小子样长寿命复杂设备可靠性试验方法研究

引言

根据抽样理论,用于试验的样本量越大,试验评估的精确度就越高。但随着现代工业的不断发展,设备有不断向大型化、复杂化、长寿命化发展的趋势。若试验对象是成本极其昂贵、设计寿命很长的大型复杂设备或机构系统,采用经典方法进行可靠性试验,在经济成本和时间成本上是难以承受的。因此,如何设计并开展小子样、长寿命、复杂设备的可靠性试验,以达到判断试验对象的可靠性水平能否被接受的目的,已成为工程界亟待解决的核心问题之一。

1复杂设备可靠性试验理论体系

1.1可靠性试验原理

对产品的特性或性能进行测量、定量或分类所实施的实验被称为试验,而可靠性试验是其中的一项重要内容。凡是与研究产品故障有关的任何试验都可以被认为是可靠性试验,其原理如图1所示。

从图1中可以看出,可靠性试验的原理是通过模拟现场工作条件、环境条件,将各种工作模式及应力按照一定的时间关系和一定的循环次序反复地施加到受试产品上,经过对试验结果的分析,能够判断产品是否被接受。若试验结果表明产品不能被接受,则通过产品故障的分析与处理,将信息反馈至有关环节并采取相应的改进措施,从而使产品的可靠性得到一次根本性的提高。

1.2复杂设备可靠性试验总体思路

通常来说,大型复杂设备的研发过程如图2所示,工作内容大体上可分为设计和验证两部分。在设计过程中采用自上而下、分层级设计和迭代的方法,在明确设备总体功能的基础上,以整机功能分解及可靠性分配为主线,确定各零部件的可靠性要求,并将零部件的可靠性要求落实到材料选择上,据此开展设备的具体研制工作:设备的可靠性验证工作与设计工作的开展路线相反,自下而上地逐级进行,依次验证材料、零部件、整机的功能及其可靠性,确保其在预期寿期内不会因设计、制造、安装工艺等缺陷而导致设备故障。

根据大型复杂设备的研发思路,其可靠性试验应该按照图3所示流程开展。

在开展设备的可靠性试验时,首先需对设备的可靠性特征进行分析,然后按照材料一零部件一整机的顺序依次进可靠性验证,在验证过程中,各层级的可靠性试验是一个迭代的过程。

在经过充分论证的前提下,可适当借鉴已有试验验证结果或成熟的工程经验,且同一层级不同设备间的可靠性试验可并行开展,以保证试验工作高效可靠进行。

在验证零部件级和整机级可靠性时,采用如图4所示方案。

由于复杂设备在其运行周期内绝大部分时间执行额定任务,极短时间内执行非额定任务,因此可根据任务类型,将受试对象的可靠性要求分为额定任务可靠性要求和非额定任务可靠性要求。出于节约试验成本的考虑,采用"定量确认或合理预测额定任务可靠性、定性测试非额定任务可靠性"的思想,通过最短的试验时间和最低的试验花费,达到判断零部件或整机的可靠性水平能否被接受的目的。

2复杂设备的可靠性分析

在设计复杂的可靠性试验方案前,需要先对受试对象进行可靠性分析。具体来说,至少应包括以下内容:

2.1结构与功能分析

在设计产品的可靠性试验方案时,首先需要对产品的结构与功能进行深入了解,宏观把握产品的特点。功能与结构分析是其他分析过程的基础。

2.2任务剖面和环境剖面分析

产品的可靠性与其执行任务进程和环境条件息息相关。对于在运行过程中会经历不同工况的产品,需要结合具体的工况条件梳理其任务进程和环境条件,由此构建受试对象的任务剖面和环境剖面。任务剖面和环境剖面分析结果决定了设备可靠性试验过程中的工作模式和环境应力。

2.3故障模式、失效机理及影响因素分析

在开展复杂设备的可靠性试验时,必须明确其故障模式及失效机理,并确定导致其故障发生的主要影响因素,通过控制影响因素的应力大小或循环频率,在不改变受试样失效机理的情况下,加快故障的发生进程,缩短试验时间。

故障模式与失效机理分析结果是制定复杂设备任务成功准则的依据之一,也能够用来验证方案的有效性。

2.4零部件耦合性分析

复杂设备各零部件的故障模式和失效机理之间往往相互耦合,且整机的可靠性水平与各零部件之间的装配情况相关,一般来说,装配精度与产品的可靠度成正相关。因此,并不能从单一的零部件试验结果中简单推导出整机的可靠性水平,而是需要在考虑各零部件之间相互耦合的基础上,结合零部件级和整机级可靠性试验结果,确定设备的可靠性水平。

