（机械电子工程专业论文）limno2扣式电池自动生产线可靠性分析.pdf

摘要 随着科学技术的迅猛发展，可靠性工程技术已成为- f - j 独立的学科，在工程 实践中受到重视并被广泛应用。产品不可靠造成的巨大损失使人们清醒地认识 到，可靠性不仅影响产品的质量，更是关系国计民生和国家快速发展跻身发达国 家行列的关键因素。本文在论述了国内外电池产业发展状况的基础上，对l i m n 0 2 扣式电池生产设备的现状进行了系统阐述，提出了对l i m n 0 2 扣式电池生产线进 行可靠性分析的重要意义。为此，本文通过收集分析l i m n 0 2 扣式电池生产线的 可靠性数据，采用f t a 方法对其可靠性进行了研究。 论文从阐述可靠性分析在新产品研发中的重要性入手，比较不同可靠性评估 常用的方法，提出了f t a 分析l i m n 0 2 扣式电池自动生产线的可靠性。根据生产 线的结构和工作原理，找出l i m n 0 2 扣式电池自动生产线在工作过程中可能出现 的潜在故障以及产生故障的原因，结合市场和用户的需求情况，对扣式电池生产 线进行可靠性需求分析。应用f t a 方法对生产线的故障模式进行预测，分析生 产线的失效机理。建立了以生产线故障失效为顶事件，生产线本身因素作为基本 事件的故障树，求出最小割集，采用容斥定理计算生产线各工位的故障失效概率。 根据分析结果找出系统的薄弱环节，并提出了改进方案，以减少生产线的失效概 率。 本论文在传统f t a 分析的基础上，充分考虑人和环境因素对生产线故障的 影响。运用人机工程学理论，结合现场试验中获得的故障数据，将整个生产线系 统作为人一机一环境系统综合考虑，对生产线使用过程中人、机、环境方面的因 素进行分析，从控制面板、作业场所、警示物色彩、作业色彩、噪声影响以及管 理使用等几个方面提出相应的可靠性改进措施，进而得到避免或降低生产线故障 的途径。 关键字：l i m n 0 2 电池；生产线；可靠性；故障树；人一机一环境 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , r e l i a b i l i t yt e c h n o l o g yi sh i g h l y v a l u e da n dw i d e l ya p p l i e d 瓠as p e c i f i cs u b j e c t t h eg r e a tl o s sc a u s e db yt h e u n r e l i a b i l i t yo fp r o d u c t sm a k ei tq u i t ec l e a rt h a tr e l i a b i l i t yh e a v i l yi n f l u e n c e sp r o d u c t s q u a l i t y s t i l l i ti st h e k e yi m p o r t a n c e i ni m p r o v i n g l i v i n g s t a n d a r da n dt h e d e v e l o p m e n to ft h ec o u n t r y 。b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fb a t t e r yi n d u s t r ya th o m e a n db r o a d ，t h et e c h n i c a lc o n d i t i o no fp r o d u c i n ge q u i p m e n tf o rl 狮山0 2b u a o nb u t t e r y w a sd i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l y t h ea r t i c l ea l s od i s c u s s e dt h es i g n i f i c a n c eo fa n a l y z i n g l i m n 0 2b u t t o nb u r e r yp r o d u c tl i n e sr e l i a b i l i t y t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rt h r o u g hc o l l e c t a n da n a l y z er e l i a b i l i t yd a t ao fp r o d u c tl i n e ，u t i l i z ef t am e t h o dt os t u d yt h er e l i a b i l i t y o fp r o d u c tl i n e 1 1 l ep a p e rd e s c r i b e dt h ei m p o r t a n c eo fr e l i a b i l i t ya n a l y s i si nn e w p r o d u c tr e s e a r c h ， c o m p a r e dd