第38卷 第3期 激光与红外 2008年3月 LASER & I N FRARE D
Vol . 38, No . 3March, 2008
文章编号:100125078(2008) 0320211203
・激光器技术・
LD 泵浦Nd ∶Y AG 无水冷固体激光器可靠性分析
凌 铭, 武志超, 张海波, 谭雪春, 金光勇, 梁 柱
(长春理工大学理学院激光技术研究所, 吉林长春130022)
摘 要:针对军用激光器的可靠性要求, (法) Nd ∶Y AG 无
水冷固体激光器的故障树模型, , 工作时间(MT BF ) , , 提出了控制系统结构, 。理论计算与激光关键词:故障树分析法; 可靠性; 重要度; 最小割集中图分类号:T N248. 1 文献标识码:A
Reli a bility Analysis of LD Pumped Soli d Laser without
Water Cooli n g Based on Fault Tree
L I N G M ing,WU Zhi 2chao, Z HANG Hai 2bo, T AN Xue 2chun, J I N Guang 2yong, L I A NG Zhu
(Laser Technol ogy I nstitute, School of Science, Changchun University of Science and
Technol ogy, Changchun 130022, China )
Abstract:The fault tree model about LD pu mped Nd:Y AG s olid laser without water cooling is p resented according t o ar my require ment f or reliability of laser . Based on fault tree analysis, the m iniu m cut set was f ound with Fuseell 2vesely theory . The reliability and meanti m e bet w een failure were caculateded, and the i m portance was analysed about s olid la 2ser . According t o less reliability part, the i m p r oved means was put for ward by changing the syste m structure and en 2hancing redundant of key subsystem in order t o increase the reliablility at most . The theory calculati on is coincident with the laser working p ractically .
Key words:fault tree analysis (FT A ) ; reliability; i m portance; m iniu m cut set
1 引 言
方法
[3]
。
采用金属热沉传导冷却代替流动水冷却的LD 泵浦Nd ∶Y AG 无水冷固体激光器, 因其结构紧凑、体积小、可靠性高, 抗振动、抗冲击能力强, 能在低温下工作等一系列特点, 已受到广泛重视上。
故障树分析法(fault tree analysis, FT A ) 由美国贝尔实验室提出, 用于导弹发射系统可靠性研究。它能够寻找系统潜在的故障或进行故障诊断, 并进一步预测系统故障发生的概率, 现已被应用其他各种领域, 是一种广泛应用于系统可靠性预测评价的
[1-2]
可靠性是军用激光器的一项重要的性能指标,
但激光器的可靠性不可能都用常态实际实验来测试。理论计算激光器的可靠性, 能替代常态工作实验, 从而达到缩短开发周期、减少试验时间、节省资金的目的。
目前, LD 泵浦Nd ∶Y AG 无水冷固体激光器的可靠性研究较少。本文把激光器作为一个系统, 把组成激光器的各个部件故障率作为整个系统中的基本
作者简介:凌 铭(1967-) , 男, 博士生, 高级工程师, 现从事全固态激光器研究。E 2mail:ling m ing5397364@yahoo . com. cn 收稿日期:20072092
22
, 并
被大量用于导弹制导、卫星遥感等军事国防工程
212激光与红外 第38卷
事件, 通过对LD 泵浦Nd ∶Y AG 无水冷固体激光器的重要器件的故障树分析, 对其可靠性和重要度进行了计算及评定。2 系统故障树的建立
对LD 泵浦Nd ∶Y AG 无水冷固体激光器可靠性产生影响的基元主要由以下三部分:①激光头系统; ②供电电源系统; ③温控系统。每个基元又由各种器件构成, 激光头系统包括阵列激光管、激光棒、调制器、介质膜、热沉、聚光镜和机械固定装置等。供电电源包括电源的控制系统, 稳流环节和电脉冲稳定生成电路, 件组成, 感器、将影响激光器可靠性的主要部件选出, 由专家评判、加速寿命老化实验及常态工作测试三种方式, 测得组成激光器的器件损坏概率, 把组成激光器的某一个器件损坏视为一个故障, 并将其作为一个故障树基本事件, 用x 表示, 将激光器不能正常工作作为顶端事件T , 列出基本事件表如表1所示。
表1 基本事件Tab . 1 table f or basic ite m s
代号
x 1x 2x 3x 4x 5x 6x 7x 8x 9x 10x 11x 12x 13
图1 无水冷固体激光器故障树
Fig . 1 fault tree f or s olid laser without water
