机械可靠性论文.doc

21世纪可靠性技术的发展趋势高波丰（太原理工大学机械工程学院 山西太原030024）摘要：本文主要介绍了可靠性标准体系与参数体系、可靠性的分析与设计方法、机械可靠性试验技术研究现状与展望装备可靠性试验与评价技术的进展，并且以机电系统为例说明了可靠性设计分析在产品设计中的应用。通过矿井通风系统讲述了系统可靠性的评价方法及其发展趋势，并以煤矿综采设备说明了寿命评价理论体系对系统可靠性的重要作用。关键字：可靠性 发展 寿命 设计 评价1、 前言可靠性是产品质量的重要特性，是产品质量的核心，为了保证产品的质量水平，最根本的工作是提高产品的可靠性，可靠性工程技术的应用也为质量体系的实施提供了有力的保障；可靠性试验是对产品的可靠性进行调查、分析和评价的一种手段，其目的是发现产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷，为改善设备的完好性，提高任务的成功率，减少维修费用及保障费用提供信息，确认是否符合可靠性定量要求；装备的可靠性试验与评价是指通过各种手段，设计装备可靠性验证试验方案，采集可靠性试验信息，评价可靠性水平，并对装备的可靠性指标是否达到研制要求做出判断决策。装备可靠性试验与评价技术面临着巨大的问题与挑战。具体表现为以下几个方面：第一，可靠性试验样本量少，考核指标多。高技术装备的研制、试验和采购费用昂贵，如何科学合理的确定最少的试验样本量，为装备项目管理提供决策依据，已成为迫切需要解决的现实问题 。第二，高可靠性导致故障信息有限。高技术战争对装备可靠性的要求越来越高，同时科学技术的发展也为也为提高装备的可靠性水平提供了技术可行性，使得武器装备的可靠性不断提高，因此失效样本量也很少，导致故障信息有限。第三，实验数据缺失或不确定。现代武器装备的战技性能指标越来越高，有时由于测试设备的技术局限性或观察的条件不具备，可能测不到数据，这是，如果仅由于少量的缺失数据而进行重复试验，将浪费试验经费，因此需要在缺失数据的情况下进行可靠性试验评定。第四，多源信息和变动总体。多源信息是指用于装备可靠性试验与评价的信息来自多个方面。这样就导致了采集的信息为异质信息。变动总体是指在研制过程中，装备型号技术都处在不断改进，通常要经过多个研制阶段和批次。、，因此，许多可靠性试验数据来自不同的统计总体，是传统的基于固定总体假设的可靠性试验评价理论难以应用。此外，矿井通风系统是矿井生产系统的重要辅助系统，为生产系统的安全运行提供保证，在生产时期其任务是利用各种动力，以最经济的方式向井下各用风地点提供足够的新鲜空气，保证工作人员的呼吸，稀释并排出瓦斯等各种有害气体，给井下工人创造良好的工作环境；发生事故时有效地控制风流的方向和大小，防止灾害扩大，进而达到消灭事故的目的。矿井通风系统可靠性高低对矿井生产和安全管理有着直接的影响，直接关系到矿井能否安全生产和防止事故的发生。而目前对安全具有重要作用的适应煤矿特殊生产环境的可靠性技术和方法研究在深度和广度上都不够，缺乏针对性好、操作型性强的评价方法。2、可靠性基础理论与可靠性标准体系随着可靠性基础理论与可靠性标准体系的日臻完善，现代可靠性工程技术进入成熟阶段，在各方面都取得了一定的成就，主要表现在以下几个方面：（1）建立了完整的可靠性参数体系。设备的可靠性要求应反映设备的备战完好性、任务成功性、维修人力、保障费用的要求，设备的可靠性参数也由单一变为多个可靠性参数描述，使可靠性参数体系完整的表达了产品的可靠性特征,设备级的可靠性参数一般以MTBF为主。可靠性参数一般分为基本可靠性、任务可靠性以及任务剖面。按照故障判断应分为不导致危险的、保持基本功能以及附加功能三类。（2）可靠性标准体系的日臻完善。美国在1980年就建立了完备的可靠性标准体系，国内从二十世纪八十年代才真正开展可靠性工程，二十一世纪初，可靠性工程在我国全面深入的研究与应用。我国的可靠性工程基本沿用了美国的标准体系，利用标准化的方法可以使RMS(可靠性、维修性与保障性)工程领域的先进技术和成功的工程经验得到广泛利用。随着RMS工程和管理的发展。我国已逐步总结并建立了一整套有关标准，这些标准对提高设备的效能，降低寿命周期费用起到了重要的作用。可靠性试验可分为工程试验和统计实验两大类。工程试验的目的在于暴露产品的可靠性缺陷，并采取纠正措施加以排除。在可靠性领域中把机械可靠性作为三大课题（另外两个是加速试验和软件可靠性）之一。机械可靠性试验技术是是机械可靠性技术的一个关键的问题，因此被广泛关注。3、可靠性分析与设计方法走向成熟可靠性分析技术包括包括可靠性预计技术、故障模式影响分析技术（FMEA)/故障树分析技术（FTA）、可靠性评估技术。