（管理科学与工程专业论文）激光装置能源系统可靠性研究.pdf

豳防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 x x 激光装嚣的自源系统为高电压、多元器件的复杂系统，高可靠性是能源系统 所必须具备的重要技术指标，本文以国家8 6 3 项目：x x 激光原型装置工程可靠性研 究课题为背景，针对激光原型装置的能源系统开展了可靠性研究。 f 本文首先研究能源系统可靠性概念并提出了能源系统可靠性指标体系，在此基 、 础上对能源系统进行了可靠性设计分析，给出了能源系统的基本可靠性模型和任务 可靠性模型，并对其m t b f 迸行了预计，对其额定可粥度进行了分配，最籍瘸f m e c a 乘辨谖系统中元器件的失效模式及彩响，精f 诏。柬评嵇能源系统的可靠性，分睾蓐各 元器件的重要度。逶过哥嚣性设诗分橱，本文找出了滚系绞静薄弱环节、关键元 嚣 字，并爨出了颓稼、维修及设计改送熬建议。：、) 霹靠蛙渡验也是霹靠娃工程豹爨要缀戏部分，能源系统诲多元器 牛为高可靠性、 长寿念器 牛，且大部分是非标准器 牛，为保证整个系统的可靠性，必须对餐选元器 件进行可靠性试验，本文对能源系统关键器件进行了详细的试验分析，给出了电容 器的鉴定试验方案，对其抽样试验方案谶行了理论分析并给出了方案改进建议。最 聪论文针对元器件寿命试验耗时耗料太多的问题，给出了一种指数分布序进应力加 速寿命试验的统计方法。 荚键谪：能源系统可靠往分耩掰靠憔试黢 ，一一：一 一一一 第1 l 簧 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t x xp o w e rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ( p c s ) i sac o m p l e xs y s t e mw i t hh i g hv o l t a g e a n dm u l t i c o m p o n e n t ，s oh i g hr e l i a b i l i t yi sn e c e s s a r yf o rp c s b a s i n go nt h e n a t i o n a 8 6 3 p r o j e c t ，t h i st h e s i sa n a l y z e sp c s sr e l i a b i l i t y f i r s t ，t h i st h e s i sp r e s e n t st h ei n d e xs y s t e mo fp c s sr e l i a b i l i t y ，t h e n b r i n g sf o r w a r dt h eb a s i cr e l i a b i l i t ym o d e la n dm is s i o nr e l l a b i l i t ym o d e lo f p c s m o r e o v e r ，ip r e d i c t t h em t b fo fp c s ，a n d a s s i g n i t s a v a i l a b i l i t y a c c o r d i n g t oi t s c h a r a c t e r i s t i c f i n a l l y ，f m e c a i su s e dt o i d e n t i f yt h e f a i l u r em o d ea n de f f e c to fc o m p o n e n t so nt h es y s t e m a tt h es a m et i m e ，f t a isa l s oa p p l i e dt oe v a u a t et h er e l j a b i l i t yo fp c sa n da n a l y z et h ei m p o r t a n c e o fi t sc o m p o n e n t s t h r o u g ht h ea b o v er e l i a b i l i t yd e s i g na n da n a l y s is ，t h is t h e s i sf i n d so u tt h ew e a k n e s sa n dc r i t i c a lc o m p o n e n t so fp c s ，a n dg i y e ss o m e a d v i c e so ff a i l u r ep r e v e n t i o n ，m a i n t e n a n c ea n dd e s i g ni m p r o v e m e n t r e l i a b i l i t yt e s ti s a ni m p o r t a n tp a r to fr e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n g d u e t 0t h en o ns t a n d a r d i z a t i o no fm o s to fc o m p o n e n t si np c s ，i tisn e c e s