□ 錢(qián) 翊

上海第一機(jī)床廠有限公司 上海 201308

1 研究背景

衡量一款產(chǎn)品質(zhì)量好壞的指標(biāo)有兩類:一類是技術(shù)指標(biāo),用以反映產(chǎn)品完成規(guī)定功能的能力,如功能指標(biāo)、性能指標(biāo)等;另一類是可靠性指標(biāo),用以反映產(chǎn)品在一定時(shí)間內(nèi)、一定條件下無(wú)故障地執(zhí)行規(guī)定功能的能力,如平均失效時(shí)間(MTTF)、平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)、平均故障間隔時(shí)間(MTBF)等。只有具有良好技術(shù)性能又經(jīng)久耐用的產(chǎn)品,才是質(zhì)量好的產(chǎn)品?？梢?jiàn),可靠性是產(chǎn)品的一個(gè)重要指標(biāo)[1-3]。

為保證產(chǎn)品正常運(yùn)行,降低產(chǎn)品維護(hù)成本,避免安全事故發(fā)生,在產(chǎn)品的研發(fā)初期就應(yīng)進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)工作,提高產(chǎn)品的可靠性。筆者以某核電站換料設(shè)備為例,介紹核電站換料設(shè)備在研發(fā)過(guò)程中進(jìn)行的可靠性預(yù)計(jì)。

2 可靠性預(yù)計(jì)概述

可靠性預(yù)計(jì)指根據(jù)設(shè)備的組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、載荷和工作環(huán)境等因素,利用以往的工程經(jīng)驗(yàn)、故障率數(shù)據(jù),以及當(dāng)前的技術(shù)水平,主要以元器件、零部件的失效率作為依據(jù),預(yù)計(jì)設(shè)備實(shí)際可能達(dá)到的可靠度[4]。

可靠性預(yù)計(jì)是設(shè)備研發(fā)過(guò)程中的重要一環(huán),通過(guò)設(shè)備的可靠性預(yù)計(jì),可以發(fā)現(xiàn)影響設(shè)備可靠性的主要因素,找出設(shè)備設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié),然后采取相應(yīng)措施,提高設(shè)備的可靠性水平。

可靠性預(yù)計(jì)可以評(píng)價(jià)設(shè)備的可靠性水平是否滿足設(shè)計(jì)要求,為確定設(shè)備可靠性試驗(yàn)方案和維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用估算提供依據(jù),同時(shí)也為制訂設(shè)備維修計(jì)劃,進(jìn)行安全性、測(cè)試性和保障性分析提供信息。

3 可靠性預(yù)計(jì)分類

可靠性預(yù)計(jì)分為基本可靠性預(yù)計(jì)和任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)[5],如圖1所示。在工程項(xiàng)目中,一般以設(shè)備的任務(wù)可靠性指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)設(shè)備的可靠性水平。

圖1 可靠性預(yù)計(jì)分類

基本可靠性預(yù)計(jì)用以估計(jì)設(shè)備及其零部件故障所引起的維修及保障要求,預(yù)計(jì)時(shí)對(duì)設(shè)備所有零件進(jìn)行失效率計(jì)算,然后預(yù)計(jì)出設(shè)備的可靠性水平。任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)用以度量設(shè)備在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中完成規(guī)定功能的概率,預(yù)計(jì)時(shí)對(duì)影響設(shè)備任務(wù)完成的所有零件進(jìn)行失效率計(jì)算,然后預(yù)計(jì)出設(shè)備的任務(wù)可靠性水平。

4 可靠性預(yù)計(jì)步驟

設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)的一般步驟如圖2所示,分為設(shè)備定義、建立可靠性模型、選擇可靠性預(yù)計(jì)方法、確定可靠性指標(biāo)、計(jì)算可靠性、得出可靠性預(yù)計(jì)結(jié)論、反饋設(shè)計(jì)[6]等步驟。

設(shè)備定義指定義設(shè)備的功能、任務(wù)、結(jié)構(gòu)組成、接口、工作條件、性能參數(shù)等。建立可靠性模型包括任務(wù)可靠性模型和基本可靠性模型。選擇可靠性預(yù)計(jì)方法指根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)和擁有的信息量,選擇適當(dāng)?shù)目煽啃灶A(yù)計(jì)方法?？煽啃灶A(yù)計(jì)指按照已選擇的可靠性預(yù)計(jì)方法進(jìn)行預(yù)計(jì)。得出可靠性預(yù)計(jì)結(jié)論后,需要分析薄弱環(huán)節(jié),并將結(jié)論反饋到設(shè)計(jì)過(guò)程中,針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。