零部件的耦合性分析一方面体现了整机试验的必要性,另一方面还能帮助制定整机的故障判别准则。

3材料级可靠性试验方法

复杂设备在材料层级的故障主要包括材料的疲劳与过载失效,通常采用基于应力一强度干涉法的仿真试验来验证材料在这两种故障模式下的可靠性。

材料所受应力和自身强度均是分布形式的随机变量,若在干涉区内应力大于强度,则会发生失效。根据工程经验,机械承力件所受应力分布大多符合正态分布,基于有限元分析结果和查找材料手册等手段,求解各失效情况对应的应力与强度分布情况,利用蒙特卡罗抽样法,计算得出干涉区内应力小于强度的概率,即可得到材料的可靠度。

4零部件级可靠性试验方法

4.1确定试验对象

零部件级可靠性试验应重点针对关键零部件展开,将有限的资源集中起来解决最需要解决的问题,且不同的关键零部件试验应并行开展。

确定关键零部件清单时,遵循以下原则:

(1)通过FMECA识别的故障发生频率较高、故障危害性较大的零部件需要进行可靠性试验。

(2)维修性较差的零部件需要进行可靠性试验。

(3)新研制或自主开发的、技术成熟度低的零部件需要进行可靠性试验。

4.2设计试验剖面

试验剖面是直接供试验用的环境参数与时间的关系图,是按照一定的规则对环境剖面进行处理后得到的[3]。对于执行单任务的设备来说,试验剖面与任务剖面和环境剖面之间呈一一对应关系,但对于执行多项任务的复杂设备来说,还需将对应于多个任务剖面、环境剖面的多个试验剖面综合成一个合成试验剖面。

在确定零部件级的试验剖面前,首先需要根据受试对象的实际特点,从整机的任务剖面和环境剖面中提取与自身运行相关的部分,组成零部件的任务剖面和环境剖面,并据此设计相应的试验剖面。

另一方面,零部件在开展可靠性试验前,还需进行相应的性能试验,确保受试样在规定的条件下具备所要求的性能。因此,同样需要为零部件的性能试验制定相应的试验剖面。

综合以上两方面的试验剖面内容,整理零部件级试验剖面的确定方法如图5所示。

在将零部件的任务剖面和环境剖面转化为试验剖面时,应保证试验条件与相应任务期间内的实际应力条件相同:而在合成多个单一试验剖面时,为了达到缩短试验时间、提高试验效率的目的,需要对合成顺序加以研究。一般来说,需要遵循以下原则:(1)性能试验是其他试验的基础:(2)短期试验应在长期试验之前进行:(3)试验环境应逐步恶化。

4.3设计试验时间

对于非额定工况来说,其发生频率较低,某些工况很可能在一个运行周期内都不会发生,故无需采用基于数理统计的思想来定量考核关键零部件在非额定工况下的可靠性水平,仅仅通过定性试验确认其具有在该工况下运行的性能即可。对于这类工况下的各项试验,可由相关专家结合工程经验设置相应的试验时间或次数。

设备在额定工况条件下需要完成的任务通常包括启停操作和连续运行,与之相关联的故障模式通常是关键零部件的耗损故障。为了定量验证关键零部件执行这两类任务的能力,需要对它们相应的耗损寿命进行鉴定,以确定其是否满足相应的寿命指标要求。

根据工程经验,机械部件与磨损、疲劳、腐蚀等耗损型故障相关的寿命大多服从于威布尔分布或正态分布,而国内外的相关研究标准[4]或文献[5]中已经给出了这类现象的理论依据与相应的寿命计算方法。采用小子样试验时的分散系数法,根据关键零部件磨损寿命分布类型确定分散系数的计算方法,并结合零部件的寿命指标要求,即可确定零部件的启停试验次数和连续运行试验时间。

5整机级可靠性试验方法

在零部件的可靠性试验中,受试样处于较为理想的试验条件下,试验环境比真实的整机运行环境更好,考虑到运输、储存、安装、维修等过程对零部件可靠性具有一定的影响,因此还需要通过整机试验来进一步确认零部件在整机环境下的可靠性水平。

5.1整机试验要求

整机级可靠性试验是在零部件级可靠性试验的基础上进行的。开展整机级可靠性试验前,需要设计、进行并通过各零部件级可靠性试验,然后完成各零部件的运输工作,并进行整机组装。整机应涵盖设备的所有主要零部件,是它们相互组装配合而形成的统一整体,能够高度反映产品的设计、制造和安装工艺水平。

