基于应力分析的导弹测试设备可靠性预测方法
2019-12-19刘丙杰
张 磊，刘丙杰，肖 凡
（海军潜艇学院，青岛，266199）
0 引 言
由于现代导弹测试设备越来越精密、复杂，设备可靠性必然对测试设备的整体性能产生至关重要的影响，因此对导弹测试设备开展可靠性预测是提高装备完好性和使用可靠性的有效举措，对导弹装备保障以及提升部队战斗力有着重要意义。可靠性预测根据组成系统的元件、组件、分系统的可靠性来推测系统的可靠性，是一个从小到大、由下向上的综合过程，通过发现系统中的薄弱环节，为装备维护使用的过程控制提供依据。文献[1]针对基于单一神经网络的软件可靠性模型预测精度低和可信性差的问题，提出一种基于加权信息熵的算法；文献[2]通过故障模式分析和概率设计与分析，借助专业的概率分析软件，对某雷达电子机箱结构件进行失效概率分析和定量的寿命预测；文献[3]根据导弹贮存状态下的定期批检结果，采用“残差平方和（R2）”最小原则，给出一定服役期内导弹故障率，以某型导弹定期检测数据信息进行寿命预测分析，为导弹延寿可靠性分析提供借鉴；文献[4]根据大量试验数据的统计分析，基于应力-强度干涉理论建立了导弹弹射动力装置壳体结构强度的可靠性模型；文献[5]针对导弹系统技术复杂、贮存样本量受限、测试数据波动性较大等特点，提出了基于改进GM（1，1）模型的导弹贮存可靠性预测方法；文献[6]分别从单元和系统2 个层次定量地研究了测试对导弹发射可靠性预测的影响，找出对导弹发射可靠性预测结果影响较大的单元；文献[7]针对导弹贮存可靠性预测存在的非线性、小样本、非概率问题，提出了一种基于相关向量机的导弹贮存可靠性预测方法；文献[8]为了更准确预测导弹贮存可靠性，分别基于神经网络（Back Propagation）和径向基函数网络（Radical Basis Function，RBF）对某型舰舰导弹的贮存可靠性进行了预测。以上文献对可靠性预测在设备维护使用中的应用进行了说明，本文采用应力分析法对某型导弹测试设备开展故障预测工作。
1 应力分析法的基本原理
应力分析法适用于电子类产品的可靠性预测，适用阶段包括详细设计阶段以及产品交付使用后阶段。采用应力分析法需要考虑元器件的品种、质量水平、工作应力及环境应力等因素，而元器件在不同应力条件下其失效率是不同的，通常这些应力主要是电应力和环境应力。元器件应力分析法较全面地考虑了电、热和其他气候、机械环境应力等因素对元器件失效率的影响。它通过分析设备上各元器件工作时所承受的电、热应力并了解元器件的质量等级，承受电、热应力的额定值，工艺结构参数和应用环境类别等，利用产品技术手册所给出的数值和失效率模型，来计算各元器件的工作失效率，最终根据产品中元器件数量将这些故障率相加得出整个产品的可靠性，由此预测设备的可靠性水平。本文利用应力分析法对某型导弹测试设备进行可靠性预测。
元器件应力表达式为
式中pλ 为该元器件失效率（以下失效率单位皆省略10-6/h）；bλ 为基本失效率；Eπ 为环境应力系数；Qπ 为质量系数。
假设系统由M 个元器件串联组成，则系统的失效率为
2 各种元器件可靠性预测
导弹测试设备主要用来完成导弹控制系统的供电工作和弹地测试控制、测量信号的变换、综合及转换工作、显示电路工作状态、对导弹进行测试，并实施发射。导弹测试设备的电子元器件主要由各种继电器、对外连接的接插件、各类按钮、各类指示灯等组成，因此在运用应力分析法进行设备的可靠性预测时，需要对组成设备的各类元器件分别采用应力分析法进行可靠性预测。
2.1 继电器可靠性预测
2.1.1 非工作状态下失效率模型
根据国军标GJB/Z-108A-2006《电子设备非工作状态可靠性预计》，继电器非工作失效率模型为
式中 λNb为产品非工作状态基本失效率，（固体继电器）； πNE为产品非工作状态环境系数（以下环境系数都针对潜艇内环境），为产品非工作状态质量系数（以下质量系数都针对A1 级产品）， πNQ=0.3。则单个继电器的失效率 λNP=0.0315。
2.1.2 工作状态下失效率模型
继电器工作状态失效率模型如下：
式中λb为工作状态基本失效率， λb=0.225； πE为工作状态环境系数， πE=6.3； πQ为工作状态质量系数，πQ=0.15； πL为成熟系数（符合相关标准，已稳定生产），πL=1；πC2为结构系数，πC2=N(1.1)N−1=2.2，其中：N 为平均输出电路数，N=2； πP为封装系数（气密性封装）， πP=0.4； πS为电应力系数， πS=πSIπSV，其中：πSI为输出电流系数， πSI=1.0； πSV为瞬态电压系数，πSV=1.0。则有： λP=0.1871。
2.2 接插件可靠性预测
2.2.1 非工作状态下失效率模型
单个接插件非工作状态下失效率模型为
式中λNb=0.001（圆形连接器）； πNE=2.5； πNQ=0.3。则 λNP=0.0075。
2.2.2 工作状态下失效率模型
单个接插件工作状态下失效率模型为
