率；λD为控制系统任务失效率；λE为其他系统任务失效率。

2.2　子系统可靠性建模

根据二次冷却装置工作原理，分析各子系统间的工作关系，分别建立子系统可靠性框图和数学模型，其中供液系统和换热系统为串联与表决的组合系统，补液系统和电控系统为串联。各子系统可靠性框图如图3所示。

供液系统中有两个供液泵，一个为主供液泵，另一个为辅助供液泵。在主供液泵发生故障失效时由辅助供液泵进行供液，属于表决模型。换热系统换热风机4只，低海拔地区采用用3备1。高海拔地区4只风机同时开启，也属于表决模型。其余各单元工作时属于串联模型。

根据上述公式可以反推N中取K表决系统的任务失效率，从而计算出该模型中供液泵和风机以及换热器的任务失效率，公式如下：

(4)

3　可靠性(MTBCF)预计

从二次冷却装置的可靠性框图可知，基本可靠性框图为串联结构模型，系统的可靠度为

λS=∑NiλGiπQi

(5)

式中，λS为系统故障率，λGi为第i种元器件的通用失效率，πQi为第i种元器件的失效因数，Ni为第i种元件的数量(i=1,2,3,…,n)为元器件种类数。

各单元的基本失效率如表1所示。器件的故障率及失效因数均参考器件的使用手册或实验数据(40℃时)所得。将表1中的数据代入到公式(4)中即可求得各系统的任务失效率。下面仅以供液泵和风机为例。

对供液泵而言，其表决模型如表2所示，从而其修复率和任务失效率计算可得

(6)

对风机而言，其表决模型如表3所示，从而其修复率和任务失效率计算可得

(7)

表1　各单元基本失效率

表2　供液泵表决模型

表3　风机表决模型

二次冷却装置的MTBCF=-t/lnR(t)，R(t)=e(-λt),式中的t可取一个月的工作时间，每天工作时间为24 h，则

λ供液系统=39.4×10-6+9.45×10-10

λ换热系统=6.57×10-9

λ补液系统=14.4×10-6

λ控制系统=65.6×10-6

(8)

同时，根据经验可得

λ管路系统=4×10-6

(9)

采用Matlab进行可靠性仿真，供液系统、补液系统、控制系统的可靠度曲线如图4所示。雷达二次冷却装置系统可靠度曲线如图5所示。

从而对于二次冷却装置，有

R(t)=e-(λ供液系统+λ补液系统+λ换热系统+λ控制系统+λ管路系统)t

=0.9150

MTBCF=-720/ln(0.9150)=8 108≥8 000 h

(10)

由分析可知，其MTBCF满足要求(规定值为8 000 h)。

4　提高可靠性的措施

4.1　合理考虑在线维修设计

当相应设备出现故障时，控制系统能及时发现故障设备，并进行故障自动识别、自动隔离和备份设备的自动切换，对设备进行保护。例如，通过断开风机的配电断路器，可对损坏的风机在线维修，提高换热系统可靠性。

4.2　严格控制元器件选用

(1) 二次冷却装置中所有与冷却液接触的零部件、元件(如水箱、传感器元件、管材等密封件)应耐冷却液腐蚀，金属材料推荐选用316L不锈钢；

(2) 风机、水泵、各种传感器和触摸屏等电子器件选用其工作温度范围满足工作和存储要求的设备；

(3) 换热系统的风机采用可调速风机，可以根据温度变化调节风速，提高系统的可靠度；

(4) 二次冷却装置中选用的非金属材料和粘结剂应具备良好的防腐、防菌和防潮湿性能，提高装置的抗恶劣环境能力，且应为无毒、无异味、耐老化的阻燃材料。

5　结束语

本文对某雷达二次冷却装置的可靠性进行了分析。结果显示，其MTBCF预计值可达到8 108 h，能够满足该雷达二次冷却装置的规定要求(MTBCF≥8 000 h)。

通过全面的分析确定产品潜在的隐患和薄弱环节，并通过科学预计和行之有效的可靠性设计措施，能够有效消除对实现产品高可靠性的不利因素，从而提高产品可靠性水平，满足产品可靠性要求。