車輛裝備可靠性試驗評價指標研究

周金寶，周軍，翟斌

車輛裝備可靠性試驗評價指標研究

周金寶，周軍，翟斌

（中國人民解放軍63969部隊，江蘇 南京 210028）

針對當前評價指標無法全面體現(xiàn)車輛可靠性性能，文章在研究可靠性基本概念的基礎上，將故障程度、故障位置等以修正系數(shù)的形式加入平均故障間隔時間，提出一種車輛裝備可靠性試驗評價指標，可較為全面地評價車輛可靠性，當僅進行可靠性試驗時仍能進行有效評價。所提評價指標可為壓縮車輛可靠性試驗周期奠定基礎。

車輛裝備；可靠性；平均故障間隔時間；評價指標

前言

可靠性是車輛裝備的通用質量特性之一，是完成其使命任務的基礎[1-2]。軍用車輛裝備結構復雜、承擔任務繁重、使用地域多樣且使用環(huán)境惡劣，故對其可靠性要求更高。車輛裝備系統(tǒng)或其零部件是否符合可靠性指標的要求，需要通過可靠性行駛試驗考核及評定[3-4]。通過可靠性行駛試驗考核與評定，評價其可靠性水平，確認車輛裝備是否符合可靠性定量要求，且發(fā)現(xiàn)車輛裝備在設計、材料和工藝方面的缺陷，為車輛裝備研制、定型、使用和保障提供信息與依據(jù)，因而所有車輛都要進行可靠性試驗與研究[5-7]。

當前對車輛可靠性的評價進行了大量研究，評定所采用的指標較多，在汽車試驗領域已具有較為廣泛的應用[8-12]。但這些指標僅能描述部分可靠性特征，無法描述車輛整體效果，當可靠性試驗進行不充分或僅進行可靠性試驗時，采用這些評定方法效果一般。本文擬提出一種綜合性的可靠性評價指標，能夠利用較多的試驗信息，盡可能全面地描述車輛可靠性。

1 基本概念

1.1 車輛裝備可靠性

車輛裝備可靠性是指車輛裝備在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內完成規(guī)定功能的能力，對其本身及車載裝備基本性能的穩(wěn)定、作戰(zhàn)效能的發(fā)揮起關鍵作用，是車輛裝備最基本、最重要的指標之一。

車輛裝備可靠性試驗實在整車基礎上進行的試驗，但不僅能夠考核車輛整車性能，還能同時考核車體發(fā)動機、變速箱、分動器、電力設備等關鍵零部件的性能。在高速環(huán)道、山區(qū)公路、加入強化系數(shù)的特種路面上進行行駛，對車輛裝備考核的性能指標較為全面，包含車輛加減速動力性能、輪胎磨損、車體噪聲等。車輛可靠性試驗對試驗條件有著明確的規(guī)定，車輛需在指定范圍的氣象條件下以規(guī)定的裝載形式進行行駛，同時，其基本單位為廣義的時間，既可以指車輛的實際行駛時間，也可以采用其里程或行駛的剖面數(shù)量進行表示。

1.2 可靠度函數(shù)

車輛裝備可靠度是表征車輛可靠性程度的重要參數(shù)，傳統(tǒng)可靠性的表述為定性闡述，僅表示為與故障發(fā)生程度相反的一個參數(shù)，隨著數(shù)理統(tǒng)計原理在可靠性工程中的應用，逐漸出現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠性定義，將定性描述轉化為定量表達。

可靠度函數(shù)一般用()表示，用于描述車輛裝備產品運行至時刻時，該車輛仍能維持所需功能的概率大小。當樣本量足夠大時，考慮到頻率值無限趨近于概率值，往往采用采集的樣本頻率近似該概率值。同時，所定義的時刻是一個廣義的時間，也可用距離代表。舉例而言，將相同的100輛車輛裝備進行可靠性試驗，行駛至2000公里時，有10輛裝備發(fā)生故障，則故障發(fā)生頻率為10%，未發(fā)生故障的頻率為90%，可將此時的頻率90%近似為該型車輛裝備在行駛2000公里時的可靠度。也就是說，該型車輛裝備在行駛2000公里時的可靠度為90%。

因此車輛裝備可靠度就是車輛裝備行駛至某一時刻仍未發(fā)生故障的概率，其值越高，說明車輛裝備越不容易發(fā)生故障，即理解上的“越可靠”。

與可靠度相對應的是不可靠度()，也稱為累計故障率?？煽慷?)與不可靠度()之和等于1，即：

如果設(t)為故障概率，或稱為故障概率密度函數(shù)、失效密度函數(shù)，那么：

()、()與(t)的關系如圖1所示。()是圖1中斜線部分的面積，()是剩下部分的面積。由此還可得到：

圖1 故障概率函數(shù)

