制氧裝置作為特種車輛車載員高原環(huán)境下生命保障的重要設(shè)備，針對(duì)車載制氧裝置及各組成系統(tǒng)的可靠性工程研究非常重要。通過常用可靠性模型、可靠性分配原則和工程中常用的可靠性分配方法，對(duì)制氧裝置氣體壓縮系統(tǒng)、氣體分離系統(tǒng)、減振系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分配，利用其可靠性指標(biāo)指導(dǎo)各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，提升制氧裝置可靠性，確保特種車輛高原環(huán)境下乘載員用氧需求。

引言

隨著特種車輛在軍事、醫(yī)療救援、野外勘探等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，車載制氧裝置作為高原環(huán)境下為乘載員提供穩(wěn)定氧氣供應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)備，其可靠性受到了廣泛關(guān)注。車載制氧裝置的可靠性不僅關(guān)系到特種車輛及乘載員的使命完成能力，也是保障車輛乘載員生命安全的重要條件。因此車載制氧裝置可靠性需求是設(shè)計(jì)的重要需求，在滿足基本功能的前提下，制氧裝置在全壽命周期內(nèi)應(yīng)能夠保證安全使用和穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行，包括外部環(huán)境（如高海拔低氣壓、振動(dòng)沖擊、高溫低溫環(huán)境等）以及裝置內(nèi)部惡化（如長時(shí)間運(yùn)行發(fā)熱、分子篩粉化等）情況下，能夠安全且穩(wěn)定地正常運(yùn)行。特種車輛在執(zhí)行任務(wù)時(shí)往往面臨極端環(huán)境和復(fù)雜條件，這對(duì)車載制氧裝置的可靠性提出了更高要求，然而現(xiàn)有的車載制氧裝置在設(shè)計(jì)和使用過程中，可靠性問題仍然存在。

目前，國內(nèi)外對(duì)車載制氧裝置的可靠性研究主要集中在單一設(shè)備的可靠性分析上，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的可靠性建模與分配方法研究相對(duì)較少。本文在分析常用可靠性建模與分配方法基礎(chǔ)上，結(jié)合車載制氧裝置結(jié)構(gòu)原理和工作特點(diǎn)建立了車載制氧裝置的可靠性模型，并進(jìn)行有效的可靠性分配，提出后期車載制氧裝置設(shè)計(jì)研發(fā)中應(yīng)重點(diǎn)考量的要素，以期優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，延長設(shè)備使用壽命，降低維護(hù)成本，從而提高特種車輛的作戰(zhàn)效能和生存能力。

特種車輛車載制氧裝置概述

車載制氧裝置主要配裝于高原環(huán)境特種車輛，為乘載員提供氧氣支持，提高并恢復(fù)乘載員的血氧飽和度，緩解乘載員的高原反應(yīng)，提高持續(xù)作業(yè)能力。根據(jù)高原作業(yè)環(huán)境及車載制氧裝置任務(wù)使命，車載制氧裝置應(yīng)能在海拔高度3000m以上和特種車輛振動(dòng)沖擊條件下正常使用，在高低溫環(huán)境下能夠工作，不影響車內(nèi)其他電氣設(shè)備正常工作。

1.車載制氧裝置組成及可靠性要求

車載制氧裝置主要由氣體壓縮系統(tǒng)、氣體分離系統(tǒng)、減振系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，具體組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)任務(wù)書要求，結(jié)合車載制氧裝置使用環(huán)境、工作特性和質(zhì)量要求，在設(shè)計(jì)階段提出了車載制氧裝置平均故障間隔時(shí)間MTBF≥120h作為可靠性指標(biāo)。

圖1 車載制氧裝置組成結(jié)構(gòu)圖

2.車載制氧裝置工作原理

車載制氧裝置通過氣體壓縮系統(tǒng)中壓縮泵對(duì)外界空氣進(jìn)行加壓，并經(jīng)過冷卻器對(duì)其進(jìn)行降溫，加壓降溫后的壓縮空氣由控制系統(tǒng)中電磁閥控制進(jìn)入氣體分離系統(tǒng)分子篩吸附塔，分子篩將空氣中的氮?dú)馀c氧氣進(jìn)行分離。當(dāng)分子篩吸附氮?dú)饨咏柡蜁r(shí)，通過電磁閥控制氣路切換，吸附塔停止制氧進(jìn)行排氮。同時(shí)另一吸附塔進(jìn)入制氧狀態(tài)，通過兩個(gè)吸附塔的交替工作，完成連續(xù)的氧氣輸出，保障車輛乘載員用氧需求。車載制氧裝置工作原理如圖2所示。

圖2 車載制氧裝置工作原理圖

可靠性建模與分配

可靠性模型是工程學(xué)中一個(gè)關(guān)鍵工具，通過可靠性模型能夠詳細(xì)描述系統(tǒng)及組成之間的可靠性邏輯關(guān)系。這種可靠性模型不僅包括了直觀的可靠性框圖，還涵蓋了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，共同構(gòu)成了評(píng)估系統(tǒng)性能和壽命的基礎(chǔ)。建立產(chǎn)品可靠性模型的主要目的在于：明確各組成單元之間的可靠性邏輯關(guān)系，并通過數(shù)學(xué)模型精確表達(dá)；利用可靠性模型進(jìn)行可靠性定量分配和預(yù)測(cè)，以量化系統(tǒng)的性能指標(biāo)；識(shí)別設(shè)計(jì)過程中的潛在薄弱環(huán)節(jié)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供方向；對(duì)比不同的設(shè)計(jì)方案，評(píng)估其可靠性，為決策提供數(shù)據(jù)支撐。

