CN108932396A - 一种船舶电气系统保护单元可靠性预计的修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶电气系统保护单元可靠性预计的修正方法，包括以下步骤：S1:明确气系统保护单元的定义信息，其中包括该保护单元的工作条件信息、功能信息、任务信息和基本组成信息；S2:确定影响电气系统保护单元可靠性的误动因素；S3:计算电气系统保护单元的误动失效率λ_误动；S4：根据误动系数法建立电气系统保护单元的可靠性数学模型；S5：根据可靠性数学模型计算电气系统保护单元的总失效率，预计电气系统保护单元的可靠性。本方法基于误动系数法的保护单元可靠性预计是对传统元器件计数法的合理修正，结果更加科学、准确，计算结果精度高。

Description

一种船舶电气系统保护单元可靠性预计的修正方法

技术领域

本发明涉及电气系统可靠性工程领域,尤其涉及一种船舶电气系统保护单元可靠性预计的修正方法。

背景技术

目前可靠性工程现在已成为一门涉及面十分广泛的综合性新兴边缘学科。但是我国可靠性工程起步较晚，可靠性技术在工业、企业中的应用尚不广泛，特别在国内船舶电气系统上的应用相对空白。可靠性工程的目的是在给定的性能、重量、体积、费用、研制周期及其它计划的约束条件下，努力实现和保持系统或各单元的最大可靠性，可靠性预计工作是实现这一目的的重要手段之一。可靠性预计是一种预测过程，是在系统可靠性模型的基础上，利用元器件失效率数据和其它信息来预测系统或各单元所能达到的可靠度，或其它相应的可靠性特征量。设计阶段进行多次预计的过程，也是设计合理化的过程，是把对系统或各单元高可靠性要求的主观愿望与客观的设计、制造水平统一起来的过程。所以，在可靠性设计中，可靠性预测不仅非常重要，而且有很多用途。(1)在任务确定和方案论证阶段，可靠性预计是论证使用方所提出的可靠性指标是否合理，是否可实现的重要手段，也是择优选定满足可靠性要求的总体设计方案的依据。(2)在技术设计阶段，工程设计人员通过可靠性预计，可以知道所设计的系统或各单元可能达到的可靠性水平、可靠性方面的薄弱环节，以及发现工程设计中所存在的问题，如元器件运用是否合理、降额系数选择是否恰当、电路稳定性设计是否合理、保护电路设计是否有效等，从而有针对性地采取一些改进措施，提高可靠性水平。(3)可靠性预计可以为可靠性增长控制制定可靠性实验方案时选择实验参数，为后勤维修费用研究及其他研究提供基准。(4)可靠性预计是可靠性分配的基础，可以避免可靠性设计的盲目性。(5)通过可靠性预计，可以确定用一般方案即不用冗余技术等措施和一般元器件就能满足可靠性要求，就不必采取特殊设计手段和昂贵的元器件。可见，可靠性预计在系统设计中是不可缺少的。可靠性预计的价值主要在于，它作为设计的手段，为设计决策提供重要基础依据。

船舶电气可靠性技术是以船舶电气工程技术和自动控制技术为基础、结合可靠性工程技术而发展起来的一门多学科交叉并高度综合的工程技术。元器件计数法是适用于电气系统方案论证及方案初步设计阶段可靠性预计的常用方法，国家军用标准GJB/Z299C《电子设备可靠性预计手册》以及美国军用标准MIL－MDBK－217F《电子设备可靠性预计》标准手册中均有详细介绍。元器件计数法预计系统可靠性的优点是仅使用现有的工程信息，不需要详尽地了解每个元器件的应力及它们之间的逻辑关系就可以迅速地估算出系统的失效率。但是，元器件计数法并未考虑组成系统各单元、元器件的特殊性，它是将组成系统的所有元器件按照可靠性串联模型进行可靠性预计，这样预计系统可靠性的方法虽然最为简单，但所计算的系统可靠度肯定是最低的。这样一来，元器件记数法预计系统总失效率的预计结果往往偏大，其系统可靠度的预计结果往往偏小。因此，采用元器件计数法预计电气系统可靠性的误差较大，可信度较低。这是元器件计数法预计系统可靠性的不足，也是元器件计数法可靠性预计标准手册发展至今尚未解决的实际问题。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种船舶电气系统保护单元可靠性预计的修正方法，包括以下步骤：S1:明确气系统保护单元的定义信息，其中包括该保护单元的工作条件信息、功能信息、任务信息和基本组成信息；

