張海波，申桂香，賈亞洲

(1.東北電力大學(xué) 機械工程學(xué)院，吉林 132012;2.吉林大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130025）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的更新?lián)Q代過程加速，用戶希望新的系統(tǒng)除了具有更先進的功能外，同時還應(yīng)有更高的可靠性，而數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商總是希望能用最短的時間和最少的經(jīng)費使新系統(tǒng)的可靠性就提高到規(guī)定的指標(biāo)，因此，可靠性問題往往成為系統(tǒng)開發(fā)研制過程中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，僅憑工程上經(jīng)常采用的“試驗——暴露故障——改進——再試驗”方法［1］，雖然可以使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得到一定的提高，但難以避免因?qū)Ξa(chǎn)品的盲目改動而造成時間、人力與資金的浪費，甚至可能在系統(tǒng)已經(jīng)定型生產(chǎn)投放市場后才發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性根本未達到規(guī)定的要求，還要對設(shè)計或工藝進行二次改進，這一方面會使生產(chǎn)商造成大量的資金浪費并貽誤商機，另一方面也使生產(chǎn)商的聲譽受到極大的打擊而難于在隨后的市場開拓中占得先機。

目前數(shù)控系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家雖然也在系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計后進行相關(guān)的可靠性增長試驗，但鑒于各方面的原因，對數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長的規(guī)劃和管理帶有很大的隨意性和盲目性，沒有形成系統(tǒng)的可靠性增長管理文件，在試驗中只側(cè)重對故障的分析和排除，而對數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長的規(guī)劃和管理很少研究。

針對數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長試驗，可靠性增長規(guī)劃應(yīng)當(dāng)從全局規(guī)劃和分段規(guī)劃兩方面入手［2-3］。因數(shù)控系統(tǒng)元器件較多，對可靠性又有很高的要求［4-5］，可靠性增長試驗往往要持續(xù)很長的時間，所以對于全局規(guī)劃應(yīng)根據(jù)工程需要與現(xiàn)實可能性首先確定數(shù)控系統(tǒng)的可靠性增長目標(biāo)，然后根據(jù)適當(dāng)?shù)哪Ｐ屠L制理想增長曲線來判斷增長目標(biāo)是否能按時達到［6-7］，并通過對增長率、經(jīng)費、進度等計劃因素的管理來保證最終目標(biāo)的實現(xiàn)。而數(shù)控系統(tǒng)的分段規(guī)劃則是以理想增長曲線為基礎(chǔ)，并結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)的原理樣機、試驗樣機的開發(fā)研制周期，將可靠性增長過程分作幾個階段，確定在各階段的起止點上系統(tǒng)必須達到的可靠性指標(biāo)，繪制計劃增長曲線，并根據(jù)對時間和資源的分配情況估計達到目標(biāo)值風(fēng)險的大小，從而對各階段的規(guī)劃和總規(guī)劃進行綜合調(diào)整。

1 數(shù)控系統(tǒng)的失效修正策略

在制定數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長規(guī)劃時，一些相關(guān)的管理策略會影響到系統(tǒng)可靠性增長的極限值和增長率等關(guān)鍵參數(shù)［8］，從而進一步影響到增長規(guī)劃能否如期實現(xiàn)，因此必須對這些管理策略進行詳細的考慮，其中失效修正策略的制定就尤為關(guān)鍵。

數(shù)控系統(tǒng)的故障分為關(guān)聯(lián)故障和非關(guān)聯(lián)故障，關(guān)聯(lián)故障是數(shù)控系統(tǒng)在規(guī)定條件下使用，由于其本身條件而引起的故障，在評價檢驗結(jié)果或計算可靠性特征量的數(shù)值時必須計入，而非關(guān)聯(lián)故障是非數(shù)控系統(tǒng)本身條件引起的，是試驗要求之外因素所造成的故障，在評價檢驗結(jié)果和可靠性特征時不計入，但應(yīng)做記錄便于進行可靠性的分析和判斷。

在此根據(jù)引起系統(tǒng)失效的不同原因及是否需要采取糾正措施將關(guān)聯(lián)故障分為系統(tǒng)性失效和殘余性失效兩大類:

(1）系統(tǒng)性失效

系統(tǒng)性失效是由系統(tǒng)性薄弱環(huán)節(jié)引起的，如果只進行修復(fù)性維修通常不能排除失效原因，在適當(dāng)?shù)臈l件下可能重復(fù)出現(xiàn)，只能通過對設(shè)計、制造工藝、操作方法、文件及其它相關(guān)因素的修正才能排除。(2）殘余性失效。

