小子樣長壽命復(fù)雜設(shè)備可靠性試驗方法研究

引言

根據(jù)抽樣理論,用于試驗的樣本量越大,試驗評估的精確度就越高。但隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展,設(shè)備有不斷向大型化、復(fù)雜化、長壽命化發(fā)展的趨勢。若試驗對象是成本極其昂貴、設(shè)計壽命很長的大型復(fù)雜設(shè)備或機構(gòu)系統(tǒng),采用經(jīng)典方法進(jìn)行可靠性試驗,在經(jīng)濟成本和時間成本上是難以承受的。因此,如何設(shè)計并開展小子樣、長壽命、復(fù)雜設(shè)備的可靠性試驗,以達(dá)到判斷試驗對象的可靠性水平能否被接受的目的,已成為工程界亟待解決的核心問題之一。

1復(fù)雜設(shè)備可靠性試驗理論體系

1.1可靠性試驗原理

對產(chǎn)品的特性或性能進(jìn)行測量、定量或分類所實施的實驗被稱為試驗,而可靠性試驗是其中的一項重要內(nèi)容。凡是與研究產(chǎn)品故障有關(guān)的任何試驗都可以被認(rèn)為是可靠性試驗,其原理如圖1所示。

從圖1中可以看出,可靠性試驗的原理是通過模擬現(xiàn)場工作條件、環(huán)境條件,將各種工作模式及應(yīng)力按照一定的時間關(guān)系和一定的循環(huán)次序反復(fù)地施加到受試產(chǎn)品上,經(jīng)過對試驗結(jié)果的分析,能夠判斷產(chǎn)品是否被接受。若試驗結(jié)果表明產(chǎn)品不能被接受,則通過產(chǎn)品故障的分析與處理,將信息反饋至有關(guān)環(huán)節(jié)并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施,從而使產(chǎn)品的可靠性得到一次根本性的提高。

1.2復(fù)雜設(shè)備可靠性試驗總體思路

通常來說,大型復(fù)雜設(shè)備的研發(fā)過程如圖2所示,工作內(nèi)容大體上可分為設(shè)計和驗證兩部分。在設(shè)計過程中采用自上而下、分層級設(shè)計和迭代的方法,在明確設(shè)備總體功能的基礎(chǔ)上,以整機功能分解及可靠性分配為主線,確定各零部件的可靠性要求,并將零部件的可靠性要求落實到材料選擇上,據(jù)此開展設(shè)備的具體研制工作:設(shè)備的可靠性驗證工作與設(shè)計工作的開展路線相反,自下而上地逐級進(jìn)行,依次驗證材料、零部件、整機的功能及其可靠性,確保其在預(yù)期壽期內(nèi)不會因設(shè)計、制造、安裝工藝等缺陷而導(dǎo)致設(shè)備故障。

根據(jù)大型復(fù)雜設(shè)備的研發(fā)思路,其可靠性試驗應(yīng)該按照圖3所示流程開展。

在開展設(shè)備的可靠性試驗時,首先需對設(shè)備的可靠性特征進(jìn)行分析,然后按照材料一零部件一整機的順序依次進(jìn)可靠性驗證,在驗證過程中,各層級的可靠性試驗是一個迭代的過程。

在經(jīng)過充分論證的前提下,可適當(dāng)借鑒已有試驗驗證結(jié)果或成熟的工程經(jīng)驗,且同一層級不同設(shè)備間的可靠性試驗可并行開展,以保證試驗工作高效可靠進(jìn)行。

在驗證零部件級和整機級可靠性時,采用如圖4所示方案。

由于復(fù)雜設(shè)備在其運行周期內(nèi)絕大部分時間執(zhí)行額定任務(wù),極短時間內(nèi)執(zhí)行非額定任務(wù),因此可根據(jù)任務(wù)類型,將受試對象的可靠性要求分為額定任務(wù)可靠性要求和非額定任務(wù)可靠性要求。出于節(jié)約試驗成本的考慮,采用"定量確認(rèn)或合理預(yù)測額定任務(wù)可靠性、定性測試非額定任務(wù)可靠性"的思想,通過最短的試驗時間和最低的試驗花費,達(dá)到判斷零部件或整機的可靠性水平能否被接受的目的。

2復(fù)雜設(shè)備的可靠性分析

在設(shè)計復(fù)雜的可靠性試驗方案前,需要先對受試對象進(jìn)行可靠性分析。具體來說,至少應(yīng)包括以下內(nèi)容:

2.1結(jié)構(gòu)與功能分析

在設(shè)計產(chǎn)品的可靠性試驗方案時,首先需要對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行深入了解,宏觀把握產(chǎn)品的特點。功能與結(jié)構(gòu)分析是其他分析過程的基礎(chǔ)。

