艦船機電一體化設(shè)備可靠性評價方法研究

賈寶杰

摘 要：通過機電一體化設(shè)備可靠性評價過程中存在的典型問題，分析失效模式和失效機理，建立可靠性理論模型，給出確定艦船機電一體化設(shè)備可靠性指標(biāo)表征量及評價方法。

關(guān)鍵詞：機電一體化；可靠性； 評價方法

中圖分類號：U673.2 文獻標(biāo)識碼：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 機電一體化設(shè)備可靠性評價過程中存在的典型問題

1.1 工作載荷和故障模式多樣性，難以確定影響整機可靠性的因素

從系統(tǒng)特性來看，機械故障具有隨機性、連續(xù)性、離散性、緩變性、突發(fā)性、間歇性和模糊性等特點，其故障產(chǎn)生往往有多個原因，而電子設(shè)備故障具有隱蔽性、突發(fā)性、敏感性（如對溫度、濕度等外界條件）等特點，因此機電一體化系統(tǒng)的故障除具有原有機械和電子設(shè)備的故障特點外，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。

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等方面入手。一般來說，由于機械部分是動作的執(zhí)行者、完成者，從表面現(xiàn)象來看，如果機器出現(xiàn)不動作或未按預(yù)定動作執(zhí)行，我們很容易認(rèn)為是機械部件故障。事實上機器不動作或未按預(yù)定的動作執(zhí)行，很多是電子電氣部分出現(xiàn)問題導(dǎo)致的。機電產(chǎn)品工作載荷多樣、故障模式復(fù)雜，同時與使用方式具有很大關(guān)系，很難提出統(tǒng)一適用于所有機電產(chǎn)品的失效數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)致可靠性定量評價缺乏理論基礎(chǔ)。

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

艦船機電設(shè)備往往具有體積大、重量重、功率高、工作負載難模擬等特點，而且工作期間需要通油、氣、水等作為動力源或冷卻源，致使難以用內(nèi)場實驗室進行整機試驗，無法模擬實際使用過程中遇到的溫度/濕度/振動等綜合環(huán)境應(yīng)力。

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

1.3 傳統(tǒng)可靠性評價方式耗時長、成本高，過程難以有效控制

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

目前典型機電設(shè)備的外場可靠性試驗評估方式主要有兩種：利用研制單位樣機功能性能測試工裝進行可靠性試驗；或者結(jié)合部隊試驗進行外場可靠性評估。

機電設(shè)備由電子部分和機械部分組成，二者的故障模式和失效機理存在差異，可靠性指標(biāo)也不相同。當(dāng)機電設(shè)備整機全部采用單純的外場試驗進行可靠性評估時，雖然是以整機的可靠性指標(biāo)為評估對象，但要兼顧考核各部分組成的可靠性水平，這樣就要延長試驗的時間，使各組成部分的故障能夠充分暴露。

在利用部隊試驗進行外場可靠性評估時，試驗場地環(huán)境要覆蓋夏季高溫和冬季寒冷氣候環(huán)境，選擇不同的地點和時間進行試驗，這不僅會增加試驗成本，還無法保證試驗進度。

2 機電一體化設(shè)備的差異性及失效機理分析

從宏觀上來看，機械設(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運動；而電子設(shè)備各部分相對而言體積較小、質(zhì)量較輕，且其各個部分基本沒有相對運動。

（1）從經(jīng)受的應(yīng)力來看，機械設(shè)備除了經(jīng)受溫度、振動、濕度等環(huán)境應(yīng)力作用，同時還經(jīng)受運動副之間摩擦力、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、濕度等環(huán)境應(yīng)力，同時一般只承受電應(yīng)力一種工作載荷；

（2）從失效模式與故障類型來看，機械設(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單，各種失效模式之間耦合性不強，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)境來看，機械設(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)力較為簡單；

（4）從標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度來看，機械設(shè)備的零部件通用化、標(biāo)準(zhǔn)化程度低，無法形成統(tǒng)一的可靠性數(shù)據(jù)手冊和文件，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)形成了若干手冊或文件。

