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        艦船機(jī)電一體化設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)方法研究

        2016-07-13 14:39:13賈寶杰
        廣東造船 2016年3期
        關(guān)鍵詞:評(píng)價(jià)方法機(jī)電一體化可靠性

        賈寶杰

        摘 要:通過(guò)機(jī)電一體化設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)過(guò)程中存在的典型問(wèn)題,分析失效模式和失效機(jī)理,建立可靠性理論模型,給出確定艦船機(jī)電一體化設(shè)備可靠性指標(biāo)表征量及評(píng)價(jià)方法。

        關(guān)鍵詞:機(jī)電一體化;可靠性; 評(píng)價(jià)方法

        中圖分類號(hào):U673.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        Reliability Evaluation of Marine Electromechanical Equipment

        JIA Baojie

        (The Military Commissary Department in No.750 Manufactory in Guangzhou, Guangzhou 510656)

        Abstract: This paper studies the failure mode and principle of electromechanical equipment by analyzing the typical problems of electromechanical equipments reliability evaluation and builds a model to propose the characterization of reliability evaluation index and evaluation method.

        Key words: Electromechanical; Reliability; Evaluation method

        1 機(jī)電一體化設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)過(guò)程中存在的典型問(wèn)題

        1.1 工作載荷和故障模式多樣性,難以確定影響整機(jī)可靠性的因素

        從系統(tǒng)特性來(lái)看,機(jī)械故障具有隨機(jī)性、連續(xù)性、離散性、緩變性、突發(fā)性、間歇性和模糊性等特點(diǎn),其故障產(chǎn)生往往有多個(gè)原因,而電子設(shè)備故障具有隱蔽性、突發(fā)性、敏感性(如對(duì)溫度、濕度等外界條件)等特點(diǎn),因此機(jī)電一體化系統(tǒng)的故障除具有原有機(jī)械和電子設(shè)備的故障特點(diǎn)外,又增加了故障轉(zhuǎn)移性、表征復(fù)雜性、集成性、融合性和交叉性等特點(diǎn)。

        確定影響產(chǎn)品可靠性的因素,需要從產(chǎn)品的物理組成、工作模式和故障特點(diǎn)等方面入手。一般來(lái)說(shuō),由于機(jī)械部分是動(dòng)作的執(zhí)行者、完成者,從表面現(xiàn)象來(lái)看,如果機(jī)器出現(xiàn)不動(dòng)作或未按預(yù)定動(dòng)作執(zhí)行,我們很容易認(rèn)為是機(jī)械部件故障。事實(shí)上機(jī)器不動(dòng)作或未按預(yù)定的動(dòng)作執(zhí)行,很多是電子電氣部分出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致的。機(jī)電產(chǎn)品工作載荷多樣、故障模式復(fù)雜,同時(shí)與使用方式具有很大關(guān)系,很難提出統(tǒng)一適用于所有機(jī)電產(chǎn)品的失效數(shù)學(xué)模型,導(dǎo)致可靠性定量評(píng)價(jià)缺乏理論基礎(chǔ)。

        1.2 物理組成和陪試設(shè)備龐大,難以對(duì)全設(shè)備施加綜合環(huán)境應(yīng)力

        艦船機(jī)電設(shè)備往往具有體積大、重量重、功率高、工作負(fù)載難模擬等特點(diǎn),而且工作期間需要通油、氣、水等作為動(dòng)力源或冷卻源,致使難以用內(nèi)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn),無(wú)法模擬實(shí)際使用過(guò)程中遇到的溫度/濕度/振動(dòng)等綜合環(huán)境應(yīng)力。

        機(jī)電設(shè)備由于標(biāo)準(zhǔn)化和通用化程度較低,執(zhí)行不同功能的機(jī)電設(shè)備的輸入和工作負(fù)載都不相同,最經(jīng)濟(jì)的方法是研制單位利用其功能性能測(cè)試工裝,模擬實(shí)際使用的工作方式進(jìn)行可靠性考核。但該種試驗(yàn)的環(huán)境是車間的大氣環(huán)境,無(wú)法模擬高溫、高濕、高鹽霧和伴隨振動(dòng)應(yīng)力的海洋環(huán)境,使綜合環(huán)境應(yīng)力對(duì)機(jī)電設(shè)備可靠性的影響效應(yīng)無(wú)法得到體現(xiàn)和驗(yàn)證,不能充分反映設(shè)備在實(shí)際使用中的可靠性水平。

        1.3 傳統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)方式耗時(shí)長(zhǎng)、成本高,過(guò)程難以有效控制

        影響機(jī)電設(shè)備可靠性的外界因素主要有兩類:工作負(fù)載和環(huán)境應(yīng)力。

        目前典型機(jī)電設(shè)備的外場(chǎng)可靠性試驗(yàn)評(píng)估方式主要有兩種:利用研制單位樣機(jī)功能性能測(cè)試工裝進(jìn)行可靠性試驗(yàn);或者結(jié)合部隊(duì)試驗(yàn)進(jìn)行外場(chǎng)可靠性評(píng)估。

