可靠性理论及技术在客车工程中的应用浅析

作者：交通部重庆公路科学研究所 丁良旭

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 摘要：在客车所有性能中，可靠性是最基本的。只有可靠性得到了保证，安全性、快速性、舒适性、经济性及其它性能才能得到充分地发挥与体现。综观我国客车产品，与国外的最大差距恰恰就在可靠性。本文试图通过对可靠性理论及技术、国内外的应用状况及差距的简要介绍来唤起国人的重视，起到抛砖引玉的作用；同时根据我国客车制造的特点与现状，重点论述了我国开展客车骨架可靠性研究的重要性及迫切性。 关键词：客车；骨架；设计；可靠性；寿命 产品的可靠性是其质量的最重要的指标。没有高的可靠性，就不可能有高质量的产品。对于汽车/客车产品来说，其可靠性还影响到人们生命财产的安全、自然环境的保护，因而汽车ö客车产品的可靠性显得更加重要。 可靠性理论及技术是一门新兴学科，在20 世纪30 年代初才第一次明确提出这个概念，在50 年代才开始形成独立的学科，提出了可靠性理论的基本观点和任务，开展了部件和系统可靠性计算方法的研究工作。已经证明，在设计和制造中用于提高产品可靠性的投资，在使用中节省的维修费用会比投资的多几倍。企图在可靠性上节省，会招致更大的损失。可靠性理论及技术从50 年代开始，首先在电子、航天、航空和核工业等领域得到了广泛的应用和发展，在机械行业特别是在汽车行业中的应用起步较晚。国外在70 年代将可靠性理论及技术应用于汽车/客车的设计制造方面，对提高汽车ö客车的可靠性起到了巨大的促进作用。我国在1983 年由中汽公司提出了“提高汽车产品质量要主攻汽车可靠性”的方针，同年6 月在一汽首次举办了“汽车可靠性理论”学习班，这才标志着可靠性的理论技术已开始在我国的汽车行业得到应用。经过10 多年来的应用和发展，虽取得了一定的成果，对汽车/客车产品质量的提高也起到了一定的促进作用，但与发达国家相比，与产品发展的需要相比，还有很大的差距。 1可靠性理论及技术应用研究的主要内容及方法 1.1应用研究的主要内容 可靠性理论及技术在产品工程中的应用研究的主要内容有: 1.1.1确定产品可靠性的量度 可靠性特征量根据不同的产品、不同的环境、不同的用途，可用可靠度、故障率、寿命特征、维修性特征量、有效性特征量等来量化表示。 (1) 可靠度R ( t)。产品可靠度是指在规定的条件下和规定的时间内，圆满完成规定功能的概率。其一般表达式为 式中: 0≤R ( t) ≤1，to 为产品的规定时间，T 为产品从开始工作到发生故障的连续时间，P 为事件概率;N 为产品个数，从开始工作到T 时刻出故障的产品数目为n ( t)。 实际应用中，常用R ( t) 的近似表达式 来对产品总体的可靠度进行估算和分析。Rg ( t) 通常称为观察可靠度函数。 例如某型客车，通常情况下连续运行10 年的可靠度是90% ，则意味着该型客车在用户手中10 年内，100 辆中大约有90 辆仍能使用，约有10 辆可能发生故障。 (2) 故障率K( t)。产品故障率是指产品工作到某时刻尚未失效，在该时刻后单位时间内发生故障的概率。产品在时刻t 的故障率，又称在t 时刻的瞬时失效率。其数学表达式为 式中: n ( t) 为N 个产品工作到t 时刻时的失效数;N s( t) = N - n ( t) ，为t 时刻尚未失效的残存产品数；dn( t)/[N s ( t) dt ]为单位时间内产品发生故障的概率。 实际应用中，因产品数N 一般是有限的，故常用近似公式: (3) 产品的寿命特征。