產(chǎn)品與設備可靠性分析

1、設備與產(chǎn)品的可靠性診斷分析摘要：可靠性分析在發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設計、材料和工藝等缺陷方面有重要作用，經(jīng)分析和改進，可以提高產(chǎn)品的可靠性，為改善產(chǎn)品的戰(zhàn)備完好性、提高任務成功率、減少維修保障費用提供信息，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益。本文主要介紹了研究設備和產(chǎn)品可靠性分析的目的和意義，我國機械設備的可靠性現(xiàn)狀以及設備和產(chǎn)品的可靠性分析試驗，最后結(jié)合最近的可靠性的發(fā)展，介紹了設備和產(chǎn)品可靠性分析的發(fā)展趨勢，從而對設備和產(chǎn)品可靠性分析的應用和發(fā)展有一個全面的、客觀的認識。關鍵字：設備；產(chǎn)品；可靠性分析一.緒論1.可靠性分析的目的和意義可靠性作為產(chǎn)品質(zhì)量和技術措施的一個最重要的指標已受到世界各工業(yè)國家的高度重視，因為任

2、何產(chǎn)品和技術，尤其是高科技產(chǎn)品、大型設備及超大型設備的制造，尖端技術的發(fā)展，都要以可靠性技術為基礎，科學技術的發(fā)展又要求高可靠性?？煽啃允呛饬慨a(chǎn)品質(zhì)量的一項重要指標，可靠性問題與經(jīng)濟效益和人身安全密切相關。隨著科學技術的迅猛發(fā)展，大量的復雜系統(tǒng)被研發(fā)和應用，這些復雜系統(tǒng)在生產(chǎn)實踐中發(fā)揮著巨大的作用，對其可靠性進行分析和對系統(tǒng)進行優(yōu)化設計是系統(tǒng)設計者和管理者必須高度重視的問題?？煽啃园煽啃詳?shù)學、可靠性物理、可靠性管理及可靠性工程，其主要研究內(nèi)容為產(chǎn)品或系統(tǒng)故障發(fā)生的原因、故障的消除和預防措施?？煽啃苑治龅闹饕芯磕康臑楸ＷC產(chǎn)品的可靠性和可用性、延長使用壽命、降低維修費用、提高產(chǎn)品的用效益?，F(xiàn)

3、代科學技術和工業(yè)以驚人的速度向前發(fā)展，產(chǎn)品產(chǎn)量、參數(shù)的提高，使用條件的苛刻以及大量新技術、新工藝、新材料的應用，使產(chǎn)品可靠性問題日益突出，可靠性已經(jīng)不僅影響產(chǎn)品的性能，而且關系到一個國家的經(jīng)濟發(fā)展和安全穩(wěn)定，成為當今人們致力研究的對象。2.我國機械設備可靠性現(xiàn)狀可靠性問題只是在第二次世界大戰(zhàn)前后，才真正開始受到重視。從 50 年代至今，可靠性理論這門新興學科以驚人的速度發(fā)展著，各方面都已積累了豐富的經(jīng)驗。我國機械工業(yè)底子薄，上世紀七八十年代不少大型成套設備和精密自動化設備不能自行設計制造。產(chǎn)品可靠性差、能耗高，有效壽命多數(shù)只相當先進國家相應產(chǎn)品的1/3-1/2。改革開放以來，特別是我國加入WT

4、O之后，極大地促進了我國機械工業(yè)的進步。機械產(chǎn)品的設計和制造水平不斷提高，出口額不斷增大。但困擾我國機械產(chǎn)品參與國內(nèi)外競爭的主要因素仍然是產(chǎn)品的可靠性差。主要表現(xiàn)：目前國民經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)化所需裝備近2/3依賴進口；機械制造業(yè)典型產(chǎn)品的技術來源57%依靠國外；儀表、氣液元件、低壓電器等的平均無故障工作時間低于國外同類產(chǎn)品一至兩個數(shù)量級；拖拉機和工程機械的平均無故障工作時間是國外的1/2-1/3， 甚至1/10； 國產(chǎn)越野車的無故障里程在380-800km,而進口車卻為28000km,；國產(chǎn)儀表和日本儀表在同樣工作條件下，故障率是9:1。諸多類似的事例導致用戶提出“寧愿犧牲先進性，也要保證可靠性”的要

