機(jī)電設(shè)備可靠性考核試驗步驟分析

孫林凱

(海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031)

維修理論

機(jī)電設(shè)備可靠性考核試驗步驟分析

孫林凱

(海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031)

機(jī)電設(shè)備可靠性鑒定試驗是武器裝備定型的重要組成部分，機(jī)電設(shè)備可靠性試驗缺乏明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，復(fù)雜設(shè)備可靠性試驗考核受到時間和經(jīng)費的制約，機(jī)電設(shè)備的形式多樣很難有統(tǒng)一的考核方法。文章通過分析關(guān)鍵可靠性單元對設(shè)備可靠性影響，提出了可簡化設(shè)備的可靠性考核方案，給出了機(jī)電設(shè)備可靠性試驗考核的基本步驟，為機(jī)電設(shè)備的可靠性試驗考核提供參考思路。

機(jī)電設(shè)備；可靠性試驗；浴盆曲線；定時截尾試驗

新設(shè)計的機(jī)電設(shè)備一般需要進(jìn)行可靠性鑒定試驗，完成可靠性考核才能正式使用，可靠性鑒定試驗是武器裝備定型試驗的重要組成部分，進(jìn)行可靠性鑒定試驗也是驗證武器裝備的可靠性是否達(dá)到研制總要求和研制合同中規(guī)定的指標(biāo)的重要途徑，試驗結(jié)論是產(chǎn)品設(shè)計定型的依據(jù)之一。

GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗收試驗》是目前武器裝備進(jìn)行可靠性鑒定試驗的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)提供了服從指數(shù)分布的可靠性鑒定試驗統(tǒng)計方案。統(tǒng)計方案的選擇是基于設(shè)備故障率服從指數(shù)分布的情況，然而很多機(jī)電設(shè)備的故障率并不服從指數(shù)分布。

機(jī)械設(shè)備的種類、形式、結(jié)構(gòu)千差萬別，各自完成可靠性考核的方法也各不相同，復(fù)雜的大型設(shè)備可靠性試驗的費用十分昂貴，有些設(shè)備的設(shè)計壽命幾萬小時，可靠性試驗只做1 000 h，不能考核設(shè)備的真實壽命，只能解決設(shè)備早期故障的問題[1]。有些設(shè)備存在明顯的薄弱環(huán)節(jié)，故障多集中在這些環(huán)節(jié)，解決這些關(guān)鍵部套件的可靠性問題，又受到現(xiàn)階段技術(shù)制造水平的制約。有些設(shè)備是在不斷的腐蝕和老化中失效，在研制階段進(jìn)行的可靠性試驗也只是在有限時間內(nèi)進(jìn)行，不能反映出這些設(shè)備的真實可靠性。

本文通過對設(shè)備可靠性的分析，力求找到一個切實可行的考核步驟，為裝備可靠性考核工作提供借鑒。

1 機(jī)電設(shè)備可靠性分析

1.1 薄弱部套件對機(jī)電設(shè)備可靠性影響分析

機(jī)電設(shè)備往往存在薄弱的環(huán)節(jié)，設(shè)備故障容易在該環(huán)節(jié)出現(xiàn)，復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備是由很多單元串聯(lián)組成。

對于串聯(lián)系統(tǒng)整個設(shè)備的可靠性R為：

(1)

式中：R為設(shè)備可靠性；Ri為第i個單元的可靠性。

表1為某機(jī)電設(shè)備單元可靠性的指標(biāo)。

表1 某機(jī)電設(shè)備單元的可靠性指標(biāo) h

由表1中的數(shù)據(jù)可知，第4個單元為整個設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)，計算設(shè)備的平均故障間隔時間(MTBF)為：

(2)

式中：MTBF為設(shè)備的平均故障間隔時間，h；MTBFi為第i個單元的平均故障間隔時間,h。

通過分別提高每個單元的平均故障間隔時間，來計算設(shè)備的平均故障間隔時間，從而分析每個單元可靠性對設(shè)備可靠性的影響。具體公式為：

(3)

式中：Ai為第i個單元增加的平均故障間隔時間，h,當(dāng)分析第i個單元時，Ai變化，其余的平均故障間隔時間不變。計算得到數(shù)據(jù)見表2。

表2 單元可靠性提高對設(shè)備可靠性的影響 h

根據(jù)表2繪制圖形如圖1所示。從圖1中可以看出，各個單元可靠性對設(shè)備的影響有很大的區(qū)別，單元4對設(shè)備可靠性影響最大，單元5對設(shè)備可靠性的影響最小。因為單元4的可靠性不高，平均故障間隔時間最小，因此單元4是制約設(shè)備可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該單元可靠性的改善可以大幅提高設(shè)備的可靠性，而單元5本身可靠性較高，該單元可靠性的提高對設(shè)備的可靠性貢獻(xiàn)不大，因此在可靠性考核中更應(yīng)該關(guān)注機(jī)電設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)。

