（机械工程专业论文）工程机械中压力开关可靠性试验研究.pdf

摘要 压力开关是一种传感元件，压力开关将工作介质的压力信号变换为开关型电信号， 为仪表或控制电路提供报警、控制等输入信号。压力开关广泛应用于各种工程机械上， 并且起着非常重要的作用。高可靠性的压力开关是保障工程机械安全可靠运行的前提和 基础，压力开关一旦发生故障，将导致机器不能工作或关键零部件损坏，甚至会影响到 工程机械的运行安全，产生严重的后果。然而，目前国产压力开关的可靠性尚远不能满 足工程机械的使用要求，因此，工程机械上的绝大部分压力开关不得不采用价格昂贵的 进口压力开关。本文针对某型国产工程机械压力开关开展可靠性分析与试验研究，对提 高国产压力开关的可靠性从而促进国产压力开关在工程机械上的应用、降低工程机械的 采购成本具有重要的工程实际意义和经济价值。论文的主要研究内容如下： 第一章介绍了压力开关在工程机械上的应用现状，阐明了论文的研究背景与意义， 并且介绍了可靠性技术国内外发展趋势、可靠性特征量及常用的寿命分布、可靠性试验 的目的与分类，提出了论文的研究目的和内容。 第二章首先在研究失效分析理论和方法的基础上运用故障树分析法对压力开关进 行失效分析，得出了压力开关的主要失效机理及其载荷因素，为确定压力开关的可靠性 试验条件奠定了基础。接着对质保期内压力开关的反馈件进行了失效检测与分析，得出 了质保期内压力开关的主要失效机理为“执行器碎裂”、“密封圈老化”、“膜片疲劳 破损”这一结论，并在此基础上产生了压力开关的可靠性改进方案：执行器改用a 3 e g 6 材料，密封圈改用v i t o n 氟橡胶材料、压力膜片改用聚酰亚胺膜。 第三章在压力开关失效分析的基础上结合压力开关的实际使用工况制定了工程机 械压力开关可靠性试验的方案，设计并研制了一套工程机械压力开关可靠性试验装置， 开展了工程机械压力开关可靠性试验。 第四章运用可靠性统计分析理论结合m i n i t a b 软件对改进前后压力开关的可靠性 试验数据进行了对比分析，验证了可靠性改进方案的有效性，同时指出了进一步提高压 力开关可靠性的改进方向。 论文的主要研究成果如下：1 、针对国产压力开关提出了一种有效的可靠性改进方 案，采用该方案的压力开关可满足工程机械对压力开关的可靠性要求，大幅度地降低工 程机械的采购成本；2 、研制了一套压力开关可靠性试验装置，为今后进一步开展压力 h 开关的可靠性分析与改进提供了试验手段。 关键字：压力开关、失效分析、可靠性试验、统计分析 i i i a b s t r a c t a sak i n do fs e n s o r ，p r e s s u r es w i t c ht m s f o n n st h ep r e s s u r es i 盟a 1o fw o r b n g m e d l u m i n t oe l e c t r i c a io n o f fs i 盟a l ，w h i c hp r o v i d e si n p u ts i 印a lf o rd i s p l a yp a n e lo rc o n t r o lc l r c u l tt 0 r e a l i z ew a m i n ga n dc o n t r o l l i n g 矗1 n c t i o n p r e s s u r es w i t c h e sh a v e b e e nu s e do nv a n o u s c o n s t m c t i o nm a c h i n e r yw i d e l ya i l dp l a yv e 巧i m p o r t a n tr 0 1 e so nc o n s t m c t l o nm a c m n e r y p r e s s u r es w i t c h e sw i t hh i g hr e l i a b i l i t yi st h eb a s i sf o ri n s u r i n gc o n s t m c t l o nm a c h m e 叮r 哪 s a f e l va 1 1 dr e l i a b l v p r e s s u r es w i t c h s 筋1 u r e su s u a l l yr e s u l ti n s e r i o u sc o n s e q u e n c e s ，l o r e x 锄p l em a c l l i n ed o w no rd a m a 西n gc r i t i c a lc o m p o n e n t sa 1 1 de v e no c c u 盯m gs 砒e a c c l d e n t o nt h eo t h e rh a n d ，t h ec u r r e n tr e l i a b i l i t yo ft h eh o m e m a d ep r e s s u r es w i t c hc