5、求，許多用戶抱怨國產(chǎn)機電產(chǎn)品是買得起，修不起。由于可靠性問題，加劇了機電產(chǎn)品出口出不去，進口擋不住的局面?？煽啃試乐刂萍s了我國機械工業(yè)的快速發(fā)展，影響到我國機械工業(yè)的聲譽?？煽啃怨こ痰恼Q生、發(fā)展是社會的需要，與科學技術的發(fā)展，尤其與電子技術的發(fā)展是分不開的。雖然可靠性工程起源于軍事領域，但從它的推廣應用和給企業(yè)與社會帶來的巨大經(jīng)濟效益的事實中，人們更加認識到提高產(chǎn)品可靠性的重要性。世界各國紛紛加大研究投入的力度，并在更廣泛的領域里推廣應用。二.設備與產(chǎn)品的可靠性分析1.可靠性的概念產(chǎn)品、系統(tǒng)在規(guī)定的條件下，規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力稱為可靠性。這里的產(chǎn)品可以泛指任何系統(tǒng)、設備和元器件。產(chǎn)

6、品可靠性定義的要素是三個“規(guī)定”：“規(guī)定條件”、“規(guī)定時間”和“規(guī)定功能”?！耙?guī)定條件”包括使用時的環(huán)境條件和工作條件；例如同一型號的汽車在高速公路和在崎嶇的山路上行駛，其可靠性的表現(xiàn)就不大一樣，要談論產(chǎn)品的可靠性必須指明規(guī)定的條件是什么?！耙?guī)定時間”是指產(chǎn)品規(guī)定了的任務時間；隨著產(chǎn)品任務時間的增加，產(chǎn)品出現(xiàn)故障的概率將增加，而產(chǎn)品的可靠性將是下降的。因此，談論產(chǎn)品的可靠性離不開規(guī)定的任務時間。例如，一輛汽車在在剛剛開出廠子，和用了5年后相比，它出故障的概率顯然小了很多?！耙?guī)定功能”是指產(chǎn)品規(guī)定了的必須具備的功能及其技術指標。所要求產(chǎn)品功能的多少和其技術指標的高低，直接影響到產(chǎn)品可靠性指標的高

7、低。例如，電風扇的主要功能有轉(zhuǎn)葉，搖頭，定時，那么規(guī)定的功能是三者都要，還是僅需要轉(zhuǎn)葉能轉(zhuǎn)能夠吹風，所得出的可靠性指標是大不一樣的。機械可靠性是指機械產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下、規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。由于工程材料特性的離散性以及測量、加工、制造和安裝誤差等因素的影響，使機械產(chǎn)品的系統(tǒng)參數(shù)具有固有的不確定性，因此考慮這種固有隨機性的可靠性設計技術至關重要?？煽啃苑诸惾鐖D2-1所示。圖2-1 機械產(chǎn)品可靠性分類2.可靠性的要素可靠性包含了耐久性、可維修性、設計可靠性三大要素。耐久性：產(chǎn)品使用無故障性或使用壽命長就是耐久性。例如，當空間探測衛(wèi)星發(fā)射后，人們希望它能無故障的長時間工作，否則，它的

8、存在就沒有太多的意義了，但從某一個角度來說，任何產(chǎn)品不可能100%的不會發(fā)生故障?？删S修性：當產(chǎn)品發(fā)生故障后，能夠很快很容易的通過維護或維修排除故障，就是可維修性。像自行車、電腦等都是容易維修的，而且維修成本也不高，很快的能夠排除故障，這些都是事后維護或者維修。而像飛機、汽車都是價格很高而且非常注重安全可靠性的要求，這一般通過日常的維護和保養(yǎng)，來大大延長它的使用壽命，這是預防維修。產(chǎn)品的可維修性與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)有很大的關系，即與設計可靠性有關。設計可靠性：這是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵，由于人機系統(tǒng)的復雜性，以及人在操作中可能存在的差錯和操作使用環(huán)境的這種因素影響，發(fā)生錯誤的可能性依然存在，所以設計的時候

9、必須充分考慮產(chǎn)品的易使用性和易操作性，這就是設計可靠性。一般來說，產(chǎn)品的越容易操作，發(fā)生人為失誤或其他問題造成的故障和安全問題的可能性就越??；從另一個角度來說，如果發(fā)生了故障或者安全性問題，采取必要的措施和預防措施就非常重要。例如汽車發(fā)生了碰撞后，有氣囊保護。3.可靠性評價指標可靠性是一項重要的質(zhì)量指標，只是定性描述就顯得不夠，必須使之數(shù)量化，這樣才能進行精確的描述和比較?？煽啃缘亩勘硎居衅渥约旱奶攸c，由于使用場合的不同，很難用一個指標來完全進行評價。1) 可靠度：指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率；一般記為R，是時間的函數(shù)，記為Rt稱為可靠度函數(shù)，其中f(t)為概率密度

