制造裝備可靠性及可靠性分析

夏志偉 岳云 紀(jì)偉

摘要：本文主要介紹了研究裝備可靠性分析的目的和意義，以及我國(guó)裝備的可靠性現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：裝備；可靠性；可靠性分析

中圖分類號(hào)：TB114.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6487 （2018） 01-0033-03

1 緒論

1.1 可靠性分析的目的和意義

可靠性分析就是要控制裝備的失效，在裝備全壽命過(guò)程中同故障（失效）做斗爭(zhēng)，研究裝備故障的發(fā)生、發(fā)展，故障發(fā)生后的修理、保障，以及如何預(yù)防故障的發(fā)生、直到消滅故障的規(guī)律[1]。其目的是提高裝備的完好性和任務(wù)的成功性、減少維修保障開支。

1.2我國(guó)裝備可靠性現(xiàn)狀

我國(guó)的可靠性工作起始于20世紀(jì)50年代末期，但因?yàn)榉N種條件，我國(guó)可靠性分析并沒有專門進(jìn)行研究，不具備相應(yīng)人才儲(chǔ)備和學(xué)科研究，后期在一系列問題之后，我們才知道可靠性的重要性，才開始發(fā)展可靠性研究并使其步入正軌。20世紀(jì)80年代，我國(guó)的各種可靠性研究才迅速發(fā)展。但是，可靠性技術(shù)的應(yīng)用還不廣泛，但隨著國(guó)力增強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我們開始有能力有條件的發(fā)展可靠性研究，并且可靠性研究還給我們帶來(lái)了重大利好，國(guó)家繼續(xù)加大力度增加在可靠性方向的研究，如重點(diǎn)元器件的可靠性上。

為了跨進(jìn)國(guó)際市場(chǎng)，得到更多用戶的使用和認(rèn)可，不僅要求裝備有好的性能，還要求裝備有更高的可靠性水平，這是裝備的最基本要求，也是裝備的核心競(jìng)爭(zhēng)力，是設(shè)備得到用戶認(rèn)可的先決條件，是我們?cè)O(shè)備逐步走出國(guó)門的必由之路。我國(guó)的裝備制造業(yè)要想逐步擺脫廉價(jià)、低端的標(biāo)簽，獲得高端市場(chǎng)的青睞，裝備制造的可靠性研究是不可或缺的。

2 裝備的可靠性分析

2.1 可靠性的概念

系統(tǒng)可靠性一般是指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、規(guī)定條件下，系統(tǒng)完成規(guī)定功能的能力。完成指定功能的能力又可以表述為一定概率，這種概率就叫可靠度。可靠性定義的因素是3個(gè)基本內(nèi)容：規(guī)定時(shí)間、規(guī)定條件和規(guī)定功能。（1）規(guī)定時(shí)間：可靠性定義的核心。可靠性是裝備的時(shí)間質(zhì)量指標(biāo)，是表示質(zhì)量能維持多長(zhǎng)的時(shí)間，離開時(shí)間可靠性就無(wú)從談起。可靠度一般隨時(shí)間增加而減小。可靠度R（t）為時(shí)間函數(shù)，R （t）隨時(shí)間增加減小[2]。（2）規(guī)定條件：可靠性比較的前提。可靠度的大小隨規(guī)定條件的不同而不同。不規(guī)定具體條件，就失去可靠性比較的前提。這種條件包括廣泛的含義包括但不限于環(huán)境條件、動(dòng)力條件、負(fù)載條件等等。條件規(guī)定不同，可靠度大小就截然不同。脫離具體規(guī)定談可靠性毫無(wú)意義可言。（3）規(guī)定功能：可靠性的實(shí)質(zhì)。功能是反映裝備的技術(shù)性能和質(zhì)量的指標(biāo)，它反映裝備所能完成的任務(wù)以及各種參數(shù)性能指標(biāo)。不同的裝備完成的功能不同。失效的準(zhǔn)確判斷與規(guī)定功能的清晰認(rèn)識(shí)密切相關(guān)。裝備可靠性指標(biāo)的高低受裝備功能的多少和其技術(shù)指標(biāo)的高低的影響。