i f f e r e n tr e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o d sa n da d o p t e df t a i nr e l i a b i l i t ya n a l y s i s b a s e do nt h er e l i a b i l i t yd a t ao fl i m n 0 2b u t t o nb a t t e r ya u t o m a t i cp r o d u c tl i n e a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h el 价订n 0 2b u a o nb a t t e r ya u t o m a t i cp r o d u c tl i n e ，t h e p a p e rc h a s e dd o w n t h ep o t e n t i a lf a i l u r e sa n dc a u s e s ，c o m b i n i n gm a r k e t sa n dc o n s u m e r d e m a n d s ，a n a l y z e dr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t so ft h ep r o d u c tl i n e t h e nt h ea u t h o ru s e d f t at op r e d i c tt h ef a i l u r em o d eo ft h em a c h i n e ，a n a l y z e dt h ef a i l u r em e c h a n i s mo ft h e p r o d u c tl i n e ，t or e d u c et h ep o s s i b i l i t yo fe q u i p m e n tf a i l u r e s e tu pf t a o fp r o d u c tl i n e ， c a l c u l a t et h el e a s tc u t ，a n dt h e nu s et h ep r o p e rm e t h o dt oc a l c u l a t ef a i l u r ep r o b a b i l i t y o ft h ep r o d u c tl i n e ，a n dp u tf o r w a r dt h ei m p r o v i n gs c h e m e b a s e do nt h et r a d i t i o n a lf t aa n a l y z i n g ，t h i sp a p e rf u l l yc o n s i d e r e dt h ei m p a c to f h u m a na n dm a c h i n ef a c t o r st ot h ep r o d u c tl i n e u t i l i z e de r g o n o m i c st h e o r y , l i n k i n gt o t h ee x p e r i m e n t a ld a t ao b t a i n e di nl o c a l e ，t o o kt h eh u m a n m a c h i n e - e n v i r o n m e n t a l f a c t o r sa saw h o l es y s t e m ，a n a l y z e dt h eh u m a n 、 m a c h i n ea n de n v i r o n m e n tf a c t o r s d u r i n gt h ep r o c e s so fp r o d u c i n g i no r d e r t oe n h a n c et h er e l i a b i l i t yo f p r o d u c tl i n et h e p a p e rg a v et h ec o n c r e t e l yi m p l e m e n t sf r o mt h ec o n t r o lp a n e l ，t h ew o r ks i t e ，t h e c a u t i o ns i g n ，t h ew o r kc o l o r , n o i s ei n f l u e n c ea sw e l la st h em a n a g e m e n t & u s ea n ds o o n ，t h e r e b yg a i n e dt h em e t h o dt oa v o i do rr e d u c et h ef a u l to fa s s e m b l yl i n e k e y w o r d s ：l i m n 0 2b u t t o nb a t t e r ya u t o m a t i cp r o d u c tl i n e ；r e l i a b i l i t y ；f t a ； h u m a n m a c h i n e e n v i r o n m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：j l 喇已j 7 签字日期：2 g 年1 月1 5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以提供查阅和借阅。