產(chǎn)品與設(shè)備可靠性分析

1、設(shè)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(shè)計(jì)、材料和工藝等缺陷方面有重要作用，經(jīng)分析和改進(jìn)，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(wù)成功率、減少維修保障費(fèi)用提供信息，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。本文主要介紹了研究設(shè)備和產(chǎn)品可靠性分析的目的和意義，我國機(jī)械設(shè)備的可靠性現(xiàn)狀以及設(shè)備和產(chǎn)品的可靠性分析試驗(yàn)，最后結(jié)合最近的可靠性的發(fā)展，介紹了設(shè)備和產(chǎn)品可靠性分析的發(fā)展趨勢，從而對設(shè)備和產(chǎn)品可靠性分析的應(yīng)用和發(fā)展有一個(gè)全面的、客觀的認(rèn)識。關(guān)鍵字：設(shè)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(shù)措施的一個(gè)最重要的指標(biāo)已受到世界各工業(yè)國家的高度重視，因?yàn)槿?/p>

2、何產(chǎn)品和技術(shù)，尤其是高科技產(chǎn)品、大型設(shè)備及超大型設(shè)備的制造，尖端技術(shù)的發(fā)展，都要以可靠性技術(shù)為基礎(chǔ)，科學(xué)技術(shù)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(xiàng)重要指標(biāo)，可靠性問題與經(jīng)濟(jì)效益和人身安全密切相關(guān)。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，大量的復(fù)雜系統(tǒng)被研發(fā)和應(yīng)用，這些復(fù)雜系統(tǒng)在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮著巨大的作用，對其可靠性進(jìn)行分析和對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和管理者必須高度重視的問題?？煽啃园煽啃詳?shù)學(xué)、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(yù)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(fèi)用、提高產(chǎn)品的用效益?，F(xiàn)

3、代科學(xué)技術(shù)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(shù)、新工藝、新材料的應(yīng)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(guān)系到一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和安全穩(wěn)定，成為當(dāng)今人們致力研究的對象。2.我國機(jī)械設(shè)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(xué)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(yàn)。我國機(jī)械工業(yè)底子薄，上世紀(jì)七八十年代不少大型成套設(shè)備和精密自動化設(shè)備不能自行設(shè)計(jì)制造。產(chǎn)品可靠性差、能耗高，有效壽命多數(shù)只相當(dāng)先進(jìn)國家相應(yīng)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(jìn)了我國機(jī)械工業(yè)的進(jìn)步。機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造水平不斷提高，出口額不斷增大。但困擾我國機(jī)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(jì)和產(chǎn)業(yè)化所需裝備近2/3依賴進(jìn)口；機(jī)械制造業(yè)典型產(chǎn)品的技術(shù)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(shí)間低于國外同類產(chǎn)品一至兩個(gè)數(shù)量級；拖拉機(jī)和工程機(jī)械的平均無故障工作時(shí)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(jìn)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(dǎo)致用戶提出“寧愿犧牲先進(jìn)性，也要保證可靠性”的要

5、求，許多用戶抱怨國產(chǎn)機(jī)電產(chǎn)品是買得起，修不起。由于可靠性問題，加劇了機(jī)電產(chǎn)品出口出不去，進(jìn)口擋不住的局面。可靠性嚴(yán)重制約了我國機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展，影響到我國機(jī)械工業(yè)的聲譽(yù)?？煽啃怨こ痰恼Q生、發(fā)展是社會的需要，與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其與電子技術(shù)的發(fā)展是分不開的。雖然可靠性工程起源于軍事領(lǐng)域，但從它的推廣應(yīng)用和給企業(yè)與社會帶來的巨大經(jīng)濟(jì)效益的事實(shí)中，人們更加認(rèn)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(lǐng)域里推廣應(yīng)用。二.設(shè)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(shí)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(shè)備和元器件。產(chǎn)

6、品可靠性定義的要素是三個(gè)“規(guī)定”：“規(guī)定條件”、“規(guī)定時(shí)間”和“規(guī)定功能”?！耙?guī)定條件”包括使用時(shí)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?wù)摦a(chǎn)品的可靠性必須指明規(guī)定的條件是什么。“規(guī)定時(shí)間”是指產(chǎn)品規(guī)定了的任務(wù)時(shí)間；隨著產(chǎn)品任務(wù)時(shí)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?wù)摦a(chǎn)品的可靠性離不開規(guī)定的任務(wù)時(shí)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。“規(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(shù)指標(biāo)。所要求產(chǎn)品功能的多少和其技術(shù)指標(biāo)的高低，直接影響到產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的高