寿命，对不可修复的产品是指发生故障前的工作时间；对可修复的产品是指相邻两故障间的工作时间，也称无故障工作时间。产品的寿命特征可用平均寿命T、可靠寿命TR、中位寿命T0. 5、特征寿命T 0. 37等来表示。 a. 平均寿命T。寿命(无故障工作时间) 的平均值称为平均寿命，记作T。对不可修复产品，平均寿命也叫平均故障时间，通常记作M TTF；对可修复产品，平均寿命指两次相邻故障间的平均工作时间，通常叫平均故障间隔时间，记作M TBF。由于一般产品都是可修复的，故常用M TBF 作为可靠性特征量。 当故障概率密度函数f ( t) 连续时，f(t)dt；当f ( t) 离散时，式中: fi 为产品在ti 时刻失效的频率。 b. 可靠寿命TR。某产品可靠度达到规定值R0所工作的时间，称为该产品的可靠度为R0 的可靠寿命。若寿命服从指数分布，则TR = - L nR0/λ= - TL nR0 c. 中位寿命T 0. 5。可靠度为015 时的产品寿命，称为中位寿命，记作T 0. 5。 d. 特征寿命T0. 37。当可靠度R = e-1≈ 0. 37 时的产品寿命，称为特征寿命，记作T 0. 37。客车电器产品寿命分布多服从指数分布，而指数分布中e-1是特殊点，一般认为这是老化期的开始点。 维修特征量及有效特征量的内容可参见有关可靠性专门书籍。 1.1.2故障预测 对发生故障的因素进行预测具有重大意义，这项任务解决得好，可以防止运输和产业部门的很多事故，从而保障物资、器材和人员生命的安全。研究故障原因的重要性，不仅在于预测产品的故障，而且在于排除在设计、制造中产生故障的原因。实际上，如果预先知道故障原因是刚度不足、强度不够、运动空间不合适、焊接质量不好、有裂缝、擦伤、制造精度差、有锥度或其它等，那么就可在设计、制造中排除这些因素，剔除有缺陷的半成品，从而使产品寿命大大提高。要能较好地解决这一问题，需要应用故障最优寻找理论及技术。 1.1.3产品的最佳使用状态 提高产品可靠性的巨大潜力在于选择最佳使用状态。众所周知，各种过载都会对产品产生损失，负载过小又会导致另外的损失；不同的驾驶员驾驶同一辆车可能有完全不同的可靠性状态；同一辆车同一个驾驶员驾驶，在不同的地区(更广泛地说是不同的环境) ，车辆也会有不同的寿命和可靠性。 1.1.4可靠的人—机系统 毫无疑问，对于客车来说，提高其可靠性的主要方向之一是研究可靠的人—机系统。运输中的大部分事故及其他复杂系统在使用中的故障，与人的注意力“故障”有着密切的关系，人能够及时地给予必要的控制作用。如使用中人丧失注意力的研究、工作和休息交替周期的研究、保证在规定的时间间隔里分配合乎要求的工作的研究等。 1.2实施可靠性研究的一般方法 总的来说，实施产品工程可靠性研究的方法有理论分析法、实验分析法及二者的结合。理论分析法是以数学中的概率、统计学为基础和核心，具有基本概念明确、逻辑严密的特点；实验分析法通常以加速寿命试验理论为依据，进行产品(或系统) 可靠性的估计。 对某一复杂的产品的质量和可靠性进行分析时，首先要找到其薄弱环节，即“关键的少数”，对少数关键件和重要件实行重点控制，是保证整个产品质量和可靠性的重要方法。 确定关键件、重要件的方法有故障模式、影响及危害度分析法(FM ECA ) ，故障树分析法(FTA ) ，热分析法和电应力分析法等。 FM ECA 是一种常用的可靠性设计分析方法，其实施步骤一般分为: (1) 定义产品及其功能和最低工作要求，画出功能框图; (2) 按照产品功能框图画出其可靠性框图; (3) 根据所需要的结果，确定是对自身、上一级还是最终影响的级别; (4) 找出故障模式，分析其原因及影响; (5) 找出故障的检测、隔离措施和方法; (6) 找出设计及工作中的预防措施，以防止特别不希望发生的事件发生; (7) 确定各种故障模式对产品危害的严酷程度; (8) 确定各种故障模式的故障概率; (9) 填写故障模式、影响及危害度分析表格，或画出危害性矩阵图。 