一种电阻箱可靠性评估方法

师慧倩，沙新乐

一种电阻箱可靠性评估方法

师慧倩，沙新乐

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

通过对电阻箱功能结构分析，以及使用数据以及试验数据收集，确定了可靠性评估方法。经过累加计算和不累加计算两种方法，验证了电阻箱可靠性。本文对不具备开展可靠性试验的产品提供了一种可靠性评估方法。

电阻箱 可靠性评估 MTBF

0 引言

电路系统结构和功能日益复杂，对其完成规定功能的能力要求也越来越高。产品在规定的时间和条件下，能够完成预定功能的能力即为可靠性。

近年来，在越来越重视产品的可靠性的背景下，研制要求中明确规定了MTBF等量化指标。

对于一些可靠度要求较高使用时间较长的设备，若进行可靠性寿命试验，试验时长无法满足研制进度要求。若加速寿命试验，不同产品设备的加速因子与加速模型各不相同，需要逐一研究各类产品加速规律，目前仍缺少相关技术积累，不具备加速试验的条件。

本课题通过计算评估与产品型式试验相结合的方式[1]，提供一种机械结构电气设备的可靠性评估方法。

1 设备简介

1.1 受试设备组成

本课题受试设备为艇用A型电阻箱，用于推进电机起动。电阻箱由箱体和电阻组成。其中：箱体由钢制骨架和钢制护板组成；电阻由绝缘支撑和镍镉合金。所以A型电阻箱可以看作由机械结构组成的电气设备。

1.2 辅助对比设备组成

辅助对比设备B型电阻箱与A型电阻箱结构功能基本相似，由箱体和电阻组成。其中：箱体由钢制骨架和钢制护板组成；电阻由绝缘支撑和镍镉合金。所以B型电阻箱可以看作由机械结构组成的电气设备。

1.3 设备故障判据

故障判据是用来判断设备是否故障的依据。在试验过程中，出现以下任何一种情况即可判断为故障：

a) 受试设备无法工作或部分功能失效。

b) 受试设备参数检试结果超出允许范围。

c) 受试设备结构部件或元器件出现松动或损坏。

不是由另一故障引起的故障称为独立故障（又叫原发故障）。由另一故障引起的故障称为从属故障（又叫诱发故障）。对设备施加了超出其规定能力范围的应力而造成的故障称为误用故障。从属故障以及误用故障或者经证实仅属于某项不恰当的设计所引起的故障叫非关联故障，反之为关联故障。非关联故障或者事先已经规定不属于组织机构责任范围内的关联故障为非责任故障，反之为责任故障。只有责任故障才可以作为试验故障判别依据[2]。

2 数据收集

根据用户需求，A型电阻箱的可靠性指标要求平均无故障间隔时间MTBF ≥96000小时，约等于11年，常规寿命试验的试验时常为寿命指标的1～1.5倍，试验时常无法满足项目进度要求。所以电阻箱寿命主要依靠分析评估的方式验证。同时结合一系列鉴定试验，验证使用过程的安全性。

2.1 试验项目

本课题受试电阻箱共完成十一项检试验项目：一般检查、电阻值测量、绝缘电阻、工频耐压、温升试验、外壳防护试验、振动试验、冲击试验、盐雾试验、霉菌试验、湿热试验。

检试验项目如表1所示。

表1 电阻箱检试验项目

检试验项目均委托具有相应资质的专业检试验机构进行，并出具相应报告。

试验及检查过程均未发生故障，受试设备功性能检验合格。

2.2 客户使用数据

A型电阻箱和与B型电阻箱均已交付使用多年，使用环境不仅有油污、盐雾、霉菌，还有倾斜、摇摆、冲击及振动影响。使用过程中两型电阻箱均无故障发生。由客户提供的使用数据如表2和表3所示。

表2 A型电阻箱使用数据

表3 B型电阻箱使用数据

3 可靠性评估

3.1 可靠性评估方法

指数分布是可靠性试验和统计分析中的重要概念，产品在很多场合下的时效分布均可认为是指数分布。以下几种场合均可运用指数分布[3]：

a）电子类产品的寿命分布一般用指数分布来描述，大部分复杂非电子产品也可以用指数分布来描述寿命分布。在非电子类的产品中，除去大型复杂系统中会用到指数分布外，机械零部件经过摩擦后产生的偶然性故障。

b）当产品在某类“冲击”作用下失效时，可认为该失效为指数分布。

c）当产品是由大量元件组成时，任何一个元件失效都会造成产品故障，并且元件间相互独立，该产品失效可由指数分布描述。

A型电阻箱和与B型电阻可看作机械结构电气设备，设备失效模式符合上述情况，因此可以采用指数型经典评估方法[3]进行计算评估。

MTBF的单侧置信下限为：

置信度的选取应按照数据量、质量季工程上的要求，根据设备特点制定。置信度值过低结果意义不大，过高的置信度又不现实。在保证一定估计精度前提下，较高的置信度需大量样本。工程上最常用的是单侧置信下限，对于初样机阶段置信度取值为0.6～0.7，试样阶段置信度取值0.7～0.8，正样及批产阶段一般取值为0.8～0.9[4～5]。

3.2 可靠性评估计算

3.2.1累加计算

即A型电阻箱置信度取0.9时，其MTBF=260783小时，满足平均无故障间隔时间MTBF ≥96000小时的要求。

3.2.2不累加计算

无论是A型电阻箱还是B型电阻箱，就目前使用情况来看均未出现故障。若严格按照单台使用时间来计算，选用使用时间较早的B型电阻箱，从表2中选择1号产品，单台使用时间T为120240小时。此种计算方法样本量较小，置信度不宜定高，综合考虑各种因素，本次计算中置信度定为0.7，电阻箱平均无故障间隔时间MTBF单侧置信下限：

即B型电阻箱置信度取0.7时，其MTBF=99871小时，满足平均无故障间隔时间MTBF≥96000小时的要求。

4 结论

经过一系列功能试验、环境试验，并结合客户使用证据，对A型电阻箱进行可靠性评估分析。鉴于A型电阻箱还是B型电阻箱功能结构相似，可利用投入使用时间更长的B型电阻箱数据辅助验证。

经过分析，电阻箱失效模式可以看作指数分布。根据客户使用数据，采用指数型经典评估方法，即可计算出平均无故障间隔时间MTBF的单侧置信下限值。

若遵守指数分布可加性原理，将A型电阻箱使用时长累加计算，得出MTBF置信下限为260783小时，满足MTBF≥96000小时要求。若不采用累加时间，用投入使用时间更长的B型电阻箱单台使用时间，计算得出MTBF置信下限为99871小时，也可满足满足MTBF≥96000小时要求。

[1] 宋太亮. GJB-450A装备可靠性工作通用要求[Z]. 总装电子信息基础部, 2004.

[2] 宋太亮. GJB-451A 装备可靠性维修性保障性术语[Z]. 总装电子信息基础部, 2005.

[3] 刘勇. 可靠性评估：概念和模型机案例研究[M]. 北京: 国防工业出版社, 2018,（5）.

[4] 傅惠民. 仿真与试验相结合的寿命预测和可靠性评估[J]. 机电产品开发与创新, 2019.

[5] 孙小素. 估计过程能力指数单侧置信下限时样本容量的确定问题[J]. 经济经纬, 2010.

A Reliability Evaluation Method of Resistance Box

Shi Huiqian, Sha Xinle

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM541

A

1003-4862（2021）07-0011-03

2021-01-12

师慧倩（1989-），研究生。研究方向：低压断路器弹簧操动系统。E-mail：754493077@qq.com