瞬時故障率)是故障概率(t)與可靠度()的比值，亦即：

聯(lián)立式(3)可得：

由式(6)可知，可靠度函數(shù)()也可用瞬時故障率)來表示，或者說，可靠度是瞬時故障率的函數(shù)。

2 故障分析

故障是反應車輛可靠性的重要環(huán)節(jié)，所有的車輛可靠性定量參數(shù)的獲取均通過采集車輛故障獲得，若要分析車輛裝備可靠性試驗評價指標，必須先將故障按一定規(guī)則進行歸類處理。

2.1 故障定義

故障是可靠性研究的對象，單從定義理解，可靠性也可稱無故障性，也就是說，故障是一種與車輛裝備可靠性相反的概念內涵。對比車輛裝備可靠性的定義，在前述氣象、裝載前提下，車輛行駛至某個時刻或距離發(fā)生了故障，意味著車輛裝備喪失其可靠能力，即發(fā)生了故障。傳統(tǒng)車輛裝備是一種典型的可修復復雜機電設備，當喪失規(guī)定功能時稱之發(fā)生了故障；若研發(fā)了新型車輛裝備喪失功能即報廢，即不可修復時，故障往往改稱為失效。

2.2 故障類別

當前，車輛裝備可靠性試驗分類的準則已經十分成熟，故障分類的常用規(guī)則是故障的性質和嚴重程度，按故障導致或可能導致的后果，排除難易和關聯(lián)性，對完成任務影響程度，往往分類為致命故障、嚴重故障、一般故障和輕微故障四大類，具體分類的規(guī)則和累唄見表1。

表1 故障分類原則

2.3 故障模式及位置

一般來說，車輛裝備的故障模式可以通過試驗統(tǒng)計逐步積累，常用的車輛裝備各類故障模式如表2所示，這些不同的故障均可歸至表1中的大類。

本文同時形成基本覆蓋到軍用車輛裝備所有通用零部件以及部分專用零部件所有故障模式的分類庫，故障模式范例庫共計5904條，分類統(tǒng)計如表3所示。

表2 故障模式及代號

表3 軍用車輛裝備故障位置統(tǒng)計

易知，當故障模式和故障位置發(fā)生改變時，故障程度是不一樣的，所提可靠性指標應充分考慮這些因素的影響。

3 可靠性試驗評價指標

采用定程結尾試驗的方法提出軍用車輛裝備可靠性行駛試驗評價，對于可靠性評價最常用的指標就是平均故障間隔時間，即MTBF。

3.1常用指標

3.1.1平均故障間隔時間MTBF

按照指數(shù)分布進行計算，其點估計值為：

（7）

（8）

式中：n為試驗樣車輛數(shù)；r為的故障總數(shù)；S為總試驗里程；k為終止試驗樣車數(shù)；Sj為第j車輛終止試驗里程；Se為定程截尾里程。

平均故障間隔里程置信下限值按下式計算：

（9）

式中，(MTBF)L為平均故障間隔里程置信下限值；S為總試驗里程。χ2[2(r+1),α]—自由度為2(r+1)，置信水平為α的χ2分布值，推薦取值為0.1或0.3。

3.1.2千公里維修時間

若rx>U2-U1和C>U3-U0+rx同時成立，則(誠信，誠信)和(欺騙，欺騙)都是納什均衡。由于U1>U0，所以(誠信，誠信)是帕累托有效的納什均衡。

（10）

式中，TMm為千公里維修時間；TRm為總試驗里程S內發(fā)生故障后維修時間總和；TPm為總試驗里程S內預防維修時間總和。

3.2 結合維修時間

平均故障間隔里程是描述車輛可靠性的關鍵指標，為綜合考慮其它因素，可將維修性參數(shù)賦權加入可靠性參數(shù)中，彌補MTBF描述可靠性的不足。

將維修時間的定義向平均故障間隔時間進行等效處理，維修時間越長，意味著故障越大，所對應的前一個故障間隔時間應該越短。定義標準的維修時間為Ts，實際維修時間不高于Ts的故障不做處理，而實際維修時間高于Ts的故障應進行等效處理。記總故障數(shù)為rall，先驗的平均故障間隔時間為MTBF，實際該故障的維修時間為TMm，則對應的故障間隔時間應與TMm成反比，若定義標準的維修時間為Ts，則修正后的MTBF為MTBF*Ts/TMm，此時，試驗等效總里程發(fā)生變化。若記維修時間超過Ts的故障數(shù)有khigh個，則修正后的平均故障間隔時間MTBFr的表達式為：