圖2 可靠性預(yù)計(jì)一般步驟

5 設(shè)備定義

5.1 設(shè)備功能

核電站換料設(shè)備的主要功能是定期更換堆芯燃料組件,兼具一回路隔離密封、生物及熱屏蔽功能,設(shè)備工作時(shí)間2 100 h。

5.2 設(shè)備組成

換料設(shè)備由減速器、包殼、傳動(dòng)鏈、屏蔽座、長(zhǎng)桿、支座、存放架、滑軌和電氣控制組件組成。

5.3 工作原理

換料設(shè)備由電氣控制組件進(jìn)行控制,由驅(qū)動(dòng)電機(jī)+減速器+傳動(dòng)鏈的形式帶動(dòng)存放架和支座在滑軌上移動(dòng)。存放架可以存放核燃料組件。換料設(shè)備在指定位置與堆內(nèi)、堆外其它設(shè)備配合,共同完成換料工作。

5.4 故障判據(jù)

換料設(shè)備不能按照規(guī)定的要求完成換料任務(wù)即為故障。

5.5 可靠性指標(biāo)要求

換料設(shè)備執(zhí)行換料任務(wù)的可靠性指標(biāo)為MTBF不短于1 000 h。

6 可靠性建模

可靠性建模包括建立可靠性框圖和相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型兩部分[7]。根據(jù)不同的模型用途,可靠性模型分為基本可靠性模型和任務(wù)可靠性模型。

基本可靠性模型用于基本可靠性預(yù)計(jì),是一個(gè)全串聯(lián)模型,構(gòu)成設(shè)備的所有零件都應(yīng)包括在模型內(nèi)。

任務(wù)可靠性模型用于任務(wù)可靠性預(yù)計(jì),一般是一個(gè)復(fù)雜的組合模型,所有影響該任務(wù)的零件都應(yīng)包括在模型內(nèi)。

換料設(shè)備在執(zhí)行換料任務(wù)時(shí),所有部件都參與任務(wù),而且不存在冗余備份,因此,換料設(shè)備的基本可靠性模型和任務(wù)可靠性模型相同,且都是串聯(lián)模型。組成設(shè)備的所有部件中任意一個(gè)部件故障,都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障。換料設(shè)備基本可靠性框圖和任務(wù)可靠性框圖如圖3所示。

圖3 換料設(shè)備基本可靠性框圖和任務(wù)可靠性框圖

換料設(shè)備基本可靠性數(shù)學(xué)模型和任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型也相同,為:

(1)

式中:RS(t)為換料設(shè)備的可靠性指標(biāo);Ri(t)為換料設(shè)備第i個(gè)部件的可靠性指標(biāo)。

7 可靠性預(yù)計(jì)方法選擇

設(shè)備在進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)時(shí),主要分為電子產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)和非電子產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)。電子產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)方法主要有相似預(yù)計(jì)法、元器件計(jì)數(shù)法、應(yīng)力分析法[8]。非電子產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)方法主要有相似產(chǎn)品類比論證法、評(píng)分預(yù)計(jì)法、故障率預(yù)計(jì)法、數(shù)據(jù)手冊(cè)法、應(yīng)力強(qiáng)度干涉法[9]。

7.1 機(jī)械零件預(yù)計(jì)方法

換料設(shè)備中機(jī)械零件的預(yù)計(jì)方法按優(yōu)先次序依次為數(shù)據(jù)手冊(cè)法、相似產(chǎn)品類比論證法、評(píng)分預(yù)計(jì)法。

7.1.1 數(shù)據(jù)手冊(cè)法

數(shù)據(jù)手冊(cè)法分為修正因數(shù)法和零部件計(jì)數(shù)法。

修正因數(shù)法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立零部件故障率與影響故障模式的主要設(shè)計(jì)、使用參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系,計(jì)算新零部件的故障率。使用這一方法進(jìn)行預(yù)計(jì)時(shí),根據(jù)換料設(shè)備工作條件確定機(jī)械零件的各種相關(guān)參數(shù),利用NSWC—2009《機(jī)械設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)程序手冊(cè)》中的故障率計(jì)算公式,預(yù)計(jì)出零件的失效率,再應(yīng)用設(shè)備可靠性模型,預(yù)計(jì)設(shè)備的可靠性。

零部件計(jì)數(shù)法通過(guò)統(tǒng)計(jì)得到不同環(huán)境條件下不同零部件的故障率數(shù)據(jù),再通過(guò)NSWC—2009《機(jī)械設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)程序手冊(cè)》、NPRD—1991《非電子零部件可靠性數(shù)據(jù)》中的失效率數(shù)據(jù),應(yīng)用設(shè)備的可靠性模型,預(yù)計(jì)設(shè)備的可靠性。

