機電產品的可靠性分析

摘要：對機電產品的可靠性進行了探討。其中包括可靠性設計的目的、元器件的選擇與使用、三防設計、抗震設計、電磁兼容性設計、安全性設計和使用與定期維護等。其目的在于提高機電產品的質量。

關鍵詞：機電產品;可靠性;探討

0 引言

隨著科學技術的迅速發(fā)展，機電產品在國防、工業(yè)、農業(yè)、商業(yè)、科研和民用等方面的應用種類越來越多，而且都離不開電源技術和其它技術的應用。如果在其應用中忽略了可靠性管理，機電產品的質量也不會得到保證?？煽啃允钱a品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內，完成規(guī)定功能的能力。所以，可靠性是產品質量的時間指標，是產品性能能否在實際使用中得到充分發(fā)揮的關鍵之一。機電產品的可靠性是設計出來的、生產出來的?？煽啃栽O計必須與機電產品的功能設計同步進行。因此，設計人員必須明確可靠性設計的目的并掌握可靠性設計的方法。

下面僅對機電產品的可靠性進行部分簡要探討。

1 可靠性設計

1.1 可靠性設計的目的

可靠性設計的目的一般包括以下幾個方面：

——政治目的任何國家的產品的先進性和可靠性對其國際貿易、國際聲譽和國際地位都有很大的影響，因此，各國政府都很重視產品的可靠性問題;

——經濟目的對銷售而言，產品的質量和可靠性水平是其占領市場份額和獲得信譽的關鍵性因素;對生產而言，生產設備的可靠性故障會影響生產，造成經濟損失;因此，各廠家和用戶都很重視產品的可靠性問題;

——軍事目的軍用設備的可靠性直接關系到戰(zhàn)斗的成敗，人員的傷亡，甚至國家的安全，因此，各國都很重視軍用產品的可靠性問題。

1.2 可靠性設計的指導思想

可靠性設計技術是在產品的設計中采取相應的措施，以提高產品的可靠性并達到可靠性指標的一門技術。為此應當充分注意以下幾個方面：

——充分估計現有的技術水平，盡量采用成熟的、定型的、標準的原材料、元器件、電路和工藝來完成設計;

——準確掌握產品在運輸、儲存和使用中可能遇到的環(huán)境條件，采取相應的可靠性設計技術，以便使產品增強對環(huán)境的適應能力;

——應當充分滿足設計與工藝制造、調試檢測和維護使用的相互要求;

——可靠性定量活動應當貫穿于產品研制的全過程，包括可靠性分析、預計、論證、指標的確定和分配、設計、制造、調試檢測和維護使用等;

——重視和加強設計階段的可靠性管理，在設計中，必須貫徹和執(zhí)行可靠性設計的技術標準和規(guī)范、產品可靠性要求事項、可靠性工作計劃和可靠性審查程序等管理措施。

1.3 可靠性與維修性指標的論證和確定

可靠性與維修性指標的論證應當特別注意以下兩個問題：

——被論證的機電產品應該具有哪些可靠性與維修性指標用來表征產品可靠性的數量特征有很多，對被論證的機電產品應該根據其用途選用適當的可靠性與維修性指標，例如對可修復的連續(xù)工作的機電產品，應以規(guī)定時間內的可靠度或平均無故障工作時間和平均維修時間作為主要可靠性指標;

——決定機電產品可靠性與維修性指標的高低應當根據使用要求、成本和研制進度來決定機電產品可靠性與維修性指標的高低，例如軍用機電產品的可靠性與維修性指標過低，不僅會喪失戰(zhàn)機，而且還將處于被動挨打狀態(tài);而可靠性與維修性指標過高，不僅會延長研制周期，而且還將增大研制經費。

1.4 可靠性指標和性能指標的關系

可靠性指標和性能指標的關系應當特別注意以下3點：

——可靠性是產品質量的時間指標;

——如果達不到可靠性指標的最低要求，性能指標再好也沒有實際使用價值，反之亦然;

——性能指標的裕量是保證可靠性指標的必要條件。

1.5 可靠性增長

任何產品初期的可靠性不可能達到預期的水平，都需要一個經過不斷地采取各種糾正措施的增長過程。可靠性增長應當把握以下3個主要因素：

——產品的信息反饋，特別應該重視用戶的意見;

——產品可靠性故障的檢測與分析;

