（电机与电器专业论文）航天电机可靠性及加速寿命试验研究.pdf

浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t a se l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t i o n p r o d u c t ，t h ea e r o s p a c e e l e c t r i c a lm a c h i n e ( a s e m ) h a s e v o l v e daf e wy e a r s t h er e l i a b i l i t yo fa s e mi sh a r d l ya n ys t u d i e da t h o m e t h el i t e r a t u r ea b o u tr e l i a b i l i t yo fa s e mi s v e r yr a r e i n t h i s p a p e r , t h e r e l i a b i l i t yo fa s e mi ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d f a r t h e rr e s e a r c hw o r ko fa s e m r e l i a b i l i t ym a y b a s eu p o nt h ea n a l y s i si nt h i sp a p e r b a s e do nt r a d i t i o n a l r e l i a b i l i t yt h e o r y a n dr e s e a r c h f i n d i n g s o fe l e c t r o n i c c o m p o n e n ta n de l e c t r i c a l m a c h i n er e l i a b i l i t y , t h er e l i a b i l i t yo fa s e mi ss t u d i e d a c c o r d i n gt o f a i l u r ep a t t e r n sa n a l y s i s ，t h ea s e m r e l i a b i l i t ym o d e li ns e r i e s ，w h i c h c o n s i s t so fc o n t r o lc i r c u i t ，b e a r i n ga n d w i n d i n gi n s u l a t i o n ，i se s t a b l i s h e d t h em e t h o d o f r e l i a b i l i t yp r e d i c ta n dr e l i a b i l i t yd i s t r i b u t ei ss h o w n ，a n dt h ea p p r o a c ho fi m p r o v i n g a s e m r e l i a b i l i t yi sp r e s e n t e d ，l i f et e s t i n go fa s e mi ss t u d i e d a n dt h ei n f l u e n c eo f v a r i o u ss t r e s s e so nt h ea s e m r e l i a b i l i t yi ss t u d i e di nd e t a i l ，t h ea c c e l e r a t i o nf a c t o r s a r eo b t a i n e d ，t h e p r o g r a m o fa c c e l e r a t e dl i f et e s t i n gi se s t a b l i s h e d w eh a v ed e v e l o p e d a e r o s p a c ee l e c t r i c a lm a c h i n el i f et e s t i n ge q u i p m e n t k e y w o r d sa e r o s p a c ee l e c t r i c a lm a c h i n e ( a s e m ) ，r e l i a b i l i t y , l i f e ，f a i l u r ep a t t e m ， f a i l u r et r e ea n a l y s i s ，l i f et e s t i n g ，a c c e l e r a t e dl i f et e s t i n g 塑坚查兰量主兰堡羔鎏王一 第一章绪论 1 1 可靠性研究的意义 可靠性3 2 5 陧( r e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n g ) ：是- - 门新兴的涉及面十分广泛的综合性 工程学科。