s a r yt o t e s ta n de v a l u a t ec a n d i d a t ec o m p o n e n t st oe n s u r et h er e l i a b ili t yo fp c sa s aw h o l e i nt h i st h e s i s ，t h ec r i t i c a lc o m p o n e n t so fp c sa r ea n a l y z e da n d t e s t e di nd e t a i l ip r e s e n tt h es c h e m eo fr e l i a b i l i t yq u a l i f i c a t i o nt e s to f c a p a c i t o r s ，f u r t h e r m o r e ，a n a l y z e t h e s a m p l i n gi n s p e c t i o n s c h e m e t h e o r e t i c a l l yf o rc a p a c i t o t sa n dp u tf o r w a r dt h ep r o p o s a l st oi m p r o v e t h is s c h e m e f o rm o s to fc o m p o n e n t si np c sw i t hh i g hr e l i a b i l i t yo r1 0 n gl i f e c y c l e ， w h i c hn e e dg r e a ti n v e s t m e n to ft i m ea n dm a t e r i a lf o rt h e i rr e l i a b i li t yt e s t s ， t h isp a p e rp r o v i d e san e wa n de f f e c t i v es t a t is t i c a lm e t h o df o rt h i sk i n do f c o m p o n e n t s t h ep r o g r e s s i v es t r e s sa c c e l e r a t e d1 i f et e s t i n gw i t he x p o n e n t i a l d is t r jb ij t j o n k e yw o r d ：p o w e rb o n d i t i o n i n gs y s t e m r e ii a b iii t ya n a i y s i s r e ii a b iii t yt e s t 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 背景与意义 自1 9 6 3 年n g b a s o v 等人发表激光热核聚变概念以来，高功率固体激光技术走 过了辉煌的发展历程。进入九十年代中期，随着全面禁核试验条约签署，核大国将 核武器物理研究方式转向以实验室实验和数值模拟为主。高功率固体激光装置是实 验室中能够创造高温和高压物态条件的最佳技术途径，美国率先启动了创建功率为 18 m j 的国家点火装置n i f ( n a t i o n a l i g n i t i o nf a c i l i t y ) 的计划，并希望在2 0 1 0 年左 右实现热核聚变点火。法国随即启动了建造一个规模比n i f 大2 5 的激光器l m j ( l a s e r m e g a j o u l e ) 计划。我国则在努力发展关键技术的同时，开始建造x x 大型激 光装置。 x x 激光装置是多种学科、多种技术的综合集成，涉及到1 0 多个技术门类和相 关内容，具有相当的规模和技术难度。该系统结构庞大，元器件类型多、数量大， 工程建造周期长，可靠运行与否对工程的最终建造成功具有重要的决定作用，也就 是说，它的生存能力完全依赖于可靠的运行。可靠性作为大型激光装置稳定运行的 最重要度量指标，是其主要质量属性，它直接关系到大型激光装置的系统效能，即 打靶成功率、运行维修和保障费用，这种重要的质量属性表征了激光装置在使用过 程中能保持正常工作状态或完成规定任务的能力。系统可靠性可以通过在设备的全 寿命过程中运用系统分析设计与管理技术得到，为了保证系统正常运行，关键问题 之一就是系统的可靠性。作为激光系统效能的构成因素，物理性能是重要的，而可 靠性、维修性作为系统性能指标，与先进的物理性能指标同等重要。 x x 激光装置通过6 0 路高功率强激光束打击靶心来完成惯性约束聚变( i c f ： i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ) ，进行武器效能仿真和高能物理的研究，其6 0 路激光束 是由氙灯泵浦放大的。能源系统( p o w e rc o n d k i o n i n gs y s t e m ：p c s ) 是x x 激光装置 的重要组成部分( x x 含有多个能源系统) ，由3 0 0 多个元器件及计算机控制系统构 成，它的主要功能是向氙灯组提供泵浦能量。由于我国高功率强激光系统可靠性研 究甚少，起步较晚，加之在研制过程中，采用大量新技术、新材料和新工艺，因此 必须对系统开展可靠性工程研究。 