a n n o tm e e tt 上l e r e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n to fc o n s t n l c t i o nm a c l l i n e 巧t h e r e f o r e ，t h em a j o r i t y o fh o m e m a d e d r e s s u r es w i t c h e so nc o n s t m c t i o nm a c 】= l i n e r yh a v et ob e e ns u b s t i t u t e db ye x p e n s i v e 士l o r e l 口 d r e s s u s w i t c h e s t m sd i s s e r t a t i o nt a k eac e t t a i np r e s s u r es w i t c hm o d e lw l l i c hi sm a d eb ya d e m o s t i cc o m p a l l yf o rc o n s i d e r a t i o n t oi m p l e m e n tr e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n dt e s t i n g t h e r e s e a r c ho ft h i sd i s s e n a t i o ni ss i 嘶6 c a n tt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n dt 0p r o m o t et h e a p p l i c a t i o no ft h eh o m e m a d ep r e s s u r e s w i t c h e s a tt h es a m et i m e ，i t c a nr e d u c et h e p u r c h a s i n gc o s to fc o n s t m d i o nm a c 虹n e 哕g f e a t l y 7 i h em a i nc o n t e n to f t h ed l s s e r t a t l o na s f o l l o w ： i nt h ef i r s tc h a p t e r ，t h ed i s s 哪a t i o ni n t r o d u c e st h e 印p l i c a t i o n s i t u a t i o no tp r e s g u r e s w i t c ho nc o n s t m c t i o nm a 出n e 吼e x p l a i n st h es i 弘i f i c a n c ea n d b a c k g r o u n do fs l l _ b j e c ts t u d y ， d e s 砸b e st h ed e v e l o p m e n tt r e n da b o u tr e l i a b i l 埘e n 西n e 甜n g ，r e l i a b i l i t ym e t r i c sa n d c o i i l i n o n l i f e t i m ed i s m u t i o n s ，r e l i a b i l 时t e s t sp u 印o s ea n dc a t e g o r ) r ，a n dp r e s e n t st h ep u r p o s ea n d c o n t e n to fs u b j e c tr e s e a r c h i nt h es e c o n dc h a p t e r ，a t 矗r s tt h ed i s s 瞰a t i o ns t u d i e st h e b a s i ct h e o r i e sa 1 1 dm e t h o d so f f a i l u r ea n a l y s i s ，d o e st h e 僦u r ea n a l y s i sf o rt h ep r e s s u r es w i t c hb y m e a n so f f t a a n dg e tt h e m a i nf a i l u r em e c h a n i s m sa n ds t r e s s e so fp r e s s u f es w i t c h ，a n de s t a b l i s h e sf o u n d a t i o n f o r s h a p i n gm er e l i a b i l i t yt e s tc o n d i t i o no fp r e s s u r es w i