小子樣長壽命復雜設備可靠性試驗方法研究

引言

根據抽樣理論,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,設備有不斷向大型化、復雜化、長壽命化發(fā)展的趨勢。若試驗對象是成本極其昂貴、設計壽命很長的大型復雜設備或機構系統(tǒng),采用經典方法進行可靠性試驗,在經濟成本和時間成本上是難以承受的。因此,如何設計并開展小子樣、長壽命、復雜設備的可靠性試驗,以達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復雜設備可靠性試驗理論體系

1.1可靠性試驗原理

對產品的特性或性能進行測量、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容。凡是與研究產品故障有關的任何試驗都可以被認為是可靠性試驗,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力按照一定的時間關系和一定的循環(huán)次序反復地施加到受試產品上,經過對試驗結果的分析,能夠判斷產品是否被接受。若試驗結果表明產品不能被接受,則通過產品故障的分析與處理,將信息反饋至有關環(huán)節(jié)并采取相應的改進措施,從而使產品的可靠性得到一次根本性的提高。

1.2復雜設備可靠性試驗總體思路

通常來說,大型復雜設備的研發(fā)過程如圖2所示,工作內容大體上可分為設計和驗證兩部分。在設計過程中采用自上而下、分層級設計和迭代的方法,在明確設備總體功能的基礎上,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,據此開展設備的具體研制工作:設備的可靠性驗證工作與設計工作的開展路線相反,自下而上地逐級進行,依次驗證材料、零部件、整機的功能及其可靠性,確保其在預期壽期內不會因設計、制造、安裝工藝等缺陷而導致設備故障。

根據大型復雜設備的研發(fā)思路,其可靠性試驗應該按照圖3所示流程開展。

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

在經過充分論證的前提下,可適當借鑒已有試驗驗證結果或成熟的工程經驗,且同一層級不同設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。

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

2復雜設備的可靠性分析

在設計復雜的可靠性試驗方案前,需要先對受試對象進行可靠性分析。具體來說,至少應包括以下內容:

2.1結構與功能分析

在設計產品的可靠性試驗方案時,首先需要對產品的結構與功能進行深入了解,宏觀把握產品的特點。功能與結構分析是其他分析過程的基礎。

2.2任務剖面和環(huán)境剖面分析

產品的可靠性與其執(zhí)行任務進程和環(huán)境條件息息相關。對于在運行過程中會經歷不同工況的產品,需要結合具體的工況條件梳理其任務進程和環(huán)境條件,由此構建受試對象的任務剖面和環(huán)境剖面。任務剖面和環(huán)境剖面分析結果決定了設備可靠性試驗過程中的工作模式和環(huán)境應力。

2.3故障模式、失效機理及影響因素分析

在開展復雜設備的可靠性試驗時,必須明確其故障模式及失效機理,并確定導致其故障發(fā)生的主要影響因素,通過控制影響因素的應力大小或循環(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)生進程,縮短試驗時間。

故障模式與失效機理分析結果是制定復雜設備任務成功準則的依據之一,也能夠用來驗證方案的有效性。

2.4零部件耦合性分析

復雜設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,一般來說,裝配精度與產品的可靠度成正相關。因此,并不能從單一的零部件試驗結果中簡單推導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上,結合零部件級和整機級可靠性試驗結果,確定設備的可靠性水平。

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則。

3材料級可靠性試驗方法

復雜設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。

材料所受應力和自身強度均是分布形式的隨機變量,若在干涉區(qū)內應力大于強度,則會發(fā)生失效。根據工程經驗,機械承力件所受應力分布大多符合正態(tài)分布,基于有限元分析結果和查找材料手冊等手段,求解各失效情況對應的應力與強度分布情況,利用蒙特卡羅抽樣法,計算得出干涉區(qū)內應力小于強度的概率,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重點針對關鍵零部件展開,將有限的資源集中起來解決最需要解決的問題,且不同的關鍵零部件試驗應并行開展。

確定關鍵零部件清單時,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行可靠性試驗。

(2)維修性較差的零部件需要進行可靠性試驗。

(3)新研制或自主開發(fā)的、技術成熟度低的零部件需要進行可靠性試驗。

4.2設計試驗剖面

試驗剖面是直接供試驗用的環(huán)境參數(shù)與時間的關系圖,是按照一定的規(guī)則對環(huán)境剖面進行處理后得到的[3]。對于執(zhí)行單任務的設備來說,試驗剖面與任務剖面和環(huán)境剖面之間呈一一對應關系,但對于執(zhí)行多項任務的復雜設備來說,還需將對應于多個任務剖面、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,首先需要根據受試對象的實際特點,從整機的任務剖面和環(huán)境剖面中提取與自身運行相關的部分,組成零部件的任務剖面和環(huán)境剖面,并據此設計相應的試驗剖面。