可靠性工程是伴随着二次世界大战的爆发而出现的。在第二次世界大 战中，科学技术得到进步发展，使用了雷达、飞航式导弹、弹道式导弹等较复 杂的新式武器，而这些武器的心脏电子设备屡出故障，严重影响了部队的战 斗力，引起了军方和舆论界对武器装备可靠性的重视。但是，由于当时交战各国 忙于对付战争，可靠性问题并未得到广泛深入研究，这一工作真正始于二次世界 大战后。从5 0 年代起至6 0 年代初，一些工程人员和数学家们运用概率论和数理 统计知识对产品的可靠性进行定量研究。1 9 5 7 年美国国防部电子元器件可靠性 顾问团( a d v i s o r yg r o u p o i lr e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i c ) 提出了著名的a g r e e 报告， 基本上确定了可靠性工程的研究方向，成为可靠性工程发展的奠基性文件。据此 陆续制定了一系列军用规格、标准及可靠性标准体系，这对现代军事、宇航、航 空、电子等工业部门的发展起了重要推动作用。 进入6 0 年代后，在工业发达的国家中，由于产品的复杂化和工作环境条件 的恶劣，对产品的可靠性要求越来越高。于是，不仅在航空、航天、尖端武器和 电子等工业，而且在原子能、机械、冶金、化工、铁道、船舶、电力设备、建筑、 食品加工、通讯、医药等工业，可靠性工程技术和管理得到逐步推广应用。从最 复杂的宇宙飞船，到日用的洗衣机、冰箱和汽车，到细小的可置于人体内的心脏 起搏器，都进行了可靠性设计，有明确的可靠性指标。1 9 6 9 年7 月登月成功的 a p o l l o 宇宙飞船，共有1 2 0 所大学、1 5 0 0 0 个单位的4 2 万人参加研制，使用了 7 2 0 万个零部件，如果一个零件发生故障，就有可能导致整个系统的故障，甚至 造成灾难性后果。可靠性问题就成了a p o l l o 宇宙飞船能否登月成功的关键问题。 为了预测可靠性，美国通用电子技术公司研制了“用仿真方法预测阿波罗飞船完 成任务的概率”的计算机程序。后来，美国航空与航天局( m a s a ) 将可靠性工程 技术列为6 0 年代三大技术成就之一。 重视提高产品的可靠性，可带来巨大的经济效益和社会声誉。日本的汽车、 工程机械、发电设备、彩电、复印机、电冰箱、照相机等产品之所以能够畅销全 球，其中一个重要原因就在于日本把产品的可靠性当作“国家兴旺”的大事，产 品具有高可靠性，它给日本带来了巨大的利润。美国人预言，今后能竞争留存于 世界市场的只有那些能够掌握自己产品可靠性的企业。日本人认为，可靠性就是 信誉，今后产品竞争的焦点是它们自身的可靠性。总之，愈来愈多的企业和工程 i 塑垩奎兰苎主兰望兰兰_ 技术人员认识到产品可靠性问题的重要意义，把产品的可靠性看得与产品的性能 同样重要。有的部门甚至规定，没有可靠性指标，未进行可靠性设计的产品不得 投产。 产品的可靠性不仅得到工业部门的重视，而且愈来愈得到广大用户的关注。 用户购买产品，关心的已不仅是产品的技术性能和它的价格，而且更加关心在以 后的使用中能否经久耐用，少出故障。经久是对时间而言，耐用则指产品对不同 环境条件的适应能力，经久耐用就是指产品寿命长。人们总是希望产品能在较长 的使用时间内保持其功能，尽可能不出故障或者出了故障也能较快、较容易的进 行修复。 随着科学技术的迅速发展，一方面，对系统或设备的可靠性及寿命要求目益 提高，特别是对武器装备和航天器具的可靠性提出了更高的要求；另一方面，设 备的结构日益复杂化，使用元器件愈来愈多，自动化程度愈来愈高。因此，为了 确保系统和设备的可靠性，必须确保元件和零部件的可靠性。有一个元件或零部 件不可靠，就有可能造成重大损失。 像阿里安火箭发射了1 0 0 多次，其中有过8 次发射失利。这8 次发射失利中， 1 次是阿里安5 型火箭由于火箭导航系统的电脑软件系统发生故障造成的，另7 次都是因为个别元件故障造成的。 1 9 9 8 年8 月到1 9 9 9 年5 月，美国火箭发射失利6 次，其中两次是火箭爆炸。 