2.2任務(wù)剖面和環(huán)境剖面分析

產(chǎn)品的可靠性與其執(zhí)行任務(wù)進(jìn)程和環(huán)境條件息息相關(guān)。對于在運行過程中會經(jīng)歷不同工況的產(chǎn)品,需要結(jié)合具體的工況條件梳理其任務(wù)進(jìn)程和環(huán)境條件,由此構(gòu)建受試對象的任務(wù)剖面和環(huán)境剖面。任務(wù)剖面和環(huán)境剖面分析結(jié)果決定了設(shè)備可靠性試驗過程中的工作模式和環(huán)境應(yīng)力。

2.3故障模式、失效機理及影響因素分析

在開展復(fù)雜設(shè)備的可靠性試驗時,必須明確其故障模式及失效機理,并確定導(dǎo)致其故障發(fā)生的主要影響因素,通過控制影響因素的應(yīng)力大小或循環(huán)頻率,在不改變受試樣失效機理的情況下,加快故障的發(fā)生進(jìn)程,縮短試驗時間。

故障模式與失效機理分析結(jié)果是制定復(fù)雜設(shè)備任務(wù)成功準(zhǔn)則的依據(jù)之一,也能夠用來驗證方案的有效性。

2.4零部件耦合性分析

復(fù)雜設(shè)備各零部件的故障模式和失效機理之間往往相互耦合,且整機的可靠性水平與各零部件之間的裝配情況相關(guān),一般來說,裝配精度與產(chǎn)品的可靠度成正相關(guān)。因此,并不能從單一的零部件試驗結(jié)果中簡單推導(dǎo)出整機的可靠性水平,而是需要在考慮各零部件之間相互耦合的基礎(chǔ)上,結(jié)合零部件級和整機級可靠性試驗結(jié)果,確定設(shè)備的可靠性水平。

零部件的耦合性分析一方面體現(xiàn)了整機試驗的必要性,另一方面還能幫助制定整機的故障判別準(zhǔn)則。

3材料級可靠性試驗方法

復(fù)雜設(shè)備在材料層級的故障主要包括材料的疲勞與過載失效,通常采用基于應(yīng)力一強度干涉法的仿真試驗來驗證材料在這兩種故障模式下的可靠性。

材料所受應(yīng)力和自身強度均是分布形式的隨機變量,若在干涉區(qū)內(nèi)應(yīng)力大于強度,則會發(fā)生失效。根據(jù)工程經(jīng)驗,機械承力件所受應(yīng)力分布大多符合正態(tài)分布,基于有限元分析結(jié)果和查找材料手冊等手段,求解各失效情況對應(yīng)的應(yīng)力與強度分布情況,利用蒙特卡羅抽樣法,計算得出干涉區(qū)內(nèi)應(yīng)力小于強度的概率,即可得到材料的可靠度。

4零部件級可靠性試驗方法

4.1確定試驗對象

零部件級可靠性試驗應(yīng)重點針對關(guān)鍵零部件展開,將有限的資源集中起來解決最需要解決的問題,且不同的關(guān)鍵零部件試驗應(yīng)并行開展。

確定關(guān)鍵零部件清單時,遵循以下原則:

(1)通過FMECA識別的故障發(fā)生頻率較高、故障危害性較大的零部件需要進(jìn)行可靠性試驗。

(2)維修性較差的零部件需要進(jìn)行可靠性試驗。

(3)新研制或自主開發(fā)的、技術(shù)成熟度低的零部件需要進(jìn)行可靠性試驗。

4.2設(shè)計試驗剖面

試驗剖面是直接供試驗用的環(huán)境參數(shù)與時間的關(guān)系圖,是按照一定的規(guī)則對環(huán)境剖面進(jìn)行處理后得到的[3]。對于執(zhí)行單任務(wù)的設(shè)備來說,試驗剖面與任務(wù)剖面和環(huán)境剖面之間呈一一對應(yīng)關(guān)系,但對于執(zhí)行多項任務(wù)的復(fù)雜設(shè)備來說,還需將對應(yīng)于多個任務(wù)剖面、環(huán)境剖面的多個試驗剖面綜合成一個合成試驗剖面。

在確定零部件級的試驗剖面前,首先需要根據(jù)受試對象的實際特點,從整機的任務(wù)剖面和環(huán)境剖面中提取與自身運行相關(guān)的部分,組成零部件的任務(wù)剖面和環(huán)境剖面,并據(jù)此設(shè)計相應(yīng)的試驗剖面。

另一方面,零部件在開展可靠性試驗前,還需進(jìn)行相應(yīng)的性能試驗,確保受試樣在規(guī)定的條件下具備所要求的性能。因此,同樣需要為零部件的性能試驗制定相應(yīng)的試驗剖面。