——采取相應的糾正措施并進行試驗驗證。

2 元器件的選擇與使用

元器件是機電產品可靠性的基礎之一，很多機電產品的失效是由于元器件的性能和質量問題造成的。例如，國內某煉鋼廠用中頻爐熔煉鋼鐵，其中頻電源是利用晶閘管全橋逆變獲得的，每個橋臂上的晶閘管均并有阻容吸收電路。熔煉過程中，由于阻容吸收電路中的電容被擊穿導致晶閘管失去保護而被擊穿，從而造成直通故障和快速熔斷器熔斷，中頻爐斷電，正在熔煉的鋼鐵凝結在爐中，造成極大損失。由此可以看出元器件的選擇與使用的重要性。

2.1 元器件的選用原則

元器件的選用要遵循下述原則：

——根據產品要實現的功能要求和環(huán)境條件，選用相應種類、型號規(guī)格質量等級的元器件;

——根據元器件使用時的應力情況，確定元器件的極限值，按降額設計技術選用元器件;

——根據產品要求的可靠性等級，選用與其適應的并通過國家質量認證合格單位生產的元器件;

——盡量選用標準的、系列化的元器件，重要的關鍵件應選用軍用級以上元器件;

——對非標準的元器件要進行嚴格的驗證，使用時要經過批準;

——根據國家或本單位的元器件優(yōu)選手冊選用。

2.2 器件封裝結構和質量等級的選擇

2.2.1 器件封裝結構的選擇

環(huán)氧樹脂塑封器件為非氣密性結構，易受潮氣、鹽霧和其它腐蝕性氣體的侵蝕而失效。因此，對使用環(huán)境苛刻的產品，應當選用金屬、陶瓷或低熔點玻璃封裝的器件。

2.2.2 質量等級的選擇

質量等級是指元器件裝機使用前，在制造、檢驗和篩選過程中質量的控制等級。我國電子元器件分為A，B，C三個質量層次，每個質量層次包含幾個質量等級，每個質量等級都有相應的質量系數。

質量等級的選擇原則為：

——對可靠性要求高的產品，優(yōu)先選用通過生產線軍用標準認證并已上QPL(質量認證合格產品目錄)表的元器件;

——關鍵件、重要件、分配可靠性高、基本失效率高的元器件應當選用質量等級高的元器件;

——其它元器件可按其生產執(zhí)行標準，參照國標中質量等級順序選用。

2.3 降額設計

2.3.1 降額設計的依據

電子元器件在使用或貯存過程中，總存在著某種比較緩慢的物理化學變化。這種變化發(fā)展到一定程度時，會使元器件的特性退化、功能喪失，即失效了。而這種變化的快慢，與溫度和施加在元器件上的應力大小直接相關。為此，應當對元器件實行降額設計。
 

2.3.2 降額等級

對不同的元器件，應用在不同的場合，實行不同的降額等級：

——Ⅰ級降額，是最大降額，應用于最關鍵設備;

——Ⅱ級降額，是中等降額，應用于重要設備;

——Ⅲ級降額，是最小降額，應用于一般設備。

2.3.3 降額注意事項

降額注意事項如下：

——有些元器件的應力是不能降額的，如電子管的燈絲電壓、繼電器線圈的吸合電流;

——有些元器件應力的降額是有限度的，如薄膜電阻器的功率減到10%以下時，二極管的反向電壓減到60%以下時，失效率將不再下降;

——有些電容器的降額可能發(fā)生低電平失效，即當電容器兩端電壓過低時呈現開路失效。

2.3.4 降額系數

降額系數是依靠試驗數據和使用的環(huán)境來確定的。確定降額系數的方法如下：

——數學模型及基本失效率與溫度、降額系數之間的關系曲線;

——減額曲線給出了為保證元器件可靠工作所選擇的降額系數與溫度之間的函數關系，當在該減額曲線上工作的半導體結溫達到其最高結溫時，其失效率仍然較高;

——應用減額圖，即在減額曲線的下方，通過試驗找到一條半導體結溫較低的減額曲線;

——各種元器件的減額因子參見國家標準。

3 三防設計

任何機電產品都是在一定的環(huán)境下工作的，而潮濕、鹽霧和霉菌會降低材料的絕緣強度，引起漏電，從而導致故障。因此，必須采取防止或減少環(huán)境條件對機電產品可靠性影響的各種方法，以保證機電產品工作中的性能。例如，國內某廠家生產的UPS，由于沒有采用三防設計，在沿海和潮濕地區(qū)應用時多次發(fā)生故障，致使該廠家的維修費用過高，幾乎到了無利可圖的地步。由此可以看出采用三防設計的重要性。為此應當充分注意以下幾個方面。