一次是1 9 9 8 年8 月2 6 日，得尔塔火箭在卡纳维拉尔角起飞后大约8 0 s 时爆炸， 该火箭携带着一颗美国通信卫星，经济损失为2 2 5 亿美元。调查失事原因分析 表明，火箭的导向系统发生故障，机械和电子部件造成火箭倾斜而失去控制。另 次是1 9 9 8 年8 月1 2 日，美国大力神火箭4 a 起飞4 0 s 后出现异常，由地面控 制人员在2 s 后启动了自毁装置，在海洋上空爆炸。这次爆炸是美国航天史上损 失最惨重的事故之一，造成了巨大的经济损失。这枚美国推力最大的大力神火箭 价值约3 亿美元，携带的一颗间谍卫星价值约为8 亿1 0 亿美元。其它的4 次发 射失利也都造成了较大的损失，经济损失合起来约为2 0 亿美元。 在被国际航天界称为“黑色9 6 ”的1 9 9 6 年，俄罗斯的质子号火箭、美国哥 伦比亚航天飞机、法国阿里安火箭均在发射中遭到重创。中国长征火箭也不例外， 2 月1 5 日，新研制的长征三号乙火箭载着国际通信卫星起飞不久，就一头撞在 发射场的山坡上。祸不单行，8 月1 8 日，长征家庭最老资格的长征三号火箭在 执行第1 1 次飞行中，三级发动机提前4 8 s 关机，未能将卫星送入预定轨道。 高可靠性非常成功的例子是俄罗斯的和平号空间站。原设计寿命为5 年，至 今，它已在太空运行了1 4 年，从技术的角度看，该站超期服役是其可靠性带来 的巨大胜利，同时也带来了巨大的经济效益。在和平号这不平凡的1 4 年里，共 塑坚查兰堡圭兰竺丝墨一 有1 3 5 名俄罗斯和其他国家的宇航员在轨道站上工作过，他们先后进行了1 6 5 万次科学试验，其中包括完成的2 3 项国际科学考察计划，取得了大量数据及具 有重大实用价值的成果1 2 】o 由此可见，提高航天用元件和零部件的可靠性，是航天事业的迫切要求，也 是其使用性质所决定的。 电机作为驱动控制元件，广泛应用于各领域，一台设备往往需要几十台、甚 至数百台的驱动电机和控制微电机，特别是微电机的用量更大。一旦电机发生故 障，将导致设备、系统故障，在工业领域将造成巨大经济损失，在航空航天领域， 可能带来难以想象的严重后果。因此，电机可靠性问题已经成为现代技术领域的 重大课题而引起国内外的重视。 1 2 航天电机可靠性研究的特点 一、研究对象 在航天领域，驱动系统一般结构如下： l 机 图1 - 1航天领域驱动系统框图 1 ) 在宇宙飞船、卫星等航天器中，供电电源均为直流电源，因此，相应的 控制驱动用电机必须为使用直流电源的电机。 2 ) 一般带电刷的直流电机或一些有滑环的电机运转时会产生火花，不能用 在航天器中。 3 ) 电机本体可为：直流无刷电机、步进电机、直线电机、超声波电机、无 刷感应子电机等等，这些电机的共同特点就是没有电刷这类部件，均由直流电源 供电，并经前置驱动控制电路才能正常工作。 4 ) 驱动控制电路与电机本体是紧密相关的，它们各自的性能、工作状态以 及之间的配合对整个系统的工作和性能都有重要影响，所以分析时一般将驱动控 制电路与电机本体作为一个整体来考虑；而在实际设计与制造中，驱动控制电路 与电机本体也是作为一个整体的。 本论文研究的是航天电机的可靠性，虽然前面提到的各种电机工作原理不尽 相同，但在航天器中工作环境、工作状态及可靠性要求上比较类似，因此，下文 将以带控制器的无刷直流电机为例进行研究。 塑坚查兰堡圭兰堡笙兰一 二、研究特点 ( 1 ) 如上所述，航天电机由驱动控制电路和电机本体组成，因此研究可靠性时， 需同时考虑驱动控制电路与电机本体的可靠性。 ( 2 ) 航天电机可靠性模型为串联模型，任何一个部件的失效都将导致电机整体 的失效。提高电机薄弱环节的可靠度，对提高电机整体的可靠度有较大帮助。因 此，研究航天电机的可靠性，就必须重视研究失效率较高的几个零部件的可靠性。 ( 3 ) 不同的电机类型、不同的工作方式和不同的工作环境，电机可靠性的薄弱 环节是不同的： 高电压、大容量电机，绕组绝缘是电机可靠性的薄弱环节。温度、湿度、尖 峰电压( 特别是p w m 控制的电机) 、电磁力是导致绕组绝缘失效的主要原因。 电刷和换向器是有刷直流电机可靠性的薄弱环节。电刷的磨损、接触不良， 换向器绝缘损坏、换向片与电枢绕组的焊接点脱开是有刷直流电机主要的失效形 式。 起重电机经常处于停止、起动和正反转工作状态，电机振动较大、温升较高、 轴承磨损较为严重，绝缘和轴承是这一电机的可靠性薄弱环节。 应用环境不同，电机可靠性研究的重点也不同。在高湿度环境下工作的电机， 湿度对绝缘及电机寿命的影响是研究的重点；应用于航天领域的电机，高温、低 温、振动和冲击是影响电机可靠性的主要因素。 航天电机由控制器与电机本体组成，应用环境温度变化较大，又有冲击和振 动的影响，其薄弱环节主要为控制器、绝缘和轴承。