基于失效率预计的电连接器设计因素指标估算方法研究

2020-02-28

机电元件 2020年1期

(中航光电科技股份有限公司，河南洛阳，471000)

1 引言

电连接器作为基础元器件，主要用于实现电信号的传输、控制及电子与电气设备间的电连接，已广泛应用于航空、航天、电子、通讯等领域[1]，其可靠性的高低对系统的安全运行起着举足轻重的作用[2]。电连接器的可靠性预计工作，不仅可以定量的评估其可靠性水平，而且可以有效指导产品的设计从而提高其可靠性[3,4]。GJB/Z 299C《电子设备可靠性预计手册》中对电连接器的失效率预计模型为[5]：

λp=λbπEπQπPπKπC

(1)

其中，λp为工作失效率，λb为基本失效率(仅考虑电应力和温度作用)。近年来，工程领域对依照上述模型开展的元器件失效率预计工作的缺陷已有了广泛的共识[6,7]。对应美军标MIL-HDBK-217F早已停用，GJB/Z 299C目前也正在进行换版修订。

传统模型除了缺少相关数据支撑以外，其缺陷还主要表现在：模型中并未充分考虑电连接器的设计、生产和使用过程对其失效率的影响，使得预计结果无法体现产品实际可靠性水平，也无法表现出不同研制、使用方案的差异或优劣。电连接器的工作失效率应当是由其基本失效率、设计因素、生产因素和使用因素的综合作用的结果，即：

λ=f(λb，Dn，Pm，Uk)

(2)

其中，λb——产品基本失效率；Dn——Design，设计因素；Pm——Produce，生产过程因素；Uk——Use，使用过程因素。

设计因素Dn是指，在电连接器设计过程中，由技技术条件本身及设计水平的高低所引起可能会导致产品失效的因素。(2)式中将影响失效率的设计因素量化为Dn(Dn>1)。如何分析影响产品失效率的各种设计因素，并将其量化为一个综合性指标Dn，是本文研究的问题。

2 电连接器设计因素的确定

2.1 关键设计因素集合

根据研发经验及以往的失效数据构建电连接器设计因素集合。设计因素共21项如表1所示。主要包含通用因素、主要部件因素和其他零部件因素。

通用因素：标识问题、标准问题、更改问题、新技术新产品应用问题；

主要部件因素：接触件规格尺寸、插孔结构、接触件端接方式、接触件材料、接触件密封性结构、绝缘体材料，绝缘体结构、绝缘体尺寸、壳体连接方式、壳体材料、壳体灌胶、壳体键位、壳体螺纹；

其他零部件因素：其他零部件结构、其他零部件材料、其他零部件尺寸、附件问题。

表1 设计因素集合

2.2 关键设计因素确定

不同设计因素对产品失效率的影响是不同的。针对某一类型电连接器，需要对全部设计因素进行重要度分析和排序。从提高质量的方面来说，关注重要度高的设计因素可以改进产品设计从而提高产品质量；从对产品失效率预计方面来说，设计因素指标中体现对产品失效影响重要度高的设计因素，不会造成信息流失，同时也能够简化计算。

层次分析法(Analytic hierarchy process,简称AHP法)是处理综合评价问题的有效模型[8,9,10]，它可以将人主观判断的定性分析进行定量化，同时帮助决策者保持思维过程的一致性，其具体步骤为：

1.明确问题。弄清楚需要确定的问题的范围、所包含的因素和各因素之间的关系等。

2.建立层次结构。将因素进行分组，按最高层、若干中间层以及最低层的形式排列起来。

3.构造判断矩阵。针对上一层次中的某元素而言，评定该层次中各有关元素相对重要性的状况。

4.层次单排序。确定本层次与之有联系的元素重要性的权重值。

5.层次总排序。利用层次单排序的结果计算针对上一层次的本层次所有元素的重要性权重值。

6.一致性检验。为了评价层次排序的计算结果的一致性，需要进行一致性检验。

采用该方法对某型号电连接器设计因素集合(表1)进行分析。

2.2.1 建立电连接器层次结构模型

某型号电连接器，现需要获得该产品的关键设计因素以便进行设计改进。运用AHP法对影响产品失效率的所有设计因素进行重要度分析和排序，构建设计因素集合的层次结构模型，如图1所示：

图1 某型号电连接器设计因素层次结构模型

2.2.2 建立判断矩阵

确定产品的设计因素层次结构模型上下两层的隶属关系，按照AHP法的一般步骤，构造同一层次因素的两两判断矩阵。设两两判断矩阵为aij，aij>0，aij=1/aji(i,j=1,2,…,n)，n为矩阵阶数。以影响电连接器失效率的设计因素A为目标层，根据通用因素，主要部件因素和其他零部件因素在产品设计过程中相对比重来确定各因素的重要性，构造该级别的判断矩阵。一般用1～9的标度对重要性结果进行量化，如表2所示：