S2:确定影响电气系统保护单元可靠性的误动因素；

S3:计算电气系统保护单元的误动失效率λ_误动；

S4：根据误动系数法建立电气系统保护单元的可靠性数学模型；

S5：根据可靠性数学模型计算电气系统保护单元的总失效率，预计电气系统保护单元的可靠性。

进一步的，所述建立电气系统保护单元的可靠性数学模型采用如下方式建立：采用误动系数法修正传统元器件计数法的通用数学模型，则误动系数法修正后的可靠性数学模型为：

R_s(t)＝exp(-λ_st)

λ_误动＝βλ_G (2)

其中：λ_S为系统总的失效率；MTBF为系统平均无故障工作时间；R_S为系统总的可靠度；n为不同的通用元器件的种类数；N_i为第i种通用元器件的数量；π_Qi为第i种通用元器件的质量系数；λ_Gi为第i种通用元器件的通用失效率

式中，β_i为第i种通用元器件的误动系数，λ_误动是电气系统保护单元误动失效率，对于一般系统的元器件，β＝1；对于电气系统保护单元拒动失效模式下的元器件，β＝0；对于电气系统保护单元误动失效模式下的元器件，β＝α，α是失效模式相对频率，表示一种失效模式在元器件失效率中所占比例，通常一个元器件所有失效模式的α值相加应等于1。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种船舶电气系统保护单元可靠性预计的修正方法。该方法考虑船舶电气系统保护单元的特殊性，提出了一种船舶电气系统保护单元可靠性预计的修正方法，这种基于误动系数法的保护单元可靠性预计是对传统元器件计数法的合理修正，结果更加科学、准确，计算结果精度高。研究结果为进一步开展船舶电气系统可靠性建模工作提供了更加合理的基础。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的方法的流程图；

图2为实施例中柴油机自动控制系统SDA-22欠压保护单元原理图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

电气系统保护单元的特点：一般电气系统发生故障时，其保护单元应能够正常动作，起到保护作用，说明保护单元进行了正确保护动作。如果电气系统保护单元本来应该动作，但是它未动作，则定义保护单元发生了“拒动”。如果电气系统工作正常，其保护单元由于本身的故障而错误地动作了，则定义保护单元发生了“误动”。从电气系统保护单元对系统可靠性的影响分析，“拒动”仅影响系统的安全性，而不影响系统的可靠性，只有“误动”才导致系统增加了一次故障，对系统的可靠性产生影响。因此，在对电气系统可靠性建模时，其保护单元的失效率应只计误动失效率作为保护单元的失效率，参与系统可靠性的建模。这样，从电气系统保护单元的特殊性考虑，预计其可靠性时，应该只考虑电气系统保护单元的误动失效率，也就是说，仅用电气系统保护单元的误动失效率代替其通用失效率，从而更加科学地预计电气系统保护单元的可靠性。因此，针对电气系统保护单元进行可靠性预计时，要具体问题具体分析，在对系统工作原理全面分析的基础上，明确电气系统保护单元定义，包括保护单元工作条件、功能、任务、基本组成。确定出哪些是仅影响系统安全性的拒动因素，哪些是影响系统可靠性的误动因素，仅仅需要计算出那些影响系统可靠性的元器件误动失效率，参与系统可靠性的建模。

