制氧装置作为特种车辆车载员高原环境下生命保障的重要设备，针对车载制氧装置及各组成系统的可靠性工程研究非常重要。通过常用可靠性模型、可靠性分配原则和工程中常用的可靠性分配方法，对制氧装置气体压缩系统、气体分离系统、减振系统、供电系统、控制系统进行可靠性分配，利用其可靠性指标指导各系统的设计和优化，提升制氧装置可靠性，确保特种车辆高原环境下乘载员用氧需求。

引言

随着特种车辆在军事、医疗救援、野外勘探等领域的广泛应用，车载制氧装置作为高原环境下为乘载员提供稳定氧气供应的关键设备，其可靠性受到了广泛关注。车载制氧装置的可靠性不仅关系到特种车辆及乘载员的使命完成能力，也是保障车辆乘载员生命安全的重要条件。因此车载制氧装置可靠性需求是设计的重要需求，在满足基本功能的前提下，制氧装置在全寿命周期内应能够保证安全使用和稳定持续运行，包括外部环境（如高海拔低气压、振动冲击、高温低温环境等）以及装置内部恶化（如长时间运行发热、分子筛粉化等）情况下，能够安全且稳定地正常运行。特种车辆在执行任务时往往面临极端环境和复杂条件，这对车载制氧装置的可靠性提出了更高要求，然而现有的车载制氧装置在设计和使用过程中，可靠性问题仍然存在。

目前，国内外对车载制氧装置的可靠性研究主要集中在单一设备的可靠性分析上，对于整个系统的可靠性建模与分配方法研究相对较少。本文在分析常用可靠性建模与分配方法基础上，结合车载制氧装置结构原理和工作特点建立了车载制氧装置的可靠性模型，并进行有效的可靠性分配，提出后期车载制氧装置设计研发中应重点考量的要素，以期优化系统设计，延长设备使用寿命，降低维护成本，从而提高特种车辆的作战效能和生存能力。

特种车辆车载制氧装置概述

车载制氧装置主要配装于高原环境特种车辆，为乘载员提供氧气支持，提高并恢复乘载员的血氧饱和度，缓解乘载员的高原反应，提高持续作业能力。根据高原作业环境及车载制氧装置任务使命，车载制氧装置应能在海拔高度3000m以上和特种车辆振动冲击条件下正常使用，在高低温环境下能够工作，不影响车内其他电气设备正常工作。

1.车载制氧装置组成及可靠性要求

车载制氧装置主要由气体压缩系统、气体分离系统、减振系统、供电系统、控制系统等组成，具体组成结构如图1所示。根据任务书要求，结合车载制氧装置使用环境、工作特性和质量要求，在设计阶段提出了车载制氧装置平均故障间隔时间MTBF≥120h作为可靠性指标。

图1 车载制氧装置组成结构图

2.车载制氧装置工作原理

车载制氧装置通过气体压缩系统中压缩泵对外界空气进行加压，并经过冷却器对其进行降温，加压降温后的压缩空气由控制系统中电磁阀控制进入气体分离系统分子筛吸附塔，分子筛将空气中的氮气与氧气进行分离。当分子筛吸附氮气接近饱和时，通过电磁阀控制气路切换，吸附塔停止制氧进行排氮。同时另一吸附塔进入制氧状态，通过两个吸附塔的交替工作，完成连续的氧气输出，保障车辆乘载员用氧需求。车载制氧装置工作原理如图2所示。

图2 车载制氧装置工作原理图

可靠性建模与分配

可靠性模型是工程学中一个关键工具，通过可靠性模型能够详细描述系统及组成之间的可靠性逻辑关系。这种可靠性模型不仅包括了直观的可靠性框图，还涵盖了相应的数学模型，共同构成了评估系统性能和寿命的基础。建立产品可靠性模型的主要目的在于：明确各组成单元之间的可靠性逻辑关系，并通过数学模型精确表达；利用可靠性模型进行可靠性定量分配和预测，以量化系统的性能指标；识别设计过程中的潜在薄弱环节，为改进设计提供方向；对比不同的设计方案，评估其可靠性，为决策提供数据支撑。

1.可靠性建模

可靠性建模是军工产品设计研发的重要环节，设计初期就应当依据产品功能原理进行可靠性方案论证，并在设计过程中不断迭代完善。可靠性建模首先应当明确产品定义，并根据产品组成关系、工作原理绘制产品可靠性框图，然后建立可靠性数学模型。可靠性模型建立流程如图3所示。

图3 可靠性建模流程

常用的可靠性模型包括串联模型、并联模型、表决模型、桥联模型和旁连模型。工程中常用的串联模型和并联模型如下表1。

表1 常用可靠性模型

2.可靠性分配

可靠性分配是将系统或产品可靠性定量要求按照一定准则合理分配到分系统、设备、组件、元器件单元上的分解过程。其主要目的是将整体的可靠性定量指标分解为下级组成系统或单元的定量可靠性指标，发现设计过程中的薄弱环节，使各系统或组成单元明确可靠性要求，为整系统可靠性设计、原材料选择等提供依据。可靠性分配流程如图4所示。

图4可靠性分配流程图

根据系统或产品不同的研制阶段可采用多种可靠性分配方法，工程中常用的可靠性分配方法根据可获得的分系统、单元信息的不同主要可分为评分分配法、比例组合分配法、考虑重要度和复杂度分配法。以上主要分配方法的详细特征如下表2。