1.可靠性建模

可靠性建模是軍工產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)初期就應(yīng)當(dāng)依據(jù)產(chǎn)品功能原理進(jìn)行可靠性方案論證，并在設(shè)計(jì)過程中不斷迭代完善。可靠性建模首先應(yīng)當(dāng)明確產(chǎn)品定義，并根據(jù)產(chǎn)品組成關(guān)系、工作原理繪制產(chǎn)品可靠性框圖，然后建立可靠性數(shù)學(xué)模型?？煽啃阅Ｐ徒⒘鞒倘鐖D3所示。

圖3 可靠性建模流程

常用的可靠性模型包括串聯(lián)模型、并聯(lián)模型、表決模型、橋聯(lián)模型和旁連模型。工程中常用的串聯(lián)模型和并聯(lián)模型如下表1。

表1 常用可靠性模型

2.可靠性分配

可靠性分配是將系統(tǒng)或產(chǎn)品可靠性定量要求按照一定準(zhǔn)則合理分配到分系統(tǒng)、設(shè)備、組件、元器件單元上的分解過程。其主要目的是將整體的可靠性定量指標(biāo)分解為下級(jí)組成系統(tǒng)或單元的定量可靠性指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中的薄弱環(huán)節(jié)，使各系統(tǒng)或組成單元明確可靠性要求，為整系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)、原材料選擇等提供依據(jù)?？煽啃苑峙淞鞒倘鐖D4所示。

圖4可靠性分配流程圖

根據(jù)系統(tǒng)或產(chǎn)品不同的研制階段可采用多種可靠性分配方法，工程中常用的可靠性分配方法根據(jù)可獲得的分系統(tǒng)、單元信息的不同主要可分為評(píng)分分配法、比例組合分配法、考慮重要度和復(fù)雜度分配法。以上主要分配方法的詳細(xì)特征如下表2。

表2 常用可靠性分配方法

車載制氧裝置可靠性建模與分配

1.車載制氧裝置可靠性建模

車載制氧裝置主要由氣體壓縮系統(tǒng)、氣體分離系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和減振系統(tǒng)五個(gè)部分組成，空氣經(jīng)過消音、過濾后通過醫(yī)用硅膠管連接至氣體壓縮系統(tǒng)進(jìn)行加壓，加壓冷卻后的高壓氣體經(jīng)醫(yī)用硅膠掛管連接氣體分離系統(tǒng)，氣體分離系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)提前預(yù)置的電磁閥切換周期完成氧氣與氮?dú)?、二氧化碳等氣體的分離，將不易被吸附的氮?dú)?、二氧化碳?jīng)消音處理后排出制氧裝置，同時(shí)將氧氣存儲(chǔ)于氣體分離系統(tǒng)中的內(nèi)置緩沖罐，緩沖罐內(nèi)的氧氣經(jīng)調(diào)壓、穩(wěn)流后輸出產(chǎn)品氧氣。組成裝置的所有子系統(tǒng)中任一子系統(tǒng)發(fā)生故障，均會(huì)導(dǎo)致整個(gè)裝置出現(xiàn)故障，屬于串聯(lián)模型。根據(jù)GJB813-1990《可靠性模型的建立和可靠性預(yù)計(jì)》規(guī)定的程序和方法建立以產(chǎn)品功能為基礎(chǔ)的可靠性模型。車載制氧裝置的可靠性框圖如圖5所示。

圖5 車載制氧裝置可靠性框圖

2.車載分制氧裝置可靠性分配

車載制氧裝置MTBF已知，采取評(píng)分分配法對(duì)車載制氧裝置進(jìn)行可靠性分配。根據(jù)車載制氧裝置使用場(chǎng)景和工作特點(diǎn)采用評(píng)分分配法進(jìn)行可靠性分配，主要考慮各系統(tǒng)組成復(fù)雜程度、重要程度、技術(shù)水平和環(huán)境適應(yīng)性四個(gè)因素進(jìn)行評(píng)分。評(píng)分值由同行業(yè)專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于每一因素分為10個(gè)等級(jí)，每級(jí)為1分，評(píng)分規(guī)則如下：

（1）復(fù)雜程度：根據(jù)各分系統(tǒng)組成元器件或零部件數(shù)量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度以及裝配難易程度，或者維修保障工藝繁雜度進(jìn)行評(píng)價(jià)。最復(fù)雜的評(píng)為10分，最簡(jiǎn)單的評(píng)為1分；