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 综上所述，能源系统作为x x 激光装置的一个重要组成部分，其可靠性的水平对 x x 稳定运行起着极为关键的作用，因此对能源系统开展可靠性研究，将其贯穿于接 个工程建造期，从而用最少的资源使其达到较高的可靠性目标，实现控制系统可靠 性，降低系统成本，减少维修保障费用，提高能源系统综合效能的目标，并通过能 源系统可靠性研究来为x x 建造提供有关可靠性的技术方法及工程运用基础，这对能 源系统的设计、分析和评价工作，对提高能源系统以及x x 在运行和使用工程中的可 靠性水平，具有重要的意义。 1 2 研究现状 国外，正在建造中的美国的n i f 和法国的l m j 都是兆焦级的激光系统，而现在 运行的n o v a 激光装置也达到了1 0 0 k m j 的数量级。5 。2 “，这些系统都相应的开展了 可靠性研究，其中以n i f 最具代表性。1 9 9 6 年初，由美国能源部资助，劳伦斯- 利弗 摩尔国家实验室( l l n l ：l a w r e n c el i v e r m o r e n a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 负责，n - i f 通过了先 期概念论证，同时开展了可靠性研究。 在可靠性评价体系方面，n i f 在概念设计阶段，给出了系统的可靠性定义，包 括可用性、可靠性、维修性、安全性( r m s ) 等，建立了装置的可靠性总目标，并 将该目标逐级分配到各分系统，直至提出元器件的可靠性要求。如n i f 要求可用度 为9 7 ，可靠度为8 2 ，寿命为2 4 0 0 0 发，闪光灯盒的平均修时间( m t t r ) 小于2 小时。根据这个目标，提出了n i f 的维修计划，要求每年从3 5 3 个工作日中取出6 9 个工作日作为计划性维修，剩下2 8 4 天计划打靶“3 。 在可靠性设计分析与预计方面，依据构成系统的各子系统及其相连部分的功能 结构，将它们描述成相应的串联、并联、混联或复杂网络形式的可靠性模型。模型 建立后用相应的辅助工具分析和预计系统的可靠度。n i f 采用故障模式影响及危害 性分析( f m e c a ) 来辨识系统中部件的失效模式和效应，用故障树分析( f t a ) 和 可靠性框图分析( r b d a ) 来定量化可靠性估计，以确定各系统是否满足或接近它 们的可靠性分配指标“1 。研究结果表明，只要n i f 所采用的7 6 8 0 支闪光灯具有不大 于在n o v a 系统上所用闪光灯的失效率，那么n i f 的放大器的可用性和可靠性指标 将可分别达到9 9 8 和9 9 4 的目标“1 。根据d o eo r d e r4 5 8 1 1 b 系统安全性分析和 研究的要求，n i f 开展了安全性分析，并于1 9 9 6 年底完成了初步安全性分析报告 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( p r e l i m i n a r ys a f e t ya n a l y s i sr e p o r t ，p s a r ) ，对n i f 系统对工作人员、环境及其运 行、退役等有关的安全性问题进行了研究o “。 为了取得可信的数据来进行可靠性分析，n i f 的工作者将主要工作放在对已有 的惯性约束聚变系统的研究上，如l l n l 的n o v a ，法国的l m j 以及r o c h e s t e r 大 学的6 0 光束的o m e g a 激光设施等，并建造了n i f 的单路原型b e a m l e t 进行实验研 究。这项工作研究了1 5 年来l l n l 及1 0 0 多个机构的1 5 0 0 多项的强激光诱发损伤 试验，建立了可靠性基础数据库。1 。然而由于系统大多数元器件并非普通工业流水 线上生产的，另外n i f 和上述设施在些关键参数上的差异及系统的复杂性，在这 些数据的使用上存在一定的偏差，低失效随机数据仍然很缺乏，同时，由于技术的 进步，使得已有设施的一些数据已经过时，这些数据只能从实际的n i f 部件的原型 试验或仿真试验中得来。 在系统及元器件的可靠性试验与可靠性评估方面，n i f 的能源系统建造的工作 者正在进行这方面的研究。对于元器件控制方面，建立了能源系统元器件控制大纲， 对新型关键元器件建立了不同的专用测试平台。电容器的寿命试验中要求分别在正 常与故障条件下进行全寿命或超过2 0 0 0 0 次充放电试验”；p c s 对5 种类型的引燃 管进行了各种测试。“，认为现有引燃管类型及设计均无法满足能源系统的设计要求， 需要对其进行改进，现在这一工作仍在继续；n i f 对氙灯也进行了相关可靠性试验 与可靠性评估1 。n f 的能源系统对电路设计结构进行了试验研究“，试验表明现 有设计能满足n i f 要求。 国内，高功率大能量强激光系统的可靠性研究甚少。在元器件可靠性分析方面， 可靠性工程试验开展的较多，文献【1 4 1 7 】对金属化介质电容器在高场强下的特性试 验、电流老炼及电容器损坏机理进行了研究，而元器件的可靠性统计试验的文献发 表较少。