式中 λb=0.009； πE=2.5； πQ=0.2；Pπ 为接触件系数（30 个接触件）， πP=5.6； πK为插拔系数（插拔频率≤0.05）， πK=1.0； πC为插孔结构系数（针孔），Cπ =0.3，则单个接插件平均失效率为 λP=0.0076。
2.3 开关可靠性预测
2.3.1 非工作状态下失效率模型
单个开关非工作状态下失效率模型为
式中 λNb=0.033（触点电压≥50 mv）； πNE=4.0； πNQ=0.35。则 λNP=0.0462。
2.3.2 工作状态下失效率模型
开关工作状态下失效率模型如下：
式中 λb1=0.001（按钮），λb2=0.06（单刀双掷）； πE=4.0；πQ=0.3；πL为触点负载系数（阻性，πL=0.5），πL=1.48；πCYC为开关速率系数， πCYC=1.0。则有： λP=0.1083。
2.4 指示灯可靠性预测
2.4.1 非工作状态下失效率模型
参考国军标GJB/Z-108A-2006《电子设备非工作状态可靠性预计》提供的数据，可知氖指示灯的失效率NPλ =0.168。
2.4.2 工作状态下失效率模型
指示灯工作状态下失效率模型如下：
式中λb（氖灯）=0.26； πE=2.5； πU为利用率系数（A1产品）， πU=1.0； πV为额定电压系数（额定电压24 V），Vπ =7.6。则有： λP=4.94。
3 某导弹测试设备可靠性预测
以某型导弹测试设备中的核心设备测试控制台为例，该测控台主要包括56 个各型继电器（6JPXM 型继电器26 个，JPC-023M 型继电器28 个，4JGXM-3型2 个）、18 个对外连接的接插件、44 个各类按钮、54 个各类指示灯等元器件。
采用应力分析法，根据上面各种元器件可靠性预测数据，最终统计得到的该导弹测控台元件失效率如表1 所示。
表1 某导弹测控台元件失效率统计 Tab.1 Statistics on the Inefficiency of Components of A Missile Test Control Station
从表1 可以看出，指示灯的失效率最高，应该重点维护；电连接器的失效率最低，可适当减少维护。
由表1 可知，该导弹测控台的可靠性模型为
其工作失效率曲线如图1 所示。从图1 可以看出，当该导弹测控台累计工作至1264 h 后，可靠性下降至0.7，此时需要对测控台的指示灯、继电器进行重点维护；累计工作至2458 h 后，可靠性下降至0.5，此时需要对测控台进行全面维护。
图1 某导弹测控台工作失效率曲线 Fig.1 Working-inefficiency Curve of A Missile Test Control Station
非工作状态下失效率如图2 所示。
图2 某导弹测控台非工作失效率曲线 Fig.2 Nonworking-inefficiency Curve of A Missile Test Control Station
从图2 可以看出，测控台存贮时间达到27 437 h（3.13 年）后，可靠性下降至0.7；存贮时间达到53 320 h（6.1 年）后，可靠性下降至0.5，此时也需要对测控台进行全面维护。
某部该型测控台从入役至2018 年，在2014 年底前主要根据以往故障维修经验采取维护保养措施，管理方式相对粗放，自2015 年引入可靠性预测及失效曲线开始科学细化设备管理工作，使测控台使用、贮存、保养、维修过程系统化、规范化。根据测试任务量，合理制定开机使用时间，减少空转、频繁启停机次数；对设备的耗材使用登记造册并且按月统计，以节约成本消耗；根据元器件可靠性预测及失效曲线，结合以往维修情况，合理预判元器件先后故障失效时间，提前精准购置备件力主自主维修，减少不合理备件储备，降低厂家临时派人维修次数及费用，最终降低维修支出和故障停机时间，提高设备使用效率。比较2014～2016 年3 年的设备维护统计数据可以看出：到2014 年该设备已经经过多年使用，引发故障多是由于元器件损坏，造成设备开机时间少。而未能在维修当天修好的原因是：a）有些元器件故障叠加使得设备故障加剧，需要厂家技术人员上门维修；b）损坏元器件没有备件替换，等待采买。2015 年后，由于逐步引入可靠性预测及失效曲线，提前合理购置并且替换相应元器件，设备故障发生率逐年下降，维修支出也得以降低。测控台使用维护数据统计如表2 所示。
表2 测控台使用维护数据统计 Tab.2 Statistics on the Maintenance of A Missile Test Control Station
4 结 论
导弹测试设备是导弹武器系统中的重要组成部分，为提高测试设备的完好性、降低维护成本，需要对导弹测试设备进行可靠性预测。为了取得较为合理的可靠性预测结果，本文采用了应力分析法，对组成测试设备的各类元器件分别进行了可靠性预测研究，并且以某型导弹测试控制台为例，统计出该测控台工作状态下和非工作状态下的失效率，并且得出该测控台的可靠性模型，为提高该测控台的维护使用提供了有力依据。结果表明，本文采用应力分析法进行导弹测试设备的可靠性预测，不但能够较好地实现导弹测试设备的故障预测与健康管理，还可以广泛应用到其他电子类设备的维护保障中。
