機電設備可靠性考核試驗步驟分析

孫林凱

(海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031)

維修理論

機電設備可靠性考核試驗步驟分析

孫林凱

(海軍駐上海704所軍事代表室，上海 200031)

機電設備可靠性鑒定試驗是武器裝備定型的重要組成部分，機電設備可靠性試驗缺乏明確的標準規范，復雜設備可靠性試驗考核受到時間和經費的制約，機電設備的形式多樣很難有統一的考核方法。文章通過分析關鍵可靠性單元對設備可靠性影響，提出了可簡化設備的可靠性考核方案，給出了機電設備可靠性試驗考核的基本步驟，為機電設備的可靠性試驗考核提供參考思路。

機電設備；可靠性試驗；浴盆曲線；定時截尾試驗

新設計的機電設備一般需要進行可靠性鑒定試驗，完成可靠性考核才能正式使用，可靠性鑒定試驗是武器裝備定型試驗的重要組成部分，進行可靠性鑒定試驗也是驗證武器裝備的可靠性是否達到研制總要求和研制合同中規定的指標的重要途徑，試驗結論是產品設計定型的依據之一。

GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗收試驗》是目前武器裝備進行可靠性鑒定試驗的標準依據，標準提供了服從指數分布的可靠性鑒定試驗統計方案。統計方案的選擇是基于設備故障率服從指數分布的情況，然而很多機電設備的故障率并不服從指數分布。

機械設備的種類、形式、結構千差萬別，各自完成可靠性考核的方法也各不相同，復雜的大型設備可靠性試驗的費用十分昂貴，有些設備的設計壽命幾萬小時，可靠性試驗只做1 000 h，不能考核設備的真實壽命，只能解決設備早期故障的問題[1]。有些設備存在明顯的薄弱環節，故障多集中在這些環節，解決這些關鍵部套件的可靠性問題，又受到現階段技術制造水平的制約。有些設備是在不斷的腐蝕和老化中失效，在研制階段進行的可靠性試驗也只是在有限時間內進行，不能反映出這些設備的真實可靠性。

本文通過對設備可靠性的分析，力求找到一個切實可行的考核步驟，為裝備可靠性考核工作提供借鑒。

1 機電設備可靠性分析

1.1 薄弱部套件對機電設備可靠性影響分析

機電設備往往存在薄弱的環節，設備故障容易在該環節出現，復雜的機電設備是由很多單元串聯組成。

對于串聯系統整個設備的可靠性R為：

(1)

式中：R為設備可靠性；Ri為第i個單元的可靠性。

表1為某機電設備單元可靠性的指標。

表1 某機電設備單元的可靠性指標 h

由表1中的數據可知，第4個單元為整個設備的薄弱環節，計算設備的平均故障間隔時間(MTBF)為：

(2)

式中：MTBF為設備的平均故障間隔時間，h；MTBFi為第i個單元的平均故障間隔時間,h。

通過分別提高每個單元的平均故障間隔時間，來計算設備的平均故障間隔時間，從而分析每個單元可靠性對設備可靠性的影響。具體公式為：

(3)

式中：Ai為第i個單元增加的平均故障間隔時間，h,當分析第i個單元時，Ai變化，其余的平均故障間隔時間不變。計算得到數據見表2。

表2 單元可靠性提高對設備可靠性的影響 h

根據表2繪制圖形如圖1所示。從圖1中可以看出，各個單元可靠性對設備的影響有很大的區別，單元4對設備可靠性影響最大，單元5對設備可靠性的影響最小。因為單元4的可靠性不高，平均故障間隔時間最小，因此單元4是制約設備可靠性的關鍵環節，該單元可靠性的改善可以大幅提高設備的可靠性，而單元5本身可靠性較高，該單元可靠性的提高對設備的可靠性貢獻不大，因此在可靠性考核中更應該關注機電設備的薄弱環節。