t c h t 1 1 e nt h e d i s s e r t a t i o nd o e st h e 协l u r e t e s ta n da n a l v s i sf o rt h ed 锄a g e dp r e s s u r es w i t c h e s 证q u a l i t ya s s u r a n c ep e n o d a n dg e tt h e c o n c l u s i o nt h a tt h em a i nf 掘u r em e c h a 血s m si nq u a l i t ya s s 砒a n c ep e n o dl s “a c t u a ：t i n 分r o d c r a d d n g ， “ s e a l r i n ga 百n g a 1 1 dm e m b 舢ef a t i g u e ，a n d西v e o u tt h er e l l a b l l i t y i m p m v 哪曲ts o l u t i o no fp r e s s u r es w i t c hw 量1 i c hc h a n g em em a t e r i a lo fa c t u a t i n g 。r o d i n t o a 3 e g 6 ，c h a n g et h em a t 嘶a lo fs e a l 窳g i n t ov i t o nf i n l b b e ra n dc h a n g et h ek i i l d o f m e m b m ei n t ok a p t o n i nt h et h i r dc h a p t e r ，m ed i s s 哪a t i o nm a k e sm er e l i a b i l i 够t e s ts c h e m e o rp r e s s u r e s w l t c h 浙江大学硕士论文a b s t i a c t w h i c hc o m b i n e dp r e s s u r es w i t c h sf a i l u r e a n a l y s i sw i t hp r e s s u r es w i t c h sp r a c t i c a lu s e c o n d i t i o n ，d e s i 印sa n dm 锄u f a c t u r e sas e to fr e l i a b i l i t yt e s td e v i c ef o rp r e s s u r es w i t c h ，d o e s t h er e l i a b i l i t yt e s tf o rp r e s s u r es w i t c h i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e st e s td a t au s i n gt h es t a t i s t i c a lt h e o r i e s c o m b i n e dw i t ht h em i n i t a bs o r w a r e ，向r t h e m l o r e ，c o n t f a s ta n a l y s i sr e s u l t sb e t w e e n p r e s s u r e s w i t c hb e f o r e i m p r o v e m e l l t a n d p r e s s u r e s w i t c ha r e ri m p r o v e m e n t ，v a h d a t e st h e e f f e c t i v e n e s so ft h er e l i a b i l i t yi m p r o v e m e n ts o l u t i o n ，a n di n d i c a t et h ed i r e c t i o nt o 如r t h e r i m p r o v et h ep r e s s u r es w i t c h sr e l i a b i l i t y t h em a i no u t c o m eo ft h i sd i s s e r t a t i o na s f o l l o w ：1 p r o v i d e sae f - f e c t i v er e l i a b i l i t y i m p r o v e m e n ts o l u t i o n f o rh o m e m a d ep r e s s u r es w i t c hw l l i c hc a nm e e tt h er e l i a b i l i t y r e q u i r e m e n to fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y ，r e d u c et h ep u r c h a s i n gc o s to fc o n s t m c t i o nm a c l l i n e r y 目e a t l y 2 d e s i g n s 龇l dm a n u f a c t u r e sas e to fr e l i a b i l i t yt e s td e v i c ef o rp r e s s u r es w i t c hw 1 1 i c h i sv e uu s e 如l t of a n h e rr e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n d i m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：p r e s s u r es w i t c h ，f a i l u r ea n a l y s i s ，r e l i a b i l i t yt e s t ，s t a t i s t i c a la n a l y s i s v 浙江人学硕十论文 致谢 致谢 本论文是在杨老师的悉心指导和关怀下完成的。杨老师渊博的知识、严谨的治学态 度、求实的工作作风、诲人不倦的高风亮节都给我留下深刻印象，并将激励我不断进取， 使我终身受益。在此，谨向杨老师致以最崇高的敬意和最诚挚的感谢! 戴群亮教授作为我的企业导师，在我论文的进展过程中给了我许多非常有用的建议 和热忱的指导，在此，谨向戴群亮教授表示诚挚感谢! 本论文还得到了我公司可靠性研究所、试验研究所、机电研究所的同事陈伟光、石 志年、杨广钦、黄辉、袁旭等给予的大力支持，在此，也对同事们的辛勤付出表示衷心 感谢! 最后，感谢我的家人，是他们在背后的默默支持使我能够全身心的投入论文的研究 工作中。 浙江大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 工程机械种类繁多，包括装载机、挖掘机、起重机、推土机、平地机、压路机、摊 铺机和铣刨机等种类，广泛应用于矿山、港口、铁路、公路、桥梁、水利和市政建设等 方面，在国民经济建设中发挥着至关重要的作用。 可靠性作为衡量产品质量的核心指标，已成为工程机械产品竞争的关键因素之一 “1 。可靠性低的工程机械产品故障频繁，从而导致：1 ) 、维修费用与使用成本剧增，2 ) 、 耽误工期导致经济损失，3 ) 、某些故障会引起严重后果，甚至直接危及使用者的生命 安全。 从国内市场角度看，在过去很长时间里，由于我国经济相对落后，用户对国产工程 机械的可靠性要求不高。但随着我国经济水平的迅速发展，用户观念正在发生根本性的 转变，对产品可靠性的要求不断提高乜1 。根据( ( 今日工程机械杂志2 0 0 5 年的工程 机械用户需求心理调查报告：在2 7 1 家被调查用户中，认为可靠性是决定其采购行为 的最重要因素的用户有6 1 家，占2 2 5 ，认为可靠性是决定其采购行为的非常重要因 素的用户18 6 家，占6 8 6 阳1 。 从参与国际竞争的角度看，国内工程机械产品同国外同类产品相比最大的差距在于 可靠性，可靠性水平不高和使用寿命低是制约我国工程机械行业出口的最大障碍。以装 载机为例，根据国家工程机械质量监督检验中心提供的数据( 数据来源为1 0 0 0 小时可 靠性试验以及三包期维修数据) ，平均无故障间隔时间( m t b f ) 在2 0 0 一3 0 0 小时之间， 并估计大修期寿命在3 0 0 0 一5 0 0 0 小时之间；而根据美国c o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t ) 杂 志的数据，国际先进水平的m t b f 达到5o o 一8 0 0 小时，大修期寿命达到1 4 0 0 0 一2 0 0 0 0 小 时n 1 。这些数据显示：同国际相比，国内工程机械产品在可靠性方面差距巨大。随着全 球经济一体化进程的不断加快，国内工程机械制造商都在抓紧开拓国际市场，在海外同 国际知名品牌展开竞争，同时，国外知名品牌强势入境，工程机械行业竞争愈来愈激烈。 面对共同的市场环境，提高工程机械产品可靠性是我们面临的既突出又紧迫的问题，是 增强产品国际竞争力的关键环节。 众所周知，工程机械整机的可靠性在很大程度上是由零部件的可靠性决定的。因此， 浙江大学硕士论文 第一章绪论 要提高我国工程机械产品的可靠性，首先必须开展工程机械零部件的可靠性研究。本文 以工程机械中的压力开关为例进行可靠性分析与试验，探求开展工程机械零部件可靠性 研究的方法。 1 2 论文的研究意义 1 2 1 工程机械中压力开关的应用现状 压力开关在工程机械上有着广泛的应用，作为一种传感元件，压力开关将工作介质 的压力信号变为开关型电信号，为显示仪表或控制电路提供输入信号，完成报警、控制 等功能。