仪器仪表的可靠性预计方法及思考

仪器仪表的可靠性预计方法及思考

一、可靠性预计对仪器仪表的重要性

可靠性预计是运用以往的工程经验、故障数据和当代的技术水平,尤其是以元器件,零部件的失效率作为依据,预报产品(元器件,零部件,子系统或系统)实际可能达到的可靠度,即预报这些产品在特定的应用中完成规定功能的概率。对于仪器仪表来说可靠性预计就显得更加重要。

可靠性预计是产品可靠性设计从定性考虑转入定量分析的关键,也是实施可靠性工程的基础。在方案研究和工程研制阶段,应及时地预计系统、分系统或设备的基本可靠性和任务可靠性,能比较不同设计方案的特点及可靠度,以选择最佳设计方案,并实施“预计——改进设计”的循环,使仪器仪表达到规定的可靠性要求。根据国情,我国企业开展可靠性研究工作相对落后,许多产品从方案论证、设计研制阶段就没有对产品进行可靠性预计,这样后期的可靠性工作就无从谈起,因此进入生产阶段后仍有许多故障和隐患没有排除。

二、选择LJ6010多功能标准源为例的原因

LJ6010多功能标准源(以下简称仪器)能输出交直流电压、交直流电流、电阻信号,是黑龙江省计量院开发的用于0.1级以下模拟表和四位半数字表校验的校准器。

1.元器件覆盖面广。它覆盖了从军标B级(GJB597的B级:军品级)、部标3、4类(SJ331-3、4类:工业品级)、低档(一般有机材料封装民用级)和自制器件或部件,极具有代表性。

2.该仪器开发研制的方法有相当的代表性。该仪器开发研制的基本程序:仿制—消化—研制—再开发—定型—市场—再定型。经过后4步的反复循环,最终定型。这种方式在我国大部分高端仪器的开发过程中,基本上是一种必然模式,而且这种开发研制的模式还会持续相当长时间。

三、预计方法和步骤

(一)预计方法及模型的选择

由于LJ6010多功能标准源原本没有经过可靠性设计,当然谈不上可靠性预计,目前的仪器仅仅定位于科研开发阶段与定型阶段。其中元器件计数法适用于设计的早期阶段,对可靠性快速地进行初步估计,为确定最佳设计方案提供可靠性等方面的数据;而元器件应力分析法是详细的可靠性预计,是在产品设计的后期阶段的预计。因此我们选择了计数法可靠性预计和部分应力法与计数法结合的可靠性预计。该预计属于事后预计,我们称为补课性预计,它很有代表性。在这种补课行为中,首先采用计数预计法,给出产品设计时期的产品寿命预期值,如果这个预期值很低,那么产品在设计之初就没能达到设计的市场要求,通过计数预计法可以比较和选择可靠性好的设计方案。预计模型的选取:进口器件使用美国国防部Rome试验室制定的MIL-HDBK-217,它是当前国际上商用、军用领域得到最广泛的应用,它涵盖几乎所有的电子、电气元件和一些机电器件,提供有元器件应力分析法和元件计数法两种预计模型。国内器件使用信息产业部第五研究所制定的GJB/Z299,它是以MIL-HD-BK-217为参考制定出的,也有元器件应力分析法和元件计数法两种预计模型。

(二)预计过程

1.确定了预计方法和使用的预计模型后,就可以按照下面的步骤进行可靠性预计。以LJ6010多功能标准源中的电压放大电路模块的预计为例。用计数法进行预计,其失效率的数学表达式为: 式中:λGS-模块总失效率,10-6/h;λGi-第i种元器件的通用失效率,10-6/h;πQi-第i种元器件的通用质量系数;Ni-第i种元器件的数量;n-设备所用元器件的种类数目。确定所用元器件的种类及数量、质量等级和仪器整机的工作环境后,按照上面给出的计算公式,国产器件通过查GJB/Z299B-98电子设备可靠性预计手册;进口件参照MIL-HDBK-217F电子设备可靠性预计(美国),可知各个元器件的可靠性参数,代入上面的公式就可以计算出电压放大电路模块的失效率及平均

寿命:λGS=115.308

×10-6/hMTBF(平均寿命)=1/λGS=8672.43h。

2.用应力法预计,采用这种方法所需要的信息除了计数法预计的那些信息外还有元器件的工作应力。其中,温度应力系数的值取决于电路的工艺;电压应力系数的值取决于推荐的工作电压,实际应用的工作电压和电路处于最恶劣状态时的结温。这些在*****和MIL-HDBK-217F中均可查得。计算失效率的公式为:

λp=λb(πE×πR×πA×πS2×πc)

式中:λp-工作失效率;λb-基本故障率;πE-环境系数;πR-电流额定因子;πA-应力因子;πS2-电压额定因子;πC-配置因子。上述各种因子的故障算出后,利用元件计数法,求得系统的故障率:

式中:λpi-第i种元器件的故障率;Ni-第i种元器件的数量;N-系统中元器件种类数。通过查GJB/Z299B-98和MIL-HDBK-217F手册,用应力预计法得到交流放大电路模块的失效率及平均寿命。

λS=156.210×10-6/hMTBF=6401.64h

3.可见应力法预计和计数法预计的结果相差不大,证明了我们选择了计数法可靠性预计和部分应力法与计数法结合的可靠性预计模型是正确的。为了工程应用方便我们今后可选用计数预计法进行该仪器的整机预计。

4.使用上述方法依次预计出各个模块以及整。机的可靠性指标后,可以根据用户要求看其是否满足。如果不满足要求,需根据预计值分析出可靠性差的模块加以改进,最终达到提高可靠性的目的。

四、小结

综上所述,正确运用元器件计数法和应力法,能有效地解决早期产品可靠性预计问题。尽管目前的可靠性预计方法还存在诸多不足,关于可靠性预计的争议也有很多,但是这些都不能抹煞可靠性预计在设备研制过程中对指导开展可靠性工程工作的重要意义。在开展可靠性工程工作时应注意将可靠性预计和其他可靠性设计分析、可靠性试验、可靠性管理等工作相结合,才能有效保证产品研制过程可靠性的增长,

以及可靠性目标的实现。