3 故障树的分析3. 1 用下行法求最小割集
设给定的故障树由所有集合x 1, x 2, …, x n 组成:
T ={∑B i }
i =1m
式中, B i ={x i 1, x i 2, …, x ik }是基本故障事件的集合。仅当这些事件同时发生时, 顶端事件才会发生, 则称
x i 为故障树的一个割集
[4]
基本事件
激光棒故障率调制器故障率介质膜故障率聚光镜故障率阵列激光管故障率半导体制冷器故障率温度传感器故障率温控电路故障率阻容元件故障率半导体集成块故障率
I G BT 故障率
故障率λ(10-6/h)
25. 062. 510075. 015015075. [1**********]0. 050. 0100
。
表2 用下行法求最小割集Tab . 2 caculating the m inium cut set
with Fuseell 2vesely
分析步骤号
1
x 1x 2x 3x 4
最小割集
4
x 1x 2x 3x 4x 5x 6x 7x 8x 9x 10x 11
2
x 1x 2x 3x 4x 5
3
x 1x 2x 3x 4x 5G 3
5
x 1x 2x 3x 4x 5x 6x 7x 8x 9x 10x 11x 12x 13
x 1x 2x 3x 4x 5x 6x 7x 8x 9x 10x 11x 12x 13
G 1
G 2
G 4
开关故障率插座故障率
由基本事件及其在无水冷固体激光器的作用特点, 建立故障树如图1所示。
G 5
激光与红外 No . 3 2008 凌 铭等 LD 泵浦Nd ∶Y AG
无水冷固体激光器可靠性分析213
由表中可得到12个最小割集, 即{x 1}, {x 2},
{
x 3}, {x 4}, {x 5}, {x 6}, {x 7}, {x 8}, {x 9}, {x 10}, {x 11}, {x 12x 13}。
度
3. 2 可靠度和MT BF 计算
故障树定量评定的任务就是要计算和估计出顶事件发生的概率以确定系统的可靠性指标。用最小
[3]
割集求解前, 先作如下假设:
(1) 底事件之间相互独立;
(2) 底事件和顶事件只考虑两种状态———发生或不发生, 即正常与故障两种状态;
(3) 底事件的故障概率为指数分布。
组成激光器的各个部件损坏, 上述假设, -t
P (x i ) =1i
P (t ) =P (∑c j )
k j =1n
λi MT BF =1/∑
i =1
R (t ) =1-P (t )
式中, P (x i ) 为故障树中的最小割集概率; λi 为基本
事件故障率; P (t ) 为顶事件发生的概率; R (t ) 为激光器的可靠度; c j 即为下行发法求出的最小割集。图2为用MAT LAB 仿真计算的激光器工作时间和可靠度关系曲线
。
t /h
图2 工作时间与可靠度关系曲线
Fig . 2 curve bet w een work ti m e and reliability
可靠度与时间为一指数函数关系。图2中的点
为从0开始、每隔30h 的可靠度R (t ) 。5h 的可靠度为0. 9941, 此时间为激光器的最佳工作区。90h 后的可靠度小于0. 8986, 作为军用武器系统, 可认为低可靠度了。计算后的MT BE 为842h, 此时R (t ) 之所以不为零, 是因为计算可靠度时, 概率高次项省略掉的缘故。3. 3 概率重要度分析
概率重要度的定义可以解释为:第i 个部件不可靠度F (t ) 的变化引起系统不可靠度变化的程
。计算公式如下:
s (t ) p
I i r (t ) 9F i (t )
P (t ) =F (t )
取t =800h, 求得13个基本事件中重要度顺序为:x 9>x 5(x 6) >x 10>x 5>x 3>x 4(x 7) >x 2>x 11>x 1>x 13>x 12, 即阻容元件故障率对可靠性影响最重要, 开关故障对可靠性影响最小。4 提高可靠性的措施
。组, 。, 有的元件一发生故障就会引起系统故障, 有的则不然。
因此, 应尽量减小基本事件的串联使用, 降低偶然故障率。对激光头、供电电源、温控三个系统, 应增加供电电源系统的可靠度, 必要时, 采用双电源系统, 以提高其系统冗余。结构和部件上, 为减少最小割集数, 采取一体化安装骨架设计, 全部光学零件稳固装配到热沉骨架上, 晶体棒用卡网紧裹, 两端用缓冲垫紧固。光学元件调整机构采用顶拉方案, 具有自锁功能。所有螺纹紧固件采用细螺纹并用中性胶黏接。为降低故障率, 电子器件优先选用甲品器件, 采用成熟的典型线路和集成元件, 主要元器件按降额30%设计。光学介质膜采用较大厚径比, 全反射镜用石英材料。以上措施的采纳, 提高了激光器的可靠度, 延长了平均无故障工作时间。5 总 结
本文建立了无水冷LD 泵浦Nd ∶Y AG 激光器的故障树模型。根据故障树模型, 计算了激光器的可靠度、平均无故障工作时间和各基本事件的概率重要度, 提出了改进激光器可靠性一些方法。可靠度随时间增加成指数下降, 激光器工作高可靠度时间为5h, 平均无故障工作时间为842h 。计算结果与激光器的实际工作符合较好, 故障树法是激光器可靠性分析的一种有效方法。参考文献:
[1] 陈肖燕, 等. 小型热传导冷却Nd ∶Y AG 激光器热稳定性
[4]
研究[J ].激光技术, 2001, 2(25) :64.
[2] 金煜坚, 王鹏飞, 等. 10Hz Q 开关100mJ 小型无水冷激
光器[J ].激光与红外, 2003, 33(4) :255-256.
[3] 陈凯. 可靠性数学及其应用[M].长春:吉林教育出版
社, 1989:322-344.
[4] 朱继洲. 故障树原理和应用[M].西安:西安交通大学
出版社, 2002.