产品与设备可靠性分析

1、设备与产品的可靠性诊断分析摘要：可靠性分析在发现产品在设计、材料和工艺等缺陷方面有重要作用，经分析和改进，可以提高产品的可靠性，为改善产品的战备完好性、提高任务成功率、减少维修保障费用提供信息，创造更高的经济效益。本文主要介绍了研究设备和产品可靠性分析的目的和意义，我国机械设备的可靠性现状以及设备和产品的可靠性分析试验，最后结合最近的可靠性的发展，介绍了设备和产品可靠性分析的发展趋势，从而对设备和产品可靠性分析的应用和发展有一个全面的、客观的认识。关键字：设备；产品；可靠性分析一.绪论1.可靠性分析的目的和意义可靠性作为产品质量和技术措施的一个最重要的指标已受到世界各工业国家的高度重视，因为任

2、何产品和技术，尤其是高科技产品、大型设备及超大型设备的制造，尖端技术的发展，都要以可靠性技术为基础，科学技术的发展又要求高可靠性。可靠性是衡量产品质量的一项重要指标，可靠性问题与经济效益和人身安全密切相关。随着科学技术的迅猛发展，大量的复杂系统被研发和应用，这些复杂系统在生产实践中发挥着巨大的作用，对其可靠性进行分析和对系统进行优化设计是系统设计者和管理者必须高度重视的问题。可靠性包括可靠性数学、可靠性物理、可靠性管理及可靠性工程，其主要研究内容为产品或系统故障发生的原因、故障的消除和预防措施。可靠性分析的主要研究目的为保证产品的可靠性和可用性、延长使用寿命、降低维修费用、提高产品的用效益。现

3、代科学技术和工业以惊人的速度向前发展，产品产量、参数的提高，使用条件的苛刻以及大量新技术、新工艺、新材料的应用，使产品可靠性问题日益突出，可靠性已经不仅影响产品的性能，而且关系到一个国家的经济发展和安全稳定，成为当今人们致力研究的对象。2.我国机械设备可靠性现状可靠性问题只是在第二次世界大战前后，才真正开始受到重视。从 50 年代至今，可靠性理论这门新兴学科以惊人的速度发展着，各方面都已积累了丰富的经验。我国机械工业底子薄，上世纪七八十年代不少大型成套设备和精密自动化设备不能自行设计制造。产品可靠性差、能耗高，有效寿命多数只相当先进国家相应产品的1/3-1/2。改革开放以来，特别是我国加入WT

4、O之后，极大地促进了我国机械工业的进步。机械产品的设计和制造水平不断提高，出口额不断增大。但困扰我国机械产品参与国内外竞争的主要因素仍然是产品的可靠性差。主要表现：目前国民经济和产业化所需装备近2/3依赖进口；机械制造业典型产品的技术来源57%依靠国外；仪表、气液元件、低压电器等的平均无故障工作时间低于国外同类产品一至两个数量级；拖拉机和工程机械的平均无故障工作时间是国外的1/2-1/3， 甚至1/10； 国产越野车的无故障里程在380-800km,而进口车却为28000km,；国产仪表和日本仪表在同样工作条件下，故障率是9:1。诸多类似的事例导致用户提出“宁愿牺牲先进性，也要保证可靠性”的要

5、求，许多用户抱怨国产机电产品是买得起，修不起。由于可靠性问题，加剧了机电产品出口出不去，进口挡不住的局面。可靠性严重制约了我国机械工业的快速发展，影响到我国机械工业的声誉。可靠性工程的诞生、发展是社会的需要，与科学技术的发展，尤其与电子技术的发展是分不开的。虽然可靠性工程起源于军事领域，但从它的推广应用和给企业与社会带来的巨大经济效益的事实中，人们更加认识到提高产品可靠性的重要性。世界各国纷纷加大研究投入的力度，并在更广泛的领域里推广应用。二.设备与产品的可靠性分析1.可靠性的概念产品、系统在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力称为可靠性。这里的产品可以泛指任何系统、设备和元器件。产

6、品可靠性定义的要素是三个“规定”：“规定条件”、“规定时间”和“规定功能”。“规定条件”包括使用时的环境条件和工作条件；例如同一型号的汽车在高速公路和在崎岖的山路上行驶，其可靠性的表现就不大一样，要谈论产品的可靠性必须指明规定的条件是什么。“规定时间”是指产品规定了的任务时间；随着产品任务时间的增加，产品出现故障的概率将增加，而产品的可靠性将是下降的。因此，谈论产品的可靠性离不开规定的任务时间。例如，一辆汽车在在刚刚开出厂子，和用了5年后相比，它出故障的概率显然小了很多。“规定功能”是指产品规定了的必须具备的功能及其技术指标。所要求产品功能的多少和其技术指标的高低，直接影响到产品可靠性指标的高

