失效率预计法在产品开发中的应用

失效率预计法在产品研发中的应用同长虹1,2黄建龙1李菊生2李炳峰2（1.兰州理工大学机电学院，兰州，7300502.兰州城市学院机械检测与故障诊断研究所，兰州,730070）摘要：介绍了失效率预计法的应用特点和方法步骤，并利用失效率预计法对直升飞机升降舵和方向舵控制系统进行了具体应用，结果表明，在重大产品详细设计研发阶段利用该方法对产品的可靠性进行评价是非常有效的，而且该方法具有一定的通用性，既适用于评价电子产品，也适用于非电子产品。关键词：失效率预计法；直升飞机；伺服系统；可靠性评价分类号：TH113.2:TH391.9文献表示码：ATheModelingandSimulatingonPositionControlSystemofaMachineTableTongChang-hong1,2HuangJian-long1HuangXiao-peng1(1.CollegeofMechanical-electricalEngineering,LanzhouUniversityoftechnology,Lanzhou,7300502.Instituteofmechanicaldetectionandfaultdiagnosis，LanzhouCityUniversity,Lanzhou，730070)Abstract:Thefeaturesandapplicationsandprocessofafailureratepredictionmethodwasrepresented.andthefailureratepredictionmethodwasusedtoaservocontrolsystemofanelevatorandrudderforvertiplane.Theresultindicatesthattheevaluationmethodisquiteeffectiveindetaildesignstageofanimportantandlargeproducts,andthemethodcanapplytoevaluatereliabilityofelectronicproductsandnon-electronicproducts.Keywords:failureratepredictionmethod;vertiplane;servosystem;reliabilityevaluation作者简介：同长虹，男，1963，博士生，教授，主要从事机械设计与设备故障诊断方面的教学及研究工作。地址：兰州市安宁区东路622号（培黎校区）邮编：730070E-mail：[e-mail]基金项目：甘肃省教育厅基金资助项目(0611A-01)1．引言在产品设计研发过程中，如何保证产品的工作可靠性是新产品研发的关键，同时也是问题的关键。当产品研制工作进行到详细设计阶段时，一般都需要根据设计任务书进行可靠性论证，验证产品的工作可靠性是否达到了工作要求，如果验证结果不能满足规定要求时，必须进行改进设计，循环往复，直到满足要求。传统的做法是先设计试制，在进行多次反复的试验和改进，直到满足设计要求。这种方法需要大量的试验成本，很不经济，因此，在产品研制过程中，研究一种不用实物模型试验就能科学地预计产品可靠性的方法将是很有意义的。对于大型重要设备，如飞机、太空飞行器以及军用设备这个过程更是必不可少的。在研发过程中进行可靠性预计，既有利于产品研发，可以根据预计结果找到产品的薄弱环节进行改进，同时节省了大量的试验投入。可靠性预计的方法很多，如性能参数法、数学模型法、相似预计法等，各种方法各有特点，应用场合也不同，这里主要介绍失效率预计法，又称为故障率预计法。该方法简单实用，而且适用于任何产品的可靠性评价。2．失效率预计法的具体步骤失效率预计法是在产品进行到详细设计阶段时对产品可靠性进行估算的一种有效方法。具体步骤如下[1]（1）根据产品功能画出可靠性框图。（2）按可靠性框图建立相应的数学模型。（3）确定方框图中各元部件或设备的工作失效率。（4）系统可靠性预计（计算）。（5）若可靠性不能满足要求时进行产品改进设计。其框图表示如图1所示。环境与影响因素系统可靠性预计为满足可靠性指标改进设计元、部件的失效率创建可靠性模型画可靠性逻辑图原理图图1失效率预计法的流程图3．应用实例以直升飞机升降舵和方向舵的操纵伺服控制系统为例，计算并评价其系统的工作可靠性。如图2为飞机工作系统的原理图。方向舵作动器伺服阀快卸接头快卸接头泵快卸接头节流阀升降舵作动器伺服阀联轴节蓄压器油滤器止回阀泵快卸接头节流阀液压邮箱图2直升机升降舵和方向舵的工作原理图（1）画出该液压系统的可靠性框图，如图3所示。导管与接头7)导管与接头35)导管与接头7)液压油池节流阀导管与接头4)泵快卸阀2)快卸阀止回阀2滤油器高压容器耦合器伺服阀2)作动器液压缸2)快卸阀2)泵图3可靠性框图由图3可以看出，各元件组成串联系统。其中，伺服阀和作动筒看起来似乎是并联结构，但其功能不同，因此，仍应作为串联模型。（2）列出各元部件的故障率，并计算出系统总故障率。各元部件的故障率为常数（由统计资料[2]得到），见表1。表1各元部件的故障率元部件名称数量故障率6101/h总故障率6101/h液压油箱截流阀泵快卸接头止回阀油滤器蓄压器联轴节伺服阀作动筒导管与接头12122111224650151875120307017020536027010503018752406070170205720540460总计4420由于系统为串联系统，且各元部件的故障率经统计表明为常数，因此系统的总故障率s为6611110442010)10270360205170703012018753050(iis（3）计算该系统工作时的可靠度。可靠度按直属分部计算公式tSsetR)(当时间t=2h时，9912.0)(21044206eetRtSs按照军民两用型直升机的要求，允许的可靠度为：995.0)2(*sR，显然没有达到设计可靠性要求。（4）进行改进设计。改进设计时一般选取对系统可靠性影响最大的元部件，采取的措施为：（1）设法提高元部件的可靠性；（2）采用冗余技术设计，即并联同样的元部件。由表1的数据可以看出，整个系统中最薄弱的环节是泵，其故障率所占比例最大，为1875610/h。但目前泵本身的可靠性再提高很难。因此，在系统中对泵环节采用冗余设计，如图2虚线部分。串联部分工作2h的可靠度为：99554.0)2(21022356eRS串此时其并联部分的故障率如表2。表2各并联部分元部件的故障率元部件名称数量故障率6101/h总故障率6101/h泵快卸接头导管与接头127187512010187524070总计2185并联部分工作2h的可靠度为：99998.0]1[1)2(221021856eRS并该今后整个系统工作2h的可靠度为：*99552.099998.099554.0)2()2(SSSSRRRR并串显然，改进后可靠度满足设计要求。4．结论在大型或重要产品的详细设计阶段，利用失效率预计法对于产品的可靠性进行计算，并与设计要求的可靠性进行比较，然后做出可靠性结论，如果可靠性不足再进行改进设计，这是一种非常有效的方法。该方法无论对于电子产品还是非电子产品都是适用的，在产品设计中值得推广利用。参考文献[1]王世萍,朱敏波编著.电子机械可靠性与维修性[M].北京：清华大学出版社.2000.4,74-85[2]卢廷孝等编著.可靠性设计与分析[M].北京：国防工业出版社.1995.9,78-100[3]高社生,张玲霞.可靠性理论与工程应用[M].北京：国防工业出版社.2002,87-100[4]WALLACER.BLISCHKED.N.PRABHAKARMURTHY.Reliabilitymodelingprediction,andoptimization.JohnWiley&Sons,Inc.2000[5]AlainPages,MichelGodran.SystemReliability——EvalutionandPredictioninEngieering,NorthOxfordAcademic,1986