以广西柳工c l g 8 5 6 轮式装载机为例，压力开关的应用情况见表卜1 。 表卜1压力开关在装载机上的应用 序号压力开关名称应用说明作用 1 行车制动低压检测行车制动油路中的压力信 提示司机制动压力是否正常， 报警开关 号，当压力过低时，驱动仪表板及时维修，避免安全事故。 上的行车制动报警灯 2 停车制动低压检测停车制动油路中的压力信 提示司机制动压力是否正常， 报警开关号，当压力过低时，驱动仪表板及时维修，避免安全事故。 上的紧急制动报警灯 3 行车制动动力检测行车制动油路中的压力信防止在制动系统压力低于安 切断开关号，当压力低于制动安全压力全压力的情况下操纵机器，避 时，切断变速箱的动力输出免安全事故 4 停车制动动力检测行车制动油路中的压力信防止在停车制动未解除时操 切断开关号，当压力低于制动安全压力纵机器，避免停车制动器烧坏 时，切断变速箱的动力输出 5 制动灯开关 检测行车制动油路中的压力信为机器后面的车辆与行人提 号，当司机踩压制动踏板时，驱供警示信号 动机器尾部的制动灯 6 机油压力报警检测发动机润滑油路的压力信 防止在发动机润滑不足的情 开关号，当压力过低时，驱动仪表板况下操纵机器，避免发动机损 上的机油压力报警灯 坏 聊江大芋坝上论文 第一章绪论 表卜1压力开关在装载机上的应用( 续) 序号压力开关名称应用说明作用 7 变速油压报警 检测变速箱的变速操纵油路中防止在离合器压力不足的情况 开关 的离合器工作压力信号，当压力下操纵机器，避免变速箱离合 过低时，驱动仪表板上的变速油器的滑动磨损 压报警灯 8 倒车警报压力检测变速操纵油路中的倒档信为机器后面的车辆与行人提供 开关 号，当司机挂倒档时，驱动机器警示信号 尾部的倒车报警器 从表卜1 可知，压力开关在工程机械上起着非常重要的作用。压力开关一旦发生故 障，将导致机器不能工作或关键零部件损坏，甚至会影响到工程机械的运行安全，产生 严重的后果。机器不能工作的情况，如：停车制动压力开关发生故障后，即使停车制动 油路的压力正常，变速箱的动力输出也会被切断，机器将无法正常行驶与工作。关键零 部件损坏的情况，如：变速油压报警开关发生故障后，不能指示离合器工作压力过低的 情况，由于调压阀弹簧疲劳等原因，离合器工作压力将越来越低，当压力低到一定程度 时，变速箱档位离合器的摩擦片将出现打滑现象，机器工作效率下降，并导致离合器迅 速磨损。影响到机器行车安全的情况，如：行车制动动力切断开关发生故障后，当行车 制动油路的压力低于安全压力时，变速箱的动力输出也不会被切断，司机很有可能在这 种情况下操纵机器，从而导致安全事故。 1 2 2 开展工程机械压力开关可靠性研究的意义 高可靠性的压力开关是保障工程机械安全可靠运行的前提和基础，因此，工程机械 对压力开关提出了较高的可靠性要求。以装载机为例，根据产品可靠性指标分配要求， 压力开关整机质保期内( 2 0 0 0 小时) 的累积失效率不得超过1 2 。然而，目前国产压 力开关失效频繁，其可靠性现状不容乐观，其中装载机变速油压报警开关的失效尤为突 出，在质保期内的累积失效率基本维持在1 0 8 的水平，也就是说，每1 0 0 台装载机在 质保期内就有1o 8 台出现变速油压报警开关失效，远远达不到装载机整机对压力开关 的可靠性要求。最近几年的用户满意度调查报告中，用户对压力开关的可靠性也提出了 强烈的不满。 由于国产压力开关可靠性差，工程机械上的绝大部分压力开关不得不采用进口压力 开关以满足整机的可靠性要求。然而，国产压力开关与进口压力开关价格相差巨大，国 浙江大学硕士论文第一章绪论 产压力开关价格一般在7 0 元只左右，而进口压力开关价格一般在3 0 0 元只左右。以 柳工c l g 8 5 6 轮式装载机为例，该型装载机每台机器使用8 个压力开关，如果全部采用 进口压力开关，则每台装载机将增加18 4 0 元左右的采购成本，这是工程机械企业很难 承受的。 本文针对国产工程机械压力开关开展可靠性分析与试验研究，以提高国产压力开关 的可靠性满足工程机械对压力开关的可靠性要求，从而促进国产压力开关在工程机械上 的应用，降低工程机械的采购成本。因此，本论文的研究具有重要的工程实际意义与经 济价值。 1 3 可靠性技术发展概述 1 3 1 国外可靠性技术发展概述 可靠性技术是战火催生的文明之花。二次世界大战后，局部战争不断发生，为提高 武器装备的性能，采用的新技术、新材料越来越多，特别是使用了大量的电子元器件， 从而使武器装备日趋复杂，加之装备使用环境严酷，使当时的武器装备故障频繁。1 9 5 2 年，美国国防部成立了“电子设备可靠性咨询组( a g r 髓) ”，经过5 年的研究，该小 组于19 5 7 年发表了军用电子设备可靠性研究报告，较完整地阐述了可靠性的理论 基础与研究方法，为可靠性技术的发展奠定了牢固的基础珏1 。 6 0 年代，可靠性技术进入全面发展阶段。由于在航天方面机械故障引起的事故多、 损失大，美国宇航局( n a s a ) 开始进行机械可靠性研究，例如，用超载负荷进行机械产 品的可靠性验证试验；在随机动载荷下研究机械机构和零件的可靠性；运用“应力一强 度分布”理论进行机械零件的可靠性设计等。