另一方面,零部件在開展可靠性試驗前,還需進行相應的性能試驗,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的試驗剖面。

綜合以上兩方面的試驗剖面內容,整理零部件級試驗剖面的確定方法如圖5所示。

在將零部件的任務剖面和環(huán)境剖面轉化為試驗剖面時,應保證試驗條件與相應任務期間內的實際應力條件相同:而在合成多個單一試驗剖面時,為了達到縮短試驗時間、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:(2)短期試驗應在長期試驗之前進行:(3)試驗環(huán)境應逐步惡化。

4.3設計試驗時間

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,可由相關專家結合工程經驗設置相應的試驗時間或次數(shù)。

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

根據工程經驗,機械部件與磨損、疲勞、腐蝕等耗損型故障相關的壽命大多服從于威布爾分布或正態(tài)分布,而國內外的相關研究標準[4]或文獻[5]中已經給出了這類現(xiàn)象的理論依據與相應的壽命計算方法。采用小子樣試驗時的分散系數(shù)法,根據關鍵零部件磨損壽命分布類型確定分散系數(shù)的計算方法,并結合零部件的壽命指標要求,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一步確認零部件在整機環(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上進行的。開展整機級可靠性試驗前,需要設計、進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,并進行整機組裝。整機應涵蓋設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,能夠高度反映產品的設計、制造和安裝工藝水平。

5.2整機試驗剖面設計

整機級可靠性試驗剖面由設備的任務剖面和環(huán)境剖面共同決定。與4.2節(jié)所述方法一致,整機試驗剖面也應包括任務試驗剖面和性能試驗剖面兩部分,且考慮到整機結構復雜,其內部存在結構損傷的風險,所以整機試驗內容還應包括整機的拆解點檢環(huán)節(jié)。在進行完性能試驗和任務試驗后,都應該拆解整機,測量樣機內各部件的尺寸,并進行浸透探傷等檢查,確認整機內部無結構損傷。

5.3整機試驗時間設計

復雜設備的整機試驗花費較高,在達到驗證整機可靠性目的的基礎上,應盡量縮短試驗時間、減少試驗開銷。

出于定性測試的目的,整機在非額定任務試驗中的試驗時間可由專家結合工程經驗來確定,而整機在額定任務試驗中的試驗時間則需要進行定量設計。

5.3.1啟停試驗次數(shù)的設計

由于序貫試驗在試驗過程中不約束試驗樣本數(shù)量,而是在試驗前進行相應的原假設,通過對每個樣本的每次試驗結果做出一個判斷,根據判斷結果是否接受原假設來決定是否需要繼續(xù)進行試驗[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果,記一次成敗型試驗的結果為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H1為:p=p1,相應的對立假設H2為:p=p2。其中p1、p2已知,且0Cp1<p2<=。

記n次重復獨立試驗的試驗結果為x=,x2,…,xn,則有:

其中,

式(2)可變?yōu)?

若給定生產方風險為A,使用方風險為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:

則試驗結果的判定域為:

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

5.3.2連續(xù)運行試驗時間的設計

由于單位時間內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,而是應該根據工程經驗合理選擇運行時間。本文推薦大型、復雜設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)大量工程經驗表明,通過500h的連續(xù)運行試驗可判斷大型機械產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時應力循環(huán)次數(shù)往往能夠達到材料的循環(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的耗損壽命可測。

6應用實例分析

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。

首先對主泵進行了功能與結構分析,并構建了主泵的任務剖面和環(huán)境剖面:采用故障樹分析方法,對主泵進行了功能降級分析,找出了導致主泵功能降級的26個主要故障模式及其相應的失效機理:通過對零部件進行耦合性分析,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力一強度干涉法進行驗證:在設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):設計整機級可靠性試驗方案時,從主泵的任務剖面和環(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,設計整機連續(xù)運行試驗時間為500h。最后從試驗項目對任務項目的包絡性、試驗項目對故障模式的包絡性兩個角度,論證了零部件級和整機級試驗方案的有效性。

7結語

本文提出了一種小子樣、長壽命、復雜設備的可靠性試驗方法。在對設備的可靠性特征進行分析的基礎上,按照材料一零部件一整機的順序依次進行試驗。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,能夠在判斷復雜設備可靠性水平能否達到規(guī)定要求的基礎上,縮短試驗周期,降低試驗成本。