7.1.2 相似產(chǎn)品類比論證法

相似產(chǎn)品類比論證法將零部件和已知可靠性的類似國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品進(jìn)行比較,通過(guò)分析二者在組成、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)水平、制造工藝、原材料與使用環(huán)境等方面的差異,簡(jiǎn)單地估計(jì)零部件可能達(dá)到的可靠性水平,預(yù)計(jì)的精度取決于歷史數(shù)據(jù)的質(zhì)量及現(xiàn)有產(chǎn)品和新產(chǎn)品的相似度。

采用相似產(chǎn)品類比論證法預(yù)計(jì)時(shí),優(yōu)先選用NSWC—2009《機(jī)械設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)程序手冊(cè)》中的基本失效率。NSWC—2009《機(jī)械設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)程序手冊(cè)》中沒(méi)有相似部件的情況下,采用NPRD—1991《非電子零部件可靠性數(shù)據(jù)》中的失效率,或者機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)手冊(cè)中的失效率。

7.1.3 評(píng)分預(yù)計(jì)法

在可靠性數(shù)據(jù)非常缺乏的情況下,數(shù)據(jù)手冊(cè)法和相似產(chǎn)品類比論證法都無(wú)法運(yùn)用,此時(shí)可由經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員或?qū)＜覍?duì)影響可靠性的集中因素進(jìn)行評(píng)分,以設(shè)備中某個(gè)已知可靠性數(shù)據(jù)的零件為基準(zhǔn),分析組成結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)水平、制造工藝水平、原材料、零部件水平、使用環(huán)境等方面的差異,由專家評(píng)分給出修正因數(shù),從而計(jì)算出零部件的故障率水平。

評(píng)分預(yù)計(jì)法表達(dá)式為:

(2)

Ci=wi/w*

(3)

λi=λ*Ci

(4)

式中:Ci為第i個(gè)零件的評(píng)分因數(shù);wi為第i個(gè)零件的評(píng)分;w*為失效率為λ*的零件的評(píng)分;λi為第i個(gè)零件的失效率;rij為第i個(gè)零件、第j個(gè)因素的評(píng)分。

評(píng)分預(yù)計(jì)法得到的預(yù)計(jì)結(jié)果受人為影響較大,在使用此方法進(jìn)行預(yù)計(jì)時(shí),可增加評(píng)分專家的人數(shù),保證評(píng)分的客觀性,提高預(yù)計(jì)的準(zhǔn)確性。

評(píng)分預(yù)計(jì)法針對(duì)零部件的復(fù)雜度、技術(shù)水平、工作時(shí)間和環(huán)境條件進(jìn)行打分[10],評(píng)分范圍為1～10分,評(píng)分越高,說(shuō)明可靠性越差。復(fù)雜度指根據(jù)零部件的數(shù)量、結(jié)構(gòu)形式、組裝難易程度來(lái)評(píng)分,最簡(jiǎn)單的評(píng)1分,最復(fù)雜的評(píng)10分。技術(shù)水平指根據(jù)零部件目前技術(shù)水平的成熟度來(lái)評(píng)分,技術(shù)水平最低的評(píng)10分,技術(shù)水平最高的評(píng)1分。工作時(shí)間指根據(jù)零部件工作時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)評(píng)分,設(shè)備工作時(shí),零部件一直工作的評(píng)10分,工作時(shí)間最短的評(píng)1分。環(huán)境條件指根據(jù)零部件所處的工作環(huán)境來(lái)評(píng)定,設(shè)備工作過(guò)程中會(huì)經(jīng)受極其惡劣和嚴(yán)酷環(huán)境的評(píng)10分,環(huán)境條件最好的評(píng)1分。

7.2 電子元器件預(yù)計(jì)方法

目前我國(guó)軍品行業(yè)對(duì)于國(guó)產(chǎn)電子元器件一般采用GJB/Z 299C《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》中規(guī)定的模型進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì),對(duì)于進(jìn)口電子元器件一般采用MIL-HDBK-217PLUS《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》中規(guī)定的模型進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。民用企業(yè)一般采用Bellcore可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)中規(guī)定的模型進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。對(duì)換料設(shè)備中電子元器件進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)時(shí),通過(guò)查找GJB/Z 299C、MIL-HDBK-217PLUS和Bellcore等手冊(cè),確定元器件的質(zhì)量因數(shù)、環(huán)境因數(shù)、通用故障率,再利用元器件應(yīng)力分析法的故障率計(jì)算公式,預(yù)計(jì)出元器件的失效率。