7、低。例如，电风扇的主要功能有转叶，摇头，定时，那么规定的功能是三者都要，还是仅需要转叶能转能够吹风，所得出的可靠性指标是大不一样的。机械可靠性是指机械产品在规定的使用条件下、规定的时间内完成规定功能的能力。由于工程材料特性的离散性以及测量、加工、制造和安装误差等因素的影响，使机械产品的系统参数具有固有的不确定性，因此考虑这种固有随机性的可靠性设计技术至关重要。可靠性分类如图2-1所示。图2-1 机械产品可靠性分类2.可靠性的要素可靠性包含了耐久性、可维修性、设计可靠性三大要素。耐久性：产品使用无故障性或使用寿命长就是耐久性。例如，当空间探测卫星发射后，人们希望它能无故障的长时间工作，否则，它的

8、存在就没有太多的意义了，但从某一个角度来说，任何产品不可能100%的不会发生故障。可维修性：当产品发生故障后，能够很快很容易的通过维护或维修排除故障，就是可维修性。像自行车、电脑等都是容易维修的，而且维修成本也不高，很快的能够排除故障，这些都是事后维护或者维修。而像飞机、汽车都是价格很高而且非常注重安全可靠性的要求，这一般通过日常的维护和保养，来大大延长它的使用寿命，这是预防维修。产品的可维修性与产品的结构有很大的关系，即与设计可靠性有关。设计可靠性：这是决定产品质量的关键，由于人机系统的复杂性，以及人在操作中可能存在的差错和操作使用环境的这种因素影响，发生错误的可能性依然存在，所以设计的时候

9、必须充分考虑产品的易使用性和易操作性，这就是设计可靠性。一般来说，产品的越容易操作，发生人为失误或其他问题造成的故障和安全问题的可能性就越小；从另一个角度来说，如果发生了故障或者安全性问题，采取必要的措施和预防措施就非常重要。例如汽车发生了碰撞后，有气囊保护。3.可靠性评价指标可靠性是一项重要的质量指标，只是定性描述就显得不够，必须使之数量化，这样才能进行精确的描述和比较。可靠性的定量表示有其自己的特点，由于使用场合的不同，很难用一个指标来完全进行评价。1) 可靠度：指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率；一般记为R，是时间的函数，记为Rt称为可靠度函数，其中f(t)为概率密度

10、。Rt=P(Tt) = tf(t)dt2) 失效概率:产品在规定的条件下和规定的时间内未完成规定功能的概率，也称为不可靠度，记为F或F(t)。Ft=1-Rt=P(Tt) = -tf(t)dt3）失效率是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。一般记为，它也是时间t的函数，故也记为(t)，称为失效率函数，有时也称为故障率函数或风险函数。按上述定义，失效率是在时刻t尚未失效产品在t+t的单位时间内发生失效的条件概率。即它反映t时刻失效的速率，也称为瞬时失效率,失效率的数学表达式为：t=limt0P(tt)t3）失效率曲线：即浴盆曲线，浴盆曲线是指产品从投入到报废为止的整个寿

11、命周期内，其可靠性的变化呈现一定的规律。曲线的形状呈两头高，中间低，有些像浴盆，所以称为“浴盆曲线”。该曲线具有明显的阶段性，可划分为三个阶段：早期故障期，偶然故障期，严重故障期。如果取产品的失效率作为产品的可靠性特征值，它是以使用时间为横坐标，以失效率为纵坐标的一条曲线，如图2-2所示。图2-2 失效率曲线第一阶段是早期失效期(Infant Mortality)：表明产品在开始使用时,失效率很高,但随着产品工作时间的增加,失效率迅速降低，这一阶段失效的原因大多是由于设计、原材料和制造过程中的缺陷造成的。为了缩短这一阶段的时间，产品应在投入运行前进行试运转，以便及早发现、修正和排除故障；或通过

12、试验进行筛选，剔除不合格品第二阶段是偶然失效期，也称随机失效期(Random Failures)：这一阶段的特点是失效率较低，且较稳定，往往可近似看作常数，产品可靠性指标所描述的就是这个时期，这一时期是产品的良好使用阶段, 偶然失效主要原因是质量缺陷、材料弱点、环境和使用不当等因素引起。第三阶段是耗损失效期(Wearout)：该阶段的失效率随时间的延长而急速增加, 主要由磨损、疲劳、老化和耗损等原因造成。4.失效机械产品的主要质量标志是功能、寿命、重量/容量比、经济、安全和外观, 其中功能是首要的, 产品丧失规定的功能(这里不仅指完全丧失,亦包括功能的降低) 称为失效(对于可修复的产品通常称为

13、故障)。机械产品常见的失效形式如图2-3所示。图2-3 机械产品的常见失效形式5.可靠性分析可靠性分析是指综合运用概率论与数理统计学、材料和结构学、故障物理学等科学知识, 研究和度量机械产品在规定时间内和规定条件下完成规定功能的能力的整个过程。通过可靠性分析可以预测机械产品期望的可靠性, 可以进行比较研究, 找出并排除薄弱环节。按照本质属性, 可靠性可分为固有可靠性和使用可靠性两类； 在机械产品研发过程中, 也可针对具体的极限状态和失效模式进行可靠性分类, 并考虑失效模式间的相关性, 综合进行可靠性分析与设计。6.可靠性试验6.1 可靠性试验概念及分类一个复杂的机械产品(如汽车)通常由零件(如

