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可靠性技术
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工业设计/产品设计展厅
产品设计, 工业设计, 样件打样, 手板制作, 模型制作, ...
可靠性的技术基础范围是相当广泛的,大致分为定性和定量的两大类方法。

定量化的方法要从故障(失效)的概率分布讲起,如何能定量地设计、试验、控制和管理产品的可靠性。定性方法则是经验为主,也就是要把过去积累处理失效的经验设计到产品中,使它具有免故障的能力。定性和定量方法是相辅相成的。可靠性设计和试验分析技术,其目的是在设计阶段预测和预防所有可能发生的故障和隐患,消除于未然,把可靠性设计到产品中去。事中分析指产品在运行中的故障诊断、检测,和寿命预测技术,以保持运行的可靠性。事后分析指产品发生故障或失效后的分析,找出产品故障模式的原因,研究预防故障的技术。尤其是事前分析,这便是可靠性研究重点的重点,美国工业中90%的可靠性成本用于设计上,而且在提高可靠性方面已积累了不少经验和技术,以下作简单介绍。

一、可靠性设计经验

(1)选择设计方案时尽量不采用还不成熟的新系统和零件,尽量采用已有经验并已标准化的零部件和成熟的技术。
(2)结构简化,零件数削减。如日本横河记录仪表10年中无件数削减30%,大大提高了可靠性。
(3)考虑功能零件的可接近性,采用模块结构等以利于可维修性。
(4)设置故障监测和诊断装置。
(5)保证零件部设计裕度(安全系数/降额)。
(6)必要时采用功能并联、冗余技术。如日本的液压挖掘机等,采用双泵、双发动机的冗余设计。
(7)考虑零件的互换性。
(8)失效安全设计(Failure Safe),系统某一部分即使发生故障,但使其限制在一定范围内,不致影响整个系统的功能。
(9)安全寿命设计(Safe Life),保证使用中不发生破坏而充分安全的设计。例如对一些重要的安全性零件如汽车刹车,转向机构等要保证在极限条件下不能发生变形、破坏。
(10)防误操作设计(Fool proof)
(11)加强连接部分的设计分析,例如选定合理的连接、止推方式。考虑防振,防冲击,对连接条件的确认。
(12)可靠性确认试验,在没有现成数据和可用的经验时,这是唯一的手段。尤其机械零部件的可靠性预测精度还很低。主要通过试验确认。

二、可靠性设计辅助措施

为了使设计时能充分地预测和预防故障,把更多的失效经验设计到产品中,因而必须邦助设计人员掌握充分的故障情报资料和设计依据。采取以下措施:

(1)可靠性检查表,从可靠性观点出发,列出设计中应考虑的重点。设计时逐项检查。考虑预防的对策。
(2)推行FMEA,FTA方法。FMEA(失效模式影响分析)和FTA(故障树分析)是可靠性分析中的重要手段。FMEA是从零部故障模式入手分析,评定它对整机或系统发生故障的影响程度,以此确定关键的零件和故障模式。FTA则是从整机或系统故障开始,逐步分析到基本零件的失效原因。这两种方法在国外被看作是设计图纸一样重要,作为设计的技术标准资料,它收集总结了该种产品所有可能预料到的故障模式和原因。设计者可以较直观地看到设计中存在的问题。
(3)故障事例集。把过去技术上的失败和改进的事例作成手册,供设计者随进参考。通常用简图表示,将故障和改进作对比。对故障的原因、情况附有简单说明。这手册是各公司积累的技术财富,视同设计规范同等重要。
(4)数据库。广泛有效地收集设计、制造中的失败和改进经验,试验和实际用的数据形成检索系统和数据库,使设计者能超越本单位充分利用别人实践过的经验。如电子产品已形成世界性可靠性信息交换网。
(5)设计、试验规范的不断充实、改善。从使用实际得来的故障教训要反馈到设计、试验方法的改进中,要将这些改进效果作为产品设计规范(包括材料选定,结构形式,许用应力,安全系数值)和试验标准的改进依据,使它们成为设计技术的一部分。随着可靠性工作开展。必须加强设计、试验规范的研究,命名如试验规范的制定要以实地使用条件分析为基础,要调查出场的回收品和试验室加速试验件作对比,计算强化系数。通过失效分析反推,验证试验条件是否合适,从而不断改进试验方法和标准。因而这些规范都是公司的财富,对外不轻易泄密。如日本小松10年中试验标准增加三倍,丰田的试验标准有1500项之多。也可见各公司对试验的重视程度。

三、加强失效物理技术研究

失效物理是研究故障的原因,材料劣化的机制,缺陷的检测和消除,寿命预测和强化寿命机理,以及应力分析等技术。对于机械来说,主要研究它的常见失效模式,如蠕变,冲击振动,疲劳、断裂、磨损、润滑、腐蚀等。近年来,失效物理技术日举国受到各国重视。例如,由美国政府财政授助的机械故障研究小组(MFWG)的影响及大,它有四个技术咨询委员会:(1)诊断、检测;(2)故障;(3)设计;(4)现有技术的应用推广。研究的对象有系统为燃气轮机,叶片、轴、轴承、齿轮、接头、键槽、转动件、活塞等。该小组自60年成立之后,每年召开1~2次的技术讨论会,至今已有三十余届,许多失效预防和检测技术已投入实用。另外,国外企业都十分重视产品的失效分析工作,千方百计回收失效的零件和残骸加以分析。目的是找出失效原因,作出合更换改进决策,避免内类事故再发生。因而除各大企业配备有完善的失效分析设施外,还设有公共的失效分析中心。公司和保险机构的技术部门都承担分析的任务。

总之,为确保产品可靠,少出故障,必须加强故障的事前(设计),事中(运行的故障诊断)和事后(失效分析)的分析研究工作。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (12/2/2007)
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