綜合以上兩方面的試驗剖面內(nèi)容,整理零部件級試驗剖面的確定方法如圖5所示。

在將零部件的任務(wù)剖面和環(huán)境剖面轉(zhuǎn)化為試驗剖面時,應(yīng)保證試驗條件與相應(yīng)任務(wù)期間內(nèi)的實際應(yīng)力條件相同:而在合成多個單一試驗剖面時,為了達(dá)到縮短試驗時間、提高試驗效率的目的,需要對合成順序加以研究。一般來說,需要遵循以下原則:(1)性能試驗是其他試驗的基礎(chǔ):(2)短期試驗應(yīng)在長期試驗之前進(jìn)行:(3)試驗環(huán)境應(yīng)逐步惡化。

4.3設(shè)計試驗時間

對于非額定工況來說,其發(fā)生頻率較低,某些工況很可能在一個運行周期內(nèi)都不會發(fā)生,故無需采用基于數(shù)理統(tǒng)計的思想來定量考核關(guān)鍵零部件在非額定工況下的可靠性水平,僅僅通過定性試驗確認(rèn)其具有在該工況下運行的性能即可。對于這類工況下的各項試驗,可由相關(guān)專家結(jié)合工程經(jīng)驗設(shè)置相應(yīng)的試驗時間或次數(shù)。

設(shè)備在額定工況條件下需要完成的任務(wù)通常包括啟停操作和連續(xù)運行,與之相關(guān)聯(lián)的故障模式通常是關(guān)鍵零部件的耗損故障。為了定量驗證關(guān)鍵零部件執(zhí)行這兩類任務(wù)的能力,需要對它們相應(yīng)的耗損壽命進(jìn)行鑒定,以確定其是否滿足相應(yīng)的壽命指標(biāo)要求。

根據(jù)工程經(jīng)驗,機械部件與磨損、疲勞、腐蝕等耗損型故障相關(guān)的壽命大多服從于威布爾分布或正態(tài)分布,而國內(nèi)外的相關(guān)研究標(biāo)準(zhǔn)[4]或文獻(xiàn)[5]中已經(jīng)給出了這類現(xiàn)象的理論依據(jù)與相應(yīng)的壽命計算方法。采用小子樣試驗時的分散系數(shù)法,根據(jù)關(guān)鍵零部件磨損壽命分布類型確定分散系數(shù)的計算方法,并結(jié)合零部件的壽命指標(biāo)要求,即可確定零部件的啟停試驗次數(shù)和連續(xù)運行試驗時間。

5整機級可靠性試驗方法

在零部件的可靠性試驗中,受試樣處于較為理想的試驗條件下,試驗環(huán)境比真實的整機運行環(huán)境更好,考慮到運輸、儲存、安裝、維修等過程對零部件可靠性具有一定的影響,因此還需要通過整機試驗來進(jìn)一步確認(rèn)零部件在整機環(huán)境下的可靠性水平。

5.1整機試驗要求

整機級可靠性試驗是在零部件級可靠性試驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。開展整機級可靠性試驗前,需要設(shè)計、進(jìn)行并通過各零部件級可靠性試驗,然后完成各零部件的運輸工作,并進(jìn)行整機組裝。整機應(yīng)涵蓋設(shè)備的所有主要零部件,是它們相互組裝配合而形成的統(tǒng)一整體,能夠高度反映產(chǎn)品的設(shè)計、制造和安裝工藝水平。

5.2整機試驗剖面設(shè)計

整機級可靠性試驗剖面由設(shè)備的任務(wù)剖面和環(huán)境剖面共同決定。與4.2節(jié)所述方法一致,整機試驗剖面也應(yīng)包括任務(wù)試驗剖面和性能試驗剖面兩部分,且考慮到整機結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其內(nèi)部存在結(jié)構(gòu)損傷的風(fēng)險,所以整機試驗內(nèi)容還應(yīng)包括整機的拆解點檢環(huán)節(jié)。在進(jìn)行完性能試驗和任務(wù)試驗后,都應(yīng)該拆解整機,測量樣機內(nèi)各部件的尺寸,并進(jìn)行浸透探傷等檢查,確認(rèn)整機內(nèi)部無結(jié)構(gòu)損傷。

5.3整機試驗時間設(shè)計

復(fù)雜設(shè)備的整機試驗花費較高,在達(dá)到驗證整機可靠性目的的基礎(chǔ)上,應(yīng)盡量縮短試驗時間、減少試驗開銷。

出于定性測試的目的,整機在非額定任務(wù)試驗中的試驗時間可由專家結(jié)合工程經(jīng)驗來確定,而整機在額定任務(wù)試驗中的試驗時間則需要進(jìn)行定量設(shè)計。