5.2整机试验剖面设计

整机级可靠性试验剖面由设备的任务剖面和环境剖面共同决定。与4.2节所述方法一致,整机试验剖面也应包括任务试验剖面和性能试验剖面两部分,且考虑到整机结构复杂,其内部存在结构损伤的风险,所以整机试验内容还应包括整机的拆解点检环节。在进行完性能试验和任务试验后,都应该拆解整机,测量样机内各部件的尺寸,并进行浸透探伤等检查,确认整机内部无结构损伤。

5.3整机试验时间设计

复杂设备的整机试验花费较高,在达到验证整机可靠性目的的基础上,应尽量缩短试验时间、减少试验开销。

出于定性测试的目的,整机在非额定任务试验中的试验时间可由专家结合工程经验来确定,而整机在额定任务试验中的试验时间则需要进行定量设计。

5.3.1启停试验次数的设计

由于序贯试验在试验过程中不约束试验样本数量,而是在试验前进行相应的原假设,通过对每个样本的每次试验结果做出一个判断,根据判断结果是否接受原假设来决定是否需要继续进行试验[6],因此常常采用序贯分析法来确定整机启停试验中的试验次数。

用二项分布族来描述成败型试验的试验结果,记一次成败型试验的结果为X==或0,其中P(X=1)=p为一次试验成功的概率。则X的概率密度函数如式(1)所示:

假设H1为:p=p1,相应的对立假设H2为:p=p2。其中p1、p2已知,且0Cp1<p2<=。

记n次重复独立试验的试验结果为x=,x2,…,xn,则有:

其中,

式(2)可变为:

若给定生产方风险为A,使用方风险为α(A和8均小于0.5),记A=8/(1-8)、B=(1-8)/A,则A、B满足0<A<=<B<∞令:

则试验结果的判定域为:

式中,Rn为接受假设H1的边界线:An为接受假设H2的边界线。相应的序贯分析检验图如图6所示。

5.3.2连续运行试验时间的设计

由于单位时间内的整机运行试验成本太高,因此无法长时间开展整机运行试验,而是应该根据工程经验合理选择运行时间。本文推荐大型、复杂设备的整机运行时间不超过500h。这是出于以下三方面的考虑:

(1)大量工程经验表明,通过500h的连续运行试验可判断大型机械产品在正常运行期间的可靠性。

(2)从材料的疲劳强度考虑,整机运行500h时应力循环次数往往能够达到材料的循环基数,此时整机若未发生疲劳现象,则再继续运行下去也不会发生疲劳破坏。

(3)500h的连续运行保证了整机的初始磨合完毕,从浴盆曲线的角度考虑,此时设备已渡过了早期故障期,其故障率水平下降到了较低的恒定水平,且其与各种耗损过程相关的耗损寿命可测。

6应用实例分析

某核电站的轴封型主泵采用本文所提出的方法开展主泵的可靠性试验。

首先对主泵进行了功能与结构分析,并构建了主泵的任务剖面和环境剖面:采用故障树分析方法,对主泵进行了功能降级分析,找出了导致主泵功能降级的26个主要故障模式及其相应的失效机理:通过对零部件进行耦合性分析,发现泵轴、联轴器、水力部件和轴承组件是主泵内耦合性最高的部分,它们的耦合性具体体现在物理接口耦合、失效机理耦合、损耗过程耦合以及故障模式耦合等四个方面。

主泵材料的可靠性通过应力一强度干涉法进行验证:在设计零部件级可靠性试验方案时,选择轴封组件和轴承组件为试验对象,以水润滑轴承为例,设计了包含7项试验项目的水润滑轴承可靠性试验方案,并采用分散系数法确定轴承的启停试验次数:设计整机级可靠性试验方案时,从主泵的任务剖面和环境剖面出发,制定了2大类、13小类试验项目,并采用序贯分析法确定了整机启停试验的试验次数为100次,设计整机连续运行试验时间为500h。最后从试验项目对任务项目的包络性、试验项目对故障模式的包络性两个角度,论证了零部件级和整机级试验方案的有效性。

7结语

本文提出了一种小子样、长寿命、复杂设备的可靠性试验方法。在对设备的可靠性特征进行分析的基础上,按照材料一零部件一整机的顺序依次进行试验。由于同一层级不同受试对象间的可靠性试验可并行开展,因此采用本试验方法,能够在判断复杂设备可靠性水平能否达到规定要求的基础上,缩短试验周期,降低试验成本。