圖1 單元可靠性提高對設備可靠性的影響

1.2 可簡化的機電設備單元可靠性考核

機電設備的單元如果能夠簡化并通過試驗臺架的設計進行長時間的可靠性考核，就可以借鑒GJB 899A—2009中設備可靠性考核的方法，采用定時截尾試驗的方法對設備進行考核。

定時截尾試驗[2]是指事先規定一個試驗時間，當試驗達到所規定的時間就停止。假設在一批數量為N的產品中，任意抽取數量為n的樣本，規定試驗截止時間為T0。進行可靠性試驗，設出現故障的序號為r，記錄第r個故障發生的時刻Tr，如果到規定的截止時刻T0還沒有出現r個故障，即Tr≥T0，則判定可靠性試驗合格或接收；如果在規定的試驗截止時間T0以前，已出現r個故障，即Tr

在不同的決策風險和鑒別比下，可靠性試驗的時間有很大的區別，試驗時間較少時會承擔較大的決策風險，即增大了接受不合格產品和拒收合格產品的風險。

機電設備的可靠性單元如果能夠在時間和費用上允許的情況下，且設計了較好的試驗方法，就應該盡量采用決策風險較小的方案，對設備的可靠性單元進行充分的考核驗證。

1.3 磨損腐蝕失效型設備的可靠性分析

對于有些機電設備是在不斷的磨損、腐蝕、老化中失效，故障率表現為浴盆曲線，如圖2所示。

圖2 故障率浴盆曲線

設備的故障分為早期失效期、偶然失效期、耗損失效期，對于機電設備的可靠性考核往往受制于時間和經費等條件的限制，開展可靠性考核試驗不可能將設備運行進入耗損失效期，而只能將設備運行進入穩定的偶然失效期，可靠性考核并不能說明設備的壽命，但可靠性考核能夠解決由于設計錯誤、工藝缺陷、裝配或生產質量問題等早期故障。

對于這些類型的機電設備，可靠性考核不是針對設備的壽命進行考核，而是解決設備的早期故障，使設備進入穩定運行期。

2 可靠性考核思路

2.1 復雜機電設備可靠性單元分解

對復雜的機電設備做系統的可靠性試驗，要花費較大的人力財力，如果故障出現在不同的可靠性單元，且又受到系統可靠性試驗時間的限制，并不能充分驗證單個單元的可靠性，對于系統可靠性考核鑒定也并無實際意義。因此對復雜機械設備進行可靠性單元的分解十分重要，將設備分解成獨立的可靠性單元，分解的原則應該是有利于單元可靠性試驗的設計，設計相應的可靠性試驗的臺架，花費較少的時間和財力對單元可靠性進行考核。對于一般的機械設備，設計人員基本能夠清楚整個設備的薄弱環節，而薄弱環節對設備的可靠性影響巨大，對這些環節的單獨考核驗證，花費較少，更能說明整個設備的可靠性。

2.2 關鍵部套件可靠性試驗

對于機電設備的單個可靠性單元，對關鍵部套件的可靠性驗證十分重要，因此需要設計關鍵部套件可靠性試驗的臺架。較小的部套件可以生產多個相同設備連續進行試驗，可以借鑒GJB 899A—2009中定時截尾試驗的方法，設置接受和拒收的條件，全面對該部套件進行考核。只有單個設備做可靠性試驗時，應該安排足夠次數或時間的考核試驗，若以次數為壽命的設備，應設計能夠連續動作且能自動記錄次數的試驗臺架，如某電磁換向閥門，可用液壓和電力進行幾萬次的換向試驗。

2.3 早期故障可靠性試驗驗證

很多機電設備在研制過程中只生產一臺樣機，且某些可靠性單元的失效模式為不斷的磨損和腐蝕，可靠性也較高，短時間的可靠性試驗根本無法驗證設備的可靠性，只能解決設備早期故障，對于這類設備可靠性試驗的考核也沒有必要嚴格按照統計學的算法去考核設備的可靠性，因為根本就沒有足夠的資金和時間去長時間的考核。但驗證設備早期的可靠性也十分重要，可以驗證設備由于安裝、生產制造、明顯的設計缺陷所造成的故障，對設備進行500 h或1 000 h的可靠性考核試驗，盡管不能真正驗證設備的可靠性指標，但能夠很大程度上解決設備的早期故障，使設備進入穩定運行的狀態。

