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嘉峪檢測網 2025-03-06 13:36
制氧裝置作為特種車輛車載員高原環境下生命保障的重要設備，針對車載制氧裝置及各組成系統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，對制氧裝置氣體壓縮系統、氣體分離系統、減振系統、供電系統、控制系統進行可靠性分配，利用其可靠性指標指導各系統的設計和優化，提升制氧裝置可靠性，確保特種車輛高原環境下乘載員用氧需求。
引言
隨著特種車輛在軍事、醫療救援、野外勘探等領域的廣泛應用，車載制氧裝置作為高原環境下為乘載員提供穩定氧氣供應的關鍵設備，其可靠性受到了廣泛關注。車載制氧裝置的可靠性不僅關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計的重要需求，在滿足基本功能的前提下，制氧裝置在全壽命周期內應能夠保證安全使用和穩定持續運行，包括外部環境（如高海拔低氣壓、振動沖擊、高溫低溫環境等）以及裝置內部惡化（如長時間運行發熱、分子篩粉化等）情況下，能夠安全且穩定地正常運行。特種車輛在執行任務時往往面臨極端環境和復雜條件，這對車載制氧裝置的可靠性提出了更高要求，然而現有的車載制氧裝置在設計和使用過程中，可靠性問題仍然存在。
目前，國內外對車載制氧裝置的可靠性研究主要集中在單一設備的可靠性分析上，對于整個系統的可靠性建模與分配方法研究相對較少。本文在分析常用可靠性建模與分配方法基礎上，結合車載制氧裝置結構原理和工作特點建立了車載制氧裝置的可靠性模型，并進行有效的可靠性分配，提出后期車載制氧裝置設計研發中應重點考量的要素，以期優化系統設計，延長設備使用壽命，降低維護成本，從而提高特種車輛的作戰效能和生存能力。
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境特種車輛，為乘載員提供氧氣支持，提高并恢復乘載員的血氧飽和度，緩解乘載員的高原反應，提高持續作業能力。根據高原作業環境及車載制氧裝置任務使命，車載制氧裝置應能在海拔高度3000m以上和特種車輛振動沖擊條件下正常使用，在高低溫環境下能夠工作，不影響車內其他電氣設備正常工作。
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、氣體分離系統、減振系統、供電系統、控制系統等組成，具體組成結構如圖1所示。根據任務書要求，結合車載制氧裝置使用環境、工作特性和質量要求，在設計階段提出了車載制氧裝置平均故障間隔時間MTBF≥120h作為可靠性指標。
圖1 車載制氧裝置組成結構圖
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中壓縮泵對外界空氣進行加壓，并經過冷卻器對其進行降溫，加壓降溫后的壓縮空氣由控制系統中電磁閥控制進入氣體分離系統分子篩吸附塔，分子篩將空氣中的氮氣與氧氣進行分離。當分子篩吸附氮氣接近飽和時，通過電磁閥控制氣路切換，吸附塔停止制氧進行排氮。同時另一吸附塔進入制氧狀態，通過兩個吸附塔的交替工作，完成連續的氧氣輸出，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中一個關鍵工具，通過可靠性模型能夠詳細描述系統及組成之間的可靠性邏輯關系。這種可靠性模型不僅包括了直觀的可靠性框圖，還涵蓋了相應的數學模型，共同構成了評估系統性能和壽命的基礎。建立產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系，并通過數學模型精確表達；利用可靠性模型進行可靠性定量分配和預測，以量化系統的性能指標；識別設計過程中的潛在薄弱環節，為改進設計提供方向；對比不同的設計方案，評估其可靠性，為決策提供數據支撐。
1.可靠性建模
可靠性建模是軍工產品設計研發的重要環節，設計初期就應當依據產品功能原理進行可靠性方案論證，并在設計過程中不斷迭代完善。可靠性建模首先應當明確產品定義，并根據產品組成關系、工作原理繪制產品可靠性框圖，然后建立可靠性數學模型。可靠性模型建立流程如圖3所示。
圖3 可靠性建模流程
常用的可靠性模型包括串聯模型、并聯模型、表決模型、橋聯模型和旁連模型。工程中常用的串聯模型和并聯模型如下表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或產品可靠性定量要求按照一定準則合理分配到分系統、設備、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分解為下級組成系統或單元的定量可靠性指標，發現設計過程中的薄弱環節，使各系統或組成單元明確可靠性要求，為整系統可靠性設計、原材料選擇等提供依據。可靠性分配流程如圖4所示。
圖4可靠性分配流程圖