国内外一些统计数据及现场 使用情况也证明了这一点【4 】【5 】【1 4 】【1 5 】【1 7 。 而对于地面工作的带控制器的电机，其可靠性要求与航天电机有很大不同。 由于地面设备是可以修复的，其标准中规定电机中的轴承属可替换部件，轴承损 坏并不表明电机失效，只需替换轴承后即可继续工作。因此，地面工作的带控制 器的电机，其薄弱环节主要为控制器、绝缘。 ( 4 ) 航天环境是十分恶劣的，各种零部件要经受高低温、真空、潮湿、振动冲 击、加速度、辐射等环境条件的影响，所以对航天产品中各种零部件的可靠性要 求非常高。根据器件环境试验的数据，如果在实验室条件下出现故障的可能性为 1 ，那么，在飞机使用条件下出现故障的可能性为6 5 ，而在航天条件下则为8 0 2 1 。 因此，航天产品零部件的可靠性要求比一般产品要高得多。 由于航天的特殊要求，航天电机的可靠性非常高，价格高昂，对航天电机进 行寿命试验时，如果采用正常应力水平下的寿命试验方式，这需要很长的试验时 间，需耗费大量的人力物力，等试验结果出来了，电机可能已经没用了。因此， 对航天电机进行寿命试验时，必须采用提高试验应力的加速寿命试验方法。 塑垩查兰堡主堂焦堡苎一 1 3 国内外电机可靠性研究的现状 航天电机是典型的机电一体化产品，它不但包括其它电机所具有的部件，如 定子绕组、轴承等，而且还包括电子线路( 控制器) 。因此，它的可靠性研究内 容与其它电机既有区别，又有联系。结合航天电机的特点，了解和吸收国内外在 电机和电子产品的可靠性方面取得的研究成果，有助于加速航天电机可靠性研究 工作的进程。 一、国内外有关可靠性标准概况 标准化作为一种现代化管理的手段，已成为衡量一个国家科学管理、技术发 展水平的尺度，它已广泛地渗透到管理、经济、科学和工程技术的各个领域。可 靠性工程技术和管理水平的发展自然也离不开“标准化”这一重要手段。在发达 国家，尤其是美国，随着可靠性工程和管理的发展，已经逐步总结并建立了一整 套有关标准，这些标准对提高产品性能，降低寿命周期费用起了重要作用。利用 标准化方法，使可靠性工程领域的成功经验得到有效的总结和广泛利用。随着科 学技术的发展，对可靠性提出了更高的要求，新的要求促使可靠性工程技术进 步发展，已经制定的标准就需要不断的修改、补充和完善，以适应这种发展。 目前国际上影响较大，应用范围较广的可靠性标准主要是美军m i l 标准系 列和国际电工委员会发布的i e c 标准系列。m i l 标准与i e c 标准的关系十分密 切，许多i e c 标准是在m i l 标准的基础上制定的。 ( 1 ) 美国有关标准概况 美国是制定可靠性标准最早的国家，从5 0 年代后期开始颁发有关可靠性标 准，例如美国国防部1 9 5 7 年1 月发布了m i l r 2 5 7 1 7 电子设备可靠性保证大 纲，1 9 5 8 年6 月发布了m i l s t d 4 4 1 军用电子设备的可靠性，1 9 5 9 年1 月 发布了m i l _ r 一2 7 5 4 2 宇航系统、分系统及设备的可靠性大纲要求等。6 0 年 代，美国的可靠性工程进入了全面发展阶段，这个阶段也是美军可靠性标准大量 发布的时期。m i l s t d 7 8 5 系统与设备的可靠性大纲要求、m i l s t d 一7 8 1 可 靠性试验、指数分布、m i l - h d b k 2 1 7 电子设备可靠性预计等许多重要标 准，都是在这个时期先后发布的。7 0 年代后，随着美国可靠性工程的深入发展， 这些标准得到了进一步的修改和完善，并又颁发了许多新的标准。 具体美军可靠性标准可参见附表1 1 。 由于美国军用标准制定的比较早，也比较完整，因此，在美国国内，不只军 用产品采用军事标准，许多民用产品也使用美军标。在国际上，尤其是在军事领 域，一般也参考或执行美军标。 ( 2 ) i e c 有关标准的概况 i e c 是世界成立最早的国际标准化团体，致力于电器和电子专业领域的标准 ， 塑坚查兰苎圭兰堡丝苎一 化工作，目前已有8 6 个技术委员会，其中t c 5 6 是“可靠性技术委员会”，成立 于1 9 6 5 年。1 9 7 3 年曾更名为“可靠性维修性技术委员会”，1 9 9 1 年又更名为“可 信性( d e p e n d a b i l i t y ) 技术委员会”。i e c 发布的标准可参见附表1 2 。 ( 3 ) 其他国家有关标准的概况i j o 除了m i l 和i e c 标准以外，原苏联的可靠性国家标准也有比较完整的体系， 附表1 3 列出了r o c t 2 7 0 0 1 8 1 工程中的可靠性标准体系给出的分组情况。 