（2）重要程度：根據(jù)組成單元對(duì)制氧工作的重要程度評(píng)定。重要程度最低的單元評(píng)為10分，最高的評(píng)為1分；

（3）技術(shù)水平：考慮各個(gè)工程領(lǐng)域的技術(shù)水平、技術(shù)成熟狀況及技術(shù)應(yīng)用情況，采用技術(shù)成熟的、經(jīng)過充分驗(yàn)證的評(píng)為1分，采用新技術(shù)應(yīng)用較少、待驗(yàn)證的評(píng)為10分；

（4）環(huán)境適應(yīng)性：根據(jù)分系統(tǒng)或零部件、元器件所受到環(huán)境影響的程度進(jìn)行評(píng)定。分系統(tǒng)工作過程中會(huì)受環(huán)境因素影響最大的評(píng)為10分，影響最小的評(píng)為1分。

車載制氧裝置MTBF≥120h，且為復(fù)雜系統(tǒng)，可認(rèn)為服從指數(shù)分布，由于各系統(tǒng)之間為串聯(lián)關(guān)系，采用評(píng)分法請(qǐng)七名專家依據(jù)車載制氧裝置可靠性分配原則，對(duì)制氧裝置各系統(tǒng)進(jìn)行打分。取七名專家對(duì)各系統(tǒng)評(píng)分的算術(shù)平均值為各系統(tǒng)最終評(píng)分?jǐn)?shù)，依據(jù)公式（1）計(jì)算各系統(tǒng)的評(píng)分?jǐn)?shù)，具體如下表3。計(jì)算各系統(tǒng)評(píng)分?jǐn)?shù)：

式中：

ωi—第i個(gè)系統(tǒng)的評(píng)分?jǐn)?shù)；

rij—第i個(gè)系統(tǒng)的第j個(gè)因素的評(píng)分?jǐn)?shù)，j=1代表復(fù)雜程度，j=2代表重要程度，j=3代表技術(shù)水平，j=4代表環(huán)境適應(yīng)性。

表3 車載制氧裝置各系統(tǒng)評(píng)分分配表

計(jì)算車載制氧裝置總評(píng)分?jǐn)?shù)：

式中：

ω—氧氣增壓灌充系統(tǒng)的評(píng)分?jǐn)?shù)；

n—系統(tǒng)數(shù)。

可得

計(jì)算各系統(tǒng)的評(píng)分系數(shù)：

設(shè)車載制氧裝置的故障率為λs*，按10%的分配余量，分配給各系統(tǒng)的故障率為λi。

λs*=1/MTBF=1/120=0.00083

由公式（2）~（4）可得，車載制氧裝置各系統(tǒng)故障率分配如下表4。

表4車載制氧裝置各系統(tǒng)故障率分配表

根據(jù)=0.000741＜λs*=0.00083，完成分配。

車載制氧裝置各系統(tǒng)可靠性分配合理。從七位專家打分可以看出氣體壓縮系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、減振系統(tǒng)重要度分別為5.4分、5.2分、5分，在設(shè)計(jì)過程中必須給予重視，并根據(jù)制氧裝置車載特性，對(duì)設(shè)計(jì)過程中制氧裝置及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)需做抗振動(dòng)沖擊設(shè)計(jì)；車載制氧裝置氣體壓縮系統(tǒng)、氣體分離系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性的分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，這是因?yàn)橹蒲跹b置的氣體壓縮系統(tǒng)核心部件空氣壓縮泵和氣體分離系統(tǒng)分子篩吸附塔性能受高原環(huán)境影響較大，應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)高原適應(yīng)性設(shè)計(jì)，并進(jìn)行充分驗(yàn)證；控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度最高，制氧工作過程中控制系統(tǒng)控制各功能部件的正常運(yùn)行，應(yīng)在正制氧裝置功能性能的前提下盡量簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、提高可靠性，并對(duì)控制系統(tǒng)各電子元器件進(jìn)行充分的環(huán)境應(yīng)力篩選。

結(jié)  論

在深入分析特種車輛車載制氧裝置的結(jié)構(gòu)組成和工作原理的基礎(chǔ)上，本文采用了先進(jìn)的可靠性建模和分配方法，對(duì)裝置的各系統(tǒng)進(jìn)行了精確的可靠性定量分配。這一過程不僅為車載制氧裝置的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了寶貴的指導(dǎo)，而且確保了其在高原等極端環(huán)境下的卓越性能。此外，本文的研究方法和結(jié)果為其他特種車輛車載設(shè)備的研制提供了可借鑒的思路和方法。后期計(jì)劃通過結(jié)合車載制氧裝置故障樹分析和失效模式分析等技術(shù)，進(jìn)一步深化車載制氧裝置的可靠性研究，以實(shí)現(xiàn)更高層次的性能優(yōu)化和系統(tǒng)穩(wěn)定性提升。

引用本文：

王博，劉曉峰，劉文佳，吳亞楠，李毅，崔淑潔.特種車輛車載制氧裝置可靠性建模與分配方法研究[J].環(huán)境技術(shù),2024,42(11):38-43.

作者：王博，劉曉峰，劉文佳，吳亞楠，李毅，崔淑潔

單位：1.兵器工業(yè)衛(wèi)生研究所；2.人-機(jī)-環(huán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

簡(jiǎn)介：王博，主要研究方向：人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程。