離心泵可靠性分析及可靠度估算探討
2021-08-16 13:53:23力士霸泵業(yè)
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摘 要：本文從可靠性、可靠度定義著手，簡要回顧了可靠性工程的發(fā)展歷史，著重介紹了離心泵可靠性指標(biāo)的選擇及確定、產(chǎn)品可靠性分析的方法及基本步驟，并以實際案例嘗試給出一種離心泵可靠性分析及可靠度的計算方法。
關(guān)鍵詞：離心泵 可靠性 可靠度 分析 估算
背景
隨著社會的發(fā)展、科技的進(jìn)步，人們對健康、環(huán)保、安全等方面的要求越來越高。作為通用機(jī)械的離心泵、特別是重要工況離心泵（如核電站、火電廠、石化等關(guān)鍵用泵）的各項指標(biāo)也越來越受到人們的關(guān)注，其中最關(guān)鍵的一個指標(biāo)是產(chǎn)品的可靠性。這可以從近些年來的一些大型項目招標(biāo)文件中得到具體體現(xiàn)。
在很多關(guān)鍵泵的技術(shù)規(guī)格書中通常都有這樣的要求，如：投標(biāo)方應(yīng)提供高質(zhì)量的設(shè)備，這些設(shè)備應(yīng)是成熟可靠、技術(shù)先進(jìn)的產(chǎn)品；……應(yīng)保證泵具有較高的運(yùn)行效率和可靠性；投標(biāo)方提供的設(shè)備應(yīng)為全新的、先進(jìn)的、成熟的、完整的和安全可靠的……
實際工程應(yīng)用中，如何對產(chǎn)品的可靠性或可靠度進(jìn)行分析和評估？目前，在我國離心泵行業(yè)招標(biāo)過程中基本沒有涉及，只是在少數(shù)重要項目（如核電站關(guān)鍵用泵）的招標(biāo)文件中要求泵制造商提供其產(chǎn)品的可用率數(shù)據(jù)。
文章從可靠性、可靠度定義著手，首先回顧了可靠性工程的發(fā)展歷史，著重介紹了離心泵可靠性指標(biāo)的選擇及確定、可靠性分析的方法及基本步驟，并以實際案例嘗試給出一種離心泵可靠性分析及可靠度的評估（估算）方法。僅供同行們探討、參考。
名詞及術(shù)語
1.1 可靠性
在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間區(qū)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力，稱為產(chǎn)品的可靠性。
產(chǎn)品的可靠性定義包括下列四要素：
1） 規(guī)定的時間；
2） 規(guī)定的環(huán)境和使用條件；
3） 規(guī)定的任務(wù)和功能；
4） 具體的可靠性指標(biāo)。
產(chǎn)品實際使用的可靠性叫做工作可靠性。工作可靠性分為固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是產(chǎn)品設(shè)計制造者必須確立的可靠性，即在設(shè)計、制造階段所確立的可靠性；使用可靠性是指已生產(chǎn)的產(chǎn)品，經(jīng)過包裝、運(yùn)輸、儲存、安裝、使用、維護(hù)等因素影響的可靠性。
1.2 可靠度
可靠度是“產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間區(qū)間內(nèi)，完成規(guī)定功能”的概率（有些國外文獻(xiàn)將其稱為“可靠性系數(shù)”），它是時間的函數(shù)，記為R(t)。即：
R(t) = P(T>t) = 1 - F(t)
式中，T為產(chǎn)品的壽命；t為規(guī)定的時間；F(t)為產(chǎn)品在規(guī)定時間t時的不可靠度，即失效率或失效概率。
產(chǎn)品可靠度數(shù)值0.00表示無可靠性，可靠度值1.00表示完全可靠性?？山邮艿目煽慷纫话悴坏眯∮?.90，因為小于該值表明泵的可靠性不足。而對于一些重要用泵，其可靠度通常要求在0.95以上。
【示例】某型號軸承100只，在恒定載荷下，工作100小時后失效了16只；工作400小時后失效了28只，則工作100小時和工作400小時后的軸承可靠度分別為：