2.2可靠性的特性

可靠性主要有三大特性，即耐久性、可維修性、設(shè)計(jì)可靠性[3]。

耐久性：長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障或者可以長(zhǎng)時(shí)間使用可以表述為耐久性。通常來(lái)說(shuō)，裝備是不可能純?cè)诹愎收系目赡苄浴?/p>

可維修性：由于裝備不能存在100%的無(wú)故障率，一旦裝備產(chǎn)生故障，我們要能夠迅速而且方便快捷的完成設(shè)備故障的排除，使其正常使用，這就是可維修性。當(dāng)然這種可維修性是基于裝備的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和加工的一致性來(lái)保證，即裝備制造的可靠性。

設(shè)計(jì)可靠性：這是裝備制造質(zhì)量的根本，可靠性設(shè)計(jì)是維持一臺(tái)裝備正常工作的基本條件，是基礎(chǔ)，如果基礎(chǔ)不牢的話，任何上層建筑都是處于危險(xiǎn)狀態(tài)無(wú)論你對(duì)上層怎么保護(hù)和維護(hù)，都不能根本解決這種危險(xiǎn)的存在。人機(jī)系統(tǒng)的本身具備很高復(fù)雜性，對(duì)于同一種裝備，不同的操作人員很可能采取不同操作方式，加之復(fù)雜環(huán)境的影響，設(shè)備出現(xiàn)故障的可能性會(huì)大大提高，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)裝備的開始，就必須考慮可靠性在設(shè)備中的必要性，是設(shè)備具備簡(jiǎn)易性和防呆操作，使其在任何條件下能具備同樣的生產(chǎn)模式，這就是設(shè)備的設(shè)計(jì)可靠性。通常來(lái)說(shuō)，操作越少越簡(jiǎn)單，發(fā)生操作失誤的可能性就越小，這就避免了由于人為造成的裝備故障，提高了裝備的生產(chǎn)能力和安全性。或者說(shuō)這種可靠性的設(shè)計(jì)，是提前預(yù)防可能造成的故障的各種問題而再設(shè)計(jì)中引入的各種措施。

2.3可靠性評(píng)價(jià)

可靠性是一項(xiàng)質(zhì)量的重要指標(biāo)，僅僅定性描述就顯然不夠，必須使之形成數(shù)量化，這樣才能進(jìn)行精確的描述和比較。可靠性的定量表示有其自己的特點(diǎn)，由于使規(guī)定條件不同，很難用一個(gè)固定的指標(biāo)進(jìn)行完全的評(píng)價(jià)。

2.3.1 可靠度

可靠度指裝備在特定的時(shí)間并指定工作條件，完成裝備設(shè)計(jì)目標(biāo)的概率；通常用R來(lái)表示。

其中：，（t）一一概率密度，T——裝備發(fā)生故障（失效）的時(shí)間，t——規(guī)定時(shí)間。

當(dāng)t=0時(shí)，R（O） =1； t=oo時(shí)，R（oo）=O。

2.3.2失效概率

裝備在特定的時(shí)間并指定工作條件，不能完成裝備設(shè)計(jì)目標(biāo)的概率概率，也稱為不可靠度，通常用F或F（t）。

2.3.3失效率

是指在指定時(shí)刻t正常工作的裝備，在該時(shí)刻后指定的時(shí)間內(nèi)發(fā)生設(shè)備故障的概率，也稱為瞬時(shí)失效率。通常為λ，是一個(gè)時(shí)間系數(shù)的函數(shù)，記為λ（t）稱為失效率函數(shù)。

