機(jī)械可靠性論文.doc

21世紀(jì)可靠性技術(shù)的發(fā)展趨勢高波豐（太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 山西太原030024）摘要：本文主要介紹了可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系與參數(shù)體系、可靠性的分析與設(shè)計方法、機(jī)械可靠性試驗技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望裝備可靠性試驗與評價技術(shù)的進(jìn)展，并且以機(jī)電系統(tǒng)為例說明了可靠性設(shè)計分析在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用。通過礦井通風(fēng)系統(tǒng)講述了系統(tǒng)可靠性的評價方法及其發(fā)展趨勢，并以煤礦綜采設(shè)備說明了壽命評價理論體系對系統(tǒng)可靠性的重要作用。關(guān)鍵字：可靠性 發(fā)展 壽命 設(shè)計 評價1、 前言可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的重要特性，是產(chǎn)品質(zhì)量的核心，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量水平，最根本的工作是提高產(chǎn)品的可靠性，可靠性工程技術(shù)的應(yīng)用也為質(zhì)量體系的實施提供了有力的保障；可靠性試驗是對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行調(diào)查、分析和評價的一種手段，其目的是發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計、材料和工藝方面的各種缺陷，為改善設(shè)備的完好性，提高任務(wù)的成功率，減少維修費用及保障費用提供信息，確認(rèn)是否符合可靠性定量要求；裝備的可靠性試驗與評價是指通過各種手段，設(shè)計裝備可靠性驗證試驗方案，采集可靠性試驗信息，評價可靠性水平，并對裝備的可靠性指標(biāo)是否達(dá)到研制要求做出判斷決策。裝備可靠性試驗與評價技術(shù)面臨著巨大的問題與挑戰(zhàn)。具體表現(xiàn)為以下幾個方面：第一，可靠性試驗樣本量少，考核指標(biāo)多。高技術(shù)裝備的研制、試驗和采購費用昂貴，如何科學(xué)合理的確定最少的試驗樣本量，為裝備項目管理提供決策依據(jù)，已成為迫切需要解決的現(xiàn)實問題 。第二，高可靠性導(dǎo)致故障信息有限。高技術(shù)戰(zhàn)爭對裝備可靠性的要求越來越高，同時科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也為也為提高裝備的可靠性水平提供了技術(shù)可行性，使得武器裝備的可靠性不斷提高，因此失效樣本量也很少，導(dǎo)致故障信息有限。第三，實驗數(shù)據(jù)缺失或不確定。現(xiàn)代武器裝備的戰(zhàn)技性能指標(biāo)越來越高，有時由于測試設(shè)備的技術(shù)局限性或觀察的條件不具備，可能測不到數(shù)據(jù)，這是，如果僅由于少量的缺失數(shù)據(jù)而進(jìn)行重復(fù)試驗，將浪費試驗經(jīng)費，因此需要在缺失數(shù)據(jù)的情況下進(jìn)行可靠性試驗評定。第四，多源信息和變動總體。多源信息是指用于裝備可靠性試驗與評價的信息來自多個方面。這樣就導(dǎo)致了采集的信息為異質(zhì)信息。變動總體是指在研制過程中，裝備型號技術(shù)都處在不斷改進(jìn)，通常要經(jīng)過多個研制階段和批次。、，因此，許多可靠性試驗數(shù)據(jù)來自不同的統(tǒng)計總體，是傳統(tǒng)的基于固定總體假設(shè)的可靠性試驗評價理論難以應(yīng)用。此外，礦井通風(fēng)系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的重要輔助系統(tǒng)，為生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運行提供保證，在生產(chǎn)時期其任務(wù)是利用各種動力，以最經(jīng)濟(jì)的方式向井下各用風(fēng)地點提供足夠的新鮮空氣，保證工作人員的呼吸，稀釋并排出瓦斯等各種有害氣體，給井下工人創(chuàng)造良好的工作環(huán)境；發(fā)生事故時有效地控制風(fēng)流的方向和大小，防止災(zāi)害擴(kuò)大，進(jìn)而達(dá)到消滅事故的目的。礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性高低對礦井生產(chǎn)和安全管理有著直接的影響，直接關(guān)系到礦井能否安全生產(chǎn)和防止事故的發(fā)生。而目前對安全具有重要作用的適應(yīng)煤礦特殊生產(chǎn)環(huán)境的可靠性技術(shù)和方法研究在深度和廣度上都不夠，缺乏針對性好、操作型性強(qiáng)的評價方法。2、可靠性基礎(chǔ)理論與可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系隨著可靠性基礎(chǔ)理論與可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系的日臻完善，現(xiàn)代可靠性工程技術(shù)進(jìn)入成熟階段，在各方面都取得了一定的成就，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）建立了完整的可靠性參數(shù)體系。設(shè)備的可靠性要求應(yīng)反映設(shè)備的備戰(zhàn)完好性、任務(wù)成功性、維修人力、保障費用的要求，設(shè)備的可靠性參數(shù)也由單一變?yōu)槎鄠€可靠性參數(shù)描述，使可靠性參數(shù)體系完整的表達(dá)了產(chǎn)品的可靠性特征,設(shè)備級的可靠性參數(shù)一般以MTBF為主?？煽啃詤?shù)一般分為基本可靠性、任務(wù)可靠性以及任務(wù)剖面。按照故障判斷應(yīng)分為不導(dǎo)致危險的、保持基本功能以及附加功能三類。（2）可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系的日臻完善。美國在1980年就建立了完備的可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系，國內(nèi)從二十世紀(jì)八十年代才真正開展可靠性工程，二十一世紀(jì)初，可靠性工程在我國全面深入的研究與應(yīng)用。我國的可靠性工程基本沿用了美國的標(biāo)準(zhǔn)體系，利用標(biāo)準(zhǔn)化的方法可以使RMS(可靠性、維修性與保障性)工程領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)和成功的工程經(jīng)驗得到廣泛利用。隨著RMS工程和管理的發(fā)展。我國已逐步總結(jié)并建立了一整套有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)對提高設(shè)備的效能，降低壽命周期費用起到了重要的作用。可靠性試驗可分為工程試驗和統(tǒng)計實驗兩大類。工程試驗的目的在于暴露產(chǎn)品的可靠性缺陷，并采取糾正措施加以排除。在可靠性領(lǐng)域中把機(jī)械可靠性作為三大課題（另外兩個是加速試驗和軟件可靠性）之一。機(jī)械可靠性試驗技術(shù)是是機(jī)械可靠性技術(shù)的一個關(guān)鍵的問題，因此被廣泛關(guān)注。3、可靠性分析與設(shè)計方法走向成熟可靠性分析技術(shù)包括包括可靠性預(yù)計技術(shù)、故障模式影響分析技術(shù)（FMEA)/故障樹分析技術(shù)（FTA）、可靠性評估技術(shù)。可靠性預(yù)計是對產(chǎn)品或者系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行定量的估計，推測其可能達(dá)到的可靠性水平是其從定性考慮轉(zhuǎn)入定量分析的關(guān)鍵之處，是實施可靠性工程的基礎(chǔ)。故障模式影響分析技術(shù)（FMEA）是分析系統(tǒng)中每一產(chǎn)品所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對系統(tǒng)造成的所有可能影響，并按每一故障模式的嚴(yán)重程度、檢測難易程度以及分類的一種歸納分析方法。