圖1 單元可靠性提高對設(shè)備可靠性的影響

1.2 可簡化的機(jī)電設(shè)備單元可靠性考核

機(jī)電設(shè)備的單元如果能夠簡化并通過試驗臺架的設(shè)計進(jìn)行長時間的可靠性考核，就可以借鑒GJB 899A—2009中設(shè)備可靠性考核的方法，采用定時截尾試驗的方法對設(shè)備進(jìn)行考核。

定時截尾試驗[2]是指事先規(guī)定一個試驗時間，當(dāng)試驗達(dá)到所規(guī)定的時間就停止。假設(shè)在一批數(shù)量為N的產(chǎn)品中，任意抽取數(shù)量為n的樣本，規(guī)定試驗截止時間為T0。進(jìn)行可靠性試驗，設(shè)出現(xiàn)故障的序號為r，記錄第r個故障發(fā)生的時刻Tr，如果到規(guī)定的截止時刻T0還沒有出現(xiàn)r個故障，即Tr≥T0，則判定可靠性試驗合格或接收；如果在規(guī)定的試驗截止時間T0以前，已出現(xiàn)r個故障，即Tr

在不同的決策風(fēng)險和鑒別比下，可靠性試驗的時間有很大的區(qū)別，試驗時間較少時會承擔(dān)較大的決策風(fēng)險，即增大了接受不合格產(chǎn)品和拒收合格產(chǎn)品的風(fēng)險。

機(jī)電設(shè)備的可靠性單元如果能夠在時間和費用上允許的情況下，且設(shè)計了較好的試驗方法，就應(yīng)該盡量采用決策風(fēng)險較小的方案，對設(shè)備的可靠性單元進(jìn)行充分的考核驗證。

1.3 磨損腐蝕失效型設(shè)備的可靠性分析

對于有些機(jī)電設(shè)備是在不斷的磨損、腐蝕、老化中失效，故障率表現(xiàn)為浴盆曲線，如圖2所示。

圖2 故障率浴盆曲線

設(shè)備的故障分為早期失效期、偶然失效期、耗損失效期，對于機(jī)電設(shè)備的可靠性考核往往受制于時間和經(jīng)費等條件的限制，開展可靠性考核試驗不可能將設(shè)備運(yùn)行進(jìn)入耗損失效期，而只能將設(shè)備運(yùn)行進(jìn)入穩(wěn)定的偶然失效期，可靠性考核并不能說明設(shè)備的壽命，但可靠性考核能夠解決由于設(shè)計錯誤、工藝缺陷、裝配或生產(chǎn)質(zhì)量問題等早期故障。

對于這些類型的機(jī)電設(shè)備，可靠性考核不是針對設(shè)備的壽命進(jìn)行考核，而是解決設(shè)備的早期故障，使設(shè)備進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行期。

2 可靠性考核思路

2.1 復(fù)雜機(jī)電設(shè)備可靠性單元分解

對復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備做系統(tǒng)的可靠性試驗，要花費較大的人力財力，如果故障出現(xiàn)在不同的可靠性單元，且又受到系統(tǒng)可靠性試驗時間的限制，并不能充分驗證單個單元的可靠性，對于系統(tǒng)可靠性考核鑒定也并無實際意義。因此對復(fù)雜機(jī)械設(shè)備進(jìn)行可靠性單元的分解十分重要，將設(shè)備分解成獨立的可靠性單元，分解的原則應(yīng)該是有利于單元可靠性試驗的設(shè)計，設(shè)計相應(yīng)的可靠性試驗的臺架，花費較少的時間和財力對單元可靠性進(jìn)行考核。對于一般的機(jī)械設(shè)備，設(shè)計人員基本能夠清楚整個設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)，而薄弱環(huán)節(jié)對設(shè)備的可靠性影響巨大，對這些環(huán)節(jié)的單獨考核驗證，花費較少，更能說明整個設(shè)備的可靠性。

2.2 關(guān)鍵部套件可靠性試驗

對于機(jī)電設(shè)備的單個可靠性單元，對關(guān)鍵部套件的可靠性驗證十分重要，因此需要設(shè)計關(guān)鍵部套件可靠性試驗的臺架。較小的部套件可以生產(chǎn)多個相同設(shè)備連續(xù)進(jìn)行試驗，可以借鑒GJB 899A—2009中定時截尾試驗的方法，設(shè)置接受和拒收的條件，全面對該部套件進(jìn)行考核。只有單個設(shè)備做可靠性試驗時，應(yīng)該安排足夠次數(shù)或時間的考核試驗，若以次數(shù)為壽命的設(shè)備，應(yīng)設(shè)計能夠連續(xù)動作且能自動記錄次數(shù)的試驗臺架，如某電磁換向閥門，可用液壓和電力進(jìn)行幾萬次的換向試驗。