同意 学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：j l 嘞i j 7 签字日期：幼。左年j 月j3 日 翮虢群泵地 签字日期：2 年f 月f 珀 学位论文的主要创新点 一、提出用故障树分析方法对l i m n 0 2 扣式电池生产线系统进行可 靠性分析，并进行了相关的可靠性计算，以此为依据对生产线的 薄弱环节提出了改进方案，为今后在提高生产线的可靠性方面的 改进设计工作提供了理论指导及依据。 二、运用人机工程学理论将整个生产线系统作为人一机一环境系统 综合考虑，对生产线使用过程中人、机、环境方面的因素进行分 析，提出相应的可靠性改进措施，进而得到避免或降低生产线故 障的途径。 第一章绪论 1 1 电池产业发展概述 第一章绪论 随着电子工业和信息技术产业的迅猛发展，各种电讯产品大量涌现，与之配 套的新兴电池产品应运而生。焕发生机的电池产业已在世界范围内发展成为一个 种类齐全、规模庞大、技术先进的产业。自1 9 8 6 年锂二次电池问世，1 9 9 0 年金 属氢化物镍电池投放市场，1 9 9 1 年锂离子二次电池( 液态电解质锂离子电池) 参与市场竞争，到1 9 9 8 年聚合物锂离子电池开始批量生产，十几年间电池行业 聚集了巨大的财富。2 0 0 0 年全世界一次电池产值为1 6 2 亿美元，二次电池产值 为2 4 9 亿美元，总产值达4 11 亿美元。可以预言，电池工业必将成为2 1 世纪的 重要产业之一【1 。2 】。正如日本松下公司在规划2 1 世纪三大支柱产业时所作的一个 形象的比喻所言：信息产业是大脑，通讯产业是神经，电池产业是血液。 最近的一、二十年来，随着电子技术飞速发展与曰趋成熟，人们对重量轻、 能量高、适应性强的电源提出了新的要求，而应用金属锂提供能量之源的锂电池 逐渐成为满足这种需求的理想高能能源。国内几个知名的电池企业纷纷适应市场 需求，加大力度投资锂电池研究，并且积极开拓自己的市场，争夺市场份额。从 六十年代末，我国开始研究碱锰电池，至今碱锰电池产业已经有了长足的进步和 发展。九十年代中后期以来，我国在继续加大碱锰电池投资力度的同时，逐渐转 向开发其他高能系列电池的研究项目，燃料电池、光电池、锂电池等绿色环保型 电池都属研究之列。 从近几年的情况来看，锂电池产业的发展远远领先于其余几类。一般而言锂 电池可以分成两类：不可充电的及可充电的。不可充电的电池称为一次性电池， 如锂二氧化锰一次电池、锂亚硫酰氯一次电池，而可充电的电池称为二次性电 池，如众所周知的锂离子二次电池。锂离子电池商品化虽然已经有1 0 个年头， 但是从国内的具体情况来看，主流锂电池系列产品仍保持在一次电池领域。一次 锂电池具有圆柱式、长方式和钮扣式等多种型式，目前国内民用市场需求量较大 的是柱式和扣式锂电池，性质上属于锂二氧化锰一次电池【3 】。尽管市场需求量猛 增，l i m n 0 2 一次电池加工工艺也日臻成熟，但由于包含加工手段、设备自动化 程度以及质量监测方法等诸多加工装配设备方面的因素制约，至今仍未形成大规 模多品种批量生产。有些厂家耗巨资进口国外生产设备，虽然保证了产量，但导 致产品成本提高，而且产品模式单一，降低了自身的竞争力，也不利于开拓国际 第一章绪论 市场【4 1 。具有自我知识产权的制造加工及自动化技术已成为l i m n 0 2 电池产业进 一步加快发展的瓶颈。南孚、双鹿等国内知名电池企业纷纷投入力量，开发自己 的l i m n 0 2 电池自动化设备，一些专业的研究院所也在原有的基础上开始了 l i m n 0 2 电池设备的开发研制。四川成都华西机械设备研究所由国家立项，开发 了一套l i m n 0 2 电池生产线，率先结束了l i m n 0 2 扣式电池生产设备依赖进口的 历史，但是由于整条生产线以传统机械设备为主，生产率较低，自动化程度不高， 产品质量不够理想，不能满足国内企业“创名牌、争效益”，开拓国际市场的需 求和愿望，加之开发设计成本预算不合理，造成产品价格一直高居不下，至今未 能打开国内l i m n 0 2 电池自动化设备需求市场。制造加工技术的落后仍桎梏着我 国l i m n 0 2 电池产业的发展。 1 2 世界制造技术的发展趋势 本世纪五、六十年代，社会对产品的需求主要是品质好、价格低、能充分供 应，也就是以少品种、大批量生产方式为主进行社会经济活动。为此，伴随的是 自动化生产技术的快速发展，特别是汽车工业的快速发展，带动了自动化机床的 发展，尤其是专用的组合机床及其流水线、自动线的快速发展。