可靠性分配在无损检测仪器中的应用

黄春明

（中广核检测技术有限公司，江苏 苏州 215000）

0 引言

可靠性设计是可靠性工程中最重要的组成部分，是提高产品固有可靠性水平的基本措施。可靠性分配是可靠性设计的重要环节，是指将系统或产品的可靠性指标分配到各功能层次的分系统、设备及元件，用以确定各个低层次产品的可靠性指标。同时，可靠性分配是可靠性设计的重要理论分析工具，在一定程度上可以评估设计方案、预估研制成本、指导设计改进，为产品的可靠性水平和质量提供保障。

由于国内民用可靠性研究起步相对较晚，目前尚未建立完善的可靠性体系，大多在参考军用标准基础上根据产品实际要求开展相应的工作，但适用性有待进一步验证。随着行业快速发展，迫切需要探索合适的可靠性设计方法来满足对无损检测仪器的高质量要求。本文以自主研制的多功能无损检测仪器为研究对象，针对仪器可靠性指标要求，采用评分法进行可靠性指标分配，给出了仪器可靠性分配方法与流程，为可靠性设计的进一步探索提供基础。

1 可靠性要求

可靠性指标是在仪器设计阶段就提出的可靠性要求，贯穿于设计、研制、测试、验收等仪器研制全过程。由于本仪器为可修复使用的产品，选用的可靠性指标为平均故障间隔时间（MTBF），即两次相邻故障间工作时间的平均值，其寿命服从指数分布。MTBF值越大，仪器的可靠性越高，规定时间内的故障率越小。

根据仪器的应用环境、工作特性和质量要求，在设计阶段提出了仪器整机平均故障间隔时间MTBF≥3000 h作为可靠性指标。

2 可靠性指标分配

可靠性分配是为了把系统的可靠性指标按照一定的准则分配给各组成单元而进行的工作，其目的就是将整个系统的可靠性指标转化为每一个分系统或单元的可靠性指标。可靠性分配应在仪器研制阶段早期进行，把可靠性定量指标分配到规定的系统层次，使各层次的设计人员明确所研制仪器的可靠性要求，为可靠性整体设计、元器件、原材料的选择提供依据，同时为外委加工或外购件可靠性定量要求提供依据。

2.1 分配原则

可靠性分配一般遵循如下原则：

（1）复杂的单元、技术上不成熟或技术难度大的单元、工作环境恶劣的单元、长期工作的单元应分配较低的可靠性指标。

（2）重要度高的单元应分配较高的可靠性指标。

（3）不易维修、更换的单元应分配较高的可靠性指标。

（4）可靠性分配应在设计阶段开展，使设计人员尽早将可靠性要求体现在设计中。

（5）分配应在目标值或规定值基础上留有适当余量，以便在增加新单元或改进设计时减少重新分配工作量。

2.2 分配流程

可靠性分配是“分配-验证-再分配-再验证”反复迭代的过程。分配流程，如图1所示。

图1 可靠性分配流程

2.3 分配方法

可靠性分配方法有很多，比较常用的如平均分配法、AGREE分配法、评分分配法、比例组合分配法等，所采用的分配方法需要根据能够获取的产品信息进行选择。考虑本仪器尚处于研制初期设计阶段，元器件型号尚未定型，结合可靠性指标要求，选择评分分配法进行可靠性指标分配，该方法是通过评分对各个因素进行综合分析以获得系统各组成单元之间可靠性相对比值[1]。综合分析本仪器可靠性要求和影响因素，评分因素主要选取复杂程度、技术水平、重要度和环境条件四个关键因素，如表1所示。

表1 评分因素

2.4 数学模型

对仪器进行可靠性指标分配，首先需要建立可靠性模型。本文从仪器基本可靠性即统计寿命周期内的所有关联故障角度进行分配，因此可靠性模型为串联模型[2]。

（1）可靠性框图

本仪器由7个核心单元组成，主要包括电源和通讯网络支持单元、超声多通道检测单元、超声相控阵检测单元、超声TOFD检测单元、涡流阵列单元和多路器单元。仪器整机功能结构，如图2所示。

图2 仪器功能结构

基本可靠性是基于将仪器所有单元发生的故障都要进行维修或更换的范畴，即使有些单元故障不影响仪器功能，依然需要考虑在内。仪器可靠性框图，如图3所示。

图3 仪器可靠性框图

（2）数学模型

可靠性分配需要通过数学计算获得各分配单元分配值，评分法采用数学模型[3]如下。

设系统的可靠性指标为λS，分配给每个分系统的故障率为λi，计算公式如下：

式中：i=1，2，…，n为分系统数量；Ci为第i个分系统的评分系数。

式中：wi为第i个分系统评分数；w为系统的评分数。

式中：rij为第i个分系统，第j个因素的评分数；m为评分因素数，即j=1为复杂度，j=2为技术水平，j=3为重要度，j=4为环境条件。

式中：i=1，2，…，n为分系统数量。

3 可靠性分配结果

根据可靠性要求，需把可靠性指标MTBF≥3000h作为最小目标值进行分配，按照公式（1）～（4）分配至每个核心组成单元。

本文邀请5位有经验的专业技术专家，对表1中4个关键影响因素分别进行评分，然后取平均值。考虑仪器在研制过程中可能会发生采购、外协部件规格更换，以及有些可能失效的连接器、电缆等附件，于是在可靠性目标值基础上按15%余量进行分配。可靠性指标分配结果，如表2所示。

表2 仪器可靠性指标MTBF分配结果

由表2可以看出，MTBF目标值3000 h的整机可靠性指标和15%的余量值均已分配至各组成单元，可为各单元提供可靠性定量参数，并为可靠性设计、元器件的选择、外协件的质量要求提供参考依据。

4 分配结果评估

通常可靠性分配与可靠性预计同步开展，两者相结合反复迭代地进行，通过可靠性预计结果来初步评估可靠性分配的合理性。在完成可靠性指标分配后，各单元按照分配值进行详细设计和元器件型号确定等，然后根据元器件参数开展可靠性预计，若MTBF预计值小于可靠性分配值即预计故障率大于分配故障率，则不能满足可靠性指标要求，需要对可靠性指标重新分配。

将可靠性预计值与分配值进行了比较，比较结果如表3所示。

表3 可靠性预计值与可靠性分配值比较结果

从表3可以看出，λ预计=212.3583×10-6＜λ分配=289.86×10-6即仪器可靠性预计故障率比可靠性分配故障率小，说明仪器整机设计方案初步满足可靠性指标要求，可靠性分配值基本合理。针对预计故障率稍高的超声相控阵单元，可根据需要优化设计，进一步提高可靠性水平。

5 结语

本文以自主研制无损检测仪器为对象，对整机可靠性指标进行分配，全面揭示了可靠性分配流程和方法，并通过可靠性预计结果对分配结果进行了验证。总结如下：

（1）可靠性分配应尽早开展，以使设计人员将可靠性要求融入设计方案中，同时为外购件、外协件的供货要求提供依据和支撑。

（2）可靠性分配是多次反复分配的过程，随着设计的不断细化、改进，以及采购件的变化等，各单元的可靠性分配指标都需要及时进行调整。在每次分配时应留有一定余量，以减少分配次数。

（3）可靠性分配可与可靠性预计同步进行，若可靠性预计值不能满足可靠性要求，则需要优化分配值，直到符合要求。

可靠性分配是可靠性工作的重要组成，在仪器设计阶段可为可靠性水平和质量保证提供重要的科学支撑。