3.1 防潮設計

防潮設計的原則如下：

——采用吸濕性小的元器件和材料;

——采用噴涂、浸漬、灌封、憎水等處理;

——局部采用密封結構;

——改善整機使用環(huán)境，如采用空調、安裝加熱去濕裝置。

3.2 防霉設計

防霉設計的原則如下：

——采用抗霉材料，例如無機礦物質材料;

——采用防霉劑進行處理;

——控制環(huán)境條件來抑制霉菌生長，例如采用防潮、通風、降溫等措施。

3.3 防鹽霧設計

防鹽霧設計的原則如下：

——采用防潮和防腐能力強的材料;

——采用密封結構;

——岸上設備應當遠離海岸。

4 抗震設計

任何機電產品都要經過從廠家到用戶的裝運過程，特別是在振動場合下應用的機電產品，必須采取防止或減少振動環(huán)境條件對機電產品可靠性影響的各種方法，以保證機電產品工作中的性能。例如，國內某個著名研究所在上世紀60年代購入一臺幾十萬元的真空熔爐設備，在廠家驗收合格后運往北京。然而經過多次調試，其高壓電源均調不到額定值，只好丟棄在庫房中。后來被另一個研究所以廢品的價格買走，打開高壓電源的油箱后發(fā)現高壓變壓器的初級繞組三相進線中有一根斷裂。這很可能是該產品從廠家到北京的裝運過程中發(fā)生的。由于沖擊和振動會引起材料的機械強度降低，甚至會發(fā)生材料斷裂，從而導致故障。為此應當充分注意以下幾個方面：

——印制板上各元器件引腳線長應當盡量短，以增加抗振動能力;

——印制板應當豎放并進行加固;

——較重的器件應當進行加固;

——懸空的引線不宜拉的過緊，以防振動時斷裂;

——運輸機電產品時，應當加強防震措施;

——振動場合應用的機電產品，應當采用防震措施。

5 電磁兼容性設計

電磁兼容性是指電子設備在電磁環(huán)境中正常工作的能力。電磁干擾是對電子設備工作性能有害的電磁變化現象。電磁干擾不僅影響電子設備的正常工作，甚至造成電子設備中的某些元器件損害。因此，對電子設備的電磁兼容技術要給予充分的重視。既要注意電子設備不受周圍電磁干擾而能正常工作，又要注意電子設備本身不對周圍其他設備產生電磁騷擾，影響其他設備正常運行。

例如，國內某廠家生產的二氧化碳激光器刻標機，由于對電磁兼容性設計重視不夠，每當二氧化碳激光器刻標機運行時，其周圍的計算機等電子設備便無法工作。這主要是因為二氧化碳激光器刻標機運行時產生的空間電磁輻射干擾所致。為此應當充分注意以下幾個方面。

5.1 電磁兼容性控制計劃

電磁兼容性控制計劃主要包括以下各項：

——落實電磁兼容性管理機構的職責、權限和實施計劃;

——電磁兼容性的預測和分析;

——制定項目的電磁兼容性標準;

——進行項目的頻譜管理;

——制定電源、結構、工藝、布局等電磁兼容性的要求;

——擬制電磁兼容性試驗大綱。

5.2 電磁兼容性設計指標

電磁兼容性設計指標可以參照相應的國家標準。

5.3 電磁兼容性設計方法

電磁兼容性設計方法主要包括以下各項。
 

5.3.1 抑制騷擾源

抑制騷擾源的主要方法如下：

——限制騷擾源的電壓、電流變化率;

——限制騷擾源的電壓、電流幅?;

——限制騷擾源的頻率;

——直流電源的去耦;

——交流電源變壓器的電磁屏蔽;

——對感性負載的騷擾源采取相應措施;

——采用獨立電源。

5.3.2 切斷干擾的耦合通道

切斷干擾的耦合通道的主要方法如下：

——完整的電磁屏蔽以切斷空間干擾的耦合通道;

——合適頻譜的濾波以切斷線路傳導干擾的耦合通道;

——適當的接地以降低地線干擾的耦合通道;

——采用適當的導線以傳輸不同性質的信號;

——注意元器件的布局，以降低干擾耦合;

——應用布線技術，以降低干擾耦合;

——采用電磁、光電、機械等隔離技術，切斷干擾的耦合通道。

5.3.3 提高敏感電路的抗干擾能力

提高敏感電路的抗干擾能力的主要方法如下：

——選用具有高抗干擾能力的元器件;