但是，随着社会 经济的发展，人类需求已逐渐演变为更带个性色彩，对款式、品质、交货期、价 格愈来愈挑剔，同时，机械制造自动化技术方面，成组技术、仿形技术、程序控 制技术日渐成熟，并出现了数字控制技术( 单机数控机床n c c n c d n c ) ， 计算机技术的快速发展已使采用计算机辅助进行工程设计、工艺制造成为可能。 1 9 6 7 年英国人提出了f m s ( 柔性制造系统) 概念。1 9 7 3 年美国约瑟夫哈林顿 博士首次提出c i m ( 计算机集成制造) 概念，主张在计算机网络和数据库的支持 下将市场、管理、设计、制造和质量等信息集成在一起，将经营系统、技术系统 和组织系统集成在一起、从而获得企业的全面优化和整体效益。 美国率先将先进制造技术列入“国家关键技术 项目和“国防关键技术 项 目，其他工业发达国家和新兴工业化国家也相继都把先进制造技术作为本国的科 技优先发展领域和高技术的实施重点【5 】。自此，美国带头，西欧、日本跟上，发 展中国家也纷纷效仿，以集成为主线，大力发展各种计算机自动化技术( f m c 柔性制造单元，f m s 柔性制造系统，f a 工厂自动化，c a d 计算机辅助设计， c a m 计算机辅助制造，f t l 柔性传送线，c a e 计算机辅助工程管理，c a q 计算 机辅助质量管理，m r p i i 制造资源需求计划，网络技术，数据库技术) 。每一项 技术的开发与发展应用都对缩短供货期( d 、提高产品品质( q ) 、降低生产成本( c ) 、 为用户服务( s ) 产生了积极的影响。但是面对着巨大的投资，而没有得到人们期望 第一章绪论 的效益，在一股热潮之后，人们开始反思。美国人在9 0 年代初似乎从c i m 的恶 梦中惊醒，逐步认识到单纯的自动化( 甚至无人化) 是不能保证在经济竞赛中取 得成功的，以人为本的思想逐步回归，逐渐形成了人一技术一组织的集成思想。 在国外，对c i m s 的发展进入了冷静时期，与此同时自1 9 9 0 年美国麻省理工学 院提出精益生产( l p ) ，1 9 9 1 年美国里海大学提出敏捷制造( a m ) 概念之后，一系 列综合考虑人一技术一组织的新概念不断出现，如准时制生产( j i t ) 、并行工程 ( c e ) 、现代工业工程( 匝) 、持续采办与寿命周期保障系统( c a l s ) 、虚拟设计、虚 拟制造、虚拟企业、团队组织( t w ) ，企业流程重组( b p r ) 或称再造工程，直到强调 企业应成为学习组织( l e a r n i n go r g a n i z a t i o n ) ，制造( m a n u f a c t u r i n g ) 应转向智能制 造_ ( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g ) t 5 1 0 1 。 将先进制造技术综合应用于产品设计、生产、管理、销售、使用、服务、创 新乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，以便提 高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力，是各国制造业发展的必然【l 。 制造业应向大环境( 如经济技术全球化) 、大系统( 如并行工程c e ) 和大科学( 多 学科融合交叉) 的方向发展。c i m s ( 计算机集成制造系统) 既是当今制造业自 动化十分热门的前沿科技，也是2 1 世纪制造业的主流生产技术和未来工厂的主 导生产模式【1 2 】。 1 3l i m n 0 2 扣式电池制造加工技术的发展 世纪之交，科技发展日新月异，知识经济初现端倪，制造业也经历着一场深 刻的技术革命，全球先进制造技术( a m d 正以迅猛的步伐，全面地改变了传统制 造技术的面貌和旧的制造模式。机械制造业是国民经济发展为各行各业提供技术 装备的产业。先进制造技术是面向2 1 世纪的高新技术，尤其是机械制造技术， 它已不是传统意义上的机械制造技术，它是集机械、电子、光学、信息科学、材 料科学、生物科学、管理学等最新成就于一身的一个新兴技术，是跨越自然科学、 数学、哲学、环境科学、社会科学、特别是经济学和管理科学等学科，同时又与 技术科学和门类众多的工程技术相联系的多学科体系。伴随着先进制造技术的深 入研究和广泛推广，l i m n 0 2 电池制造加工技术和相关设备也异军突起、迅猛发 展起来。 美国著名战略学家迈克尔波特认为，竞争优势说到底是由企业所能为客户 创造的价值决定，而这种价值的多少则主要取决于企业的核心能力一技术。技术 创新是企业创造核心能力的源泉【1 3 1 。制造加工的技术创新是其中重要的组成部分 之一。国外电池企业极其重视制造加工领域的技术创新，许多国外企业如美国的 第章绪论 a r b i n 、m a c c o r 、日本的n e c 和加拿大海霸公司等等，都下大力气投产l i m n 0 2 电池组装工艺流水线，产品技术含量较高，加工工艺比较成熟，但大都价格不菲。 一般来说，按日产3 万只1 0 0 0 m a h 电池芯计算，一条进口自动化组装流水线设 备的价格约为2 亿入民币 “l 。从引进的角度看，除了成本过高以外，国外的生产 流水线也很难适应国内材料、工艺和配件加工尺寸等具体情况，造成大量资金的 投入不能产生预期效果。