英国于19 6 2 年出版了( ( 可靠性与微电子 学杂志，随后，其国家系统可靠性分析中心( n c r s ) 成立了机械可靠性研究小组，探 讨机械可靠性应用技术，汇编出版了机械系统可靠性一书，从失效模式、使用环境、 故障性质、筛选效果、试验难度、维修方式、数据积累等七个方面产阐明了机械可靠性 与电子可靠性的差别，介绍了机械可靠性应用的重点。法国国立通讯研究所也在1 9 6 2 年成立了“可靠性中心”，开始可靠性数据的收集与分析工作，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，前苏联 及东欧各国在匈牙利召开了第一届可靠性学术会。日本从上世纪五十年代开始从美国引 入可靠性技术，并将可靠性技术推广应用到民用工业部门，极大地提高了其产品的可靠 4 浙江大学硕士论文第一章绪论 度，使其产品( 如汽车、电视机、照相机等) 畅销世界，带来了巨大的经济效益陆1 。 可靠性技术发展经历上世纪5 0 年代的起步阶段，6 0 年代的全面发展阶段，7 0 年 代的逐步成熟阶段，至8 0 年代，可靠性向更深更广的方向发展，维修性、保障性逐渐 和可靠性结合为一个系统工程。9 0 年代以后，可靠性已发展成为了一门较为综合性的 工程技术，形成了3 门独立的学科：可靠性数学、可靠性物理、可靠性工程。可靠性数 学研究与解决各种可靠性问题的数学方法和模型，研究可靠性的定量规律，涉及概率论、 数理统计、运筹学及拓扑学等数学分支，应用于可靠性数据的收集与分析、系统设计及 可靠性试验等方面。可靠性物理研究失效的物理原因、检测方法与纠正措施，从本质上、 从机理方面探究产品的不可靠因素，从而为研发与制造高可靠性产品提供科学依据。可 靠性工程包括了在产品全生命周期内开展可靠性工作( 数据收集与分析、可靠性设计、 试验、管理、控制与评价等) 的全过程，贯穿于产品的研发、制造、试验、运输、保管 及使用与维修保养等各个环节，是可靠性数学、可靠性物理等的具体运用n 8 1 。 早期的可靠性技术偏重于可靠性数学，是建立在对故障时间的数理统计基础上的。 通过对样本故障数据的统计推断，得到总体的分布规律，从而对可靠性进行分析和评价； 基于历史数据对新产品进行可靠性预计与分配、分析；基于试验数据的统计分析对可靠 性进行评估与验证。上世纪9 0 年代开始，西方发达国家在可靠性技术的研究方面，围 绕“通过可靠性与性能设计一体化实现产品高可靠长寿命”这一目标，对可靠性进行重 新定向，提出可靠性理论与技术应当从“故障时间”分析转向“故障过程”分析，并逐 步发展了“故障物理”技术。“故障物理”认为：产品中所有的故障都是由基本的机械、 热、电和化学等应力作用的过程所导致的。因此，要对产品的可靠性做出正确的设计与 改进，仅根据故障数据的统计推断是不够的，必须充分了解产品的故障位置、故障模式、 故障机理以及环境载荷条件等信息，任何潜在故障都是特定的设计参数和环境载荷条件 的函数，称为故障物理模型。在故障的物理模型基础上进行可靠性仿真分析，利用c a e 技术将环境载荷等应力分解到产品内部各微观部位，再结合产品各组成零部件的材料、 结构、尺寸等参数，对产品的故障位置、故障模式、故障机理及相应的故障时间进行定 位。基于失效物理技术的思想，可靠性试验技术也得了很大发展，从原来的基于数理统 计技术的预计、评估、验证试验向基于应力与失效模式研究的加速应力试验、加速寿命 试验、多环境应力强化应力试验发展，并逐步形成了“建模仿真一虚拟试验一物理验证 一模型改进”的试验技术流程嘲u 叭1 1 ”1 。 在可靠性工作的不断深化中，产生了可靠性数理统计、设计分析及管理软件的需 浙江大学硕士论文 第一章绪论 求。一些软件公司如r e l i a s o f t 、r e l e x 等公司开发了w e i b u ll + + 、r g a 、a l t a 等数理统 计软件及f m e a 、可靠性预计、系统可靠性设计等设计分析软件，很多公司结合自身实 际开发了f r a c a s ( 故障报告分析纠正措施系统) 管理软件“引。这些软件的开发，又 有力地促进了可靠性的应用。 1 3 2 国内可靠性技术发展概述 在我国，最早是由电子工业部门开始可靠性工作的，在6 0 年代初期进行了有关可 靠性评估的开拓性工作。7 0 年代初期，航天部门首先提出电子元器件必须经过严格筛 选。7 0 年代中期，由于中日海底电缆工程的需要，提出高可靠性元器件验证试验的研 究，促进了我国可靠性数学的发展。8 0 年代，在武器装备研制需求的牵引下，可靠性 技术发展迅速，特别是在武器装备、核工业、航空航天、电子等领域得到了普及，工作 成效显著。从1 9 8 4 年开始，在国防科工委的统一领导下，结合中国国情并积极汲取国 外的先进技术，组织制定了一系列关于可靠性的基础规定和标准，标志着我国的可靠性 工作进入了一个全面发展的新阶段。9 0 年代初，原机械工业部提出了“以科技为先导， 以质量为主线”的思路，兴起了我国第二次可靠性工作的高潮，取得了较大的成绩“引。 