可靠性预计是对产品或者系统的可靠性进行定量的估计，推测其可能达到的可靠性水平是其从定性考虑转入定量分析的关键之处，是实施可靠性工程的基础。故障模式影响分析技术（FMEA）是分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及其对系统造成的所有可能影响，并按每一故障模式的严重程度、检测难易程度以及分类的一种归纳分析方法。FMEA分析的是潜在的故障，它是一种事前预防的行为，通过实现花时间对设计进行分析，实现低成本的进行修改，减少为了来更大损失的发生。 故障树分析技术（FTA）是通过对可能造成产品故障的硬件、软件、环境、人为因素进行分析，确定产品故障原因的各种可能组合方式及其发生概率，从而有效的确定系统发生故障的各种途径，并提高系统的可靠性和安全性。 可靠性评估技术是根据实际取得的故障和使用数据计算产品的可靠性参数值。（1） 数据要求 a、来源与现场数据和试验数据 b、环境条件和工作条件基本符合任务剖面的要求（2）评估风险 a、评估风险来源于样本量的限制 b、用置信度描述评估风险 c、一般采用单侧区间估计例：某小型电子设备20套，在某次试验中发生的前五个故障以及最后一个记录如下表。表一：故障时间与故障数量序号1234520故障时间2664119145182923Fn(t)0.050.10.150.20.251试计算该设备在10、64、150、1000小时的不可靠度Fn(t)。Fn(t)=i/n; Fn(0)=0/20=0; Fn(150)=4/20=0.2 .即该设备在150小时的不可靠度为0.2，1000小时的不可靠度为1。可靠度Rn(t)=1-Fn(t)用来衡量产品的可靠性。（3）可靠性评估的目的： a、试验阶段产品研制阶段的依据之一 b、产品定型判断产品是否达到可靠性要求 c、使用阶段产品是否需要设计改进的依据之一 作为产品维修大纲动态管理的依据 为新产品的可靠性指标提供依据（4) 可靠性设计技术可靠性设计准则 a、通用设计准则元器件/零部件的选用控制 b、降额设计要求 c、（电子产品降额等级规定：降额检查单） d、（机械结构产品安全系数：强度校核） e、热设计要求 f、容错设计要求（5）专用设计准则历史上相似产品曾经出现过哪些故障？ a、这些故障的发生的频率如何？影响如何？ b、故障原因 c、纠正错误对于一个企业最宝贵的是专用设计准则。4、 机械可靠性试验4.1 机械可靠性试验的特点机械可靠性的发展缓慢，至今仍处于“摇篮期”，这主要是由于机械产品的特殊性。因此也导致了机械可靠性试验有着自己的特点，主要表现在以下几个方面：（1） 一般对于机械产品的可靠性试验来说，很难得到较大子样容量，并且费资、费力，备件费用大，试验周期长。（2） 机械失效机制的多样性和对“环境因素”的依赖性，机械系统中决定机械寿命和性能劣化的因素，不仅与应力因素有关，还取决于环境因素。同时对于机械产品的外场环境与试验环境相比更为复杂更为恶劣。（3） 机械可靠性理论难度大，大多数电子产品故障多数随机性、寿命服从指数分布；而机械产品的零部件大多是损耗性失效为主，现已颁发的一些可靠性设计、试验和分析方法或标准，是根据电子产品失效制定的，这些方法或标准对机械产品不完全适宜。（4） 机械零部件一般都是为特定用途而设计，通用性不强，不易积累共用数据。所以缺少数据导致非电产品的可靠性评估遇到困难。（5） 由于没有标准的可靠性筛选试验，机械产品的早期故障不能应用像电子产品经过环境应力筛选试验排除，这增加了可靠性增长模型描述的困难。4.2可靠性试验的分类及目的可靠性试验是对产品的可靠性水平进行调查、分析和评价的一种手段。其目的是：发现产品在设计、材料和工艺方面的缺陷；为产品的可靠性设计改进、减少维修和保障费用提供信息；确认是否符合可靠性定量要求。可靠性试验分为：工程试验和统计实验。其中工程试验有分为环境应力筛选和可靠性增长试验。目的是暴露产品设计、元器件、工艺、原材料等方面存在的缺陷，加以排除，以提高产品的可靠性。 a、环境应力筛选试验暴露和消除设计制造缺陷导致的早期失效环境应力筛选是通过向电子产品施加合理的环境应力和电应力，将其内部的潜在缺陷加速变成故障，并加以发现和排出的过程。 b、可靠性增长试验确定和改进设计导致的可靠性问题。（1）由于产品故障机理的不同，分为三个阶段早期故障阶段、偶然故障阶段、损耗故障阶段（2）浴盆曲线：大多数产品的故障率随时间的变化曲线形似浴盆，故称之为浴盆曲线 图（1）4.2可靠性工程试验发展的三个阶段图（2）5、可靠性在机电产品中的应用5.1国内外机电产品的可靠性工作综述美国是世界上从事可靠性研究最早、范围最广、最有成效的国家，原苏联、日本、德、英、法等国在美国之后也积极开展了可靠性工作，并取得了不小的进展。