因此，技术加工的创新还是应该着眼于国内。我国的机 械制造业经过5 0 年的建设和发展，已成为工业中最大的产业之一，为我国的国 民经济和社会进步与发展做出了突出贡献。目前从机械制造业科学、技术水平看， 我国与工业发达国家相比较，还存在着一定的差距【1 5 】。对于先进制造技术，我国 也正在积极地系统地进行考察和研讨，在八五计划期间曾进行了局部的研究和实 施，“九五”期间国家已经把先进制造技术作为五个重点领域之一列入科技规划， 机械工业也把先进制造技术作为“九五 到2 0 1 0 年科技发展的重a t l 3 j 。从l i m n 0 2 电池加工设备角度来看，政府也投资进行了这方面的研究，但是由于材料、工艺、 自动化程度以及价格等方面的诸多因素的限制，至今未能推广使用。大部分 l i m n 0 2 电池生产厂家仍停留在手工作业或半机械化的工作方式，生产效率十分 低下，在没有高技术含量的制造加工设备的情况下，无法给予客户一个工期迅速、 质量合格的满意保证，眼看着大批量的订单白白溜走。 目前，我国扣式电池生产企业所面临的主要问题包括t ( 1 ) 自动化程度低，竞争优势主要来源于低廉的劳动力成本。国内大部分扣 式电池生产企业的生产还是以工人的手工作业为主，随着劳动力成本的逐渐增 加，这种成本优势也在逐渐被削弱。而且这种生产方式效率低下，产品的品质无 法保证，这样就更加弱化了企业的竞争力。 ( 2 ) 还没有可靠性较高的扣式电池专用生产线设备。目前，国内扣式电池生 产厂家开发的自动生产线设备可靠性都比较低，故障率高，维修费用高，生产效 率低下。因此很多都没有正式投入使用，生产企业只能利用一些比较简单的机械 设备( 如封口机等) 进行一些单工位的简单操作，无法进行高效可靠的大规模生 产，已不适应现代化的发展。 ( 3 ) 国外先进的生产线设备可靠性高、效率高不适应中国国情。进口的先进 扣式电池生产线不但价格昂贵，维修保养成本高，而且这些设备对原料的要求非 常高，目前我国的各种电池原料均不能在进口的先进生产线上正常使用，以至于 有的生产厂家花巨资引进国外先进的生产线而最终不得不将其闲置。 第一章绪论 1 4 可靠性概述 “可靠性 作为衡量产品质量的一个重要指标，早已不是一个新的概念。可 靠性理论是以产品的寿命特征作为主要研究对象的- f - j 综合性和边缘性科学，它 涉及到基础科学、技术科学和管理科学的许多领域【1 6 】。长期以来，一切注重产品 信誉的厂家，为了争取顾客都在追求其产品具有好的可靠性。因为只有那些可靠 性好的产品才能长期发挥其使用性能而受到客户的欢迎。不仅如此，有些产品如 汽车、轮船、飞机，如果其关键零部件不可靠，不仅会给用户带来不便，耽误时 间、推迟日程，造成经济损失，甚至还可能直接危及使用者的生命安全。像美国 “挑战者”号航天飞机、苏联切尔诺贝利核电站等发生的重大可靠性事故所引起 的严重后果，都足以说明产品的可靠性差会引起一系列严重问题，甚至会危及国 家的荣誉和安全。而1 9 5 7 年苏联第一颗人造卫星升天，1 9 6 9 年美国阿波罗l l 号宇宙飞船载人登月等可靠性技术成功的典范，不仅为其国家带来荣耀，而且说 明了高科技的发展要以可靠性技术为基础，科学技术的发展又要求高的可靠性。 早期人们对“可靠性 这一概念的理解仅仅从定性方面，而没有数值量度。 但为了更好地表达可靠性的准确定义，不能只从定性方面来评价它，而应有定量 的尺度来衡量它。在第二次世界大战后期，德国火箭专家rl u s s e r 首先提出用概 率乘积法则，将系统的可靠度看成其各子系统的可靠度乘积，从而算得v - i i 型火 箭诱导装置的可靠度为7 5 ，首次定量地表达了产品的可靠性。但只是从5 0 年 代初期开始，在可靠性的测定中更多地引进了统计方法和概率概念以后，定量的 可靠性才得到广泛应用，可靠性问题才作为- - f - j 新的学科被系统地加以研究。 美国对可靠性技术的研究始于第二次世界大战。当时雷达系统已发展而电子 元件却屡出故障。因此，早期的可靠性研究，重点放在故障占大半的电子管方面。 不仅重视其电气性能，而且重视其耐震、耐冲击等可靠性方面。1 9 4 2 年1 1 月美 国成立了“电子设备可靠性顾问团( a d v i s o r yg r o u p0 1 1r e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i c e q u i p m e n t - - - a g r e e ) 。该团对电子产品的设计、试制、生产、试验、储存、运输、 使用等各个方面的可靠性问题，做了全面的调查研究，并于1 9 5 7 年6 月发表了 著名的“军用电子设备的可靠性”报告。该文除论述了产品在上述各个环节中的 可靠性问题外，还比较完整地论述了可靠性的理论基础及研究方法。1 9 5 4 年美 国召开了第一届可靠性与质量管理学术会议。1 9 6 2 年又召开了第一届可靠性与 可维修性学术会议及第一届电子设备故障物理学术会议。将对可靠性的研究扩展 到对可维修性的研究，进而深入到研究产品故障的机理方面【1 7 。1 引。 美国对机械可靠性的研究，开始于6 0 年代初期，其发展与航天计划有关。 