FMEA分析的是潛在的故障，它是一種事前預(yù)防的行為，通過實現(xiàn)花時間對設(shè)計進(jìn)行分析，實現(xiàn)低成本的進(jìn)行修改，減少為了來更大損失的發(fā)生。 故障樹分析技術(shù)（FTA）是通過對可能造成產(chǎn)品故障的硬件、軟件、環(huán)境、人為因素進(jìn)行分析，確定產(chǎn)品故障原因的各種可能組合方式及其發(fā)生概率，從而有效的確定系統(tǒng)發(fā)生故障的各種途徑，并提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。 可靠性評估技術(shù)是根據(jù)實際取得的故障和使用數(shù)據(jù)計算產(chǎn)品的可靠性參數(shù)值。（1） 數(shù)據(jù)要求 a、來源與現(xiàn)場數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù) b、環(huán)境條件和工作條件基本符合任務(wù)剖面的要求（2）評估風(fēng)險 a、評估風(fēng)險來源于樣本量的限制 b、用置信度描述評估風(fēng)險 c、一般采用單側(cè)區(qū)間估計例：某小型電子設(shè)備20套，在某次試驗中發(fā)生的前五個故障以及最后一個記錄如下表。表一：故障時間與故障數(shù)量序號1234520故障時間2664119145182923Fn(t)0.050.10.150.20.251試計算該設(shè)備在10、64、150、1000小時的不可靠度Fn(t)。Fn(t)=i/n; Fn(0)=0/20=0; Fn(150)=4/20=0.2 .即該設(shè)備在150小時的不可靠度為0.2，1000小時的不可靠度為1?？煽慷萊n(t)=1-Fn(t)用來衡量產(chǎn)品的可靠性。（3）可靠性評估的目的： a、試驗階段產(chǎn)品研制階段的依據(jù)之一 b、產(chǎn)品定型判斷產(chǎn)品是否達(dá)到可靠性要求 c、使用階段產(chǎn)品是否需要設(shè)計改進(jìn)的依據(jù)之一 作為產(chǎn)品維修大綱動態(tài)管理的依據(jù) 為新產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)提供依據(jù)（4) 可靠性設(shè)計技術(shù)可靠性設(shè)計準(zhǔn)則 a、通用設(shè)計準(zhǔn)則元器件/零部件的選用控制 b、降額設(shè)計要求 c、（電子產(chǎn)品降額等級規(guī)定：降額檢查單） d、（機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品安全系數(shù)：強(qiáng)度校核） e、熱設(shè)計要求 f、容錯設(shè)計要求（5）專用設(shè)計準(zhǔn)則歷史上相似產(chǎn)品曾經(jīng)出現(xiàn)過哪些故障？ a、這些故障的發(fā)生的頻率如何？影響如何？ b、故障原因 c、糾正錯誤對于一個企業(yè)最寶貴的是專用設(shè)計準(zhǔn)則。4、 機(jī)械可靠性試驗4.1 機(jī)械可靠性試驗的特點機(jī)械可靠性的發(fā)展緩慢，至今仍處于“搖籃期”，這主要是由于機(jī)械產(chǎn)品的特殊性。因此也導(dǎo)致了機(jī)械可靠性試驗有著自己的特點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1） 一般對于機(jī)械產(chǎn)品的可靠性試驗來說，很難得到較大子樣容量，并且費資、費力，備件費用大，試驗周期長。（2） 機(jī)械失效機(jī)制的多樣性和對“環(huán)境因素”的依賴性，機(jī)械系統(tǒng)中決定機(jī)械壽命和性能劣化的因素，不僅與應(yīng)力因素有關(guān)，還取決于環(huán)境因素。同時對于機(jī)械產(chǎn)品的外場環(huán)境與試驗環(huán)境相比更為復(fù)雜更為惡劣。（3） 機(jī)械可靠性理論難度大，大多數(shù)電子產(chǎn)品故障多數(shù)隨機(jī)性、壽命服從指數(shù)分布；而機(jī)械產(chǎn)品的零部件大多是損耗性失效為主，現(xiàn)已頒發(fā)的一些可靠性設(shè)計、試驗和分析方法或標(biāo)準(zhǔn)，是根據(jù)電子產(chǎn)品失效制定的，這些方法或標(biāo)準(zhǔn)對機(jī)械產(chǎn)品不完全適宜。