目前，可靠性在我国已引起普遍重视，可靠性的研究领域和对象也在不断扩大：从 军用到民用、从电子产品到机械产品，从小的零件到大的系统或设备，从硬件到软件。 在电子领域，通过消化吸收与创新，已发展了一整套较为完善的方法与手段，如可靠性 建模、可靠性预计与分配、潜在通路分析、冗余设计、热设计、降额设计、失效模式分 析、故障树分析、各种可靠性试验技术等，并且制定了较完整的标准与体系，建设了较 完整的可靠性数据交互网。在机械行业，随着对机械零件破坏机理认识的日益深化，机 械可靠性理论也得以逐步完善，研究的主要领域包括：机械结构可靠性、疲劳与磨损元 件的可靠性、机构动作可靠性、机械系统可靠性建模、预计、分配及试验等，但总体来 说尚处于起步阶段，与欧美发达国家相比尚有较大差距。 1 4 可靠性特征量及常用的寿命分布 1 4 1 可靠性定义 最早的可靠性定义是由美国国防部a g r e e ( 电子设备可靠性咨询组) 在1 9 5 7 年提 交的( ( 军用电子设备可靠性报告中提出的，1 9 6 6 年，美军标m i l s t d 一7 2 1 b 正式给出 6 浙江大学硕士论文 第一章绪论 了经典的可靠性定义，即“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”。 这一定义被世界各国的标准所引用，我国的g b 3 18 7 8 2 标准也引用了这一定义。美国于 1 9 8 0 年颁发的m i l s t d 一7 8 5 b 标准将可靠性分为任务可靠性与基本可靠性。任务可靠性 定义为：“产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力”，它反映了产品在执行任务 时成功的概率，只统计危及任务成功的致命故障。基本可靠性定义为：“产品在规定的 条件下，无故障的持续时间或概率”，它包括了产品生命周期内的全部故障，能反映对 产品维修、配件储备、后勤保障等的要求。把可靠性概念区分为任务可靠性与基本可靠 性，是对可靠性工作实践经验的总结和对可靠性认识的深化。我国1 9 8 8 年颁发的g j b 4 5 0 标准就引用了这两种可靠性定义。 在上述可靠性的定义中，含有以下要素n ”： 1 ) 对象：可靠性问题的研究对象是产品。产品可以是元器件、零部件、机器、设 备，甚至是整个系统，研究可靠性问题时首先要明确对象。本文中可靠性的研究对象为 工程机械产品用的膜片式压力开关。 2 ) 条件：指产品的使用条件，如环境条件、维护条件、操作技术等，同一产品在 不同的条件下工作会表现出不同的可靠性水平，条件越恶劣，可靠性越低，如一辆汽车 在水泥路与砂石路行驶相同里程，后者故障会多于前者，这说明使用条件越恶劣，可靠 性越低。所以，不在规定条件下谈论可靠性就失去了比较产品可靠性高低的基础。 3 ) 时间：时间是可靠性的核心，不谈论时间就无可靠性而言。一般说来，时间愈 长，可靠性愈低，即可靠性是时间的递减函数。规定时间的长短随产品不同和使用目的 不同而不同：譬如火箭发射系统只要求在几分钟内可靠即可，海底电缆则要求几十年内 可靠，一般的应用产品如电视机在几千或几万小时内不出故障，用户就很满意了。从这 个角度来看，可靠性是经得起时间考验的质量，是质量在时间轴上的延续。注意：这里 所说的“时间”是广义的，除时间外，还指汽车的行驶里程、开关的动作次数等，如本 文中压力开关可靠性的时间就采用其动作次数来衡量。 4 ) 功能：研究可靠性要明确产品规定功能的内容。一般来说，所谓“完成规定功 能”是指产品正常工作，不“失效”( 严格说来，对不可修产品称“失效”，对可修产 品称“故障”，本论文对”失效”与”故障”不予区分) ，即产品能在规定的使用条件 下在规定的功能参数范围内正常运行。 5 ) 能力：为了比较可靠性的高低，对能力需要有定量的描述。由于产品发生故障 带有随机性，故不能看一个产品的工作情况，而应该在观察大量同类产品后，才能看出 浙江大学硕十论文 第一章绪论 可靠性的高低。因此，可靠性定义中的“能力”具有统计学意义，可以用“概率”来表 示。将可靠性定义中的“能力”换成“概率”，就得到了“可靠度”的定义，即“产品 在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率”。用“概率”来定义可靠度后， 可靠性就有了定量的数学描述。 从可靠性的定义可知，研究产品的可靠性，首先必须要明确对象、然后在三个规定 下( 规定条件、规定时间、规定功能) 研究产品发生失效的统计规律性，从而为产品可 靠性的评价、分析、设计、改进、管理等提供数量上的依据。 1 4 2 可靠性特征量 为了评价元器件、零部件、机器、设备、系统等的可靠性，必须制定一些行之有效 的量化指标。常用的可靠性指标有可靠度、不可靠度、失效率、失效概率密度、平均寿 命、百分寿命及可靠寿命等“6 1 7 1 ，下面将逐一介绍： 1 ) 可靠度函数：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率称为 产品的可靠度函数，简称可靠度，记为亦) 。 