当时在航天方面由于机械故障引起的事故多、损失大，于是美国宇航局( n a s a ) 第一章绪论 从1 9 6 5 年开始进行机械可靠性研究，例如，用超载负荷进行机械产品的可靠性 试验验证；在随机动载荷下研究机械结构和零件的可靠性；将预先给定的可靠度 目标值直接落实到应力分布和强度分布都随时间变化的机械零件的设计中去等 虚出 奇。 日本是在1 9 5 6 年由美国引进可靠性技术的。1 9 5 8 年日本科学技术联盟设立 了可靠性研究委员会。1 9 6 0 年在日本成立了可靠性及质量控制专门小组。1 9 7 1 年日本召开了第一届可靠性学术讨论会。日本将可靠性技术推广应用到民用工业 部门取得很大成功，大大提高了其产品的可靠度，使其高可靠性产品，例如汽车、 彩电、照相机、收录机、电冰箱等，畅销到全世界，带来巨大的经济效益。日本 人曾预见到今后产品竞争的焦点在于可靠性。 英国于1 9 6 2 年出版了可靠性与微电子学( r e l i a b i l i t ya n dm i c r o e l e c t r o n i c s ) 杂志。法国国立通讯研究所也在这一年成立了“可靠性中心 ，进行数据的收集 与分析，并于1 9 6 3 年出版了可靠性杂志。 前苏联在5 0 年代就开始了对可靠性理论及应用的研究。1 9 6 4 年，当时的苏 联及东欧各国在匈牙利召开了第一届可靠性学术会议，至1 9 7 7 年已先后召开了 四次这样的会议。 国际电子技术委员会( i e ) 于1 9 6 5 年设立了可靠性技术委员会，1 9 7 7 年又改 名为可靠性与可维修性技术委员会。它对可靠性方面的定义、用语、书写方法、 可靠性管理、数据收集方面，进行了国际间的协调工作。 6 0 年代以来，空间技术和宇航技术的发展提高了可靠性的研究水平，扩展 了其研究范围，对可靠性的研究，以及由电子、航空、宇航、核能等尖端工业部 门扩展到电机与电力系统、机械、动力、土木等一般产业部门，扩展到工业产品 的各个领域。对机械产品，尤其是对大批量生产的汽车产品的可靠性研究，已成 为重要课题，并且取得了可喜的成果，例如，1 9 5 9 年在国际市场上小轿车的保 用期为9 0 天或4 0 0 0 英里，而到7 0 年代初提高到5 年或5 0 0 0 0 英里【1 9 1 。当今， 提高产品的可靠性已经成为提高产品质量的关键。今后只有那些可靠性高的产品 及其企业，才能在竞争日益激烈的世界上幸存下来。不仅如此，国外还把对产品 可靠性的研究工作提高到节约能源和资源的高度来认识。这不仅因为高可靠性产 品的使用期长，而且通过可靠性设计，可以有效地利用材料，减少加工工时，获 得体积小、重量轻的产品。 利用概率论的方法可把产品发生故障的规律作为随机现象来研究。所以，通 常所说的可靠度，一般不是指某一特定具体产品的可靠度，而是对该种型号产品 总体可靠度而言。当然，就一些单个产品而言，如果能在其长期运行的条件下， 观测其故障规律，则不仅能够估计出一些产品的可靠性，也能估计出该种产品总 体的可靠性。在现代生产中，可靠性技术已贯穿于产品的开发研制、设计、制造、 第一章绪论 试验、使用、运输、保管及维修保养等各个环节。从经济的观点来讲，为了减少 维修费用，提高产品的利用率，高可靠性是非常必要的。但也不是可靠性最好时 总的消耗费用一定最低，因为还有产品的制造成本问题，需要综合考虑、优化选 择，以找出使总费用最低的最佳可靠度。 1 5 论文的提出和研究意义 随着科学技术的飞速发展和物质生活水平的不断提高，小型、微型电子产品 越来越多。这类商品大多具有记忆功能，对电源的普遍要求是体积小、容量大、 无漏液、无污染、美观耐用，l i m n 0 2 扣式电池恰好能满足这种要求。锂电池是 高效的化学电源，尤其广泛运用于记忆存储系统的钮扣式锂电池，它的电压是锌 锰电池的两倍，而能量密度可达到5 1 0 倍，并且具有放电电压小、体积小、重 量轻、无污染和寿命长等优点【2 0 】。 随着以正极材料为突破的l i m n 0 2 扣式电池组装工艺的提出，制约l i m n 0 2 扣式电池发展的关键就成了生产设备的问题，目前，国内许多生产厂家仍然采用 手工作坊的生产方式。这种方法虽然也在手套箱内工作，但由于手工作业的不确 定性，难以在剪切隔膜纸、复压、注液、渗透及封口等工序上保持比较稳定的系 统输入参数，严重地影响了l i m n 0 2 扣式电池的性能质量：另外从保证生产效率、 降低生产成本的角度看，手工作业方法难以适应大规模、高速化的现代化生产体 系，工人劳动强度很大，对工人操作技能要求很高，这些都与厂家最大程度降低 电池产品工业化成本的初衷背道而驰，不仅阻碍了l i m t l 0 2 扣式电池的发展，也 令一些拥有一定资金，准备投产l i m n 0 2 扣式电池的厂家望而却步。国外进口生 产线相对国内技术比较成熟，已经正式投入生产，但是价格昂贵，国内一般电池 厂家无力承担，而且许多国家对国内电池产业进行技术封锁，所以目前还没有任 何厂家引入国外的自动化生产线【2 l 】。近年来，国内出现了一些机械式半自动化的 相关设备，但由于技术含量不高，工作噪音大，而且可靠性低，实际生产中故障 率高，所以许多自动线都没有投入使用，因此扣式电池自动线的可靠性成为目前 研发的主要难题。 产品的可靠性是设计出来的，生产出来的，管理出来的【2 2 1 。