故障模式、影响及危害度分析的结果，不但可作为确定产品的可靠性关键件和重要件的依据，还可用来评价所建立的产品可靠性模型的正确性，也有助于设计人员在薄弱环节上进一步采用可靠性设计技术等。 2可靠性理论及技术在客车产品中的应用 客车是一个非常复杂的系统，由上万个零部件组成，其运行工况、使用条件、承载负荷也变化多端，这就使得客车的可靠性问题成为一个非常突出的、复杂的问题，也使得可靠性问题成为客车产品的老大难问题。为了较好地解决这个问题，一方面要加强新产品的可靠性试验工作，更重要的是要根据可靠性理论及技术、根据所积累的可靠性设计、制造经验和试验数据来对客车的各个系统分析进行可靠性研究，从而对新产品各个系统的可靠性设计、制造提供指导作用，将有关可靠性问题消灭在设计阶段，提高整车的设计可靠性，提高产品质量，节约费用，缩短产品开发周期。 汽车工业发达国家，非常重视可靠性理论及技术的应用工作。他们宏观上研究了客车的可靠性分配方法及原则，微观上研究了齿轮传动变速箱主要零件的可靠度、分配系数以及变速箱总成的可靠度及其最优解；定量研究了客车空气弹簧悬架系统主要元件的功能重要性、经验可靠性等级、修理接近性、修理可能性、元件价值，并应用系统可靠性的串、并联方块图，研究了系统的可靠度与客车行驶车速的关系；应用混合环境的可靠性试验方法CERT 研究了客车电气附件的可靠性。通过精细的试验程序、合理增加实现加速的因素(包括温度、振动、电负荷等) 建立了试验室快速试验与室外实际寿命之间的关系。除此之外，他们还对发动机、离合器、前后桥等都进行过专门的可靠性研究。 我国客车行业在这方面的应用主要是定性分析和少量定量分析，对客车制动操纵系统、离合器操纵系统、转向系统等的可靠性进行过初步研究。试验研究方面，除了新车可靠性试验外，几乎未对某一总成或零部件进行过专门的可靠性试验。 虽然客车可靠性直接依赖于底盘的可靠性，但对大多数客车厂家来说，底盘是外购件，绝大部分自制件都在车身上，而客车骨架又是最重要的、最大的自制件。要想客车有高的可靠性，除了选用高可靠性的底盘及车身附件外，车身自制件的可靠性也非常重要，而这一部分的可靠性控制权恰恰掌握在客车厂家自己手里。因此，这里重点讨论一下客车骨架可靠性研究的重要性及迫切性。 2.1客车骨架可靠性现状 客车骨架是客车中的重要总成，是车身的基础，它不仅起着固定车身内外护板、车身附件的作用，还起着承载、保护乘客生存空间的安全作用。虽然客车行业经过30 多年的发展，通过采取应力测量和有限元计算分析等措施，客车骨架结构的刚度、强度及其合理性都有所提高，对提高客车的可靠性和寿命起到了一定的促进作用，但效果还不理想。在公路上，可以时不时地发现成色还比较新的客车的骨架的某些部位(如门角、窗角等) 出现早期开裂；从有关客车大修厂统计的资料看，客车大修是以车身作为主要送修标志，车身的大修工时占整车的60% 以上，其中又以车身骨架为主。车身骨架主要是出现断裂、变形、锈蚀等早期失效形式。可见客车骨架的可靠性并不乐观，也在很大程度上影响了整车的可靠性。 2.2开展客车骨架可靠性研究的重要性及迫切性 要提高客车骨架的可靠性，就要系统地、综合地从理论上及试验方面来研究其可靠性，弄清影响可靠性的关键、重要构件及其影响因素。因为客车的运行环境十分恶劣，引起骨架损伤的原因十分复杂，除了结构的合理性及构件本身的刚度、强度外，还有钢材质量、焊接质量、防锈防蚀质量等因素。