（11）

式中，右側分子第一項表示維修時間不大于Ts的故障對應的總里程，分子第二項表示維修時間大于Ts的故障對應的修正總里程。

3.3 結合故障程度

除維修時間外，故障程度對平均故障間隔時間也有一定影響，可將此項目以賦權的形式進行考慮。故障位置和故障類別均對應不同的故障程度，表1和表2所示的故障分類在對應的標準中已經給出了四個權值，但該權值沒有考慮到故障位置的影響。

樣本采集：含藻種的樣本采自廣州華南理工大學校內東湖，共設置2個采集點，采集水樣用采樣瓶裝好，分離純化在實驗室中進行。

成功獲得11條HPV18型E6基因序列（477 bp，nt105~nt581）， 變異分析發(fā)現(xiàn)， 和參照株（NC001357）序列比對，獲得的序列均發(fā)生了1個堿基顛換（C287G），為同義突變。

考慮到已經定義了總故障數(shù)量并給予維修時間進行了修正，期望能夠以最簡單的形式對結果進行修正?？紤]到標準中已經給出了類別修正，這里定義不大于1的正數(shù)Pi為故障i對應的位置修正系數(shù)，將此代入公式中用于修正故障比重，可得：

從式(3)中笛卡爾速度中獲得可用的離散樣本,然后可以用雅可比矩陣的列向量Ji來改寫式(3)的離散形式，得

（12）

式中，0≤Pi≤1，由表3所示，故障發(fā)生在7個位置，因而Pi有7個取值(或定義的更加詳細)。MTBF進行修正后，式(9)給出的置信下限也應按修正后的數(shù)值進行處理。

GenBank登錄號是MH256113，將菌株16S rDNA序列與GenBank上的其他16S rDNA序列進行Blast分析，做進化樹(圖2)比較結果顯示，菌株MBM-7與Arthrobacter protophormiae strain DSM 20168(NR_026195)相似性為99.9%，將該菌鑒定為放線菌目下的原玻璃蠅節(jié)桿菌(Arthrobacter protophormiae)。經RDP進行分類，其分類地位為：放線菌綱(Actinobacteria)、放線菌目(Actinomycetales)、微球菌科(Micrococcaceae)、節(jié)細菌屬(Arthrobacter)。

對比式(7)給出的平均故障間隔時間的點估計值，提出的修正MTBFr充分考慮了故障類別、故障程度和故障位置的影響，因而更加全面。對于大多數(shù)的車輛試驗，僅做可靠性試驗或試驗不充分時，所提評價指標仍可有效地刻畫車輛可靠性，因而可有效縮短試驗周期，節(jié)約試驗成本。

研究人員發(fā)現(xiàn)，近一半的安全座椅與汽車座位并不合適。近日，美國俄亥俄州立大學醫(yī)學院的研究人員對50輛家用汽車的座位及60個安全座椅（共3600個組合）進行了安全測試，結果發(fā)現(xiàn)，座位角度與彈性頭枕的位置導致42%的安全座椅與汽車座椅無法完全兼容。

4 結論

在分析可靠性概念和故障影響程度的基礎上，系統(tǒng)研究了軍用車輛裝備故障規(guī)律，加入車輛故障程度、故障位置的影響，對平均故障間隔時間進行修正，提出一種新的車輛裝備可靠性試驗的評價指標，為車輛裝備可靠性試驗的綜合評價提供依據(jù)。

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Research on the reliability test evaluation index for the vehicle equipment

Zhou Jinbao, Zhou Jun, Zhai Bin

( PLA Troop 63969, Jiangsu Nanjing 210028 )

Abstract:Current evaluation index can not fully reflect the reliability performance of vehicles. The fault degree and fault location were joined into the mean time between failures using the forms of correction coefficients based on the study of the basic concept of reliability. Then a new reliability test evaluation index for the vehicle equipment was proposed. Proposed index can evaluate the reliability of vehicles more comprehensively, and also be effective under the condition when only reliability test is carried out. Proposed evaluation index can lay a foundation for reducing vehicle reliability test time.

Keywords:vehicle equipment;reliability;mean time between failures;evaluation index

CLC NO.: U461.7

Document Code: A

Article ID: 1671-7988(2019)14-137-04

中圖分類號：U461.7

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2019)14-137-04

作者簡介：周金寶，碩士，高級工程師，就職于中國人民解放軍63969部隊，研究方向為車輛檢測與車輛工程。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.045