系统的可靠性分析方面，现在正在开展国家8 6 3 项目：x x 激光原型装置工 程可靠性研究，本论文以该课题为研究背景，课题同时开展了能源系统容差分析， 能源系统可靠性仿真等研究。 综上所述，能源系统可靠性分析对系统可靠性提高发挥了重要的作用，目前， 在激光装置的系统可靠性研究方面存在的问题主要是： ( 1 ) 对激光装置能源系统可靠性研究重视不够，系统可靠性概念研究不够深入， 没有提出具体的可靠性指标体系，没有系统的进行可靠性分析与设计，导致能源系 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 统固有可靠性很低，系统后期维护困难，费用消耗极大。 ( 2 ) 在元器件的鉴定验收方面，国内能源系统元器件鉴定验收试验方案制定粗 略，仅仅参考以往国内外类似产品试验方案来制定，没有理论证明，可信性受到了 怀疑。 ( 3 ) 在长寿命器件可靠性试验方面，用一般的试验方法来处理长寿命元器件的 寿命试验耗费时间和材料太多，由于能源系统许多器件都为高可靠性元器件，必须 对该问题进行研究。 1 3 主要工作及内容安排 本文针对上述问题结合一般可靠性分析方法，对能源系统开展可靠性研究，探 讨适合于大型强激光系统的可靠性技术及工程运用方法。研究的内容包括以下几个 方面： ( 1 ) 能源系统的可靠性指标体系。能源系统可靠性工程研究需结合能源系统以 及强激光系统的一些具体的特点，给出适合于能源系统的可靠性指标体系。 ( 2 ) 能源系统可靠性设计分析方法。结合般工程方法和国内外相关系统的研 究方法，本文针对x x 激光装置的能源系统及其元器件的特性，探讨了能源系统的可 靠性分析方法。 ( 3 ) 工程中特殊元器件的寿命试验方法。能源系统所用的元器件多为高可靠性 非标准器件，其寿命试验不能用一般的方法来处理，针对该问题，本文进行了元器 件寿命试验处理方法的研究。 ( 4 ) 元器件的鉴定验收。对能源系统关键元器件的验证试验方法进行研究，这 些方法可广泛的应用于其它类似元器件的验证性试验中去。 论文共分为五章。 第一章分析了能源系统工程背景及开展可靠性研究的必要性和重要意义。 第二章分析探讨了能源系统的可靠性指标体系。 第三章对能源系统进行了可靠性设计分析，首先给出了能源系统的可靠性模型， 然后根据其可靠性模型进行了可靠性预计与分配，最后对其进行了f i 旺c a 和f t a ， 并给出了工程改进建议。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第四章对能源系统的关键元器件的寿命试验及验证性试验进行了分析研究，给 出了适合于它们的试验方案及数据处理方法。 第五章对本论文的贡献进行了总结，并对进一步的研究工作进行了展望。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章毹源系统可靠性指标体系 可靠性参数是描述系统可靠性的度量，它直接与战备完好、任务成功、维修人 力和保障资源有关。为了将可靠性要求设计、生产到产品中去，最后通过验证确认 产品已达到可靠性水平，就必须研究产品的可靠性参数，提出产品的可靠性指标。 可靠性参数与指标是可靠性工程的基础。 与装备的性能参数相比，可靠性参数与指标有以下几个特点： ( 1 ) 可靠性参数具有综合性。即有些参数是用可靠性、维修性参数综合表示的。 如固有可用性4 为： a ：丝 m t b f + m t t r 式中m t b f 平均故障间隔时间； m t t r 平均修复时间。 ( 2 ) 可靠性参数具有相关性。某些可靠性参数间可以按一定规则进行转换。 ( 3 ) 可靠性指标具有阶段性。为充分利用有限的资金，并在规定的时间内达到 要求的可靠性指标，在产品研制、生产、使用过程中采取改进措施，使可靠性不断 地增长。即在产品寿命期的不同阶段，应提出不同的增长要求。 参数应依据装备的类型、装备的使用要求以及装备可靠性的验证方法来选择。 指标应根据需求与可能，经综合权衡后确定。所谓“需求”是指：考虑使用方的需 求，装备的重要程度。所谓“可能”是指：考虑国内外类似装备实际达到的可靠性 水平；当前研制中所采取的技术对可靠性的影响；国内的技术基础和生产水平以及 研制装备的费用、进度、预期的使用和保障等约束条件。 在给出能源系统可靠性指标体系以前，我们首先讨论一下可靠性的概念。 ( 1 ) 可靠性 系统可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。 这里的产品是指作为单独研究和分别试验的任何元器件、设备和系统，可以表 示产品的总体、样品等。 规定的条件包括使用时的环境条件，如温度、湿度、振动、冲击、辐射，使用 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 时的应力条件，维护方法，贮存条件，以及使用时对操作人员技术等级的要求。在 不同的规定条件下产品的可靠性不同。 产品的可靠性与“规定的时间”密切相关，在不同的规定时间内，产品的可靠 性将不同。另外，不同的产品对应的时间指标也不同，这里的时间应看作是广义含 义，即对某些产品来说规定的时间也可以用次数、周期等来计算。 规定的功能即产品的性能指标。 ( 2 ) 可靠度 指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。即： 月( f ) = p ( 善 f ) 其中 月( f ) 系统在t 时刻的可靠度 善产品故障前时间： f 假定工作时间。 