（4） 機(jī)械零部件一般都是為特定用途而設(shè)計，通用性不強(qiáng)，不易積累共用數(shù)據(jù)。所以缺少數(shù)據(jù)導(dǎo)致非電產(chǎn)品的可靠性評估遇到困難。（5） 由于沒有標(biāo)準(zhǔn)的可靠性篩選試驗，機(jī)械產(chǎn)品的早期故障不能應(yīng)用像電子產(chǎn)品經(jīng)過環(huán)境應(yīng)力篩選試驗排除，這增加了可靠性增長模型描述的困難。4.2可靠性試驗的分類及目的可靠性試驗是對產(chǎn)品的可靠性水平進(jìn)行調(diào)查、分析和評價的一種手段。其目的是：發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計、材料和工藝方面的缺陷；為產(chǎn)品的可靠性設(shè)計改進(jìn)、減少維修和保障費用提供信息；確認(rèn)是否符合可靠性定量要求?？煽啃栽囼灧譃椋汗こ淘囼灪徒y(tǒng)計實驗。其中工程試驗有分為環(huán)境應(yīng)力篩選和可靠性增長試驗。目的是暴露產(chǎn)品設(shè)計、元器件、工藝、原材料等方面存在的缺陷，加以排除，以提高產(chǎn)品的可靠性。 a、環(huán)境應(yīng)力篩選試驗暴露和消除設(shè)計制造缺陷導(dǎo)致的早期失效環(huán)境應(yīng)力篩選是通過向電子產(chǎn)品施加合理的環(huán)境應(yīng)力和電應(yīng)力，將其內(nèi)部的潛在缺陷加速變成故障，并加以發(fā)現(xiàn)和排出的過程。 b、可靠性增長試驗確定和改進(jìn)設(shè)計導(dǎo)致的可靠性問題。（1）由于產(chǎn)品故障機(jī)理的不同，分為三個階段早期故障階段、偶然故障階段、損耗故障階段（2）浴盆曲線：大多數(shù)產(chǎn)品的故障率隨時間的變化曲線形似浴盆，故稱之為浴盆曲線 圖（1）4.2可靠性工程試驗發(fā)展的三個階段圖（2）5、可靠性在機(jī)電產(chǎn)品中的應(yīng)用5.1國內(nèi)外機(jī)電產(chǎn)品的可靠性工作綜述美國是世界上從事可靠性研究最早、范圍最廣、最有成效的國家，原蘇聯(lián)、日本、德、英、法等國在美國之后也積極開展了可靠性工作，并取得了不小的進(jìn)展。產(chǎn)品可靠性的高低已成為國外各公司間競爭的重要手段。對產(chǎn)品可靠性、維修性、保障性（RMS）更快、更好、更省的市場需求將促進(jìn)RMS向著綜合化、自動化、信息化、仿真化、智能化方向發(fā)展。在國內(nèi)，可靠性工作的系統(tǒng)開展起步較晚。從20世紀(jì)70年代至今，我國機(jī)電產(chǎn)品可靠性研究在很多領(lǐng)域做了不少貢獻(xiàn)。目前對小樣本的機(jī)電產(chǎn)品提出了一種基于浮點數(shù)遺傳算法的典型機(jī)電產(chǎn)品可靠性試驗方法，用計算機(jī)軟件模擬分析來輔助實現(xiàn)其過程，這種方法提高了計算速度，減少了試驗工作量，并且具有高的計算精確度。還提出一種基于貝葉斯因子的方法，可在小樣本的情況下，用最新的試驗數(shù)據(jù)驗證模型的可靠度。5.2可靠性設(shè)計分析技術(shù)系統(tǒng)可靠性設(shè)計分析技術(shù)，是系統(tǒng)維修性、保障性安全性、測試性工程技術(shù)的基礎(chǔ)。是進(jìn)行系統(tǒng)效能與周期費用優(yōu)化權(quán)衡的依據(jù)?？煽啃栽O(shè)計分析技術(shù)包含的內(nèi)容很多，常用的包括可靠性建模技術(shù)、可靠性預(yù)計與分配、故障模式影響及危害性分析（FMECA）、故障樹分析（FTA）和事件樹分析（ETA）等。只有根據(jù)實際產(chǎn)品的不同研制階段合理、正確的應(yīng)用，才能夠保證產(chǎn)品的性能設(shè)計與可靠性設(shè)計的有機(jī)結(jié)合，并及時的對產(chǎn)品可靠性進(jìn)行評估。5、礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評價方法單一指標(biāo)用來判斷一個通風(fēng)系統(tǒng)的好壞，其優(yōu)點是指標(biāo)易于計算、簡單、明確，但是只能反映礦井通風(fēng)系統(tǒng)的一個層面，缺乏對全系統(tǒng)正確評價的公允性。