失效率曲線：即浴盆曲線，是指裝備在整個(gè)生命周期（開始生產(chǎn)一最終報(bào)廢）內(nèi)可靠性表現(xiàn)出的一定規(guī)律。如果取裝備的失效率作為裝備的可靠性特征值，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。曲線的呈兩頭高，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3個(gè)階段：早期故障期，偶然故障期，嚴(yán)重故障期。

MTTF和MTBF：對(duì)于不可維護(hù)的裝備來(lái)說(shuō)，其平均壽命統(tǒng)計(jì)方法是從裝備正式投入生產(chǎn)開始直至裝備最終失效的時(shí)間的均值，也稱平均失效前時(shí)間，記以MTTF，它是英文（Mean Time To Failure）的縮寫。假設(shè)我們有Ⅳn個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品在相同的特定條件下進(jìn)行失效實(shí)驗(yàn)（均為不可修復(fù)的裝備），測(cè)得其全部失效時(shí)間為tl，t2，…tN。。其平均失效前時(shí)間（MTTF）為：

由于對(duì)不可修復(fù)的裝備，失效時(shí)間即是裝備的壽命，故MTTF也為平均壽命。

對(duì)可維修裝備而言，出現(xiàn)一次故障之后的到下一次故障之前的時(shí)間的均值，稱平均故障間隔時(shí)間，通常稱平均無(wú)故障工作時(shí)間，用MTBF記之，它是英文（Mean Time Between Failures）的縮寫。

假設(shè)我們有一個(gè)測(cè)試裝備，在相同的環(huán)境下特定的條件下進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)試（可修復(fù)設(shè)備），在這一個(gè)過(guò)程中一共出現(xiàn)了Ⅳn次故障，故障排除后可以進(jìn)行繼續(xù)生產(chǎn)，把每次生產(chǎn)的時(shí)間記為t1，t2，…tn，其平均故障間隔時(shí)間MTBF為：

當(dāng)裝備的壽命服從指數(shù)分布時(shí)，裝備的故障率為常數(shù)λ，則MTBF=MTTF=l/λ。

2.3.4維修性指標(biāo)

平均維修時(shí)間，相對(duì)于可維修裝備而言，每次出現(xiàn)故障開始到故障維修結(jié)束的時(shí)間的平均值，即維修設(shè)備所花費(fèi)時(shí)間的平均值。記以MTTR，它是英文（Mean Time To Repair）的縮寫。

其中：m（t）是指故障排除時(shí)間的概率密度函數(shù)，對(duì)應(yīng)可靠性的失效概率密度函數(shù)。

維修度（對(duì)應(yīng)可靠度）M（t）：指在特定環(huán)境下制定條件使用的裝備，采用制定的維修方式規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，把故障設(shè)備維修好或者恢復(fù)到使用狀態(tài)的概率。修復(fù)率μ（t）（對(duì)應(yīng)失效率）：定義為已經(jīng)進(jìn)行一段時(shí)間的修理，但是裝備未達(dá)到使用狀態(tài)，但是在該時(shí)刻之后，裝備能夠修復(fù)到使用狀態(tài)的概率。

可維修裝備的有效度A，它表示設(shè)備處于完好狀態(tài)的概率：

2.4可靠性設(shè)計(jì)

可靠性設(shè)計(jì)包括規(guī)定定性定量的可靠性要求，建立可靠性模型，可靠性分配，可靠性預(yù)計(jì)，可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，耐環(huán)境設(shè)計(jì)，元器件選用與控制，電磁兼容設(shè)計(jì)和降額設(shè)計(jì)余熱設(shè)計(jì)等等。

2.4.1 可靠性模型

裝備的可靠性模型可分為串聯(lián)模型和并聯(lián)模型。

（1）串聯(lián)模型：組成系統(tǒng)的所有單元中任一單元的失效就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效的邏輯關(guān)系。其數(shù)學(xué)模型為：

