大型机械产品可靠性定量设计技术的研究

大型机械产品可靠性定量设计技术的研究
机械工业部重大装备司 吴晓华
上海发电设备成套设计研究所 史进渊

       随着科学技术的发展和进步，机械产品的可靠性技术日益引起机械制造和使用行业的重视。可靠性理论的发展已有40多年的历史，机械制造业推广可靠性技术也历经15年，然而可靠性定量设计技术迄今机械行业仍未广泛使用。虽然使用应力和强度干涉模型确定机械零件可靠度的方法在一些可靠性专著[1-5]中均有介绍，但是有许多机械零件是可修零件，评价其广义可靠性的主要指标是可用度，目前在设计阶段定量确定可修机械零件的可用度尚有一定难度。多数机械产品是可修产品，在设计阶段预测产品的可用度尚无成熟的经验和数据。大型机械产品是由成千上万个零件和众多子系统组成的可修产品，产品故障的后果十分严重，经济损失巨大。目前国内外用户对大型机械产品可靠性的要求也愈来愈高，故研究和探讨其可靠性的定量设计新技术是一项有益的工作。

一、 产品可靠性定量设计的基础工作
1.现场可靠数据的收集和数据库
大型机械产品可靠性的定量设计离不开可靠性基础数据。由于大型机械产品的特点是产品大、批量小，可修复、系统复杂，产品的可靠性试验在实验室无法进行。对现有大型机械产品在现场实际使用的可靠性数据进行摸底和调研，建立和完善产品可靠性使用信息的跟踪和反馈制度，长期地收集、分析和积累产品可靠性的使用数据和建立可靠性数据库是大型机械产品可靠性定量设计的一项基础工作。
工程上，大型机械产品可靠性数据库通常包括下列内容：用户名称、产品型号、出厂日期、产品首次投入使用时间，故障发生时间、故障的定性和定量征兆、产品退出工作状态的时间、产品修复后重新投入使用的时间、停机小时数、从产品首次投入使用到本次停机的累计工作小时数，停机类型（故障维修、计划维修或备用），损坏零件名称、所属子系统名称、损坏部件、失效模式、失效后果，故障原因、故障责任，故障处理措施，故障预防措施、改进效果。收集和汇总产品的可靠性数据时，应力求每次停机有关的上述信息都能贮存入数据库。
2．分析可靠性薄弱环节和严重失效模式
(1)研制可靠性分析软件，建立可靠性分析程序库。大型机械产品可靠性分析常用软件有：可靠性数据分布检验软件、可靠性指标点估计和区间估计软件、可靠性增长分析软件、零件失效模式及故障原因统计分析软件、可靠性预测软件等。
(2)产品可靠性薄弱环节的统计分析。大型机械产品的不可用时间包括故障停机时间和计划停机时间部分。计划停机属于预防维修，是按产品的检修规程安排的，故障停机是由于产品可靠性问题造成的。通常把累计故障停机时间比较长的处于前10位的零件称为大型机械产品可靠性的薄弱环节或关键零件.利用产品可靠性数据库和可靠性分析程序库，对大量现场可靠性数据进行统计分析可确定大型机械产品可靠性的薄弱环节.集中精力对产品的可靠性薄弱环节进行改进，可避免盲目对成千上万个零件平均使用力量，有效地提高整台产品的可靠性水平.
(3)零件严重失效模式的统计分析.大型机械产品零件严重的失效模式指的是零件失效后造成整台产品停机的失效模式.利用产品可靠性数据库和可靠性分析程序库，对大量数据进行统计分析可得出产品的每个零件在长期使用中所暴露的严重的失效模式以及每个零件每一种严重的失效模式引起的累计停机小时数和累计停机次数。
3．确定可靠性设计量的分布参数
通过对关键零件严重的失效模式进行统计分析可以确定其失效的主要原因，诸如静强度或疲劳强度差、振动或刚度问题，等等。对关键零件进行可靠性设计需确定同关键零件主要失效原因有关的可靠性设计量的分布参数。由于材料特性和制造工艺的离散性以及运行参数和载荷的随机性，关键零件的可靠性设计量不是定值而是随机变量，确定设计量分布参数的常用方法有实测数据统计法、Taylor级展开法和数值计算法，详见文献，文中不再赘述。
二、产品可靠性的定量计算公式
1．关键零件的可靠度
当关键零件的主要失效原因是静强度、疲劳、振动或刚度问题时，可使用概率设计法计算关键零件的可靠度。
（1）静强度
用s和 分别表示零件的静应力和材料的静强度，用f(s)和g( )分别表示s分布的概率密度数和 分布的概率密度函数，根据应力分布和强度分布的干涉模型，关键零件静强度设计的可靠度Rc为