而且隨著礦井開采規(guī)模的擴(kuò)大和開采深度的加大，礦井瓦斯涌出、煤巖以及地?zé)岣邷氐痊F(xiàn)象越來越嚴(yán)重，礦井沖擊礦壓也越來越頻繁?，F(xiàn)代化大型采掘機(jī)械的應(yīng)用又給井下通風(fēng)系統(tǒng)帶來了不安全因素，如圖一所示。這些都要求系統(tǒng)的評價方法的產(chǎn)生。圖（3）系統(tǒng)工程理論和方法的研究，特別是可靠性工程的不斷發(fā)展和完善以及計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，也促進(jìn)了礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性評價理論的進(jìn)步。20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)開始采用系統(tǒng)工程的觀點、方法，并結(jié)合電子計算機(jī)技術(shù)研究礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性問題。到目前為止，對礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性評價研究已經(jīng)有了一定的深度和廣度。在前蘇聯(lián)，認(rèn)為通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性決定于下列相互獨立的因素：在通風(fēng)設(shè)計時，原始資料和計算方法與實際的吻合程度；礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)功能的可靠性；扇風(fēng)機(jī)裝置的可靠性。這樣，通風(fēng)系統(tǒng)的可靠度表示為： R=Rn * Rm * Rc * Re式中，R為通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性；RN為原始資料的可靠度；RM為計算方法的可靠度；RC為礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的可靠度；RE為扇風(fēng)機(jī)裝置的可靠度。6、綜采設(shè)備的可靠性壽命評價方法給定可靠度的工作時間為設(shè)備的可靠性壽命，記作t（R）。機(jī)械設(shè)備的失效率統(tǒng)計分析結(jié)果表明，三參數(shù)Weibull分布是基于疲勞強(qiáng)度破壞的設(shè)備項修周期內(nèi)故障數(shù)據(jù)的良好假設(shè)分布。在預(yù)計得到設(shè)備各項修周期tM指標(biāo)后，可根據(jù)設(shè)備的使用維護(hù)條件，借鑒類似產(chǎn)品（故障規(guī)律相似，維修策略相同）可確定Weibull分布的形狀參數(shù)m，位置參數(shù)和尺寸參數(shù)，由下式預(yù)計：式中MPij為第i次大修周期內(nèi)第j次項修的tM指標(biāo)值；ij為第i次大修周期內(nèi)第j項修的Weibull分布尺度參數(shù)；ij為第i次大修周期內(nèi)第j次項修的Weibull分布的位置參數(shù)；m為形狀參數(shù)。項修周期內(nèi)故障率函數(shù)ij(t)和固有可用度AIJ(t)可用下式表示。式中c為故障平均修復(fù)時間（tR）的期望值.圖四所示為設(shè)備的壽命周期故障率和固有可用度的演化規(guī)律。可見，在給定的可靠度條件下，不難確定設(shè)備的可靠性壽命。圖（4）7、結(jié)論本文以煤礦綜采設(shè)備壽命評價、礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性評價以及機(jī)電系統(tǒng)可靠性為例，說明了可靠性的一些基本概念，可靠性設(shè)計和分析方法，以及目前可靠性的發(fā)展?fàn)顩r和未來的一些發(fā)展趨勢.上述表明，機(jī)械可靠性試驗技術(shù)問題的解決還存在許多具有挑戰(zhàn)性的問題，只有把宏觀上的可靠性統(tǒng)計、實驗技術(shù)等問題、微觀上材料的失效機(jī)理及其老化過程等問題研究聯(lián)合起來、共同解決，才會更有助于推動機(jī)械可靠性技術(shù)的發(fā)展！ 參考文獻(xiàn)【