（2）并聯(lián)模型：組成系統(tǒng)的所有單元都失效時(shí)系統(tǒng)才失效的邏輯關(guān)系。其數(shù)學(xué)模型為：

2.4.2可靠性分配

可靠性分配是指在設(shè)計(jì)階段，將裝備的可靠性定量要求按規(guī)定的準(zhǔn)則分配到規(guī)定的裝備層次的過(guò)程。

首先采用評(píng)分分配法為故障率進(jìn)行評(píng)分。評(píng)分分配法：首先為故障率分配參數(shù)，需考慮的四種影響因素：復(fù)雜度由高到低評(píng)為10～1分；技術(shù)成熟度由高到低評(píng)為1～10分；重要度高到低評(píng)為1分～10分；環(huán)境條件由好到差評(píng)為1～10分。

再采用比例分配法進(jìn)行計(jì)算。分配給第i個(gè)分系統(tǒng)的故障率^，為：

其中：Ci：第i個(gè)分系統(tǒng)的評(píng)分系數(shù)；λi：系統(tǒng)規(guī)定的故障率指標(biāo)。

2.4.3可靠性預(yù)計(jì)

可靠性預(yù)計(jì)就是根據(jù)裝備各組成部分的可靠性預(yù)測(cè)裝備在規(guī)定的工作條件下的可靠性所進(jìn)行的工作。可采用元器件計(jì)數(shù)法和應(yīng)力分析法。

（1）元器件計(jì)數(shù)法：是把裝備內(nèi)所有零件采取串聯(lián)模式加以模組化，再把所有經(jīng)品質(zhì)因子及使用環(huán)境因子修正過(guò)的零件失效率累加就可以初步的估計(jì)裝備失效率。其數(shù)學(xué)模型為：

其中：λi：裝備總的故障率；λi：第i種元器件的通用故障率；πi：第i種元器件的通用質(zhì)量系數(shù)；N：第f種元器件的數(shù)量；n：裝備所用元器件的種類數(shù)目。

（2）應(yīng)力分析法：用于裝備詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的電子元器件故障預(yù)計(jì)。對(duì)某種電子元器件在實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力與環(huán)境下，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而得出該種元器件的故障率，我們把這種故障成為“基本故障”。

第一步先求出各種元器件的工作故障率^。：

其中：λb：元器件基本故障率，πE：環(huán)境系數(shù)，K：降額因子，其值小于等于l。第二步求裝備的工作故障率λ：

其中：λ：第i中元器件的工作故障率；Ni：第i種元器件的數(shù)量；n：裝備中元器件的種類數(shù)。

第三步求裝備的MTBF：

2.4.4可靠性分析

可靠性分析方法有失效模式和效果分析FMEA和故障樹分析FTA等方法。

潛在的失效模式和后果分析（FMEA）作為一種策劃用作預(yù)防措施工具，最大限度的通過(guò)分析、總結(jié)設(shè)備的故障表現(xiàn)極其原因，找出潛在的設(shè)備失效極其后果，并且完善設(shè)備的可控性設(shè)計(jì)，找到避免或者減少這種原因的措施，保證裝備的正常生產(chǎn)。

故障樹分析法（FTA）就是在系統(tǒng)（過(guò)程）設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)可能造成系統(tǒng)故障的各種因素（包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等）進(jìn)行分析，畫出邏輯框圖（即故障樹），目的就是通過(guò)系統(tǒng)分析故障原因，找出各種條件組合下故障的放生概率，并通過(guò)計(jì)算概率的可能性，才贏對(duì)應(yīng)措施，糾正設(shè)計(jì)過(guò)程中的不合理因素，避免故障的產(chǎn)生，提高裝備可靠性的一種技術(shù)性方法。

3 結(jié)論

從裝備的可靠性設(shè)計(jì)到可靠性分析以及可靠性試驗(yàn)，可以及時(shí)提前發(fā)現(xiàn)裝備的設(shè)計(jì)、原材料、零部件、安裝調(diào)試與工藝等方面的各種缺陷，可以提供改善裝備的完整性、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)裝備是否符合可靠性設(shè)計(jì)要求，取得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

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