附表1 4 列出了其中部分标准项目的名称。 英国的主要可靠性标准是b s 5 7 6 0 系统、设备和元件的可靠性，标准主要 由三部分组成：可靠性计划管理指南、可靠性评定指南、可靠性实践指南。 在日本，全国性的有关可靠性的标准较少，应用的比较广泛的有：日本工业 标准j i s z 8 1 1 5 1 9 8 1 可靠性术语及定义。产品的可靠性是企业竞争的主要目标 之一，因此日本的企业界有完整的标准体系用来保证产品的可靠性。 ( 4 ) 我国有关标准的概况 我国的可靠性国家标准基本等同采用i e c 标准，我国的军用可靠性标准大 多数是参照m i l 标准，结合我国武器装备的实际情况制定的。具体标准项目可 参看附表1 5 。 二、电子线路的可靠性和寿命 电子行业是开展可靠性工作最早、技术最成熟、失效数据收集最完整、管理 最完善的领域。经过几十年的努力，己建立了一套完整的可靠性工作体系，对电 子元件、电子产品的可靠性数据收集、分析和试验方法，都可参照有关标准，如 前所述各项标准。可以根据标准中提供的各种元器件的失效数据和模型进行产品 的可靠性预计和设计。 温度应力、电应力和环境条件是影响电子元件和产品可靠性的主要因素，人 们已作了大量的研究工作f 3 2 琊j ，这部分内容将在第三章详细讨论。 三、电机本体的可靠性和寿命 如前面所提到的，航天电机中，电机本体的可靠性薄弱环节主要为绕组绝缘 和轴承。下面着重讨论这两方面的可靠性的国内外研究现状。 ( 1 ) 绕组绝缘的可靠性和寿命 绝缘的可靠性研究已开展多年了，1 9 3 0 年，m o n t s i n g e r 就提出了绝缘寿命 与温度的1 0 c 规则关系，即温度每上升1 0 c ，绝缘寿命下降半。1 9 4 8 年，d a k i n 提出了另一种绝缘寿命与温度的关系，他认为绝缘寿命与温度关系符合阿伦纽斯 ( a r r h e n i u s ) 方程【1 6 】。 上海电器科学研究所和上海电器技术研究所针对中小型电机可靠性的重点 绝缘结构可靠性开展了一定的研究工作，结果表明，环境温度和湿度是影晌 塑婆奎堂塑主兰垡堡苎 电机可靠性的重要因素，高温会加速绝缘老化、缩短绝缘寿命，使材料变形、绝 缘电阻下降。湿度的增加会导致严重的表面腐蚀、绝缘击穿，电气强度平均值仅 为原来的1 4 1 3 。a 级绝缘的电机，其绝缘的失效率基本符合浴盆曲线一1 。 美国对高湿环境对分马力电机绝缘系统的影响进行了大量现场统计和分析， 表明此类电机的使用寿命比预期的要短。从现场失效分析看，在施加电压的情况 下，绕组上的水使绕组提前发生开路或短路，被认为是电解腐蚀造成的，认为直 接给绕组施水试验是对高湿度环境下工作的电机进行试验和比较的最好方法1 4 j 。 文献5 指出，绝缘系统故障的主要原因是“环境”、“热机械应力”、“电 机械应力”引起的绝缘物理尺寸和形状的变化。美国的d e c r a w f o r d 提出了适 用于小功率电机绝缘系统热寿命试验的较为实用的方法，即进行适当的热冲击试 验，可以得出各种尺寸的电机绝缘系统寿命、耐热等级，以及耐机械应力和物理 尺寸变化的能力和结果。 文献6 、7 研究了漆包线绝缘层厚度与击穿电压的关系，结果表明击穿电压 与绝缘层厚度不成比例。文献8 研究了延长电机绝缘寿命、提高可靠性的方法， 研究表明削弱瞬变电压和开关引起的尖峰电压，可以使电气失效率从总失效的 5 0 降到1 5 。文献5 系统地阐述了影响电机可靠性的各种因素和原因。文献3 、 9 、1 0 、1 1 从不同方面研究了绝缘问题，文献1 2 、1 3 研究了电机绝缘的诊断方 法，文献1 4 指出绕组重绕后将缩短电机寿命，并给出了试验结果。 俄罗斯的研究表明，小功率电机绕组经常出现的故障主要是匝间短路、对机 壳短路，以及绕组断线和焊接点的损坏【l ”。 ( 2 ) 轴承的可靠性和寿命 lt m o r t o n 在其1 9 6 5 年出版的耐摩擦轴承一书中描述了滚动轴承技术 的发展。到1 9 世纪末，轴承工业就开始把焦点集中到特定应用场合的轴承如何 定尺寸以及如何确定轴承寿命和可靠性上。1 8 9 6 年，r s t r i b e c k 开始了全尺寸轴 承的疲劳试验。1 9 1 2 年，j g o o d m a n 发表了以疲劳数据为基础的计算式，这些 公式能计算球轴承和圆柱滚子轴承的安全载荷。在研究球轴承和滚子轴承寿命预 测方法方面起作用最大的人是瑞典的a n i sp a l m g r e n 。他和g l u n d b e r g 的著作于 1 9 4 7 年和1 9 5 2 年发表，其结论确定了轴承寿命与轴承载荷之间的关系，被用作 确定滚动轴承额定载荷和寿命的标准，用在国际标准化组织( i s o ) 和美国国家 标准学会( a n s i ) 减摩轴承制造业协会( a f b m a ) 的标准中。