7.3 計(jì)算機(jī)軟件輔助

在進(jìn)行設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)時(shí),推薦采用計(jì)算機(jī)軟件輔助進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì),可提高工作效率,節(jié)省人力。

現(xiàn)在普遍使用的計(jì)算機(jī)軟件是Relex。Relex支持八種可靠性分配方法,并提供傳統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)方法,集成符合可靠性預(yù)計(jì)發(fā)展需要的最新可靠性預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)PRISM、電子元器件數(shù)據(jù)庫(kù)、NPRD與EPRD數(shù)據(jù)庫(kù),具有任務(wù)剖面可靠性預(yù)計(jì)及非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計(jì)等功能,能夠快速精確地計(jì)算失效率、MTBF、可靠度和可用度。

8 計(jì)算可靠性

換料設(shè)備的基本可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1,任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 換料設(shè)備基本可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果

表2 換料設(shè)備換料任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果

9 可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果

9.1 指標(biāo)驗(yàn)證

一般而言,設(shè)備的可靠性預(yù)計(jì)值至少需要大于指標(biāo)要求的1.25倍,否則應(yīng)尋找設(shè)計(jì)中的可靠性薄弱環(huán)節(jié),并進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),提高設(shè)備的可靠性水平。

根據(jù)表2換料設(shè)備任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果,設(shè)備的任務(wù)可靠性MTBF預(yù)計(jì)值為15 179.5 h,任務(wù)可靠性定量要求為MTBF長(zhǎng)于1 000 h,因此換料設(shè)備的任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

9.2 可靠度

可靠度R(t)[11]是設(shè)備在規(guī)定的條件下,在規(guī)定時(shí)間區(qū)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率,隨設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的變化而變化,為:

(5)

式中:λ為失效率,根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果得到;t為任務(wù)時(shí)間;tM為MTBF。

換料設(shè)備的換料任務(wù)時(shí)間為2 100 h,則各部件的可靠度計(jì)算為:減速器0.932 93、包殼0.999 85、傳動(dòng)鏈0.988 26、屏蔽座0.984 6、長(zhǎng)桿0.995 54、支座0.979 62、存放架0.989 95、滑軌0.993 92、電氣控制組件0.999 83。

根據(jù)換料設(shè)備的任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型,其任務(wù)可靠度RS(t)為0.870 81。

需要注意的是,對(duì)于執(zhí)行多個(gè)任務(wù)的設(shè)備,需要根據(jù)不同的任務(wù)剖面,預(yù)計(jì)各自的任務(wù)可靠度,然后將各任務(wù)剖面的任務(wù)可靠度進(jìn)行綜合,再預(yù)計(jì)出總的任務(wù)可靠度?？偟娜蝿?wù)可靠度RS為

(6)

式中:αi為第i個(gè)任務(wù)剖面的加權(quán)因數(shù);Ri為第i個(gè)任務(wù)剖面的任務(wù)可靠度;m為任務(wù)剖面的數(shù)量。

加權(quán)因數(shù)αi為:

αi=ni/n

(7)

式中:ni為第i個(gè)任務(wù)剖面在壽命期間的任務(wù)次數(shù);n為壽命期間的任務(wù)總次數(shù)。

第i個(gè)任務(wù)剖面在壽命期間的任務(wù)次數(shù)為:

ni=Tci/ti

(8)

式中:T為系統(tǒng)在壽命期間的總?cè)蝿?wù)時(shí)間;ci為壽命期間中第i個(gè)任務(wù)剖面的任務(wù)時(shí)間占系統(tǒng)總?cè)蝿?wù)時(shí)間的比例;ti為第i個(gè)任務(wù)剖面的任務(wù)時(shí)間。

因此,有:

(9)

10 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備研發(fā)過(guò)程中的可靠性預(yù)計(jì)方法一般為數(shù)據(jù)手冊(cè)法、相似產(chǎn)品類比論證法、評(píng)分預(yù)計(jì)法及應(yīng)力分析法,其中,機(jī)械零部件可靠性預(yù)計(jì)時(shí)優(yōu)先使用數(shù)據(jù)手冊(cè)法,然后是相似產(chǎn)品類比論證法和評(píng)分預(yù)計(jì)法。

為確保核電站換料設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)的準(zhǔn)確性,預(yù)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能分解到單個(gè)零件,避免遺漏,且用于可靠性預(yù)計(jì)的失效率或其它數(shù)據(jù)需從手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中獲得,如果是采購(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)件,其可靠性數(shù)據(jù)可從供貨商處得到。