经过分析对比，确定能源系统的可靠性指标体系如下： ( 1 ) 能源系统可靠性 能源系统可靠性指能源系统在规定时间内，规定条件下，完成规定功能的能力。 这种能力的概率度量称为可靠度。其中， 规定时间：能源系统1 0 年预定打靶次数或系统工作寿命： 规定功能：根据能源系统设计要求的各项指标确定； 规定条件：假设控制系统完全正常工作，对由于控制系统故障而导致能源系统 故障暂不予考虑，接地正常，电磁干扰和兼容影响足够小。 ( 2 ) 可靠度尺 。 能源系统完成规定功能的打靶次数 能源系统实际完成的打靶次数 ( 3 ) 工作寿命三 能源系统工作寿命可用打靶次数或实际时间( 年) 来表示，即：能源系统在服 役( 工作) 期内，在额定的爆炸系数下，预定完成的打靶次数或能源系统服役时间 ( 年) 。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 4 ) 平均无故障时间m t b f m t b f 也可用两种方式表示，用时间表示是指能源系统两次故障之间的平均间 隔时间；用打靶次数表示时称为平均无故障打靶次数，是指能源系统无故障连续满 足规定功能的打靶次数。 一= 纛恭筹 所谓寿命单位总数是指系统使用持续期的度量。如工作小时、年、公里、次数 等。 ( 5 ) 平均维修时间m t t r 指排除能源系统故障所需的平均实际修复时间。 ( 6 ) 平均维修间隔时间m t b m 指在规定的时间内，能源系统维修的平均间隔时间；用打靶次数表示时称为平 均维修间隔发数。 m t b m = 蕊孺拦鞴篙辫 这里“能源系统寿命单位总数”可分别用打靶次数和年来表示。 ( 7 ) 可用度a 用打靶次数来表示为： a ：丝堡墨堑塞堕塞堕堕堑塑盗墼 能源系统计划的打靶次数 ( 8 ) 平均更换间隔时间m t b r 指在其工作寿命期内，从能源系统上拆卸下的单个元器件的平均间隔时间。该 参数也可用两种方式表示，用打靶次数表示时称为平均更换间隔发数，如n i f 预计 平均打靶1 0 0 发，需更换一个电容器。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章能源系统可靠性设计分析 可靠性工程是为了达到系统可靠性要求而进行的有关设计、试验和生产等一系 列工作的总和。可靠性工程的重点应该放在系统的设计阶段，这是因为系统设计确 定了系统的固有可靠性。另外，由于设计阶段采取措施提高系统可靠性耗资最少， 效果显著，因此要提高系统的固有可靠性，必须从系统研制的方案论证与系统早期 设计阶段就开展可靠性设计分析工作。 对能源系统进行可靠性设计分析的目的是发现和确定能源系统潜在的隐患和薄 弱环节，通过设计预防和设计改进，有效的消除隐患和薄弱环节，主要任务是通过 设计分析基本确定系统固有可靠性。本章首先对能源系统进行可靠性建模，然后应 用可靠性模型进行可靠性的预计分配，并对能源系统进行故障模式影响及危害性分 析和故障树分析。 3 1 系统结构与可靠性模型 系统可靠性模型是指为预计或估算系统的可靠性所建立的可靠性框图和数学模 型。建立系统、分系统或设备的可靠性模型，其目的在于定量分配、预计和评估系 统的可靠性。 3 1 1 能源系统结构与工作原理 能源系统由充电组件、储能组件、开关组件、能量传输和l o 路氙灯测控系统组 成，统一在控制台的控制下，通过各自的1 0 根能量传输电缆为高功率片状放大器的 1 0 组氙灯提供泵浦所需能量。 能源系统主要包括两部分：预电离和主泵浦，电路如图3 1 所示。 能源系统各分组件设计内容如下： ( 1 ) 充电组件包括一台恒流主充电机和一台恒流预电离充电机。 ( 2 ) 储能组件包括充电机保护电路、主储能电路、预电离储能电路和脉冲成 型电感等四部分。充电机保护电路由电阻r 0 1 、r 0 2 和硅堆d 构成；主储能电路包 括c 。c 。组成的主储能电容器组，r 一。r 一。，厶一。厶一。组成保护电路：预 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 电离储能电路中包括储能电容c ：、预电离调波电感工：和充电机保护电阻心等；电 路中。是调波兼能量分配电感，厶厶。为氙灯组( 为能源系统提供能量负 载) ，r ：、k ：和尺；、墨分别构成主储能电容器和预电离储能电容器的安全放电开 关。 ( 3 ) 开关组件包括主引燃管k 。和预电离引燃管世：，分别作为氙灯主泵浦和 预电离的传输开关。 图3 - 1 能源系统电路结构 能源系统的技术要求包括储能电源的总储能、系统工作电压、放电脉冲宽度、 输出能量的均衡性以及关键设备部件的保护措施等。 能源系统供能过程分为预电离和主泵浦，首先对其储能组件( 电容器) 进行充 电，然后进行预电离( 导通预电离引燃管) ，预电离用以产生高压脉冲实现氙灯的初 始触发并提供一定密度的等离子体。在预电离后的一定时刻主泵浦电路为氙灯提供 足够脉宽的主脉冲，通主引燃管进行主放电过程。供能过程中所有控制均由控制台 控制。 3 1 2 能源系统可靠性建模 我们根据能源系统工作原理来建立它的可靠性模型，包括基本可靠性模型和任 务可靠性模型。在给出能源系统的可靠性模型以前先对其进行一些必要的讨论。 