产品可靠性的高低已成为国外各公司间竞争的重要手段。对产品可靠性、维修性、保障性（RMS）更快、更好、更省的市场需求将促进RMS向着综合化、自动化、信息化、仿真化、智能化方向发展。在国内，可靠性工作的系统开展起步较晚。从20世纪70年代至今，我国机电产品可靠性研究在很多领域做了不少贡献。目前对小样本的机电产品提出了一种基于浮点数遗传算法的典型机电产品可靠性试验方法，用计算机软件模拟分析来辅助实现其过程，这种方法提高了计算速度，减少了试验工作量，并且具有高的计算精确度。还提出一种基于贝叶斯因子的方法，可在小样本的情况下，用最新的试验数据验证模型的可靠度。5.2可靠性设计分析技术系统可靠性设计分析技术，是系统维修性、保障性安全性、测试性工程技术的基础。是进行系统效能与周期费用优化权衡的依据。可靠性设计分析技术包含的内容很多，常用的包括可靠性建模技术、可靠性预计与分配、故障模式影响及危害性分析（FMECA）、故障树分析（FTA）和事件树分析（ETA）等。只有根据实际产品的不同研制阶段合理、正确的应用，才能够保证产品的性能设计与可靠性设计的有机结合，并及时的对产品可靠性进行评估。5、矿井通风系统可靠性评价方法单一指标用来判断一个通风系统的好坏，其优点是指标易于计算、简单、明确，但是只能反映矿井通风系统的一个层面，缺乏对全系统正确评价的公允性。而且随着矿井开采规模的扩大和开采深度的加大，矿井瓦斯涌出、煤岩以及地热高温等现象越来越严重，矿井冲击矿压也越来越频繁。现代化大型采掘机械的应用又给井下通风系统带来了不安全因素，如图一所示。这些都要求系统的评价方法的产生。图（3）系统工程理论和方法的研究，特别是可靠性工程的不断发展和完善以及计算机技术的迅猛发展，也促进了矿井通风系统可靠性评价理论的进步。20世纪60年代，前苏联开始采用系统工程的观点、方法，并结合电子计算机技术研究矿井通风系统的可靠性问题。到目前为止，对矿井通风系统的可靠性评价研究已经有了一定的深度和广度。在前苏联，认为通风系统的可靠性决定于下列相互独立的因素：在通风设计时，原始资料和计算方法与实际的吻合程度；矿井通风网络功能的可靠性；扇风机装置的可靠性。这样，通风系统的可靠度表示为： R=Rn * Rm * Rc * Re式中，R为通风系统的可靠性；RN为原始资料的可靠度；RM为计算方法的可靠度；RC为矿井通风网络的可靠度；RE为扇风机装置的可靠度。6、综采设备的可靠性寿命评价方法给定可靠度的工作时间为设备的可靠性寿命，记作t（R）。机械设备的失效率统计分析结果表明，三参数Weibull分布是基于疲劳强度破坏的设备项修周期内故障数据的良好假设分布。在预计得到设备各项修周期tM指标后，可根据设备的使用维护条件，借鉴类似产品（故障规律相似，维修策略相同）可确定Weibull分布的形状参数m，位置参数和尺寸参数，由下式预计：式中MPij为第i次大修周期内第j次项修的tM指标值；ij为第i次大修周期内第j项修的Weibull分布尺度参数；ij为第i次大修周期内第j次项修的Weibull分布的位置参数；m为形状参数。项修周期内故障率函数ij(t)和固有可用度AIJ(t)可用下式表示。式中c为故障平均修复时间（tR）的期望值.图四所示为设备的寿命周期故障率和固有可用度的演化规律。可见，在给定的可靠度条件下，不难确定设备的可靠性寿命。图（4）7、结论本文以煤矿综采设备寿命评价、矿井通风系统的可靠性评价以及机电系统可靠性为例，说明了可靠性的一些基本概念，可靠性设计和分析方法，以及目前可靠性的发展状况和未来的一些发展趋势.上述表明，机械可靠性试验技术问题的解决还存在许多具有挑战性的问题，只有把宏观上的可靠性统计、实验技术等问题、微观上材料的失效机理及其老化过程等问题研究联合起来、共同解决，才会更有助于推动机械可靠性技术的发展！ 参考文献【1】秦明、巫世晶、孙旋，机电系统可靠性工作与分析技术概述及应用 ，2006,03【2】喻天翔、宋笔锋等，机械可靠性试验技术研究现状与展望，机械强度，2007,29【3】刘混举，杨兆建，基于“等劣化模型”综采设备可靠性寿命研究，太原理工大学学报， 2009， 【4】王志刚，戴柏林，可靠性技术的发展与应用，环境适应性与可靠性，2009,2【5】陆韬，矿井通风系统可靠性评价方法及其发展趋势，煤矿开采，2010,04【6】刘混举，杨兆建，煤矿综采设备寿命评价的理论体系，机械工程与自动化，2009,04【7】武小悦，刘琦，装备可靠性试验与评价技术的进展，飞行器测控学报，2007,05