        機(jī)電設(shè)備由電子部分和機(jī)械部分組成,二者的故障模式和失效機(jī)理存在差異,可靠性指標(biāo)也不相同。當(dāng)機(jī)電設(shè)備整機(jī)全部采用單純的外場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行可靠性評(píng)估時(shí),雖然是以整機(jī)的可靠性指標(biāo)為評(píng)估對(duì)象,但要兼顧考核各部分組成的可靠性水平,這樣就要延長(zhǎng)試驗(yàn)的時(shí)間,使各組成部分的故障能夠充分暴露。

        在利用部隊(duì)試驗(yàn)進(jìn)行外場(chǎng)可靠性評(píng)估時(shí),試驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境要覆蓋夏季高溫和冬季寒冷氣候環(huán)境,選擇不同的地點(diǎn)和時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn),這不僅會(huì)增加試驗(yàn)成本,還無(wú)法保證試驗(yàn)進(jìn)度。

        2 機(jī)電一體化設(shè)備的差異性及失效機(jī)理分析

        從宏觀上來(lái)看,機(jī)械設(shè)備組成零部件體積較大、質(zhì)量較重,部分零部件之間有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng);而電子設(shè)備各部分相對(duì)而言體積較小、質(zhì)量較輕,且其各個(gè)部分基本沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

        (1)從經(jīng)受的應(yīng)力來(lái)看,機(jī)械設(shè)備除了經(jīng)受溫度、振動(dòng)、濕度等環(huán)境應(yīng)力作用,同時(shí)還經(jīng)受運(yùn)動(dòng)副之間摩擦力、交變壓力、加速度等多種工作載荷作用且幅值一般較大;而電子設(shè)備則主要經(jīng)受溫度、振動(dòng)、濕度等環(huán)境應(yīng)力,同時(shí)一般只承受電應(yīng)力一種工作載荷;

        (2)從失效模式與故障類型來(lái)看,機(jī)械設(shè)備的失效模式具有多樣性和復(fù)雜性且各種失效模式之間還存在著極強(qiáng)的耦合性,故障發(fā)生的原因一般為疲勞、老化、磨損、腐蝕等,因而屬于耗損型故障,電子設(shè)備的失效模式比較簡(jiǎn)單,各種失效模式之間耦合性不強(qiáng),故障發(fā)生主要是由偶然因素造成的,屬于偶然故障;

        (3)從所處環(huán)境來(lái)看,機(jī)械設(shè)備一般都要與惡劣使用環(huán)境直接接觸,這些環(huán)境應(yīng)力十分復(fù)雜且多應(yīng)力之間相互耦合;電子設(shè)備一般都可以采用機(jī)箱、密封、通風(fēng)、減振等方式改善其使用環(huán)境,其承受的環(huán)境應(yīng)力較為簡(jiǎn)單;

        (4)從標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度來(lái)看,機(jī)械設(shè)備的零部件通用化、標(biāo)準(zhǔn)化程度低,無(wú)法形成統(tǒng)一的可靠性數(shù)據(jù)手冊(cè)和文件,目前其可靠性數(shù)據(jù)還十分缺乏;電子設(shè)備一般都是由基本失效率為常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)電子元器件組成,其可靠性數(shù)據(jù)已經(jīng)形成了若干手冊(cè)或文件。

        3 機(jī)電一體化設(shè)備的可靠性理論模型endprint

        (1)對(duì)于純電子設(shè)備的可靠性來(lái)說(shuō),由于電子元器件種類有限,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)非常充分,已經(jīng)有了非常成熟的可靠性模型及評(píng)估方法和相應(yīng)的可靠性標(biāo)準(zhǔn),投入使用穩(wěn)定后在相當(dāng)長(zhǎng)的使用壽命期內(nèi),表現(xiàn)出故障率恒定的隨機(jī)失效特征,符合指數(shù)分布;

        (2)對(duì)于純機(jī)械設(shè)備的可靠性而言,由于機(jī)械零部件種類繁多,致使相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集和分析變得非常困難。由疲勞、老化、磨損、腐蝕等引起的耗損型失效是機(jī)械產(chǎn)品的主要失效形式,大多數(shù)機(jī)械零部件還沒(méi)有成熟的可靠性模型及評(píng)估方法和相應(yīng)的可靠性標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)階段機(jī)械產(chǎn)品的失效特征一般符合威布爾分布;

        (3)機(jī)電一體化設(shè)備的最大特點(diǎn)就是為了實(shí)現(xiàn)智能化把機(jī)械部件和電子部件有機(jī)地結(jié)合在一起,實(shí)現(xiàn)人們所需的功能性能。在穩(wěn)定的使用壽命期間,電子元器件符合故障率恒定的隨機(jī)失效,對(duì)于那些對(duì)疲勞、磨損等敏感的關(guān)鍵重要機(jī)械零部件(例如汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、軸承、轉(zhuǎn)子、彈簧等)則可作為特殊壽命件加以單獨(dú)監(jiān)控,對(duì)于壽命長(zhǎng)于設(shè)備穩(wěn)定使用壽命期的可以忽略,對(duì)于壽命短于設(shè)備穩(wěn)定使用壽命期的(易損件)則定期更換;