这一思想越来越 为人们所理解。多年来世界各国开展可靠性工作的经验证明，可靠性设计对产品 可靠性有重要影响。据日本电子行业的统计，产品不可靠的原因中，设计占8 0 ， 元器件占1 5 ，制造工艺占5 。又据美国海军电子实验室统计，产品的不可靠 的原因中，设计占4 0 ，元器件占3 0 ，使用和维护占2 0 ，制造占l o 。这 些统计数据表明，要提高产品的可靠性和维修性，关键在于搞好产品的可靠性设 第一章绪论 计工作。由于产品复杂性的不断提高及新技术的不断应用，产品更新换代加速， 设计一种产品，需要有一个不断深化认识、逐步改进和完善的过程。初始产品( 或 称为样机) 在试验或运行中故障较多，存在许多设计和工艺方面的缺陷。通过有 计划地改进设计和工艺，根除故障产生的原因，提高产品的可靠性水平，逐步达 到预期的目标。当然，使用中又会进一步发现设计和制造工艺的不足之处，同时 还会不断地收到使用中故障信息的反馈，通过改进产品使可靠性进步提高。实 现可靠性的关键在于发现故障，分析原因，并采取纠正措施。因此，进行l i m n 0 2 扣式电池成套自动设备的可靠性的研究具有深远的现实意义。 本课题的研究目的，是通过首家正式投入生产的天津工业大学的l i m n 0 2 扣式电池自动生产线系统的可靠性设计和分析，以及生产实践中出现的问题，挖 掘和确定产品潜在的隐患和薄弱环节。通过设计预防和设计改进，有效地消除隐 患和薄弱环节，使产品的维修性能和工作性能进一步提高。 1 6 本章小结 本章简要分析了世界电池产业的发展趋势，指出扣式电池具有广阔的发展前 景，分析了自动生产线技术的发展情况，以及l i m n 0 2 扣式电池自动加工技术及 设备的发展现状，针对我国目前技术装备落后以及可靠性不高等实际情况，提出 了本课题所要研究的主要目的及意义。 另外，本章还简要介绍了可靠性学科的发展历程，以及研究l i m n 0 2 扣式电 池自动生产线可靠性的必要性和现实意义。 第二章可靠性基本理论 2 。1 可靠性基本概念 2 1 1 可靠性的定义 第二章可靠性理论基础 人们对于可靠性( r e l i a b i l i t y ) 的一般理解，就是认为可靠性表示元件、组件、 零件、部件、总成、机器、设备、或整个系统等产品，在正常使用条件下的工作 是否长期可靠，性能是否长期稳定的特性。这里除了有概率统计等量的概念外， 尚包含有预期使用条件，工作的满意程度，正常工作期间的长短等内容。 最早的可靠性定义由美国a g r e e 在1 9 5 7 年的报告中提出，1 9 6 6 年美国的 m i l s t d 7 2 1 b 又较正规地给出了传统的或经典的可靠性定义：“产品在规定的条 件下和规定的时间内完成规定功能的能力”。它为世界各国的标准所引证，我国 的g b 3 1 8 7 8 2 给出的可靠性定义也与此相同。但在实际应用中已经感到了上述定 义的局限性，因为它只反映了任务成功的能力。于是美国于1 9 8 0 年颁发的 m i l s t d 7 8 5 b 按照d o d d 5 0 0 0 4 0 指令( 国防重要武器系统采办指令) 将可靠 性分为任务可靠性和基本可靠性。任务可靠性的定义：“产品在规定的任务剖面 内完成规定功能的能力”。它反映了产品的执行任务成功的概率，它只统计危及 任务成功的致命故障。基本可靠性的定义：“产品在规定条件下，无故障的持续 时间或概率 。它包括了全寿命单位的全部故障，它能反映产品维修人力和后勤 保障等要求。例如m t b f ( 平均无故障间隔时间) ，m c b f ( 平均故障间的使用 次数) 。把可靠性概念分为两种不同用途的可靠性概念，是美国国防部对可靠性 工作实践经验总结和对这一问题认识的深化。这无疑是一个新的重要发展。我国 1 9 8 8 年颁布的军标g j b 4 5 0 8 8 就引用这两种新的可靠性定义【2 3 】。 产品的可靠性可用其可靠度( r e l i a b i l i t y ) 来衡量。可靠度是用概率表示的产品 的可靠性程度的。 在可靠性的上述定义中，含有以下因素： ( 1 ) 对象 可靠性问题的研究对象是产品，他是泛指的，可以是元件、组件、零件、部 件、总成、机器、设备、甚至整个系统。研究可靠性问题时首先要明确对象。不 仅要确定具体的产品，而且还应明确它的内容和性质。如果研究对象是一个系统， 则不仅包括硬件，而且也包括软件和入的判断和操作等因素在内。需要以入一机 系统的观点去观察和分析问题。 ( 2 ) 使用条件 第二章可靠性基本理论 包括运输条件、储存条件、使用时的环境条件( 如温度、压力、湿度、载荷、 震动、腐蚀、磨损等等) 、使用方法、维修水平、操作水平等预期的运输、储存 及运行条件，对其可靠性都会有很大影响。 ( 3 ) 规定时间 与可靠性关系非常密切的是关于使用期限的规定，因为可靠度是一个有时间 性的定义。对时间性的要求一定要明确。时间可以是区间( 0 ，t ) ，也可以是区间 ( t i ，t 2 ) 。有时对某些产品给出相当于时间的一些其它指标可能会更明确，例如对 汽车的可靠性可规定行驶里程( 距离) ；有些产品的可靠性则规定周期、次数等 等会更恰当。 ( 4 ) 规定功能 要明确产品的规定功能的内容。