2.3 早期故障可靠性試驗驗證

很多機(jī)電設(shè)備在研制過程中只生產(chǎn)一臺樣機(jī)，且某些可靠性單元的失效模式為不斷的磨損和腐蝕，可靠性也較高，短時間的可靠性試驗根本無法驗證設(shè)備的可靠性，只能解決設(shè)備早期故障，對于這類設(shè)備可靠性試驗的考核也沒有必要嚴(yán)格按照統(tǒng)計學(xué)的算法去考核設(shè)備的可靠性，因為根本就沒有足夠的資金和時間去長時間的考核。但驗證設(shè)備早期的可靠性也十分重要，可以驗證設(shè)備由于安裝、生產(chǎn)制造、明顯的設(shè)計缺陷所造成的故障，對設(shè)備進(jìn)行500 h或1 000 h的可靠性考核試驗，盡管不能真正驗證設(shè)備的可靠性指標(biāo)，但能夠很大程度上解決設(shè)備的早期故障，使設(shè)備進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。

2.4 機(jī)電設(shè)備后期可靠性數(shù)據(jù)收集

很多機(jī)電設(shè)備在出廠時所做的運(yùn)行試驗、可靠性試驗，在理論上并不能作為驗證其可靠性的依據(jù)，因此軍代表對設(shè)備的可靠性的考核不能在設(shè)備出廠后就結(jié)束，而必須要求關(guān)注設(shè)備在使用過程中的可靠性數(shù)據(jù)，通過使用過程的可靠性數(shù)據(jù)對設(shè)備的最終的可靠性進(jìn)行考核。機(jī)關(guān)可以將合同中部分經(jīng)費留作可靠性數(shù)據(jù)收集以及可靠性評估的專用經(jīng)費，軍代表對設(shè)備生產(chǎn)單位是否完成可靠性數(shù)據(jù)和評估工作進(jìn)行監(jiān)督，完成對裝備最終的可靠性考核，從而督促廠所重視可靠性數(shù)據(jù)收集工作，通過對數(shù)據(jù)的分析找到提高設(shè)備可靠性的改進(jìn)方向。

3 可靠性考核步驟

根據(jù)機(jī)電設(shè)備可靠性的特點，以及關(guān)鍵可靠性單元對設(shè)備可靠性影響的分析，參考電子設(shè)備，依據(jù)統(tǒng)計理論的可靠性考核方法，給出了機(jī)電設(shè)備可靠性考核的思路和步驟，具體步驟如圖3所示。

圖3 可靠性考核步驟

第一步：對整個設(shè)備，進(jìn)行可靠性單元分解，盡可能分解為多個獨立的可靠性單元，并且有利于可靠性試驗設(shè)計。

第二步：可靠性單元分析，判斷可靠性單元進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)的可靠性驗證的可行性分析。

第三步：單元可靠性試驗設(shè)計，并不是所有的單元都可以設(shè)計出合理有效的試驗方法，對于可以簡化的單元，進(jìn)行可靠性試驗設(shè)計，對于不易試驗的單元，進(jìn)行早期的可靠性驗證。

第四步：可簡化的單元進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)的可靠性評估，采用風(fēng)險較小的試驗方案對單元可靠性進(jìn)行充分驗證。

第五步：這個設(shè)備早期可靠性驗證，通過有限的試驗，使設(shè)備進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行期。

第六步：后期可靠性數(shù)據(jù)收集，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行

考核評估，從而找到設(shè)備可靠性改進(jìn)的方向。

4 結(jié)束語

由于設(shè)備本身的特點，很難對機(jī)電設(shè)備可靠性用統(tǒng)一的考核方法，單單做1 000 h的考核試驗，并不能充分考核關(guān)鍵可靠性單元，由于可靠性考核費用巨大，也很難承受長時間的考核。筆者通過分析關(guān)鍵可靠性單元對設(shè)備可靠性影響，指出要重點考核關(guān)鍵可靠性單元，針對機(jī)電設(shè)備的故障率浴盆曲線，且綜合考慮可靠性費用等因素，提出通過早期失效考核的辦法，使設(shè)備進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行期，并通過后期的可靠性數(shù)據(jù)的收集充分考核設(shè)備的可靠性，為設(shè)備的可靠性設(shè)計提供思路。并通過可靠性考核的幾個關(guān)鍵步驟來保證機(jī)電設(shè)備可靠性考核的有效性，為裝備可靠性考核工作提供借鑒，為機(jī)關(guān)決策提供思路。

[1] 何正嘉，曹宏瑞，訾艷陽，等.機(jī)械設(shè)備運(yùn)行可靠性評估的發(fā)展與思考[J].機(jī)械工程學(xué)報，2014，50(2)：171-186.

[2] 劉美玉，張永慶，路靖.定時截尾與序貫截尾可靠性試驗方案分析比較[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2008，22(3)：13-16.

Mechanical and electrical equipment reliability evaluation test is an important part of qualification test.It’s difficult to form unified assessment methods for such reliability evaluation test because of multitypes of mechanical and electrical equipment,and complex tests under the restriction of time and money.In this article,the influence of the key unit is analyzed to the equipment reliability.Some reliability evaluation schemes are put forward,which can make tests simplified,together with the basic steps.It provides reference for the reliability evaluation test of mechanical and electrical equipment.

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孫林凱(1984-)，男，河北晉州人，工程師，博士，研究方向為設(shè)備可靠性。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.06.015

2016-06-28