——采用完整的電磁屏蔽;

——采用合適的濾波技術;

——限制電路的帶寬;

——采用合理的去耦措施;

——采用合理的接地。

5.4 電磁兼容性試驗驗證

電磁兼容性試驗驗證可以參照相應的國家標準進行。

6 安全性設計

安全性是保證機電設備能夠可靠地完成其規(guī)定功能，同時保證操作和維護人員的人身安全的重要特性。例如，國內某廠家生產的UPS有兩個性能和參數不同的端口，但是卻采用了兩個相同的電連接器。操作人員匆忙中插錯了電連接器，造成該電源燒毀。對此如有防差錯的安全性設計，就不會發(fā)生這種災難性后果。安全性設計主要有以下幾項內容。

6.1 防止電危險的安全性設計

防止電危險的安全性設計主要包括：

——設計操作方便的電源開關，以便能及時切斷電源;

——全部外露金屬件都要可靠接地;

——設置過壓、過流和漏電保護裝置;

——設置高壓電容器自動放電裝置;

——電源和高壓部位應當設置明顯標志，如電源進出線的‘火’‘零’‘地’，蓄電池的‘正’‘負’，以防誤操作;

——特別要注意高壓部件的絕緣設計;

——露天使用的機電產品應設置避雷裝置;

——多個電連接器，應有防差錯設計。

6.2 防止機械危險的安全性設計

防止機械危險的安全性設計主要包括：

——運動部件應當加防護和限位裝置以保證人身安全;

——設備的邊角應當導圓以防傷人;

——門、抽屜以及其它運動部件，應當加連鎖裝置以防意外脫落;

——有危險的部位，應當設置明顯標志。

6.3 防止火災和爆炸危險的安全性設計

防止火災和爆炸危險的安全性設計主要包括：

——有爆炸危險的物資，對其使用、運輸和存儲都應有相應的安全措施;

——有易燃危險的物資，應有相應的防范措施;

——對電氣設備，應當加強維護和檢修，以防引起火災;

——盡量采用阻燃性好的材料;

——設置滅火裝置。

6.4 防止輻射危險的安全性設計

防止輻射危險的安全性設計主要包括：

——微波輻射功率密度大于10mW/cm2，應當加裝防護衰減裝置;

——磁通量大于0.1T，應當加裝防護衰減裝置;

——因為激光進入人眼的密度不能大于5×10-6J/cm2，因此，產生激光的部位應設置明顯標志;

——X射線每周累計照射量一般不能大于5.58×10-2C/kg。

7 使用與定期維護

最后，正確使用與定期維護也是提高機電產品可靠性的重要內容。為此應當充分注意以下幾個方面。

7.1 機電產品

使用機電產品時，首先應當了解它的工作原理，其次應當嚴格遵循它的使用程序，最后應當對其進行定期維護，這樣才能提高機電產品的可靠性。

7.2 電源

移動機電產品的電源是油機和蓄電池，它們的性能好壞是整個機電產品可靠工作的前提。為此，應當對油機和蓄電池正確使用與定期維護。

7.3 電器

電器是供電系統(tǒng)中的重要元器件。電器觸頭的燒蝕和絕緣性能的下降，往往導致重大事故。為此，應當對電器進行定期維護。

7.4 活動連接件

在振動場合下使用的機電產品，其活動連接件易松動，特別是導電的活動連接件松動時，會導致事故的發(fā)生。為此，應當對活動連接件進行定期維護。

7.5 供電線纜

供電線纜是電能傳遞的路徑，電能的主要參數是電流和電壓。電流在供電線纜中流動時會發(fā)熱，發(fā)熱將導致供電線纜絕緣強度降低，嚴重的會引起供電線纜火災。電壓對供電線纜的絕緣形成應力，應用中的供電線纜絕緣性能在不斷下降，一旦電壓的應力超過絕緣的承受能力，會造成絕緣擊穿而發(fā)生故障。特別是位于金屬走線槽口處的線纜應當增加保護套，以防長期磨損而可能發(fā)生對地短路的故障。

8 結語

隨著科學技術的迅猛發(fā)展，機電產品越來越廣泛地應用于社會各個領域，其使用條件也越來越嚴酷，因此，對機電產品的可靠性要求越來越高。本文結合實例對機電產品可靠性的各個方面進行了探討，以供生產廠家和設計人員參考。其最終目的在于提高機電產品的可靠性和質量，增加機電產品的社會效益和經濟效益。