10、。Rt=P(Tt) = tf(t)dt2) 失效概率:產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)未完成規(guī)定功能的概率，也稱為不可靠度，記為F或F(t)。Ft=1-Rt=P(Tt) = -tf(t)dt3）失效率是工作到某時刻尚未失效的產(chǎn)品，在該時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。一般記為，它也是時間t的函數(shù)，故也記為(t)，稱為失效率函數(shù)，有時也稱為故障率函數(shù)或風險函數(shù)。按上述定義，失效率是在時刻t尚未失效產(chǎn)品在t+t的單位時間內(nèi)發(fā)生失效的條件概率。即它反映t時刻失效的速率，也稱為瞬時失效率,失效率的數(shù)學表達式為：t=limt0P(tt)t3）失效率曲線：即浴盆曲線，浴盆曲線是指產(chǎn)品從投入到報廢為止的整個壽

11、命周期內(nèi)，其可靠性的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律。曲線的形狀呈兩頭高，中間低，有些像浴盆，所以稱為“浴盆曲線”。該曲線具有明顯的階段性，可劃分為三個階段：早期故障期，偶然故障期，嚴重故障期。如果取產(chǎn)品的失效率作為產(chǎn)品的可靠性特征值，它是以使用時間為橫坐標，以失效率為縱坐標的一條曲線，如圖2-2所示。圖2-2 失效率曲線第一階段是早期失效期(Infant Mortality)：表明產(chǎn)品在開始使用時,失效率很高,但隨著產(chǎn)品工作時間的增加,失效率迅速降低，這一階段失效的原因大多是由于設計、原材料和制造過程中的缺陷造成的。為了縮短這一階段的時間，產(chǎn)品應在投入運行前進行試運轉(zhuǎn)，以便及早發(fā)現(xiàn)、修正和排除故障；或通過

12、試驗進行篩選，剔除不合格品第二階段是偶然失效期，也稱隨機失效期(Random Failures)：這一階段的特點是失效率較低，且較穩(wěn)定，往往可近似看作常數(shù)，產(chǎn)品可靠性指標所描述的就是這個時期，這一時期是產(chǎn)品的良好使用階段, 偶然失效主要原因是質(zhì)量缺陷、材料弱點、環(huán)境和使用不當?shù)纫蛩匾?。第三階段是耗損失效期(Wearout)：該階段的失效率隨時間的延長而急速增加, 主要由磨損、疲勞、老化和耗損等原因造成。4.失效機械產(chǎn)品的主要質(zhì)量標志是功能、壽命、重量/容量比、經(jīng)濟、安全和外觀, 其中功能是首要的, 產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能(這里不僅指完全喪失,亦包括功能的降低) 稱為失效(對于可修復的產(chǎn)品通常稱為

13、故障)。機械產(chǎn)品常見的失效形式如圖2-3所示。圖2-3 機械產(chǎn)品的常見失效形式5.可靠性分析可靠性分析是指綜合運用概率論與數(shù)理統(tǒng)計學、材料和結(jié)構(gòu)學、故障物理學等科學知識, 研究和度量機械產(chǎn)品在規(guī)定時間內(nèi)和規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力的整個過程。通過可靠性分析可以預測機械產(chǎn)品期望的可靠性, 可以進行比較研究, 找出并排除薄弱環(huán)節(jié)。按照本質(zhì)屬性, 可靠性可分為固有可靠性和使用可靠性兩類； 在機械產(chǎn)品研發(fā)過程中, 也可針對具體的極限狀態(tài)和失效模式進行可靠性分類, 并考慮失效模式間的相關性, 綜合進行可靠性分析與設計。6.可靠性試驗6.1 可靠性試驗概念及分類一個復雜的機械產(chǎn)品(如汽車)通常由零件(如

14、齒輪)、部件組(如帶軸承支架)、子系統(tǒng)( 如帶主動輪)、設計組(如變速箱)和功能載體(如傳動總成)等功能單元逐步組裝而成。通過可靠性試驗可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設計、零部件、原材料、安裝與工藝等方面的缺陷,可以提供改善產(chǎn)品的完整性、提高任務完成率、減少保障與維修費用的信息,可以確認產(chǎn)品是否符合可靠性設計的定量要求?？煽啃栽囼炇菫榱吮ＷC產(chǎn)品在規(guī)定的壽命期間內(nèi)，在預期的使用、運輸或儲存等所有環(huán)境下，保持功能可靠性而進行的活動。是將產(chǎn)品暴露在自然的或人工的環(huán)境條件下經(jīng)受其作用，以評價產(chǎn)品在實際使用、運輸和儲存的環(huán)境條件下的性能，并分析研究環(huán)境因素的影響程度及其作用機理。通過使用各種環(huán)境試驗設備模擬氣候環(huán)境中的