第l o 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 1 ) 能源系统故障 根据能源系统功能要求，“能源系统工作不正常”是指：不输出能量；能量输出 过低；输出能量过高；输出能量不均衡( 指1 0 个氙灯回路之间) ；脉宽不符要求。 ( 2 ) 关于模型的假设 在这里我们假定系统和单元只具有正常或故障两种状态；各元器件是独立的， 即某一元器件的正常或故障不会对另一元器件的正常或故障发生影响；系统的传输 电缆和电路中的焊接点、接头无故障，它们对电路中元器件及系统的可靠性没有影 响；控制系统是完全可靠的：操作人员完全可靠性。 ( 3 ) 关于系统工作时间及失效数据的处理 能源系统用打靶次数来计量寿命，即系统的一次打靶算一个时间单位，例 如国外n i f 的能源系统工作寿命为2 0 0 0 0 发。金属化介质电容器的寿命也是以发( 充 放电) 次来计量的，在失效数据及失效分布参数不清楚的情况下，我们参考国外 b e a m l e t 的电容器失效数据。金属化介质电容器的失效分布为威布尔分布“，b e a m l e t 电容器在前5 0 0 0 发的m t b f 为2 1 0 0 发次( 这里m t b f 的定义为在规定时间内的总运 行次数在这一时间内的失效次数) ，它的形状参数肼= 3 4 。因此，根据 2 1 0 0 = r ”抛) a t = r ”朋耖e x p 一钾讲 可以求得电容器的尺度参数r = 2 3 3 7 5 5 。 其它元器件的寿命分布为指数分布，失效率是以一般意义上的时间来计量的( 如 小时) ，因此要对这些元器件寿命进行必要的处理。这些元器件失效也以一次打靶作 为一个时间单位，一次打靶时间大约为3 分钟( 不含检修时间) ，根据指数分布的无 记忆性，则 元器件失效率2 云。现有失效率2 去。现有失效率。0 uz u 这样可以统一用打靶次数来表示元器件的失效。这里暂参考g j b z 2 9 9 a - 2 1 电子设 备可靠性预计手册中相关元器件失效数据。 ( 4 ) 非工作状态系统可靠性的处理 由于能源系统在整个寿命期中是间歇性工作的，计划每天只打靶3 发，因此在 寿命期的大部分时间内，能源系统处于非工作状态。非工作状态含不工作状态与存 储状态，实践表明，长期不工作或存储的产品存在一定的退化，也就是说，产品在 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 非工作状态也可能出现故障。 一般系统工作与非工作状态下的故障率不存在确定的比例关系，这是因为两者 的影响因素有较大的差异。许多应用及设计变量( 如降额) 对工作故障率有较大的 影响，但对非工作故障率却影响甚微。要准确的研究系统非工作状态可靠性，则要 详细研究系统、各元器件的构造，构成材料，环境条件( 包括温度、湿度、气压、 光电等) 对元器件造成的影响等，现阶段这些工作仍无法开展，因此，这里假定系 统及元器件非工作故障率为零，即在能源系统可靠性分析中只考虑它的工作故障情 况。 3 1 2 1 基本可靠性模型 系统的基本可靠性为系统在规定条件下无故障的持续时间或概率。基本可靠性 模型用以估计系统及组成单元的维修与保障要求。能源系统的基本可靠性模型为其 所有组件构成的串联模型，其数学模型为： r ，( f 。) = r 1 ( f 1 ) r ：( f 2 ) 一r 。( f 。) 式中 r ( f ，) 系统基本可靠度； r ( f ，) 第f 个单元可靠度 i = 1 , 2 ，刀； f ，系统工作时间； f 第f 个单元工作时间f = 1 , 2 ，胛。 单元工作时间按前面所确定的处理方式表示，”为能源系统的单元数。 3 1 2 2 任务可靠性模型 任务可靠性是指系统在规定的任务剖面内，完成规定功能的能力。任务可靠性 模型用以估计系统在执行任务过程中完成规定功能的概率，描述完成任务过程中系 统各组成单元的预定作用，是用以度量系统工作有效性的一种模型。 能源系统预电离部分包括预电离充电机、保护电阻尺4 、储能电容器c ：、预电 离调波电感三：、预电离引燃管k ：以及安全放电电路尺3 、足3 。任一元器件故障将导 致预电离部分故障，因此预电离部分为串联结构。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 主泵浦部分由充电、充电机保护电路、主储能电路、脉冲成形电感和放电开关 等部分组成，在这个子系统中除主储能电路以外所有元器件都没有冗余：主储能电 路由1 0 0 个电阻、电感和储能电容器组成的回路组成，根据系统总储能的大小及单 台电容器容量的大小可知当单台电容器发生短路或开路时总能量已不能满足系统总 能量要求，故主储能电路部分也是串联结构。因此能源系统为一串联结构。 根据前面的分析，我们可以画出能源系统的可靠性框图如图3 - 2 所示。 预电离充电机卜一保护电阻r 4 卜一储能电容器c 2 卜一电感l 2 电阻r 0 1 卜一主充电机卜一开关k 3 卜一电阻r 3 卜一预电离引燃管k 4 电阻r 0 2 卜一硅堆dl 一主引燃管k l 开关k 2 卜一电阻r 2 调波电感l 3 1 l 3 1 0 串联部分 电容器保护电阻 r 1 1 r 1 1 0 0 串联部分 图3 - 2 能源系统可靠性框图 储能电容器 c 1 1 c 1 - 1 0 0 串联部分 电容器保护电感 l 1 1 - l i 1 0 0 串联部分 串联系统的可靠性相对较低，在能源系统中各电阻可以用同样阻值的电阻组来 代替，这样可以提高电阻部分的可靠性。