7、低。例如，電風(fēng)扇的主要功能有轉(zhuǎn)葉，搖頭，定時(shí)，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(fēng)，所得出的可靠性指標(biāo)是大不一樣的。機(jī)械可靠性是指機(jī)械產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下、規(guī)定的時(shí)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(jī)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(jī)性的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)至關(guān)重要?？煽啃苑诸惾鐖D2-1所示。圖2-1 機(jī)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(shè)計(jì)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(dāng)空間探測衛(wèi)星發(fā)射后，人們希望它能無故障的長時(shí)間工作，否則，它的

8、存在就沒有太多的意義了，但從某一個(gè)角度來說，任何產(chǎn)品不可能100%的不會發(fā)生故障。可維修性：當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生故障后，能夠很快很容易的通過維護(hù)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(hù)或者維修。而像飛機(jī)、汽車都是價(jià)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(hù)和保養(yǎng)，來大大延長它的使用壽命，這是預(yù)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(guān)系，即與設(shè)計(jì)可靠性有關(guān)。設(shè)計(jì)可靠性：這是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，由于人機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性，以及人在操作中可能存在的差錯(cuò)和操作使用環(huán)境的這種因素影響，發(fā)生錯(cuò)誤的可能性依然存在，所以設(shè)計(jì)的時(shí)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(shè)計(jì)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小；從另一個(gè)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(yù)防措施就非常重要。例如汽車發(fā)生了碰撞后，有氣囊保護(hù)。3.可靠性評價(jià)指標(biāo)可靠性是一項(xiàng)重要的質(zhì)量指標(biāo)，只是定性描述就顯得不夠，必須使之?dāng)?shù)量化，這樣才能進(jìn)行精確的描述和比較?？煽啃缘亩勘硎居衅渥约旱奶攸c(diǎn)，由于使用場合的不同，很難用一個(gè)指標(biāo)來完全進(jìn)行評價(jià)。1) 可靠度：指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率；一般記為R，是時(shí)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(shí)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(shí)刻尚未失效的產(chǎn)品，在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率。一般記為，它也是時(shí)間t的函數(shù)，故也記為(t)，稱為失效率函數(shù)，有時(shí)也稱為故障率函數(shù)或風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)。按上述定義，失效率是在時(shí)刻t尚未失效產(chǎn)品在t+t的單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的條件概率。即它反映t時(shí)刻失效的速率，也稱為瞬時(shí)失效率,失效率的數(shù)學(xué)表達(dá)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(bào)廢為止的整個(gè)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(gè)階段：早期故障期，偶然故障期，嚴(yán)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(shí)間為橫坐標(biāo)，以失效率為縱坐標(biāo)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(shí),失效率很高,但隨著產(chǎn)品工作時(shí)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(shè)計(jì)、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(shí)間，產(chǎn)品應(yīng)在投入運(yùn)行前進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，以便及早發(fā)現(xiàn)、修正和排除故障；或通過

12、試驗(yàn)進(jìn)行篩選，剔除不合格品第二階段是偶然失效期，也稱隨機(jī)失效期(Random Failures)：這一階段的特點(diǎn)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(biāo)所描述的就是這個(gè)時(shí)期，這一時(shí)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(diǎn)、環(huán)境和使用不當(dāng)?shù)纫蛩匾稹５谌A段是耗損失效期(Wearout)：該階段的失效率隨時(shí)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(jī)械產(chǎn)品的主要質(zhì)量標(biāo)志是功能、壽命、重量/容量比、經(jīng)濟(jì)、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(fù)的產(chǎn)品通常稱為