在同等条件下，乘客愿意挑选可靠性高的客车乘坐；对客运企业，在同样、甚至稍高价格的水平上，宁愿购买同类车型中可靠性高的产品，以吸引乘客并减少停驶和维修损失，提高运输经济效益。可以说，客车的可靠性决定了它的生命力，也决定了客车企业的存亡兴衰，广大客车企业都迫切希望能尽快提高其客车产品的可靠性，从而提高其社会经济效益。客车骨架的可靠性严重影响到整车的可靠性。通过对客车骨架可靠性的研究，可以弄清其主要影响因素及各影响因素的影响程度，特别是可以弄清骨架刚度、强度与骨架可靠性之间的数量关系，为高可靠性的骨架结构的设计和制造提供技术指导，同时也为客车整车的可靠性研究积累有关数据和资料。 我国仅交通系统就有40 多家客车企业，再加上其他系统的，至少也有100 家以上。以目前情况来看，有骨架的大、中、轻型客车年产销量在4 万辆左右，每年的客车新产品开发在200 种以上。由此可见，开展客车骨架可靠性的研究势在必行，刻不容缓，对我国广大客车企业和整个客车行业来说，具有非常重要的现实意义和历史意义。 3我国与国外相比的差距 国外从70 年代初就开始将可靠性理论及技术应用于汽车行业，至今已有30 多年的历史。由于一开始科研部门、生产厂家就给予足够的重视，各运输企业和维修厂家也进行积极配合，广泛地搜集、记录与可靠性有关的各种资料数据，因而发展很快。除了常规的可靠性试验以外，还根据具体的可靠性项目来进行快速强化试验，并将试验与理论分析结合起来，寻找有关规律。由于对可靠性研究的深入性及数据资料的丰富性，国外一般都从某一零部件的可靠性的定性和定量研究着手，特别是在零部件的疲劳应力对可靠性的影响方面作了大量的工作，提出了切实可行的、具有指导意义的预防措施来提高零部件的可靠性，从而提高汽车/客车整车的可靠性。现在国外汽车/客车的首次故障里程和平均故障间隔里程都在215 万km 以上，有的甚至达到3 万km。 我国从80 年代开始将可靠性理论及技术的一些概念应用于汽车/客车行业。这种应用首先表现在“汽车可靠性行驶试验方法”、“汽车故障模式及分级”标准的制定及实施上，提出了用“首次故障里程M TTF ”、“平均故障间隔里程M TBF”和“可靠度”等参数来评价汽车/客车的可靠性。有关大专院校、科研院所和客车企业运用可靠性模型、故障树及故障模式后果分析等方法对客车整车及其有关零部件的可靠性进行了定性的和少量定量的分析，指出了影响整车及这些系统可靠性的主要因素、主要形式及影响度，使得我国汽车ö客车的M TTF 和M TBF由几百公里上升到1 500 km 左右。但与国外相比，还有很大的差距。首先是针对某一零部件的可靠性试验基本没作过，二是生产厂家、运输企业、维修厂家之间基本上也没有配合，因而我国汽车/客车行业开展可靠性研究的深度不够，效果不显著，两种故障里程都不到国外的1/10。 4结束语 应用可靠性理论及技术，能够设计、制造出可靠性高、寿命长、维修性好而自重又轻的汽车/客车产品，对提高企业的声誉、市场竞争能力和社会经济效益起着举足轻重的作用，但汽车ö客车产品的可靠性研究是一项长期的、复杂的、艰苦的工作。它不仅需要数学理论分析，更需要加速试验分析；不仅需要科研部门、设计生产部门重视，更需要运输企业和维修厂家的紧密配合。我们只有静下心来，踏踏实实地走科研与生产相结合的道路，才能避免纸上谈兵，才能研究出实用的、行之有效的可靠性工程方法，为提高企业的产品可靠性质量、社会经济效益提供技术支持。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/9/2007)