国内的有关标 准及计算程序也是以h r r i sp a l m g r e n 的结论为基础的【1 9 】。 俄罗斯专家的研究认为轴承的径向载荷减少一半，寿命将增加十倍，轴承精 度降低一级，寿命将缩短一半【2 0 1 。润滑对轴承寿命有很大影响，良好的润滑可 以使轴承寿命成倍增加川吲，润滑油中的水分将缩短轴承寿命，当含水量从 浙江大学博士学位论文 o 0 1 上升到1 0 ( m ) 时，轴承寿命将下降至2 0 i s l 【2 1 】。此外，温度、径向游隙 等都对轴承寿命有所影响f 5 j 【2 1 j f 2 3 j ( 2 4 】。润滑脂的寿命与轴承的温度密切相关，文 献1 4 给出了润滑脂寿命与轴承温度的关系曲线。 1 4 本论文的主要工作 可靠性研究工作十分繁琐艰巨，它是一种带有科学性、社会性、长期性、连 续性和实践性的工作，需要积累从原材料到产品设计、制造过程各个环节，以及 贮存运输到投入使用的整个过程中的大量数据，然后用概率论、数理统计学加以 科学处理，得出有关的可靠性参数，以便实现在工程上进行可靠性预测和估计， 进而开展可靠性设计、试验和可靠性保障等工作。 而在国内，由于可靠性研究工作起步较晚，这一方面的积累较少，主要集中 在各种零部件和电子元器件的可靠性研究上，而在航天电机的可靠性系统研究方 面，几乎是空白。在现有的有关可靠性标准中，都简单的认为电机寿命服从指数 分布，在此基础上进行可靠性设计和寿命试验。我们研究表明，航天电机的寿命 分布规律并非仅仅服从指数分布。 由于航天电机对其可靠性有极高的要求，而且可靠性设计是进行航天电机设 计的必不可少的环节，为此，必须对航天电机的可靠性进行研究。寿命试验是验 证航天电机可靠性的重要手段，但由于航天电机极高的可靠度，寿命试验极其艰 难。为此，迫切需要一种能缩短试验时间的正确有效的加速寿命试验方法。 本论文首先介绍了可靠性理论基础。然后根据可靠性工作的特点、具备的研 究条件，运用概率论、数理统计方法，并根据电机工作原理，对航天电机可靠性 进行研究，完成以下几方面工作： 建立航天电机的可靠性模型，并根据此模型进行可靠度计算； 根据现场使用数据、试验数据和航天电机工作原理，进行了航天电机的故障 模式和故障树分析，为可靠性预计、可靠性设计、可靠性试验提供基础； 将前人的可靠性研究成果应用到航天电机可靠性研究上，对航天电机的几个 可靠性薄弱环节的特性分别进行具体分析； 研究了航天电机可靠性预计、分配等问题： 针对航天电机的特点，介绍了改进航天电机可靠性的措施： 研究航天电机的可靠性试验，包括可靠性筛选试验、环境试验和寿命试验； 并根据航天电机可靠性特性的研究，对在几种不同试验条件下的加速试验进 行了研究； 开发了航天电机寿命试验台，以自动进行航天电机的寿命试验。 塑坚奎兰苎兰兰焦兰苎一 第二章可靠性理论基础 2 1 可靠性基本概念“” 一、可靠性 可靠性是指：产品在规定条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。这 个定义包含五个要素： ( 1 ) 可靠性的研究对象产品：其范畴是广泛的，即可指日常生活用品， 也可指舰船及其动力、通信、导航、作战等系统及组成这些系统的分系统、分机、 部件、元器件。这些都是“硬件”产品。“软件”作为一种新兴的产品( 即软件 产品) 也有可靠性问题，故可靠性定义中的产品是包括软件的。在研究可靠性时， 应首先明确所研究的对象，是指某一个元器件，还是指某个分机、设备或系统。 在某些情况下，还把人和机组成的人机系统看作一个产品。带软件的硬件，其可 靠性还要同时考虑其所带软件的可靠性。 ( 2 ) 规定的条件：包括环境条件、维修条件、使用条件等。规定的条件不 同，产品的可靠性也不同。例如，同一电机使用负载不同，其可靠性是不同的： 长期在过载下使用，会使可靠性降低；产品在减额下使用，可靠性一般会提高。 同设备在实验室、野外( 寒带或热带、干燥地区或潮湿地区) 、海上、空中、 外太空等不同环境条件下的可靠性也是个不相同的。规定的条件是可靠性定义中 最重要而又最容易被忽略的条件。 ( 3 ) 规定的时间：规定产品完成规定功能的时间。这是产品可靠性定义的 核心，将可靠性用时间直接或间接地描述出来。任何产品的可靠性总是随着时间 的增长而下降，不同质量的产品下降的速度不同。因此，在提到产品的可靠性高 低时。必须明确提出规定的时间是多长的可靠性，否则，就无法用可靠性高低来 说明产品的质量。规定时间的长短是随着产品的对象和目的而异。