舰船机电一体化设备可靠性评价方法研究
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作者: 贾宝杰
摘 要：通过机电一体化设备可靠性评价过程中存在的典型问题，分析失效模式和失效机理，建立可靠性理论模型，给出确定舰船机电一体化设备可靠性指标表征量及评价方法。
关键词：机电一体化；可靠性； 评价方法
中图分类号：U673.2 文献标识码：A
Reliability Evaluation of Marine Electromechanical Equipment
JIA Baojie
（The Military Commissary Department in No.750 Manufactory in Guangzhou， Guangzhou 510656）
Abstract： This paper studies the failure mode and principle of electromechanical equipment by analyzing the typical problems of electromechanical equipment’s reliability evaluation and builds a model to propose the characterization of reliability evaluation index and evaluation method.
Key words： Electromechanical； Reliability； Evaluation method
1 机电一体化设备可靠性评价过程中存在的典型问题
1.1 工作载荷和故障模式多样性，难以确定影响整机可靠性的因素
从系统特性来看，机械故障具有随机性、连续性、离散性、缓变性、突发性、间歇性和模糊性等特点，其故障产生往往有多个原因，而电子设备故障具有隐蔽性、突发性、敏感性（如对温度、湿度等外界条件）等特点，因此机电一体化系统的故障除具有原有机械和电子设备的故障特点外，又增加了故障转移性、表征复杂性、集成性、融合性和交叉性等特点。
确定影响产品可靠性的因素，需要从产品的物理组成、工作模式和故障特点等方面入手。一般来说，由于机械部分是动作的执行者、完成者，从表面现象来看，如果机器出现不动作或未按预定动作执行，我们很容易认为是机械部件故障。事实上机器不动作或未按预定的动作执行，很多是电子电气部分出现问题导致的。机电产品工作载荷多样、故障模式复杂，同时与使用方式具有很大关系，很难提出统一适用于所有机电产品的失效数学模型，导致可靠性定量评价缺乏理论基础。
1.2 物理组成和陪试设备庞大，难以对全设备施加综合环境应力
舰船机电设备往往具有体积大、重量重、功率高、工作负载难模拟等特点，而且工作期间需要通油、气、水等作为动力源或冷却源，致使难以用内场实验室进行整机试验，无法模拟实际使用过程中遇到的温度/湿度/振动等综合环境应力。
机电设备由于标准化和通用化程度较低，执行不同功能的机电设备的输入和工作负载都不相同，最经济的方法是研制单位利用其功能性能测试工装，模拟实际使用的工作方式进行可靠性考核。但该种试验的环境是车间的大气环境，无法模拟高温、高湿、高盐雾和伴随振动应力的海洋环境，使综合环境应力对机电设备可靠性的影响效应无法得到体现和验证，不能充分反映设备在实际使用中的可靠性水平。
1.3 传统可靠性评价方式耗时长、成本高，过程难以有效控制
影响机电设备可靠性的外界因素主要有两类：工作负载和环境应力。
目前典型机电设备的外场可靠性试验评估方式主要有两种：利用研制单位样机功能性能测试工装进行可靠性试验；或者结合部队试验进行外场可靠性评估。
机电设备由电子部分和机械部分组成，二者的故障模式和失效机理存在差异，可靠性指标也不相同。当机电设备整机全部采用单纯的外场试验进行可靠性评估时，虽然是以整机的可靠性指标为评估对象，但要兼顾考核各部分组成的可靠性水平，这样就要延长试验的时间，使各组成部分的故障能够充分暴露。
在利用部队试验进行外场可靠性评估时，试验场地环境要覆盖夏季高温和冬季寒冷气候环境，选择不同的地点和时间进行试验，这不仅会增加试验成本，还无法保证试验进度。
2 机电一体化设备的差异性及失效机理分析
从宏观上来看，机械设备组成零部件体积较大、质量较重，部分零部件之间有一定的相对运动；而电子设备各部分相对而言体积较小、质量较轻，且其各个部分基本没有相对运动。
（1）从经受的应力来看，机械设备除了经受温度、振动、湿度等环境应力作用，同时还经受运动副之间摩擦力、交变压力、加速度等多种工作载荷作用且幅值一般较大；而电子设备则主要经受温度、振动、湿度等环境应力，同时一般只承受电应力一种工作载荷；