如图1所示的一种船舶电气系统保护单元可靠性预计的修正方法，包括以下步骤：

S1:明确电气系统保护单元的定义信息，其中包括该保护单元的工作条件信息、功能信息、任务信息和基本组成信息；

S2:确定影响电气系统保护单元可靠性的误动因素；其中确定出哪些是仅影响系统安全性的拒动因素，哪些是影响系统可靠性的误动因素，仅仅需要计算出那些影响系统可靠性的元器件误动失效率，参与系统可靠性的建模。

S3:计算电气系统保护单元的误动失效率λ_误动；

S4：根据误动系数法建立电气系统保护单元的可靠性数学模型。由于可靠性预计的方法有许多种，产品在不同的研制阶段，由于掌握的数据、信息的详尽程度不同、预计的目的不同，所采用的方法也不同。电气系统可靠性预计有如下特点：电气系统的寿命大多数服从指数分布，即失效率是常数，所以通常可采用公式

R_s(t)＝exp(-λ_st)

作为预计系统或各单元的可靠性指标，式中：λ_S为系统总的失效率；MTBF为系统平均无故障工作时间；R_S为系统总的可靠度；λ_i为第i种通用元器件的通用失效率。电气系统一般由电阻、电容、二极管、集成电路等标准化程度很高的电子元器件组成。而对于标准元器件，现已积累了大量的试验、统计失效率的数据，建立了有效的数据库，且有成熟的预计标准和手册。可采用国家军用标准GJB/Z299C《电子设备可靠性预计手册》以及美国军用标准MIL－MDBK－217F《电子设备可靠性预计》进行预计。

进一步的，由于元器件计数法适用于电气系统方案论证及方案初步设计阶段。这种方法需要已知组成系统的通用元器件的种类和数量、元器件的质量等级、设备环境等信息。具体计算步骤对现有技术中的传统元器件计数法的通用数学模型进行改进为：

R_s(t)＝exp(-λ_st)

λ_误动＝βλ_G (2)

式中，β_i为第i种通用元器件的误动系数，λ_误动是电气系统保护单元误动失效率。对于一般系统的元器件，β＝1；对于电气系统保护单元拒动失效模式下的元器件，β＝0；对于电气系统保护单元误动失效模式下的元器件，β＝α，α是失效模式相对频率，表示一种失效模式在元器件失效率中所占比例，通常一个元器件所有失效模式的α值相加应等于1，α值参见表1。

S5：根据可靠性数学模型计算电气系统保护单元的总失效率，预计电气系统保护单元的可靠性。

实施例：以柴油机自动控制系统SDA-22欠压保护单元为例；

如表为元器件失效模式及其相对频率α。

表1

以船舶电站柴油机自动控制系统SDA-22欠压保护单元为例进行分析，其原理图如图2所示。船舶电站电网电压正常时，继电器J释放，无欠压保护信号发出；船舶电站电网电压出现欠压故障时，继电器J得电动作，发出欠压保护信号。当船舶电站电网电压正常，而输出电压信号V_out却为低电平，继电器J动作，发出欠压保护信号，这种情况则说明保护单元处于误动状态。

造成欠压保护单元误动的主要因素有：继电器J辅助触点失效；晶体管T短路；运放N₁输出高电平信号。造成运放N₁输出高电平信号的主要因素有：电阻R₁₅、R₁开路；输入电压信号V_IN为低电平。而造成输入电压信号V_IN为低电平的主要因素有：电容C₁₀短路；电阻R₁₆、R₇开路；二极管V₁₉开路；稳压管V₁₁短路；变压器B_m开路。这样，继电器J辅助触点失效、晶体管T短路、电阻R₁₅、R₁开路、电容C₁₀短路、电阻R₁₆、R₇开路、二极管V₁₉开路、稳压管V₁₁短路、变压器B_m开路共十种元器件失效模式造成船舶电站柴油机自动控制系统SDA-22欠压保护单元误动。柴油机自动控制系统SDA-22欠压保护单元中的元器件通用失效率以及各主要失效模式相对频率α(％)、误动失效率的计算参见表2(注：表中主要失效模式特指本算例涉及到的失效模式)。