像火箭要求几 秒或几分钟之内工作可靠，而海底电缆则要求几十年内应不发生故障。 规定时间的单位可以是时间单位如秒、分、小时、日、月、年，也可以使相 当于时间的单位，如开关、继电器需保证开关多少次无故障，这时用次数作单位； 而汽车往往要求行驶多少公里无故障，这时的公里数相当于“规定的时间”，用 “公里”作单位；大炮要求打多少发炮弹无故障，要求打的炮弹数相当于“规定 的时间”用“发”作单位。 ( 4 ) 规定功能：是指在论证、研制时赋予产品的功效和作用，通常用产品 的性能指标来表征，如电视机的清晰度、音质、选择性、灵敏度等，它们从各个 侧面反映了电视机的质量性能。可靠性可以针对产品全部性能的综合，也可针对 塑坚奎兰苎主兰堡垒奎 某一具体性能。产品如能完成规定功能，则产品可靠；产品丧失规定功能，称产 品发生“故障”或失效。这里还要强调两点，一是，这里所指的完成规定功能， 是指完成所有规定功能的能力而不是其中一部分。如高射炮的功能包括射速、射 程和命中精度。只有射速和射程达到要求而命中精度达不到要求，就不能说它完 成了规定的功能。二是在判断产品是否具有完成规定功能的能力时，必须规定明 确的失效判据( f a i l u r ec r i t e r i o n ) 或故障判据。有些产品的失效判据很容易确定， 如灯泡在规定条件下，规定的功能就是发光，失效就是不发光。有些产品的失效 判据确定就要复杂、困难一些。如机器中的齿轮，对于精密的机器齿轮，点蚀即 为失效，通用的机械齿轮齿厚磨损到一定比例才失效。所以不同的产品、不同的 工况失效的判定标准是不同的，必须根据具体条件给出失效的判据。 ( 5 ) 能力：是指产品可靠性在上述三个“规定”上的综合体现，刻画出了 产品的可靠性不是产品的性能，而是产品抵抗外部条件的影响而保持完好的能 力，表征了可靠性是产品的一种特性和产品质量的重要组成部分。 产品的可靠性可分为固有可靠性( i n h e r e n tr e l i a b i l i t y ) 、使用可靠性( u s e r e l i a b i l i t y ) 两种。 所谓固有可靠性，是指产品早在设计阶段确定的，并在生产过程中的各个阶 段得以确定的可靠性，它是产品本身具有的属性。影响产品固有可靠性的因素很 多，主要有：产品设计方案的选择、零部件的材料、结构、性能、制造工艺等。 所谓使用可靠性，是指产品在使用过程中，因受环境条件、维修方式及人为 因素的影响所能达到的可靠性。显然，使用可靠性是低于固有可靠性的，并且随 着时间的增长，使用可靠性将逐渐降低。 以下讨论的可靠性，主要指固有可靠性。 产品可靠性设计目标，主要是为了提高产品的使用效能，减少用户的使用费 用。据此，人们将产品的可靠性，特别是军事装备的可靠性，划分为基本可靠性 和任务可靠性两种。 基本可靠性定义为：产品在规定条件下，无故障的持续时间或概率。它反映 了产品对维修和后勤保障的特征及要求，也反映了减少用户费用的要求。因此， 度量基本可靠性要考虑所有引起维修的故障，而这些故障的发生未必都影响产品 执行功能。 任务可靠性定义为：产品在规定的任务剖面( “剖面”的含义是对所发生的 事件、过程、状态、功能和所处环境的描述) 中完成规定功能的能力。它是产品 完成任务的基本功能的能力，反映了提高产品使用效能的要求。度量任务可靠性 仅考虑在任务期间那些影响完成任务的故障( 产品功能故障) 。 二、产品质量与可靠性 人们习惯将符合技术特性要求的产品，视为质量好的产品，即合格品；将不 符合技术特性要求的产品称为次品或不合格品。实践证明，符合技术特性要求的 合格品，在使用一段时间后，还会出现这样或那样的质量问题，有时甚至不能再 使用。这就是说，对用户来说，不仅要关心产品指标的先进性和产品出厂时能否 符合这些指标，而且更要关心产品在今后的使用中能否始终保持良好的状态。具 体来说，评价一种产品的好坏，可以从技术性能、可靠性或有效性等方面来考虑。 产品的技术性能，是指产品的功能以及制造、运行状况的一切性能。如计算 机的周期、字长、容量、指令数、速度等是计算机的主要技术性能；载重汽车的 载重量、耗油量、最大速度和噪音等是载重汽车的主要技术性能；等等。这些指 标是产品的基本指标，如果没有或达不到这些技术性能指标，产品质量就无从谈 起。但是只有这些技术性能指标，没有可靠性指标，产品质量也是无法保证的。 一台设备，尽管各项技术性能指标都是先进的，如果不可靠，那也没有或很少有 实际使用价值。例如，一台技术性能指标较先进的起重机，若可靠性不高，经常 发生故障，轻则停机修理，影响生产和增加费用，重则造成人身事故，这样的产 品只能说是低质量的。