殘余性失效是由殘余性薄弱環(huán)節(jié)引起的，經(jīng)修復(fù)后不會再次出現(xiàn)，因此不必采取糾正措施。

如在數(shù)控系統(tǒng)中經(jīng)常會出現(xiàn)元器件管腳焊接不良引發(fā)失效的事例，這就需要對其進行分析，如果是由人工焊接偶然失誤造成，則可進行維修并判為殘余性失效;如果是由自動焊完成，則很可能是焊接工藝參數(shù)選擇不當(dāng)導(dǎo)致在某些條件下引發(fā)管腳開焊，如在其它系統(tǒng)中存在同樣失效的情況，則可判為系統(tǒng)性失效并應(yīng)對焊接工藝參數(shù)進行調(diào)整。

然而，并非對于所有發(fā)生的系統(tǒng)性失效都必須進行修正，所謂的失效修正策略就是根據(jù)是否對系統(tǒng)進行修正而將系統(tǒng)性失效分為A型和B型失效兩類，A型失效是指由于費用、時間、技術(shù)上的限制或其他原因而不必進行糾正性更改的系統(tǒng)性失效;B型失效指必須進行糾正性更改的系統(tǒng)性失效，在制定失效修正策略時應(yīng)綜合考慮失效的危害度、修正的技術(shù)難度與費用、對達到可靠性目標(biāo)的影響等。

將數(shù)控系統(tǒng)的A型失效的系統(tǒng)失效率記為λA，并設(shè)B型失效有n種，失效Bi(i=1，2，…n）的系統(tǒng)失效率記為λi，則B型失效的系統(tǒng)失效率為:

而在數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長試驗開始時系統(tǒng)性失效的初始失效率為:

根據(jù)上述的分類原則，數(shù)控系統(tǒng)的失效修正策略系數(shù)K可按以下公式計算:

對于開發(fā)研制新的數(shù)控系統(tǒng)，K的取值范圍可在0.85 ～0.95，一般可取0.9。

2 數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長規(guī)劃的相關(guān)參數(shù)

2.1 數(shù)控系統(tǒng)的改進有效性系數(shù)

對失效Bi的修正，通常不可能徹底消除，被消除的失效率與λi之比記為di，稱為對失效Bi的改進有效性系數(shù)，而系統(tǒng)的B型失效的改進有效性系數(shù)記為d，則改進后系統(tǒng)的B型失效率變?yōu)?1－d）λB，因此

在可靠性增長試驗中，如果到時刻t系統(tǒng)已發(fā)現(xiàn)m種B型失效并立即進行了修正，則系統(tǒng)在時刻t的失效率應(yīng)為:

對于數(shù)控系統(tǒng)來說，要對個別的di做出準(zhǔn)確的判斷是不可能的，但我們可根據(jù)相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)對di的加權(quán)平均值d做出估計，在制定數(shù)控系統(tǒng)的可靠性增長規(guī)劃時，一般可取d=0.7。

2.2 數(shù)控系統(tǒng)的可靠性增長潛力

數(shù)控系統(tǒng)的可靠性增長潛力是指在特定的增長管理策略下數(shù)控系統(tǒng)能夠達到的最大可靠性，即當(dāng)系統(tǒng)中所有的B型失效都得到修正時，系統(tǒng)的失效率λp將減少到最低限度，此時:

而數(shù)控系統(tǒng)相應(yīng)的平均故障間隔時間(MTBF）為:

可見，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性增長潛力Mp與d和K的關(guān)系非常大，如果增長管理策略完善，所有能經(jīng)濟地修正的失效都得以暴露并劃入B型失效而得到有效修正，則數(shù)控系統(tǒng)的Mp與其固有可靠性Minh相等，但由于在可靠性增長試驗中，系統(tǒng)性失效不一定能夠全部暴露出來及考慮到失效修正策略，因此Mp通常會低于數(shù)控系統(tǒng)在成熟期的固有可靠性。

2.3 數(shù)控系統(tǒng)的可靠性增長率

在各種系統(tǒng)的可靠性增長規(guī)劃管理中，通常都按Duane模型來描述系統(tǒng)的可靠性增長［9］，因此本文也應(yīng)用Duane模型來制定數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長規(guī)劃，即:

式中Mc(t）為數(shù)控系統(tǒng)的累積MTBF，a為尺度參數(shù)，m為增長率。m的大小與失效的分布狀況、K值及可靠性增長試驗的各種條件有關(guān)。對于開發(fā)研制新的數(shù)控系統(tǒng)，在制定增長規(guī)劃時m的取值范圍可在0.3～0.4，一般可取0.35。