2.4 機電設備后期可靠性數據收集

很多機電設備在出廠時所做的運行試驗、可靠性試驗，在理論上并不能作為驗證其可靠性的依據，因此軍代表對設備的可靠性的考核不能在設備出廠后就結束，而必須要求關注設備在使用過程中的可靠性數據，通過使用過程的可靠性數據對設備的最終的可靠性進行考核。機關可以將合同中部分經費留作可靠性數據收集以及可靠性評估的專用經費，軍代表對設備生產單位是否完成可靠性數據和評估工作進行監督，完成對裝備最終的可靠性考核，從而督促廠所重視可靠性數據收集工作，通過對數據的分析找到提高設備可靠性的改進方向。

3 可靠性考核步驟

根據機電設備可靠性的特點，以及關鍵可靠性單元對設備可靠性影響的分析，參考電子設備，依據統計理論的可靠性考核方法，給出了機電設備可靠性考核的思路和步驟，具體步驟如圖3所示。

圖3 可靠性考核步驟

第一步：對整個設備，進行可靠性單元分解，盡可能分解為多個獨立的可靠性單元，并且有利于可靠性試驗設計。

第二步：可靠性單元分析，判斷可靠性單元進行統計學的可靠性驗證的可行性分析。

第三步：單元可靠性試驗設計，并不是所有的單元都可以設計出合理有效的試驗方法，對于可以簡化的單元，進行可靠性試驗設計，對于不易試驗的單元，進行早期的可靠性驗證。

第四步：可簡化的單元進行統計學的可靠性評估，采用風險較小的試驗方案對單元可靠性進行充分驗證。

第五步：這個設備早期可靠性驗證，通過有限的試驗，使設備進入穩定運行期。

第六步：后期可靠性數據收集，根據數據進行

考核評估，從而找到設備可靠性改進的方向。

4 結束語

由于設備本身的特點，很難對機電設備可靠性用統一的考核方法，單單做1 000 h的考核試驗，并不能充分考核關鍵可靠性單元，由于可靠性考核費用巨大，也很難承受長時間的考核。筆者通過分析關鍵可靠性單元對設備可靠性影響，指出要重點考核關鍵可靠性單元，針對機電設備的故障率浴盆曲線，且綜合考慮可靠性費用等因素，提出通過早期失效考核的辦法，使設備進入穩定運行期，并通過后期的可靠性數據的收集充分考核設備的可靠性，為設備的可靠性設計提供思路。并通過可靠性考核的幾個關鍵步驟來保證機電設備可靠性考核的有效性，為裝備可靠性考核工作提供借鑒，為機關決策提供思路。

[1] 何正嘉，曹宏瑞，訾艷陽，等.機械設備運行可靠性評估的發展與思考[J].機械工程學報，2014，50(2)：171-186.

[2] 劉美玉，張永慶，路靖.定時截尾與序貫截尾可靠性試驗方案分析比較[J].裝甲兵工程學院學報，2008，22(3)：13-16.

Mechanical and electrical equipment reliability evaluation test is an important part of qualification test.It’s difficult to form unified assessment methods for such reliability evaluation test because of multitypes of mechanical and electrical equipment,and complex tests under the restriction of time and money.In this article,the influence of the key unit is analyzed to the equipment reliability.Some reliability evaluation schemes are put forward,which can make tests simplified,together with the basic steps.It provides reference for the reliability evaluation test of mechanical and electrical equipment.

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孫林凱(1984-)，男，河北晉州人，工程師，博士，研究方向為設備可靠性。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.06.015

2016-06-28