由此可见，产品的功能能否得到充分发挥，在很大程度上 取决于产品的可靠性水平如何，可靠性水平高才能使产品的功能得到充分发挥， 否则就不能保证产品的规定功能。 失效是指产品丧失功能的现象，它是“可靠”的对立面，但多数整机或部件， 仅由于元器件失效而导致整体丧失功能的现象可以通过更换或修理元器件予以 消除，这类产品称为可修复产品( r e p a i r a b l ei t e m ) 。对可修复产品来讲，失效可 称为故障( f a u l t ) 。 也有一些产品，如电阻、电容、晶体管之类的电子元件或集成电路之类的电 子器件，一旦失效就难以修复，或修理的费用会超过制造的成本而使经济上是不 值得修理的：还有些产品属于一次性使用的，如熔断器、导弹上的部件、发射卫 星的火箭等。上述两类产品一旦丧失规定功能，则或者不可能修复或者不值得修 复或者不要求修复，这类产品称为不可修复产品( n o t r e p a i r a b l ei t e m ) 。对不可 修复产品而言，丧失规定功能的现象只能称为失效。 对于可修复的产品，除了满足技术性能、可靠性要求之外，还要求具有良好 的维修性( m a i n t a i n a b i l i t y ) 。维修性表示对可以维修的产品进行维修的难易程度 或性质。一个好的产品，不但要求在单位时间内出现故障的次数要少，即平均无 故障工作时间要长，而且要求在出现故障后，能迅速发现故障出现在哪一部分并 加以修复，即平均修复时间要短。 可靠性与维修性相结合构成了产品的有效性( a v a i l a b i l i t y ) ( 也称广义可靠 性d e p e n d a b i l i t y ) 。 ， 塑垩查兰苎主兰垡笙兰一 一 2 2 可靠性工程研究的基本内容和任务 一、基本内容 可靠性工程所包含的内容是相当广泛的，大致可分为可靠性理论基础、可靠 性应用技术和可靠性管理三个方面。 可靠性理论基础包括可靠性数学和可靠性物理等。前者主要是概率论和数理 统计等，用于研究失效的规律及产品的可靠性评估；后者主要是研究失效机理， 探索失效的原因。 可靠性应用技术包括的范围很多，如可靠性指标的确定、系统可靠性设计、 失效分析、系统可靠性试验、现场数据的收集与分析、可靠性评价与验证等。 可靠性管理主要是应用系统工程的方法，将产品在整个寿命周期中的各个阶 段的可靠性技术工作有效地组织并管理起来，调动各方面的人员开展可靠性活 动。 可靠性工程也可分为管理、设计、分析、理论、数据、试验和评价七个分支。 二、基本任务 可靠性工作贯穿于产品的设计、生产和使用各个阶段。可靠性工程的任务可 归纳为以下三个方面。 第一个任务，是根据可靠性定义内容，对产品可靠性提出明确的量化要求。 首先要明确“完成规定功能”的含义，并准确地制定完成规定功能的标准。 例如汽车的规定功能是，“在司机的操纵下完成启动和运行，并在正常维修 后能安全行驶1 0 0 0 0 0 k m ”。 在某些特殊条件下，有些故障并不一定影响完成规定的功能。如没有挡泥板 的汽车在晴天对行驶影响不大，车灯坏了并不影响汽车在白天行驶等等。所以， 除在制定“完成规定功能”的标准外，还需对产品故障( 失效) 判据做出说明。 其次要对时间进行研究。如规定的时间( 失效前工作时间) 为，产品的寿 命为r ，当产品寿命比规定时间长( 即p f ) 时，可认为产品在规定时间内能够 完成规定功能。 对寿命型产品的可靠性研究，实际是对时间，和寿命丁的统计分析，首先以 单个元件研究开始，然后再根据由元件组成的系统和结构与功能来确定系统的可 靠度。 第三是考虑“规定的条件”。任何产品总是在某些特定条件下，以一定方式 工作的。如前所述，这些条件包括生产、运输、贮存和使用中的环境条件和工作 条件。例如，产品在海上工作，就要考虑海水、盐雾的影响；导弹和飞船需要考 虑宇宙粒子、各种辐射及振动加速度的影响等等。产品的环境条件和工作条件， 一般是通过可靠性试验并对试验结果进行统计分析而确定的。 塑垩查兰堡主兰堡丝墨一 可靠性工程的第二个任务是寻找提高可靠性的途径。大体可以分为两种途 径，一种是通过筛选排除不合格的元器件和工艺、材料等缺陷；另一种是通过改 进设计而达到功能的增长。 可靠性工程的第三个任务是，在满足规定的前提下，尽量降低产品的重量、 体积和费用。n - - n n 导弹、卫星、飞机等航空航天产品尤为重要。 产品的可靠性的提高，必然会导致产品研制周期和经费的增加。产品可靠性 究竟要多高，这实质是一个价值判断问题，需要对诸如功能目的、时间、重量、 空间、维修性、人员安全等设计因素，成本、售价等经济问题，以及产品责任及 法律问题等进行综合平衡分析，这实际上涉及价值工程和系统工程的内容。 2 3 度量可靠性的常用指标 不难看出，前述的可