13、故障)。機(jī)械產(chǎn)品常見的失效形式如圖2-3所示。圖2-3 機(jī)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(yùn)用概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)、材料和結(jié)構(gòu)學(xué)、故障物理學(xué)等科學(xué)知識, 研究和度量機(jī)械產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)和規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力的整個(gè)過程。通過可靠性分析可以預(yù)測機(jī)械產(chǎn)品期望的可靠性, 可以進(jìn)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(jī)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(jìn)行可靠性分類, 并考慮失效模式間的相關(guān)性, 綜合進(jìn)行可靠性分析與設(shè)計(jì)。6.可靠性試驗(yàn)6.1 可靠性試驗(yàn)概念及分類一個(gè)復(fù)雜的機(jī)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(shè)計(jì)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(yàn)可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、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(wù)完成率、減少保障與維修費(fèi)用的信息,可以確認(rèn)產(chǎn)品是否符合可靠性設(shè)計(jì)的定量要求。可靠性試驗(yàn)是為了保證產(chǎn)品在規(guī)定的壽命期間內(nèi)，在預(yù)期的使用、運(yùn)輸或儲存等所有環(huán)境下，保持功能可靠性而進(jìn)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(jià)產(chǎn)品在實(shí)際使用、運(yùn)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(jī)理。通過使用各種環(huán)境試驗(yàn)設(shè)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(yīng)產(chǎn)品在使用環(huán)境中的狀況，來驗(yàn)證其是否達(dá)到在研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造中預(yù)期的質(zhì)量目標(biāo)，從而對產(chǎn)品整體進(jìn)行評估，以確定產(chǎn)品可靠性壽命。可靠性試驗(yàn)的目的是：發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、材料和工藝等方面的各種缺陷，經(jīng)分析和改進(jìn)，使產(chǎn)品可靠性逐步得到增長，最終達(dá)到預(yù)定的可靠性水平；為改善產(chǎn)品的戰(zhàn)備完好性、提高任務(wù)成功率、減少維修保障費(fèi)用提供信息；確認(rèn)是否符合規(guī)定的可靠性定量要求。按試驗(yàn)?zāi)康目煞譃楣こ淘囼?yàn)和統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)兩類：工程試驗(yàn)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(yàn)由承制方進(jìn)行，以研制樣機(jī)為受試產(chǎn)品。統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的目的是在一定的

16、置信度要求下，驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性是否達(dá)到規(guī)定的定量要求。統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)一般有經(jīng)認(rèn)可的第三方實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)完成，受試單位事先必須經(jīng)訂購方批準(zhǔn)。圖2-4 可靠性試驗(yàn)的步驟和分類6.2 產(chǎn)品壽命試驗(yàn)評價(jià)和分析產(chǎn)品壽命特征的試驗(yàn)稱為壽命試驗(yàn)。對于大部分電子產(chǎn)品，壽命是最主要的一個(gè)可靠性特征量。因此，可靠性試驗(yàn)往往指的就是壽命試驗(yàn)。壽命試驗(yàn)可分為非工作狀態(tài)的存儲壽命試驗(yàn)和工作狀態(tài)的工作壽命試驗(yàn)兩類。為了縮短試驗(yàn)周期、減少樣品數(shù)量和試驗(yàn)費(fèi)用，常常采用加速壽命試驗(yàn)。在不改變產(chǎn)品的失效機(jī)理和增添新的失效因子的前提下，提高試驗(yàn)應(yīng)力（相對于工作狀態(tài)的實(shí)際應(yīng)力或產(chǎn)品的額定承受應(yīng)力），以加速產(chǎn)品的失效過程。根據(jù)試驗(yàn)中應(yīng)力施加方式

17、的不同，又可分為：在試驗(yàn)過程中應(yīng)力保持不變的恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)；試驗(yàn)過程中應(yīng)力逐級步進(jìn)式增加的步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)；試驗(yàn)過程中應(yīng)力連續(xù)增加的序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。由于壽命試驗(yàn)費(fèi)時(shí)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(yàn)都是截尾試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)截尾方式(固定試驗(yàn)時(shí)間或固定試驗(yàn)中失效樣品數(shù))和受試樣品失效后有無替換，壽命試驗(yàn)可分為四種：無替換定時(shí)截尾試驗(yàn)；有替換定時(shí)截尾試驗(yàn)；無替換定數(shù)截尾試驗(yàn)；有替換定數(shù)截尾試驗(yàn)。在電子產(chǎn)品壽命試驗(yàn)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(yàn)的設(shè)計(jì)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(shù)，取得了較為顯著的成果。從產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)到可靠性分析以及可靠性試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、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(wù)完成率、減少保障與維修費(fèi)用的信息,可以確認(rèn)產(chǎn)品是否符合可靠性設(shè)計(jì)的定量要求，取得更大的經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)1 高社生，張玲霞. 可靠性理論與工程應(yīng)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(jī)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(xué)出版社，20134 郭永基. 可靠性工程原理M.北京：清華大學(xué)出版社，2002.15 王文靜. 可靠性工程基礎(chǔ)M.北京：北京交通大學(xué)出版社，2012.126 劉混舉. 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)M.北京：科學(xué)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(xué)出版社，20128 劉斯明. 淺談我國機(jī)械設(shè)備的可靠性研究J.中國設(shè)備工程，2006.05:6-89 張義民，孫志禮.機(jī)械產(chǎn)品的可靠性大綱J.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50(14):14-2010 張義民. 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)涵與遞進(jìn)J.機(jī)械工程