3 機電一體化設(shè)備的可靠性理論模型endprint

（1）對于純電子設(shè)備的可靠性來說，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)長的使用壽命期內(nèi)，表現(xiàn)出故障率恒定的隨機失效特征，符合指數(shù)分布；

（2）對于純機械設(shè)備的可靠性而言，由于機械零部件種類繁多，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械產(chǎn)品的主要失效形式，大多數(shù)機械零部件還沒有成熟的可靠性模型及評估方法和相應(yīng)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)階段機械產(chǎn)品的失效特征一般符合威布爾分布；

（3）機電一體化設(shè)備的最大特點就是為了實現(xiàn)智能化把機械部件和電子部件有機地結(jié)合在一起，實現(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失效，對于那些對疲勞、磨損等敏感的關(guān)鍵重要機械零部件（例如汽輪機、壓縮機、軸承、轉(zhuǎn)子、彈簧等）則可作為特殊壽命件加以單獨監(jiān)控，對于壽命長于設(shè)備穩(wěn)定使用壽命期的可以忽略，對于壽命短于設(shè)備穩(wěn)定使用壽命期的（易損件）則定期更換；

（4）假定機電一體化設(shè)備出現(xiàn)的故障都是可修復(fù)的，其故障時間間隔就服從變動母體的威布爾過程，它是一個故障率增長的過程。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)計上有可以切入的結(jié)合點。另外一方面由于指數(shù)分布可靠性試驗比較成熟，這樣就可以綜合指數(shù)分布和威布爾過程構(gòu)成機電一體化設(shè)備可靠性試驗方案。

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

（2）根據(jù)機電一體化設(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)工作時間，按著串聯(lián)模型計算出機電一體化設(shè)備的可靠性指標(biāo)水平，如可靠度、平均故障間隔時間等；

關(guān)鍵的機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)品的機械零部件的故障率為參考，確定受試系統(tǒng)機械零部件的故障率，同時考慮經(jīng)濟性來確定耗損性壽命或翻修期、可靠度等指標(biāo)；

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

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

5 機電一體化設(shè)備可靠性評價方法

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)合實際應(yīng)用經(jīng)驗，機電一體化設(shè)備可靠性可采用以下評價方法：

5.1 大中型機電一體化設(shè)備可靠性評價方法

大中型機電一體化設(shè)備包括電子部分和機械部分，考慮到內(nèi)場試驗條件限制，則采用內(nèi)外場結(jié)合的方式進行考核。

（1）內(nèi)場試驗

滿足實驗室試驗條件的重要核心部件，采用內(nèi)場試驗方式。

滿足實驗室試驗條件的重要核心部件一般比較小，且電子部件對溫度、濕度、振動等環(huán)境應(yīng)力比較敏感，所以可以將電子部件放進試驗箱在模擬嚴(yán)酷的環(huán)境應(yīng)力條件下進行考核。

（2）外場試驗

整機采用外場試驗方式。

機械部分一般體積、重量較大，各種工況負荷較大，且對溫度、濕度、振動應(yīng)力、不是很敏感，所以可以把機械部分放在外場在各種惡劣工況下加以考核，考核時電子部分應(yīng)在普通環(huán)境應(yīng)力下與機械部分連成系統(tǒng)同時進行考核，這樣更能反映真實使用環(huán)境條件下全系統(tǒng)的工作情況。由于已經(jīng)經(jīng)過內(nèi)場試驗考核，在外場試驗中電子部分作為陪試設(shè)備參加試驗。

5.2 小型機電一體化設(shè)備可靠性試驗方法

由于小型機電一體化設(shè)備體積較小、重量不大，易滿足內(nèi)場試驗條件，可參照電子設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來確立該類設(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電裝備中廣泛應(yīng)用，積累了大量工程經(jīng)驗，技術(shù)水平趨于成熟，故此不再贅述具體試驗方案。endprint