表2 常用可靠性分配方法

车载制氧装置可靠性建模与分配

1.车载制氧装置可靠性建模

车载制氧装置主要由气体压缩系统、气体分离系统、控制系统、供电系统和减振系统五个部分组成，空气经过消音、过滤后通过医用硅胶管连接至气体压缩系统进行加压，加压冷却后的高压气体经医用硅胶挂管连接气体分离系统，气体分离系统根据控制系统提前预置的电磁阀切换周期完成氧气与氮气、二氧化碳等气体的分离，将不易被吸附的氮气、二氧化碳经消音处理后排出制氧装置，同时将氧气存储于气体分离系统中的内置缓冲罐，缓冲罐内的氧气经调压、稳流后输出产品氧气。组成装置的所有子系统中任一子系统发生故障，均会导致整个装置出现故障，属于串联模型。根据GJB813-1990《可靠性模型的建立和可靠性预计》规定的程序和方法建立以产品功能为基础的可靠性模型。车载制氧装置的可靠性框图如图5所示。

图5 车载制氧装置可靠性框图

2.车载分制氧装置可靠性分配

车载制氧装置MTBF已知，采取评分分配法对车载制氧装置进行可靠性分配。根据车载制氧装置使用场景和工作特点采用评分分配法进行可靠性分配，主要考虑各系统组成复杂程度、重要程度、技术水平和环境适应性四个因素进行评分。评分值由同行业专家根据经验进行评估。对于每一因素分为10个等级，每级为1分，评分规则如下：

（1）复杂程度：根据各分系统组成元器件或零部件数量、结构复杂程度以及装配难易程度，或者维修保障工艺繁杂度进行评价。最复杂的评为10分，最简单的评为1分；

（2）重要程度：根据组成单元对制氧工作的重要程度评定。重要程度最低的单元评为10分，最高的评为1分；

（3）技术水平：考虑各个工程领域的技术水平、技术成熟状况及技术应用情况，采用技术成熟的、经过充分验证的评为1分，采用新技术应用较少、待验证的评为10分；

（4）环境适应性：根据分系统或零部件、元器件所受到环境影响的程度进行评定。分系统工作过程中会受环境因素影响最大的评为10分，影响最小的评为1分。

车载制氧装置MTBF≥120h，且为复杂系统，可认为服从指数分布，由于各系统之间为串联关系，采用评分法请七名专家依据车载制氧装置可靠性分配原则，对制氧装置各系统进行打分。取七名专家对各系统评分的算术平均值为各系统最终评分数，依据公式（1）计算各系统的评分数，具体如下表3。计算各系统评分数：

式中：

ωi—第i个系统的评分数；

rij—第i个系统的第j个因素的评分数，j=1代表复杂程度，j=2代表重要程度，j=3代表技术水平，j=4代表环境适应性。

表3 车载制氧装置各系统评分分配表

计算车载制氧装置总评分数：

式中：

ω—氧气增压灌充系统的评分数；

n—系统数。

可得

计算各系统的评分系数：

设车载制氧装置的故障率为λs*，按10%的分配余量，分配给各系统的故障率为λi。

λs*=1/MTBF=1/120=0.00083

由公式（2）~（4）可得，车载制氧装置各系统故障率分配如下表4。

表4车载制氧装置各系统故障率分配表

根据=0.000741＜λs*=0.00083，完成分配。

车载制氧装置各系统可靠性分配合理。从七位专家打分可以看出气体压缩系统、控制系统、减振系统重要度分别为5.4分、5.2分、5分，在设计过程中必须给予重视，并根据制氧装置车载特性，对设计过程中制氧装置及其内部结构需做抗振动冲击设计；车载制氧装置气体压缩系统、气体分离系统环境适应性的分数相对较高，这是因为制氧装置的气体压缩系统核心部件空气压缩泵和气体分离系统分子筛吸附塔性能受高原环境影响较大，应进行专项高原适应性设计，并进行充分验证；控制系统的复杂程度最高，制氧工作过程中控制系统控制各功能部件的正常运行，应在正制氧装置功能性能的前提下尽量简化设计、提高可靠性，并对控制系统各电子元器件进行充分的环境应力筛选。

结  论

在深入分析特种车辆车载制氧装置的结构组成和工作原理的基础上，本文采用了先进的可靠性建模和分配方法，对装置的各系统进行了精确的可靠性定量分配。这一过程不仅为车载制氧装置的设计和开发提供了宝贵的指导，而且确保了其在高原等极端环境下的卓越性能。此外，本文的研究方法和结果为其他特种车辆车载设备的研制提供了可借鉴的思路和方法。后期计划通过结合车载制氧装置故障树分析和失效模式分析等技术，进一步深化车载制氧装置的可靠性研究，以实现更高层次的性能优化和系统稳定性提升。

引用本文：

王博，刘晓峰，刘文佳，吴亚楠，李毅，崔淑洁.特种车辆车载制氧装置可靠性建模与分配方法研究[J].环境技术,2024,42(11):38-43.

作者：王博，刘晓峰，刘文佳，吴亚楠，李毅，崔淑洁

单位：1.兵器工业卫生研究所；2.人-机-环重点实验室

简介：王博，主要研究方向：人-机-环境系统工程。