14、齿轮)、部件组(如带轴承支架)、子系统( 如带主动轮)、设计组(如变速箱)和功能载体(如传动总成)等功能单元逐步组装而成。通过可靠性试验可以发现产品的设计、零部件、原材料、安装与工艺等方面的缺陷,可以提供改善产品的完整性、提高任务完成率、减少保障与维修费用的信息,可以确认产品是否符合可靠性设计的定量要求。可靠性试验是为了保证产品在规定的寿命期间内，在预期的使用、运输或储存等所有环境下，保持功能可靠性而进行的活动。是将产品暴露在自然的或人工的环境条件下经受其作用，以评价产品在实际使用、运输和储存的环境条件下的性能，并分析研究环境因素的影响程度及其作用机理。通过使用各种环境试验设备模拟气候环境中的

15、高温、低温、高温高湿以及温度变化等情况，加速反应产品在使用环境中的状况，来验证其是否达到在研发、设计、制造中预期的质量目标，从而对产品整体进行评估，以确定产品可靠性寿命。可靠性试验的目的是：发现产品在设计、材料和工艺等方面的各种缺陷，经分析和改进，使产品可靠性逐步得到增长，最终达到预定的可靠性水平；为改善产品的战备完好性、提高任务成功率、减少维修保障费用提供信息；确认是否符合规定的可靠性定量要求。按试验目的可分为工程试验和统计试验两类：工程试验的目的是暴露产品的可靠性薄弱环节并采取纠正措施加以排除（或使其故障率低于允许水平）。这种试验由承制方进行，以研制样机为受试产品。统计试验的目的是在一定的

16、置信度要求下，验证产品的可靠性是否达到规定的定量要求。统计试验一般有经认可的第三方实验室负责完成，受试单位事先必须经订购方批准。图2-4 可靠性试验的步骤和分类6.2 产品寿命试验评价和分析产品寿命特征的试验称为寿命试验。对于大部分电子产品，寿命是最主要的一个可靠性特征量。因此，可靠性试验往往指的就是寿命试验。寿命试验可分为非工作状态的存储寿命试验和工作状态的工作寿命试验两类。为了缩短试验周期、减少样品数量和试验费用，常常采用加速寿命试验。在不改变产品的失效机理和增添新的失效因子的前提下，提高试验应力（相对于工作状态的实际应力或产品的额定承受应力），以加速产品的失效过程。根据试验中应力施加方式

17、的不同，又可分为：在试验过程中应力保持不变的恒定应力加速寿命试验；试验过程中应力逐级步进式增加的步进应力加速寿命试验；试验过程中应力连续增加的序进应力加速寿命试验。由于寿命试验费时较多，通常不待受试样品全部失效就要结束，即大部分寿命试验都是截尾试验。根据试验截尾方式(固定试验时间或固定试验中失效样品数)和受试样品失效后有无替换，寿命试验可分为四种：无替换定时截尾试验；有替换定时截尾试验；无替换定数截尾试验；有替换定数截尾试验。在电子产品寿命试验中，最常用的寿命分布为指数分布、威布尔分布和对数正态分布。寿命试验的设计方案流程如图2-5所示：三.结论与展望我国在可靠性诊断分析研究方面，已经注意到了

18、可靠性分析的重要性，也采取了一些管理措施和技术，取得了较为显著的成果。从产品的可靠性设计到可靠性分析以及可靠性试验，可以发现产品的设计、零部件、原材料、安装与工艺等方面的缺陷,可以提供改善产品的完整性、提高任务完成率、减少保障与维修费用的信息,可以确认产品是否符合可靠性设计的定量要求，取得更大的经济效益。参考文献1 高社生，张玲霞. 可靠性理论与工程应用M.北京：国防工业出版社，2002.82 明顺平，李晓霞. 汽车可靠性理论M.北京：机械工业出版社，2002.123 王增全，王正. 车用涡轮增压器结构可靠性M.北京：科学出版社，20134 郭永基. 可靠性工程原理M.北京：清华大学出版社，2002.15 王文静. 可靠性工程基础M.北京：北京交通大学出版社，2012.126 刘混举. 机械可靠性设计M.北京：科学出版社，20127 张维竞. 舰船动力装置故障诊断与可靠性M.上海：上海交通大学出版社，20128 刘斯明. 浅谈我国机械设备的可靠性研究J.中国设备工程，2006.05:6-89 张义民，孙志礼.机械产品的可靠性大纲J.机械工程学报，2014，50(14):14-2010 张义民. 机械可靠性设计的内涵与递进J.机械工程