根據系統或產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可獲得的分系統、單元信息的不同主要可分為評分分配法、比例組合分配法、考慮重要度和復雜度分配法。以上主要分配方法的詳細特征如下表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、氣體分離系統、控制系統、供電系統和減振系統五個部分組成，空氣經過消音、過濾后通過醫用硅膠管連接至氣體壓縮系統進行加壓，加壓冷卻后的高壓氣體經醫用硅膠掛管連接氣體分離系統，氣體分離系統根據控制系統提前預置的電磁閥切換周期完成氧氣與氮氣、二氧化碳等氣體的分離，將不易被吸附的氮氣、二氧化碳經消音處理后排出制氧裝置，同時將氧氣存儲于氣體分離系統中的內置緩沖罐，緩沖罐內的氧氣經調壓、穩流后輸出產品氧氣。組成裝置的所有子系統中任一子系統發生故障，均會導致整個裝置出現故障，屬于串聯模型。根據GJB813-1990《可靠性模型的建立和可靠性預計》規定的程序和方法建立以產品功能為基礎的可靠性模型。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，采取評分分配法對車載制氧裝置進行可靠性分配。根據車載制氧裝置使用場景和工作特點采用評分分配法進行可靠性分配，主要考慮各系統組成復雜程度、重要程度、技術水平和環境適應性四個因素進行評分。評分值由同行業專家根據經驗進行評估。對于每一因素分為10個等級，每級為1分，評分規則如下：
（1）復雜程度：根據各分系統組成元器件或零部件數量、結構復雜程度以及裝配難易程度，或者維修保障工藝繁雜度進行評價。最復雜的評為10分，最簡單的評為1分；
（2）重要程度：根據組成單元對制氧工作的重要程度評定。重要程度最低的單元評為10分，最高的評為1分；
（3）技術水平：考慮各個工程領域的技術水平、技術成熟狀況及技術應用情況，采用技術成熟的、經過充分驗證的評為1分，采用新技術應用較少、待驗證的評為10分；
（4）環境適應性：根據分系統或零部件、元器件所受到環境影響的程度進行評定。分系統工作過程中會受環境因素影響最大的評為10分，影響最小的評為1分。
車載制氧裝置MTBF≥120h，且為復雜系統，可認為服從指數分布，由于各系統之間為串聯關系，采用評分法請七名專家依據車載制氧裝置可靠性分配原則，對制氧裝置各系統進行打分。取七名專家對各系統評分的算術平均值為各系統最終評分數，依據公式（1）計算各系統的評分數，具體如下表3。計算各系統評分數：
式中：
ωi—第i個系統的評分數；
rij—第i個系統的第j個因素的評分數，j=1代表復雜程度，j=2代表重要程度，j=3代表技術水平，j=4代表環境適應性。
表3 車載制氧裝置各系統評分分配表
計算車載制氧裝置總評分數：
式中：
ω—氧氣增壓灌充系統的評分數；
n—系統數。
可得
計算各系統的評分系數：
設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故障率分配如下表4。
表4車載制氧裝置各系統故障率分配表
根據=0.000741＜λs*=0.00083，完成分配。
車載制氧裝置各系統可靠性分配合理。從七位專家打分可以看出氣體壓縮系統、控制系統、減振系統重要度分別為5.4分、5.2分、5分，在設計過程中必須給予重視，并根據制氧裝置車載特性，對設計過程中制氧裝置及其內部結構需做抗振動沖擊設計；車載制氧裝置氣體壓縮系統、氣體分離系統環境適應性的分數相對較高，這是因為制氧裝置的氣體壓縮系統核心部件空氣壓縮泵和氣體分離系統分子篩吸附塔性能受高原環境影響較大，應進行專項高原適應性設計，并進行充分驗證；控制系統的復雜程度最高，制氧工作過程中控制系統控制各功能部件的正常運行，應在正制氧裝置功能性能的前提下盡量簡化設計、提高可靠性，并對控制系統各電子元器件進行充分的環境應力篩選。
結 論
在深入分析特種車輛車載制氧裝置的結構組成和工作原理的基礎上，本文采用了先進的可靠性建模和分配方法，對裝置的各系統進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計和開發提供了寶貴的指導，而且確保了其在高原等極端環境下的卓越性能。此外，本文的研究方法和結果為其他特種車輛車載設備的研制提供了可借鑒的思路和方法。后期計劃通過結合車載制氧裝置故障樹分析和失效模式分析等技術，進一步深化車載制氧裝置的可靠性研究，以實現更高層次的性能優化和系統穩定性提升。
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].環境技術,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.兵器工業衛生研究所；2.人-機-環重點實驗室
簡介：王博，主要研究方向：人-機-環境系統工程。
來源：Internet