3 數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長規(guī)劃的制定

為了制定數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長規(guī)劃，首先將數(shù)控系統(tǒng)可靠性的理想增長曲線劃分為三個階段，如圖1所示。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)可靠性理想增長曲線階段劃分

在時刻tΙ之前，為原理樣機的驗證與確認(rèn)階段，此時要驗證系統(tǒng)的初始可靠性水平M1，這種預(yù)試驗要求系統(tǒng)出現(xiàn)一次以上的失效，同時一般對原理樣機出現(xiàn)的失效只做記錄、分析和維修而不進行設(shè)計或工藝上的更改，在階段試驗完成后對系統(tǒng)進行改進，其可靠性水平達到M2，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正式的可靠性增長試驗。時刻tΙ和tΠ之間為試驗樣機的全尺寸工程研制階段，此階段可分段完成，也可由同一批試驗樣機完成，試驗結(jié)束后要求系統(tǒng)的可靠性水平至少應(yīng)滿足技術(shù)要求達到M3，在以往的數(shù)控系統(tǒng)研制過程中，在tΠ時刻要求進行可靠性鑒定試驗來確定系統(tǒng)的可靠性水平，但如果可靠性增長管理過程完善，可靠性增長模型合理，則可以利用此階段的可靠性增長試驗數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的可靠性進行評定，從而節(jié)省了鑒定試驗的時間和經(jīng)費。tΠ時刻后，數(shù)控系統(tǒng)就可進入正樣批量生產(chǎn)階段，此時經(jīng)過幾個批次的現(xiàn)場使用試驗，再次暴露及修正缺陷，同時隨著生產(chǎn)技術(shù)的熟練與工藝改進，使其可靠性水平達到目標(biāo)要求MF，這樣在時刻tF系統(tǒng)就可轉(zhuǎn)入成熟定型生產(chǎn)階段。

按照上述原則，針對某型號數(shù)控系統(tǒng)，其相應(yīng)的指標(biāo)確定過程如下:

(1）數(shù)控系統(tǒng)在定型生產(chǎn)后其可靠性水平應(yīng)不低于國家機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［10］，因此

(2）數(shù)控系統(tǒng)的可靠性增長潛力MP應(yīng)考慮到系統(tǒng)在時刻tF達到可靠性目標(biāo)值MF的風(fēng)險，可認(rèn)為如MP≥1.25MF，則該風(fēng)險很小，因此

(3）數(shù)控系統(tǒng)全尺寸工程研制階段完成后應(yīng)達到的可靠性水平M3應(yīng)滿足技術(shù)要求，在此確定

(4）由前面的論述，確定d=0.7，K=0.9，m=0.35，則由7式和3式，得:

(5）起始時間tΙ的確定要考慮到在觀測區(qū)間內(nèi)至少需要觀測到一個B型失效之后才能對原理樣機進行改進，因此，令在時間區(qū)間(0，tΙ）內(nèi)觀測到一次B型失效的概率P應(yīng)足夠高，在此令P=0.9，并假定B型失效的發(fā)生服從齊次Poisson過程，則

(6）由8式，可確定數(shù)控系統(tǒng)理想增長曲線的表達式如下:

由上述數(shù)據(jù)繪出數(shù)控系統(tǒng)理想增長曲線如圖2所示。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)可靠性理想增長曲線

當(dāng)然，考慮到系統(tǒng)研制的具體要求和工程進展情況，在數(shù)控系統(tǒng)可靠性理想增長曲線的基礎(chǔ)上，還可以對系統(tǒng)的可靠性增長進行進一步的詳細規(guī)劃，即將理想曲線的第二和第三階段按工程實際再劃分為若干個小階段，由此可制定出數(shù)控系統(tǒng)可靠性計劃增長曲線并進行跟蹤分析與定量評估，在此不做討論。

4 結(jié)束語

通過對數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長規(guī)劃的研究，并采用科學(xué)的方法建立系統(tǒng)的可靠性增長模型，可以評價并預(yù)測系統(tǒng)的可靠性增長速度，判斷它們是否符合增長規(guī)劃要求，如不符合則通過對人力、資金和時間進度的統(tǒng)一調(diào)配來修正相關(guān)參數(shù)，達到對數(shù)控系統(tǒng)可靠性增長進行定量控制的目的，從而將數(shù)控系統(tǒng)的可靠性增長試驗與分析納入科學(xué)管理之下，由此可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的競爭力。

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