15、高溫、低溫、高溫高濕以及溫度變化等情況，加速反應產(chǎn)品在使用環(huán)境中的狀況，來驗證其是否達到在研發(fā)、設計、制造中預期的質(zhì)量目標，從而對產(chǎn)品整體進行評估，以確定產(chǎn)品可靠性壽命?？煽啃栽囼灥哪康氖牵喊l(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設計、材料和工藝等方面的各種缺陷，經(jīng)分析和改進，使產(chǎn)品可靠性逐步得到增長，最終達到預定的可靠性水平；為改善產(chǎn)品的戰(zhàn)備完好性、提高任務成功率、減少維修保障費用提供信息；確認是否符合規(guī)定的可靠性定量要求。按試驗目的可分為工程試驗和統(tǒng)計試驗兩類：工程試驗的目的是暴露產(chǎn)品的可靠性薄弱環(huán)節(jié)并采取糾正措施加以排除（或使其故障率低于允許水平）。這種試驗由承制方進行，以研制樣機為受試產(chǎn)品。統(tǒng)計試驗的目的是在一定的

16、置信度要求下，驗證產(chǎn)品的可靠性是否達到規(guī)定的定量要求。統(tǒng)計試驗一般有經(jīng)認可的第三方實驗室負責完成，受試單位事先必須經(jīng)訂購方批準。圖2-4 可靠性試驗的步驟和分類6.2 產(chǎn)品壽命試驗評價和分析產(chǎn)品壽命特征的試驗稱為壽命試驗。對于大部分電子產(chǎn)品，壽命是最主要的一個可靠性特征量。因此，可靠性試驗往往指的就是壽命試驗。壽命試驗可分為非工作狀態(tài)的存儲壽命試驗和工作狀態(tài)的工作壽命試驗兩類。為了縮短試驗周期、減少樣品數(shù)量和試驗費用，常常采用加速壽命試驗。在不改變產(chǎn)品的失效機理和增添新的失效因子的前提下，提高試驗應力（相對于工作狀態(tài)的實際應力或產(chǎn)品的額定承受應力），以加速產(chǎn)品的失效過程。根據(jù)試驗中應力施加方式

17、的不同，又可分為：在試驗過程中應力保持不變的恒定應力加速壽命試驗；試驗過程中應力逐級步進式增加的步進應力加速壽命試驗；試驗過程中應力連續(xù)增加的序進應力加速壽命試驗。由于壽命試驗費時較多，通常不待受試樣品全部失效就要結(jié)束，即大部分壽命試驗都是截尾試驗。根據(jù)試驗截尾方式(固定試驗時間或固定試驗中失效樣品數(shù))和受試樣品失效后有無替換，壽命試驗可分為四種：無替換定時截尾試驗；有替換定時截尾試驗；無替換定數(shù)截尾試驗；有替換定數(shù)截尾試驗。在電子產(chǎn)品壽命試驗中，最常用的壽命分布為指數(shù)分布、威布爾分布和對數(shù)正態(tài)分布。壽命試驗的設計方案流程如圖2-5所示：三.結(jié)論與展望我國在可靠性診斷分析研究方面，已經(jīng)注意到了

18、可靠性分析的重要性，也采取了一些管理措施和技術，取得了較為顯著的成果。從產(chǎn)品的可靠性設計到可靠性分析以及可靠性試驗，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設計、零部件、原材料、安裝與工藝等方面的缺陷,可以提供改善產(chǎn)品的完整性、提高任務完成率、減少保障與維修費用的信息,可以確認產(chǎn)品是否符合可靠性設計的定量要求，取得更大的經(jīng)濟效益。參考文獻1 高社生，張玲霞. 可靠性理論與工程應用M.北京：國防工業(yè)出版社，2002.82 明順平，李曉霞. 汽車可靠性理論M.北京：機械工業(yè)出版社，2002.123 王增全，王正. 車用渦輪增壓器結(jié)構(gòu)可靠性M.北京：科學出版社，20134 郭永基. 可靠性工程原理M.北京：清華大學出版社，2002.15 王文靜. 可靠性工程基礎M.北京：北京交通大學出版社，2012.126 劉混舉. 機械可靠性設計M.北京：科學出版社，20127 張維競. 艦船動力裝置故障診斷與可靠性M.上海：上海交通大學出版社，20128 劉斯明. 淺談我國機械設備的可靠性研究J.中國設備工程，2006.05:6-89 張義民，孫志禮.機械產(chǎn)品的可靠性大綱J.機械工程學報，2014，50(14):14-2010 張義民. 機械可靠性設計的內(nèi)涵與遞進J.機械工程