5.3.1啟停試驗次數(shù)的設(shè)計

由于序貫試驗在試驗過程中不約束試驗樣本數(shù)量,而是在試驗前進(jìn)行相應(yīng)的原假設(shè),通過對每個樣本的每次試驗結(jié)果做出一個判斷,根據(jù)判斷結(jié)果是否接受原假設(shè)來決定是否需要繼續(xù)進(jìn)行試驗[6],因此常常采用序貫分析法來確定整機啟停試驗中的試驗次數(shù)。

用二項分布族來描述成敗型試驗的試驗結(jié)果,記一次成敗型試驗的結(jié)果為X==或0,其中P(X=1)=p為一次試驗成功的概率。則X的概率密度函數(shù)如式(1)所示:

假設(shè)H1為:p=p1,相應(yīng)的對立假設(shè)H2為:p=p2。其中p1、p2已知,且0Cp1<p2<=。

記n次重復(fù)獨立試驗的試驗結(jié)果為x=,x2,…,xn,則有:

其中,

式(2)可變?yōu)?

若給定生產(chǎn)方風(fēng)險為A,使用方風(fēng)險為α(A和8均小于0.5),記A=8/(1-8)、B=(1-8)/A,則A、B滿足0<A<=<B<∞令:

則試驗結(jié)果的判定域為:

式中,Rn為接受假設(shè)H1的邊界線:An為接受假設(shè)H2的邊界線。相應(yīng)的序貫分析檢驗圖如圖6所示。

5.3.2連續(xù)運行試驗時間的設(shè)計

由于單位時間內(nèi)的整機運行試驗成本太高,因此無法長時間開展整機運行試驗,而是應(yīng)該根據(jù)工程經(jīng)驗合理選擇運行時間。本文推薦大型、復(fù)雜設(shè)備的整機運行時間不超過500h。這是出于以下三方面的考慮:

(1)大量工程經(jīng)驗表明,通過500h的連續(xù)運行試驗可判斷大型機械產(chǎn)品在正常運行期間的可靠性。

(2)從材料的疲勞強度考慮,整機運行500h時應(yīng)力循環(huán)次數(shù)往往能夠達(dá)到材料的循環(huán)基數(shù),此時整機若未發(fā)生疲勞現(xiàn)象,則再繼續(xù)運行下去也不會發(fā)生疲勞破壞。

(3)500h的連續(xù)運行保證了整機的初始磨合完畢,從浴盆曲線的角度考慮,此時設(shè)備已渡過了早期故障期,其故障率水平下降到了較低的恒定水平,且其與各種耗損過程相關(guān)的耗損壽命可測。

6應(yīng)用實例分析

某核電站的軸封型主泵采用本文所提出的方法開展主泵的可靠性試驗。

首先對主泵進(jìn)行了功能與結(jié)構(gòu)分析,并構(gòu)建了主泵的任務(wù)剖面和環(huán)境剖面:采用故障樹分析方法,對主泵進(jìn)行了功能降級分析,找出了導(dǎo)致主泵功能降級的26個主要故障模式及其相應(yīng)的失效機理:通過對零部件進(jìn)行耦合性分析,發(fā)現(xiàn)泵軸、聯(lián)軸器、水力部件和軸承組件是主泵內(nèi)耦合性最高的部分,它們的耦合性具體體現(xiàn)在物理接口耦合、失效機理耦合、損耗過程耦合以及故障模式耦合等四個方面。

主泵材料的可靠性通過應(yīng)力一強度干涉法進(jìn)行驗證:在設(shè)計零部件級可靠性試驗方案時,選擇軸封組件和軸承組件為試驗對象,以水潤滑軸承為例,設(shè)計了包含7項試驗項目的水潤滑軸承可靠性試驗方案,并采用分散系數(shù)法確定軸承的啟停試驗次數(shù):設(shè)計整機級可靠性試驗方案時,從主泵的任務(wù)剖面和環(huán)境剖面出發(fā),制定了2大類、13小類試驗項目,并采用序貫分析法確定了整機啟停試驗的試驗次數(shù)為100次,設(shè)計整機連續(xù)運行試驗時間為500h。最后從試驗項目對任務(wù)項目的包絡(luò)性、試驗項目對故障模式的包絡(luò)性兩個角度,論證了零部件級和整機級試驗方案的有效性。

7結(jié)語

本文提出了一種小子樣、長壽命、復(fù)雜設(shè)備的可靠性試驗方法。在對設(shè)備的可靠性特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,按照材料一零部件一整機的順序依次進(jìn)行試驗。由于同一層級不同受試對象間的可靠性試驗可并行開展,因此采用本試驗方法,能夠在判斷復(fù)雜設(shè)備可靠性水平能否達(dá)到規(guī)定要求的基礎(chǔ)上,縮短試驗周期,降低試驗成本。