一般来说，所谓“完成规定功能是指在规 定的使用条件下能维持所规定的正常工作而不失效( 或发生故障) ，指研究对象 ( 产品) 能在规定的功能参数下正常运行。应注意“失效 不一定仅仅指产品不 能工作，因为有些产品虽然还能工作，但由于其功能参数已漂移到规定界限之外 了，即不能按规定正常工作，也视为“失效”。要弄清该产品的功能是什么，其 失效或故障( 丧失规定功能) 又是怎样定义的。 还要注意产品的功能有主次之分，故障也有主次之分。有时次要的故障不影 响主要功能，因而也不影响完成主要功能的可靠性。 ( 5 ) 概率 “可靠度 是可靠性的概率表示。把概念性的可靠性用具体的数学形式一概 率表示，这就是可靠性技术发展的出发点。因为用概率来定义可靠度后，对元件、 组件、零件、部件、总成、机器、设备、系统等产品可靠程度的测定、比较、评 价、选择等等才有了共同的基础，对产品可靠性方面的质量管理才有了保证。 可靠性定义的对象包括整机、系统、总成或零件，也包括人的使用和操作等 因素在内。根据可靠性的定义，可以确定衡量产品可靠性的指标。这样，在设计 和制造时，就可以应用数学方法来计算和预测产品的可靠性，用试验的方法来评 定产品的可靠性。简单地说，可靠性就是要求产品不出故障。它不同于一般的质 量概念。可靠性是一种时间质量指标。一般产品的性能、功能参数如功率、转速、 油耗等，只要产品完成生产，就可以在出厂检验中得到评定，而可靠性涉及产品 保持规定功能的时间，可靠性的评定只有在用户使用后或模拟试验后才能进行。 因此，可靠性是研究如何才能使产品在规定的使用时间内充分发挥其功能的关键 质量指标，也是直接关系到用户利益的质量特性。 第二章可靠性基本理论 2 1 2 可靠性理论学科内容 可靠性理论在科学实验、生产实践和人们日常生活等方面都有很重要的意 义。可靠性理论在其发展过程中形成了三个主要领域或三个独立学科： ( 1 ) 可靠性数学 可靠性数学是可靠性研究的最重要的基础理论之一，它主要是研究与解决各 种可靠性问题的数学方法和数学建模，研究可靠性的定量规律。它属于应用数学 范畴，涉及到概率论、数理统计、随机过程、运筹学及拓扑学等数学分支。它应 用于可靠性的数据收集、数据分析、系统设计及寿命试验等方面。 ( 2 ) 可靠性物理 可靠性物理又称失效物理，是研究失效的物理原因与数学物理模型及检测方 法与纠正措施的一门可靠性理论。它使可靠性工程从数理统计方法发展到以理论 化分析为基础的失效分析方法。它是从本质上、从机理方面探究产品的不可靠因 素，从而为研制、生产高可靠性产品提供科学的依据。 ( 3 ) 可靠性工程 可靠性工程是对产品( 零部件，元器件，总成，设备或系统) 的失效及其发 生的概率进行统计、分析，对产品进行可靠性设计、可靠性预测、可靠性试验、 可靠性评估、可靠性检验、可靠性控制、可靠性维修及失效分析的一门包含了许 多工程技术的边缘性工程学科。它是立足于系统工程方法，运用概率论与数理统 计等数学工具( 属可靠性数学) ，对产品的可靠性问题进行定量的分析；采用失 效分析方法( 可靠性物理) 和逻辑推理对产品故障进行研究，找出薄弱环节，确 定提高产品可靠性的途径，并综合地权衡经济、功能等方面的得失，将产品的可 靠性提高到满意的程度的一门学科。它包含了对产品可靠性进行工作的全过程， 即从对零件、部件和系统等产品的可靠性方面的数据进行收集与分析做起，对失 效机理进行研究，在这一基础上对产品进行可靠性设计；采用能确保可靠性的制 造工艺进行制造；完善质量管理与质量检验以保证产品的可靠性；进行可靠性试 验来证实和评价产品的可靠性；以合理的包装和运输方式来保持产品的可靠性； 指导用户对产品的正确使用、提供优良的维修保养和社会服务来维持产品的可靠 性。即可靠性工程包括了对零件、部件和系统等产品的可靠性数据的收集与分析、 可靠性设计、预测、试验、管理、控制和评价。 在可靠性工程中，很重视对现场使用的数据和试验数据的收集与交换。许多 国家都有全国性的数据收集与交换组织，建立有各种数据库。因为数据是可靠性 设计和可靠性研究的基础。在整个可靠性工程中，都是通过可靠性数据和信息反 馈来改进产品的可靠性。 可靠性设计是可靠性工程的一个重要分支，因为产品的可靠性在很大程度上 第二章可靠性基本理论 取决于设计的正确性。在可靠性设计中要规定可靠性和维修性的指标，并使其达 到最优。 可靠性预测是可靠性设计的重要内容之一，它是一种预报方法，在设计阶段 即从所得的失效率数据预报零部件和系统实际可能达到的可靠度，预报这些零 件、部件和系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。在设备设 ，计的初期，及时完成可靠性预测工作，可以了解该设备中各零件、部件之间可靠 度的相互关系，找出提高整个设备的可靠度的有效途径。 可靠性设计的另一重要内容是可靠性的分配，它是将系统规定的容许失效概 率合理地分配给该系统的零、部件。在可靠性设计中采用最优化方法进行系统的 可靠性分配，是当前可靠性研究的重要方向之一，称为可靠性优化设计。 在可靠性设计中有时采用冗余设计法或贮备法。冗余法或贮备法是在系统中 配置作贮备用的零件或部件，当原有零件或设备出现故障时，贮备件立即替换上 去。并联冗余即并行工作贮备法是使完成同一职能的一批零、部