（2）从失效模式与故障类型来看，机械设备的失效模式具有多样性和复杂性且各种失效模式之间还存在着极强的耦合性，故障发生的原因一般为疲劳、老化、磨损、腐蚀等，因而属于耗损型故障，电子设备的失效模式比较简单，各种失效模式之间耦合性不强，故障发生主要是由偶然因素造成的，属于偶然故障；
（3）从所处环境来看，机械设备一般都要与恶劣使用环境直接接触，这些环境应力十分复杂且多应力之间相互耦合；电子设备一般都可以采用机箱、密封、通风、减振等方式改善其使用环境，其承受的环境应力较为简单；
（4）从标准化、通用化程度来看，机械设备的零部件通用化、标准化程度低，无法形成统一的可靠性数据手册和文件，目前其可靠性数据还十分缺乏；电子设备一般都是由基本失效率为常数的标准电子元器件组成，其可靠性数据已经形成了若干手册或文件。
3 机电一体化设备的可靠性理论模型 （1）对于纯电子设备的可靠性来说，由于电子元器件种类有限，基础数据非常充分，已经有了非常成熟的可靠性模型及评估方法和相应的可靠性标准，投入使用稳定后在相当长的使用寿命期内，表现出故障率恒定的随机失效特征，符合指数分布；
（2）对于纯机械设备的可靠性而言，由于机械零部件种类繁多，致使相关基础数据的收集和分析变得非常困难。由疲劳、老化、磨损、腐蚀等引起的耗损型失效是机械产品的主要失效形式，大多数机械零部件还没有成熟的可靠性模型及评估方法和相应的可靠性标准，现阶段机械产品的失效特征一般符合威布尔分布；
（3）机电一体化设备的最大特点就是为了实现智能化把机械部件和电子部件有机地结合在一起，实现人们所需的功能性能。在稳定的使用寿命期间，电子元器件符合故障率恒定的随机失效，对于那些对疲劳、磨损等敏感的关键重要机械零部件（例如汽轮机、压缩机、轴承、转子、弹簧等）则可作为特殊寿命件加以单独监控，对于寿命长于设备稳定使用寿命期的可以忽略，对于寿命短于设备稳定使用寿命期的（易损件）则定期更换；
（4）假定机电一体化设备出现的故障都是可修复的，其故障时间间隔就服从变动母体的威布尔过程，它是一个故障率增长的过程。虽然指数分布与威布尔分布是描述不同产品特征的寿命分布，但是由于威布尔分布可以包括指数分布的特征，因此两者在统计上有可以切入的结合点。另外一方面由于指数分布可靠性试验比较成熟，这样就可以综合指数分布和威布尔过程构成机电一体化设备可靠性试验方案。
4 可靠性指标表征量选取及指标水平确定方法
根据可靠性理论模型边界条件，机电一体化设备整系统的可靠性指标水平可用下述方法确定：
（1）以国内外相似机电一体化设备的可靠性指标值为参考，确定受试机电一体化设备可靠性指标值；
（2）根据机电一体化设备中各基本组成单元的故障率，并结合各基本组成单元在寿命周期内工作时间，按着串联模型计算出机电一体化设备的可靠性指标水平，如可靠度、平均故障间隔时间等；
关键的机械零部件可靠性指标水平，可用下述方法确定：
（1）以相似产品的机械零部件的故障率为参考，确定受试系统机械零部件的故障率，同时考虑经济性来确定耗损性寿命或翻修期、可靠度等指标；
（2）选取机电一体化设备中关键的机械零部件开展耐久性试验，确定其寿命概率分布信息，从而确定机械零部件的可靠性指标水平；
（3）统计分析机械零部件材料强度分布及其危险断面应力分布情况，按照应力―强度干涉模型求出其可靠度。
5 机电一体化设备可靠性评价方法
综合理论模型建立的条件、可靠性指标表征量选取及指标水平确定方法，结合实际应用经验，机电一体化设备可靠性可采用以下评价方法：
5.1 大中型机电一体化设备可靠性评价方法
大中型机电一体化设备包括电子部分和机械部分，考虑到内场试验条件限制，则采用内外场结合的方式进行考核。
（1）内场试验
满足实验室试验条件的重要核心部件，采用内场试验方式。
满足实验室试验条件的重要核心部件一般比较小，且电子部件对温度、湿度、振动等环境应力比较敏感，所以可以将电子部件放进试验箱在模拟严酷的环境应力条件下进行考核。
（2）外场试验
整机采用外场试验方式。
机械部分一般体积、重量较大，各种工况负荷较大，且对温度、湿度、振动应力、不是很敏感，所以可以把机械部分放在外场在各种恶劣工况下加以考核，考核时电子部分应在普通环境应力下与机械部分连成系统同时进行考核，这样更能反映真实使用环境条件下全系统的工作情况。由于已经经过内场试验考核，在外场试验中电子部分作为陪试设备参加试验。
5.2 小型机电一体化设备可靠性试验方法
由于小型机电一体化设备体积较小、重量不大，易满足内场试验条件，可参照电子设备的相关标准来确立该类设备的可靠性指标，并可以直接使用传统的电子设备可靠性考核方法进行考核。而传统的电子设备可靠性考核方法已在海军电子装备和部分机电装备中广泛应用，积累了大量工程经验，技术水平趋于成熟，故此不再赘述具体试验方案。
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