其中，元器件误动失效率λ_误动等于该元器件通用失效率λ_G乘以该元器件误动失效模式所占的百分比(相对频率α(％))，系统工作环境为舰船舱内，使用环境系数N_s。

表2 SDA-22欠压保护单元误动失效率的计算

进一步的，元器件计数法预计保护单元的可靠性，元器件计数法通用数学模型为：

对给定的系统而言，式中：

λ_S为系统总的失效率；

n为不同的通用元器件的种类数；

N_i为第i种通用元器件的数量；

π_Qi为第i种通用元器件的质量系数；

λ_Gi为第i种通用元器件的通用失效率。

不考虑电气系统欠压保护单元的特殊性，按可靠性预计标准手册中的常规元器件计数法，船舶电站柴油机自动控制系统SDA-22欠压保护单元共有19个元件按照可靠性串联模型组成欠压保护单元，采用传统元器件记数法预计该单元的失效率，各项计算参数参见表2。

这样，柴油机自动控制系统SDA-22欠压保护单元失效率、可靠度以及平均无故障工作时间预计结果如下：

R_s(t)＝exp(-λ_st)

误动系数法修正电气系统保护单元的可靠性预计误动系数法修正数学模型为：

R_s(t)＝exp(-λ_st)

λ_误动＝βλ_G

考虑电气系统欠压保护单元的特殊性，欠压保护单元失效率应仅考虑欠压保护单元的误动失效率，即用保护单元的误动失效率λ_误动代替通用失效率λ_G。采用误动系数法，算例柴油机自动控制系统SDA-22仅有十个元器件的误动失效率对系统可靠性产生影响，所以，柴油机自动控制系统SDA-22欠压保护单元失效率、可靠度以及平均无故障工作时间预计结果如下：

R_s(t)＝exp(-λ_st)

上述柴油机自动控制系统SDA-22欠压保护单元算例中，用元器件的误动失效率代替其通用失效率，柴油机自动控制系统SDA-22欠压保护单元失效率仅为传统元器件记数法单元失效率预计结果的27.5％。基于误动系数法的保护单元可靠性预计结果更加科学、准确，研究结果为进一步开展船舶电气系统可靠性建模工作提供了更加合理的基础。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种船舶电气系统保护单元可靠性预计的修正方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1:明确气系统保护单元的定义信息，其中包括该保护单元的工作条件信息、功能信息、任务信息和基本组成信息；

S2:确定影响电气系统保护单元可靠性的误动因素；

S3:计算电气系统保护单元的误动失效率λ_误动；

S4：根据误动系数法建立电气系统保护单元的可靠性数学模型；

S5：根据可靠性数学模型计算电气系统保护单元的总失效率，预计电气系统保护单元的可靠性。

2.根据权利要求1所述的一种船舶电气系统保护单元可靠性预计的修正方法，其特征还在于：所述建立电气系统保护单元的可靠性数学模型采用如下方式建立：采用误动系数法修正传统元器件计数法的通用数学模型，则误动系数法修正后的可靠性数学模型为：

R_s(t)＝exp(-λ_st)

λ_误动＝βλ_G (2)

其中：λ_S为系统总的失效率；MTBF为系统平均无故障工作时间；R_S为系统总的可靠度；n为不同的通用元器件的种类数；N_i为第i种通用元器件的数量；π_Qi为第i种通用元器件的质量系数；λ_Gi为第i种通用元器件的通用失效率

式中，β_i为第i种通用元器件的误动系数，λ_误动是电气系统保护单元误动失效率，对于一般系统的元器件，β＝1；对于电气系统保护单元拒动失效模式下的元器件，β＝0；对于电气系统保护单元误动失效模式下的元器件，β＝α，α是失效模式相对频率，表示一种失效模式在元器件失效率中所占比例，通常一个元器件所有失效模式的α值相加应等于1。