若用t 表示产品在规定条件下的寿命( 注：对不可修产品而言，寿命指从产品开始 使用到失效的时间；对可修产品而言，寿命指从产品开始使用到首次失效的时间) ，则 “产品在时间t 内完成规定功能”等价于“产品寿命t 大于t ”。所以可靠度函数尺o ) 可 以看成是时间“t t ”的概率，即： r ( f ) = p ( 丁 f ) ( 1 1 ) 设在t = o 时刻，将n 台产品投入使用或试验，到t 时刻，已有n 台产品失效，则可 靠度的估计值为： r ( f ) ：堡兰( 1 2 ) n 2 ) 不可靠度函数：与可靠度函数相对应，表示产品在规定的条件下和规定的时间 内，未完成规定功能的概率，因此，又被称为累积分布函数，记为f o ) 。显然： f ( f ) = p ( r o 表1 _ 3 指数分布的特征量函数( 续) 累积分布函数 f ( z ) = 1 一g 一允 可靠度函数 r ( ) = e 一见 失效率函数 旯( f ) = 见 2 ) 正态分布 正态分布是一种对称倒钟形的两参数的分布，其随机变量在o 。到+ o o 整个数轴上 取值。由于元件在t = o 之前不会失效，因此，正态分布不能很好地描述寿命数据。正态 分布在可靠性理论中常用来描述如材料强度、载荷等。截尾正态分布的寿命数据可拟合 成= 3 4 4 的威布尔分布，常用来描述由于磨损、老化、腐蚀而发生故障的产品的寿命。 浙江大学硕士论文 第一章绪论 表卜4 列出了正态分布的特征量函数。 表卜4 正态分布的特征量函数 l g 一) 2 概率密度函数( f ) 2 h e x p o z 死 2 仃2 参数范围 一 o 累积分布函数 即即( 等) 可靠度函数欠( f ) = 1 一 g) 失效率函数 ，= 需 3 ) 对数正态分布 对数正态分布分布近年来在可靠性工程中越来越受到重视，某些机械零件的疲劳寿 命与绝缘材料的寿命可用对数正态分布来分析，尤其对于维修时间的分布，一般都选用 对数正态分布。表l 一5 列出了对数正态分布的特征量函数。 表卜5 对数正态分布的特征量函数 概率密度函数 们，= 去唧 _ 学 参数范围 一。 o ，7 7 o o ，7 7 o ，厂 o 一( 上) 卢一( 坐) 累积分布函数 f ( f ) = 1 一e 町 f ( f ) = 1 一e 刁 一( 三) 芦一( 丝) 卢 可靠度函数 r ( f ) = p 叩r ( f ) = g _ 失效率函数 砸) = 抛) = 争。1 平均寿命 e o ) = 椰+ 旁e o ) = + 椰+ 旁 可靠寿命 砍：，7 ( 1 n 去) 咿 铲y 州l n 去) 彬“ 特征寿命 乙2 7 7 乙= 厂+ 刁 三参数威布尔分布有三个参数：形状参数、尺度参数刁、位置参数y 。 很明显，位置参数，是一个平移参数，将三参数威布尔分布的曲线沿横轴( 时间轴) 向左平移y ，即可获得两参数威布尔分布。当y 0 时，称为最小保证寿命，即产品在f = y 时刻以前不会发生失效。在实际中，y 一般等于零，这时，三参数威布尔分布就成了两 参数威布尔分布。 形状参数的大小，决定了威布尔分布概率密度函数函数的曲线形状，图卜1 示意 了形状参数卢取不同值时两参数威布尔分布的概率密度函数的函数的图形。当 l 时， 其相应的概率密度函数曲线呈单峰性，且随值的峰高逐渐降低，当= 3 4 4 时，近似 截尾正态分布；当= 1 时，相应的概率密度函数曲线与纵轴相交，威布尔分布变成了 1 4 第一章绪论 指数分布；当 1 时，概率密度函数曲线与纵轴不相交，而是与它渐近。 图卜1 形状参数取不同值时的概率密度函数 尺度参数叩起到放大或缩小坐标尺度的作用。图1 2 示意了尺度参数即取不同值时 两参数威布尔分布的概率密度函数的图形。 图卜2 尺度参数，7 取不同值时的概率密度函数 1 5 可靠性试验的目的和分类 1 5 1 可靠性试验的目的 可靠性试验是对产品的可靠性进行调查、分析和评价的一种手段，是为“了解、评 价、分析和提高产品可靠性而进行的试验”的总称。从狭义的角度看，可靠性试验是为 评价或验证产品的可靠性而进行的试验，包括可靠性测定试验与可靠性验证试验；从广 义的角度看，凡是与可靠性有关的试验都属于可靠性试验的范畴，除狭义的可靠性试验 外，还包括环境试验、可靠性研制试验、可靠性增长试验等等。总结起来，可靠性试验 的目的主要有以下三点n 弱： 1 ) 发现产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷，从而提高产品的可靠性、减少 浙江大学硕士论文 第一章绪论 维修费用与保障费用； 2 ) 评估产品可靠性水平，验证产品可靠性是否达到要求； 3 ) 掌握产品失效的时间分布规律，为产品可靠性设计、维修策略、配件储备策略 等提供信息。 可靠性试验是可靠性工程的重要组成部分。产品的可靠性是设计出来的、生产出 来的、管理出来的；产品可靠性更是试验出来的，只有通过“试验、分析与改进”的循 环过程，产品的可靠性才能不断提高、不断增长。