不能采用冗余设计的部分一定要控制元器 件的可靠性以保证系统的可靠性。 能源系统的任务可靠性的数学模型为： r ，( f 。) = r 1 ( f ) r 2 ( f ：) r 。( f 。) 式中各符号意义同前。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 2能源系统可靠性预计分配 可靠性预计是为了估计系统在给定工作条件下的可靠性而进行的工作。它根据 组成系统的元件、部件和分系统的可靠性来推测系统的可靠性。这是一个由局部到 整体、由下至上的过程，是一种综合过程。其主要目的是：从可靠性角度出发， 对不同的设计方案进行比较，为设计决策提供依据；发现设计中的薄弱环节，为 设计改进或生产过程控制提供依据；为可靠性试验方案设计提供依据：对可靠 性分配、维护使用提供有益信息。 可靠性分配是把系统规定的可靠性指标分给分系统、部件及元器件，使整体和 部分协调一致。它是一个由整体到局部、由上至下的过程，是一种指标分解过程。 其主要目的是：分配给各级产品可靠性指标，使各级设计人员明确其可靠性设计要 求，并研究实现这些要求的可能性及方法。它也是可靠性试验与评估的依据。 根据所建能源系统可靠性模型，下面我们对能源系统可靠性指标进行预计与分 配。 3 2 1 能源系统可靠性预计 在本节我们用相似产品预计法来预计能源系统的m t b f 。 该方法是利用成熟的相似产品所得到的经验数据来估计新产品的可靠性。成熟 产品的可靠性数据来自现场使用评价和实验室的试验结果。这种方法用于产品自身 失效数据不足的情况下的可靠性预计，在产品研制的任何阶段都适用。 预计的基本公式为 ! ：土一 m t b f s鲁m t b f j 式中朋珊b 系统的m t b f ； m t b f 。第，个分系统的m t b f ； 力分系统数。 电容器参数参考b e a m l e t 的电容器参数，即单台m t b f = 2 1 0 0 发次，形状参数 肌= 3 4 ，尺度参数玎= 2 3 3 7 5 5 ，则电容器的寿命分布密度函数为： 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 f ( t ) = l1 9 6 1 0 。1 t “e x p 一35 1 5 t3 。4 ) 故1 0 1 台电容器串联m t b f 为： m t b f ：f ( 。q w 斫圳。 其它元器件的失效率如下表： 表3 - 1 各元器件失效率 产品名称配套数 预计的失效率( 1 0 6 ，发) 预计的m t b f ( 1 0 6 发次) 充电机203 5 0 628 5 6 7 电阻1 0 50 0 1 5 66 4 1 0 2 硅堆100 3 9 82 5 1 2 6 电感1 1 100 1 8 45 4 3 4 7 引燃管200 4 0 72 45 7 0 开关 200 1 56 66 6 7 则根据预计的基本公式我们可以得到系统的平均故障间隔时间为 m t b f = 5 3 8 发 次 ( 1 ) 系统维修保障方案设计 根据系统的m t b f 我们可以制定其维护策略。由假设，为了保证系统的可靠性， 可以考虑系统每运行m t b f 次后进行一次维修以保证系统运行可靠性。另外，在预 计基本公式的求和部分中电容器所占比例最大，电容器的失效对系统失效影响最大， 所以电容器是系统的关键元器件，在电容器可靠性固定的条件下，需要采取维修保 障措施保证其具有高的可用性。对于其它种类的元器件，必须注意产品损耗衰老的 影响，因为它们都是长寿命的产品，制定相应的维修保障方案，以保证损耗现象不 会对任务产生很大的影响是很重要的。 ( 2 ) 冗余设计 基于当前的预计结果，为了使用冗余设计提高系统的可靠性，可以增加一个主 充电回路。但是增加太多的电容器会给能量输出控制带来了困难，另外将导致系统 基本可靠性降低，造价增高。 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 2 2 能源系统可靠性分配 系统可靠性分配关键在于在一定约束条件下求解基本不等式： ，( r ，尺2 ，月。) r s 式中联系统的可靠性指标； r ，r ，尺。分配给第1 ，2 ，力个分系统的可靠性指标； ，( r ) 分系统和系统可靠性间的函数关系。 对于简单串联系统而言，基本不等式就成为： r 。( f ) r ：( f ) r 。( f ) 尺；( f ) 在进行可靠性分配时需遵循以下几条准则： ( 1 ) 对于复杂度高的分系统、设备等，应分配较低的可靠性指标，因为产品越 复杂，其组成单元就越多，要达到高可靠性就越困难并且费用更高； ( 2 ) 对于技术上不成熟的产品，分配较低的可靠性指标。这种产品提高可靠性 要求会延长研制时间，增加研制费用。 ( 3 ) 对于处于恶劣环境条件下工作对产品，应分配较低的可靠性指标，因为恶 劣的环境会增加产品的故障率。 ( 4 ) 对于需要长期工作的产品，分配较低的可靠性指标，因为产品的可靠性随 着工作时间的增加而降低。 ( 5 ) 对于重要度高的产品，应分配较高的可靠性指标，因为重要度高的产品故 障会影响人身安全或任务完成。 在设计一个系统时是有许多约束条件的，例如在费用、重量、体积、消耗功率 等的限制条件下，使所设计系统的可靠度最大，或把可靠度维持在某一指标值以上 作为限制，使系统其它参数做到最优化。