表2 重要度判断标度含义

由多位专家根据经验对能够影响该产品设计可靠性的不同类别设计因素之间和同一类别设计因素之间的重要度做出标度判断，综合后形成矩阵，见表3～6。

表3 判断矩阵A-B

表4 判断矩阵B1-C

表5 判断矩阵B2-C

表6 判断矩阵B3-C

由于产品复杂性和人们认知中存在的主观偏差以及数字标度的限制，需要对专家们给出的判断矩阵进行一致性检验，以确定评分没有逻辑上的混乱。一致性检验的标准为：

(3)

其中，λmax为判断矩阵最大特征值，IR为平均随即一致性指标，数值可在表7中查询：

表7 平均随机一致性指标IR数值

各矩阵一致性检验结果计算如下，各矩阵CR值均小于0.1，具有满意的一致性。

CRA-B=0.012<0.1

CRB1-C=0.030<0.1

CRB2-C=0.020<0.1

CRB3-C=0.089<0.1

2.2.3 计算各层次因素的权重系数并进行综合评分

由2.2.2中的得到电连接器设计因素各判断矩阵，对各因素的重要度指标值进行几何平均：

(4)

(i,j=1,2,…,n，n为矩阵阶数，aij为矩阵第i行，第j列的元素)

将其规范化，得到的向量W=(w1,w2,…,wn)T，是该层指标对上一层指标的权重向量。

得到因素B对因素A的权重WB-A和因素C对因素B的权重WC-B后，因素C对顶层因素A的权重也可以通过下式得到：

WC-A=WC-B·WB-A

(5)

所得结果如表8所示：

表8 权重值表

WC={0.0960 0.0143 0.0443 0.0120

0.1869 0.0899 0.0899 0.0215

0.0183 0.0899 0.0865 0.0336

0.0633 0.0141 0.0192 0.0124

0.0141 0.0604 0.0082 0.0213

0.0041}T

对该型号电连接器设计因素对其失效率影响权重值WC进行从大到小排序:

WC5>WC1>WC6=WC7=WC10>WC11>WC13>WC18>WC3>WC12>WC8>WC20>WC15>WC9>WC2>WC14=WC17>WC16>WC4>WC19>WC21

从权重值排序可看出，各设计因素对产品失效率影响权重值排列前6位的分别是：接触件规格尺寸C5、标识问题C1、插孔结构C6、接触件端接方式C7、接触件密封性结构C10、绝缘体结构C11，说明这几个因素对该产品失效有较大影响。

3 设计因素指标的估算

以某型号电连接器的产品历史故障库为基础，初步得到设计因素Dn值，称为对比法。具体步骤为：

1.收集关于该电连接器有效失效案例共214件，按之前确定21种设计因素，进行分类统计：

表9 某产品设计因素影响统计表(共214例)

2.将重要度值最小的设计因素指标Qmin为附件问题C21，将其设计因素值记为1，即Dn0=1；

3.在表9中找到由Qmin造成的产品失效的个数，记为k0，k0=2；

4.统计样本中所有设计因素导致产品失效的个数{kCj}：

kC1=12；kC2=6；kC3=9；kC4=4；kC5=20；kC6=13；kC7=12；kC8=6；kC9=5；kC10=12；kC11=13；kC12=8；kC13=11；kC14=4；kC15=6；kC16=3；kC17=4；kC18=35；kC19=10；kC20=19

5.设计因素值记做{DnCj}，按照对比关系，各设计因素值的确定通过公式(6)得到：

(6)

DnC1=6；DnC2=3；DnC3=4.5；DnC4=2；DnC5=10；DnC6=6.5；DnC7=6；DnC8=3；DnC9=2.5；DnC10=6；DnC11=6.5；DnC12=4；DnC13=5.5；DnC14=2；DnC15=3；DnC16=1.5；DnC17=2；DnC18=17.5；DnC19=5；DnC20=9.5

6.采用加权计算来估算设计因素指标Dn值：

(7)

结合前一节内容，权重值前6位的设计因素为：接触件规格尺寸C5、插孔结构C1、绝缘体材料C6、接触件端接方式C7、绝缘体结构C10、壳体连接方式C11。选择这六个设计因素参与计算不会造成设计影响因素主要信息的流失，同时简化计算。根据比例关系相应得到：

DnC5=10.0000；DnC1=6.0000；DnC6=6.5000；

DnC7=6.0000；DnC10=6.0000；DnC11=6.5000；

则有：

Dn=(DnC5DnC1DnC6DnC7DnC10DnC11)

(WC5WC1WC1WC6WC7WC10WC11)T

=10.0000×0.1868+6.0000×0.0960+6.5000×0.0899+6.0000×0.0899+6.0000×0.0899+6.5000×0.0865

=4.6694

保留两位小数，得到此型号电连接器的设计因素指标Dn为4.67。