液冷系统的FTA和FMEA综合分析

液冷系统的FTA和FMEA综合分析

梁晓波

（中国电子科技集团公司第38研究所，安徽 合肥，230088）

摘要：雷达在工作时组件温度高，液冷系统能有效降低设备温度，提高设备寿命和可靠性。但是随着液冷设备的集成度越来越高，其本身的可靠性也越来越重要。本文通过对集成式液冷系统的FTA和FMEA分析，找出系统薄弱环节并提出改进措施，提高了系统可靠性。

关键词：液冷系统； FTA； FMEA； 可靠性

Integrated Analysis Method of Liquid Cooling System Using FTA and FMEA

Abstract: The temperature of radar components during operation is pretty high, but the liquid cooling system can effectively reduce the device temperature and its service life and reliability will be increased. The reliability of the liquid cooling system is becoming increasingly important while the integration of this system is high. The weak part was detected and the improvement approach was raised and the reliability of this system was improved through the method of FTA and FMEA.

Keywords: Liquid cooling system; FTA; FMEA; reliability

0. 引言

现代化的作战环境下要求武器装备能快速转移和进入作战状态，这就要求装备具有高的机动性性和快速架撤能力[1]。车载雷达将作战设备集成在底盘车上，机动性得到提高；同时为了提高快速架撤能力，往往将很多系统或功能集成在一台装备上。本文论述的液冷系统就是其一。作为大型车载雷达必不可少的组成系统，液冷系统对整个雷达设备的高可靠、低能耗运行起着关键作用[2]。集成式液冷系统通常将其集成在天线背架内部，通过集中控制、分散布置的方式进行工作。由于车载雷达经常工作在环境恶劣的区域，且液冷系统工作时间长、系统组成较复杂，出现故障可能导致雷达系统不能正常工作并严重影响作战性能。因此针对集成式的液冷系统的可靠性评估和分析很有必要。

由于集成式液冷系统组成部件多，包括供液系统、控制系统、管路和阀门等。因此对整个系统进行可靠性的分析难度大且成本高。本文将综合运用FTA和FMEA两种方法对集成式液冷系统进行可靠性分析。首先确定故障时间的顶事件，利用FTA将故障所有的底事件依次找出；有针对性的选择部分底事件，再运用FMEA法进行分析；最后依据分析结果给出可靠性评价和改进建议。

1． 结构及功能

集成式液冷系统的所有部件集成在雷达天线的背架中，主要包括供液系统和控制系统。供液系统包括供液泵、水箱、换热器、电磁阀、管路和阀门等；控制系统包括电控箱、PLC、传感器（温度、压力、液位等）等。

系统工作原理为：液冷系统提供多路温度和压力满足使用要求的冷却介质通过管路进入负载，冷却介质在负载中吸热在通过管路进入风冷换热器，在风冷换热器中与外界空气进行强制换热，降温后的冷却介质返回水箱，再由供液泵提升压力进入下一个工作循环。

下图中的水箱用于存储冷却液，在供液泵的作用下将冷却液通过管路、阀门等输送至负载端，进入负载前设置的温度和压力传感器用于监控送液状态；冷却液通过负载吸热后进入风扇式的换热器进行强制风冷换热，在随后的管路中设置了流量、压力和温度传感器用于监控回液状态。

图1 集成式液冷结构图

2． FTA分析

根据类似液冷系统的调研情况进行梳理总结，影响系统正常工作的故障事件较多，如冷却液泄露导致的系统压力过低、温度传感器故障导致的超温报警等。从整个系统来看，认为液冷系统正常运转工作的关键点为在规定环境温度下规定时间内不发生系统超温报警。因此本文按照GJB文件指导[3]，将FTA的顶事件定义为液冷系统超温报警，故障树如下图所示。

图2 液冷系统的故障树

表1 故障树对应的底事件

上图中所列的底事件均为其最小割集，也是系统中的薄弱环节。分析上述底事件可知影响系统故障的问题主要出现在密封件、水箱和管路上，对于结构简单、成熟度较高的阀门、供液泵、风机等可不进行后续的FMEA分析，只选择更易导致系统超温报警的密封件、过滤器、管路和水箱等进行重点分析。由上述分析列出重要底事件清单，如表2。

表2 重点底事件

3.  FMEA分析

重点底事件对应的重点零部件主要为：密封件、过滤器、管路和水箱，下面主要对这些零部件进行FMEA。FMEA中可靠性评分准则见下表3和表4。分析所得的FMEA结果见表5。

表3 OPR评分准则[4]

表4 ESR评分准则[4]

本文分析得出液冷系统的FMEA结果见表5。

表5 液冷系统FMEA结果表

从分析中可以看出，液冷系统的薄弱环节风险度均小于规定的数值，所以可靠性指标基本满足要求。从表中分析认为可以采取以下几个措施来提高系统的可靠性。（1）根据工况，合理选择部件材料、构型等；（2）定期对系统进行检查和维护，及时更换易损件；（3）减震设计，长期的震动是导致液冷系统出现故障的主要因素。

4 总结

集成式液冷系统是一套高度集成的系统，将众多元器件集成在天线背架内部并实现较复杂的功能，系统的稳定运行是装备实现其预定功能的重要前提。本文先通过FTA快速找到系统薄弱环节，再对重点部件进行FMEA分析并提出纠正措施。步骤在工程上易于操作和实现，有效降低分析成本且提高系统可靠性，对类似系统的设计分析具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1] 房景仕，张根烜，王晨晨. 一种车载高机动雷达结构总体设计[J]. 电子机械工程. 2017（04）：6-9+17

[2] 何立臣，洪元，杨立明，迟百宏. 有源相控阵雷达天线冷却技术研究进展[J]. 航天器环境工程. 2022（03）：316-325

[3] GJB/Z 1391-2006 故障模式、影响及危害性分析指南. 中华人民共和国国家军用标准2006.[中国人民解放军总装备部]

[4] GJB/Z 768A-98 故障树分析指南. 中华人民共和国国家军用标准1998.[国防科学技术工业委员会]

作者：梁晓波（1992-），男，硕士，工程师，主要从事雷达总体结构设计研究。 E-mail: 892275741@qq.com