        (4)假定機(jī)電一體化設(shè)備出現(xiàn)的故障都是可修復(fù)的,其故障時(shí)間間隔就服從變動(dòng)母體的威布爾過(guò)程,它是一個(gè)故障率增長(zhǎng)的過(guò)程。雖然指數(shù)分布與威布爾分布是描述不同產(chǎn)品特征的壽命分布,但是由于威布爾分布可以包括指數(shù)分布的特征,因此兩者在統(tǒng)計(jì)上有可以切入的結(jié)合點(diǎn)。另外一方面由于指數(shù)分布可靠性試驗(yàn)比較成熟,這樣就可以綜合指數(shù)分布和威布爾過(guò)程構(gòu)成機(jī)電一體化設(shè)備可靠性試驗(yàn)方案。

        4 可靠性指標(biāo)表征量選取及指標(biāo)水平確定方法

        根據(jù)可靠性理論模型邊界條件,機(jī)電一體化設(shè)備整系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)水平可用下述方法確定:

        (1)以國(guó)內(nèi)外相似機(jī)電一體化設(shè)備的可靠性指標(biāo)值為參考,確定受試機(jī)電一體化設(shè)備可靠性指標(biāo)值;

        (2)根據(jù)機(jī)電一體化設(shè)備中各基本組成單元的故障率,并結(jié)合各基本組成單元在壽命周期內(nèi)工作時(shí)間,按著串聯(lián)模型計(jì)算出機(jī)電一體化設(shè)備的可靠性指標(biāo)水平,如可靠度、平均故障間隔時(shí)間等;

        關(guān)鍵的機(jī)械零部件可靠性指標(biāo)水平,可用下述方法確定:

        (1)以相似產(chǎn)品的機(jī)械零部件的故障率為參考,確定受試系統(tǒng)機(jī)械零部件的故障率,同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性來(lái)確定耗損性壽命或翻修期、可靠度等指標(biāo);

        (2)選取機(jī)電一體化設(shè)備中關(guān)鍵的機(jī)械零部件開展耐久性試驗(yàn),確定其壽命概率分布信息,從而確定機(jī)械零部件的可靠性指標(biāo)水平;

        (3)統(tǒng)計(jì)分析機(jī)械零部件材料強(qiáng)度分布及其危險(xiǎn)斷面應(yīng)力分布情況,按照應(yīng)力—強(qiáng)度干涉模型求出其可靠度。

        5 機(jī)電一體化設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)方法

        綜合理論模型建立的條件、可靠性指標(biāo)表征量選取及指標(biāo)水平確定方法,結(jié)合實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),機(jī)電一體化設(shè)備可靠性可采用以下評(píng)價(jià)方法:

        5.1 大中型機(jī)電一體化設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)方法

        大中型機(jī)電一體化設(shè)備包括電子部分和機(jī)械部分,考慮到內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)條件限制,則采用內(nèi)外場(chǎng)結(jié)合的方式進(jìn)行考核。

        (1)內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)

        滿足實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)條件的重要核心部件,采用內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)方式。

        滿足實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)條件的重要核心部件一般比較小,且電子部件對(duì)溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境應(yīng)力比較敏感,所以可以將電子部件放進(jìn)試驗(yàn)箱在模擬嚴(yán)酷的環(huán)境應(yīng)力條件下進(jìn)行考核。

        (2)外場(chǎng)試驗(yàn)

        整機(jī)采用外場(chǎng)試驗(yàn)方式。

        機(jī)械部分一般體積、重量較大,各種工況負(fù)荷較大,且對(duì)溫度、濕度、振動(dòng)應(yīng)力、不是很敏感,所以可以把機(jī)械部分放在外場(chǎng)在各種惡劣工況下加以考核,考核時(shí)電子部分應(yīng)在普通環(huán)境應(yīng)力下與機(jī)械部分連成系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行考核,這樣更能反映真實(shí)使用環(huán)境條件下全系統(tǒng)的工作情況。由于已經(jīng)經(jīng)過(guò)內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)考核,在外場(chǎng)試驗(yàn)中電子部分作為陪試設(shè)備參加試驗(yàn)。

        5.2 小型機(jī)電一體化設(shè)備可靠性試驗(yàn)方法

        由于小型機(jī)電一體化設(shè)備體積較小、重量不大,易滿足內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)條件,可參照電子設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確立該類設(shè)備的可靠性指標(biāo),并可以直接使用傳統(tǒng)的電子設(shè)備可靠性考核方法進(jìn)行考核。而傳統(tǒng)的電子設(shè)備可靠性考核方法已在海軍電子裝備和部分機(jī)電裝備中廣泛應(yīng)用,積累了大量工程經(jīng)驗(yàn),技術(shù)水平趨于成熟,故此不再贅述具體試驗(yàn)方案。endprint

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