因此在进行可靠性分配时要将约束条件和 可靠性指标联系起来综合考虑。 由于能源系统元器件的寿命既有指数分布又有威布尔分布，且能源系统是可修 系统，即系统在运行段时间后将进入一个平稳时期，因此我们对系统额定可用性 进行分配，分配过程采用如图3 - 3 所示。 假设能源系统元器件维修相互独立，因此上面对可靠度分配的内容完全可以用 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 于可用度的分配，基本公式类似，可用度分配的基本公式如下： f ( a ，a 2 ，a 。) 彳； 式中 4 ；系统的要求可用度； a 。，a ：，爿。分配给第1 ，2 ，一个分系统的可用度； f ( a 1 ，一，a ，) 分系统和系统可用度间的函数关系。 在图3 3 所示分配过程中，嗔，的值是在能源系统约束条件( 资金、重量、体 积、消耗功率等) 和元器件现有可靠性水平条件下人为确定的。 图3 - 3 能源系统可用度分配过程 根据以上分配过程，参考n i f 系统的可用度( 9 7 ) ，x x 激光装置设计为6 0 路光 束，因此我们假定能源系统可用度为驾石而= 0 9 9 9 5 ：9 9 9 5 。另外，能源系统是 由计算机控制系统控制的，这里认为系统检修是按元器件种类同时进行，而能源系 统为各元器件的串联系统，因此我们将同类型元器件当作一个分系统进行可用度的 分配。 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 采用加权因子分配方法来求各分系统的可用度，加权因子如下表： 表3 2 能源系统各分系统加权因子表 、乒器件 项x 浍 引燃管电机电阻电容器 电感开关硅堆 复杂因子1 5l5ll5lll 重要因子 32 l31 51l 环境因子 1ll2 lll 结构因子 l1 512 lll 质量 lll3 lll ，= 兀454 5l5 4 1 5ll j l 设a 。为加权因子值为1 的分系统的可用度，a ，为其它分系统的可用度，a ，由下 式决定： 根据系统可用度计算公式： 可求得各分系统可用度如下表： a ，= 1 一k ，( 1 一a 。) 4 。= 兀4 ， 表3 - 3 各分系统可用度 引燃管类电机类电阻类电容器类电感类 开关类硅堆类 “ 2324222 4 0 9 9 9 9 6 709 9 9 9 6 7o 9 9 9 9 9 30 9 9 9 6o 9 9 9 9 8 90 9 9 9 9 9 30 9 9 9 9 9 3 表中为分系统的维修率，为了满足系统固有可用度的要求，对于故障率高的 分系统、元器件，m t t r 应小一些，即相应的大一些。 根据稳态可用度计算公式： a ：丝婴 m t b f + m t t r 可以得到各分系统的m t b f ，然后利用各分系统的m t b f 可求得各元器件的m t b f 第1 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 和失效分布参数如下( 取电容器形状参数肼= 3 4 ，参考b e a r n l e t 数据) 表3 4 元器件m t b f 及其失效分布参数 引燃管电机电阻电容器电感开关 硅堆 t t b f 3 1 0 42 0 1 0 4 70 4 1 0 6 2 4 2 7 5 1 0 613 5 1 0 5 67 5x 1 0 4 或r 3 3 3x l o 一550 1 0 51 4 2 x1 0 7r = 2 7 0 2420 x 1 0 774 1 0 614 8 1 0 5 根据这些参数我们可以预计系统可用性是否满足要求，首先计算同类型的可用 度，然后计算整个系统的可用度，该过程是上面分配过程的逆过程，因此可以可满 足系统可用性的要求，从而完成了整个可用度的分配过程。 从分配结果可知，如果电容器性能达到b e a m l e t 电容器性能值、其它元器件失 效率达到g j b z 2 9 9 a 2 1 中所给值，则能源系统能满足x x 激光装置的设计要求。 3 3 能源系统f m e c a 可靠性分析的目的决不仅是评价系统及其组成单元的可靠性水平，更重要的是 提高其可靠性。因此，必须对系统及其组成单元的故障进行详细的分析。所谓故障 分析就是对发生或可能发生故障的系统及其组成单元进行分析，鉴别其故障模式、 故障原因，估计该故障模式对系统可能产生何种影响，以及分析这种影响是否是致 命的，以便采取措施，提高系统的可靠性。 故障模式影响及危害性分析( f a i l i a r em o d ee f f e c ta n dc r i t i c a l i t ya n a l y s i s ，简称 f m e c a ) ，就是在系统设计过程中，通过对系统各组成单元潜在的故障模式及其对 系统功能的影响，进一步判断这种故障模式影响的致命程度有多大，并把每一潜在 故障模式按它的严酷程度予以分类，提出可以采取的预防改进措施，以提高产品可 靠性的一种设计分析方法。它是故障模式影响分析( f a i l u r em o d ee f f e c ta n a l y s i s ， 简称f m e a ) 的一种扩展与深化( 这里所说的故障模式是单因素的失效模式，如电 阻开路和短路故障模式) 。 通过f m e c a ( f m e a ) 可以达到如下目的： ( 1 )