R(100) =（100 – 16）/100 = 0.84；R(400) =（100 – 28）/100 = 0.72。
可靠度一般分成兩個層次：組件可靠度和系統(tǒng)可靠度。組件可靠度是指構(gòu)成產(chǎn)品的不同的零件或部件的可靠度；而系統(tǒng)可靠度是指各組件所組成的整個系統(tǒng)的整體可靠度。
可靠性工程的歷史
可靠性工程是第二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。第二次世界大戰(zhàn)和朝鮮戰(zhàn)爭期間，美國軍事部門的產(chǎn)品在使用和儲存期間失效率很高，引起了有關(guān)部門對可靠性問題的高度重視。
美國國防部在1952年成立了專門機(jī)構(gòu)研究電子設(shè)備的可靠性，1957年發(fā)表了著名的“軍用電子設(shè)備的可靠性”報告，提出了在產(chǎn)品研制、生產(chǎn)過程中對可靠性進(jìn)行試驗和鑒定的方法和電子產(chǎn)品在生產(chǎn)、包裝、儲存、運(yùn)輸?shù)确矫嬉⒁獾膯栴}及要求。這個報告奠定了可靠性理論的基礎(chǔ)。從此，可靠性工程發(fā)展成為一門獨(dú)立的、多學(xué)科的交叉學(xué)科。
20世紀(jì)60年代，隨著航空航天工業(yè)的迅速發(fā)展，可靠性設(shè)計和試驗方法被接受并應(yīng)用于航空電子系統(tǒng)中。
我國從20世紀(jì)60年代到70年代開始，在國防、電子工業(yè)部門進(jìn)行可靠性研究工作。機(jī)械行業(yè)從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行可靠性工作，把提高產(chǎn)品可靠性水平作為提高產(chǎn)品實物質(zhì)量的核心，對老產(chǎn)品進(jìn)行可靠性限期考核達(dá)標(biāo)，對新產(chǎn)品進(jìn)行可靠性設(shè)計，規(guī)定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)必須有可靠性指標(biāo)和內(nèi)容[1]。
今天，可靠性工程早已從軍工企業(yè)發(fā)展到民用電子信息、機(jī)械裝備、交通、能源等行業(yè)，可靠性知識已成為人們的基本常識，許多產(chǎn)品明確了可靠性定量指標(biāo)。
離心泵可靠性指標(biāo)的選擇及指標(biāo)水平高低的確定
3.1 離心泵可靠性指標(biāo)的選擇
JB/T 6881-2006標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定：
1）可以修復(fù)的泵產(chǎn)品可靠性指標(biāo)應(yīng)選用平均無故障工作時間（MTBF）和平均檢修壽命（MOL）。
2）某些原則上雖然可修復(fù)但是進(jìn)行處理很不方便或很困難甚至是不可能修復(fù)的泵，可以當(dāng)成不可修復(fù)產(chǎn)品處理（如深井泵和某些船用泵等），其可靠性指標(biāo)選用失效前平均工作時間（MTTF）。
3）當(dāng)有條件收集到泵維修數(shù)據(jù)的情況的，除上述1）和2）外，指標(biāo)可同時選用平均修復(fù)時間（MTTR）和有效度A（t）。
工程上習(xí)慣稱有效度為可用率，當(dāng)故障間隔時間和維修間隔時間服從指數(shù)分布（即事件以恒定平均速率連續(xù)且獨(dú)立地發(fā)生的過程）時，可用率為：
4） 當(dāng)考核泵的零、部件時（如葉輪、機(jī)械密封等），除了選用以上的指標(biāo)外，可靠性指標(biāo)還可選用可靠度R（t）。
3.2 離心泵可靠性指標(biāo)水平高低的確定
指標(biāo)水平高低的確定原則：
1）根據(jù)使用工況及產(chǎn)品（在系統(tǒng)中）的重要程度。例如，涉及到人身安全、環(huán)境災(zāi)難、重大財產(chǎn)損失的產(chǎn)品，要求高可靠性及可靠度。
2）用戶或市場競爭要求。例如，為了取得市場競爭優(yōu)勢，可靠性比同類產(chǎn)品高一些。
3）現(xiàn)有技術(shù)水平和使用要求。例如，新研發(fā)的產(chǎn)品，初期可給出大概的可靠性指標(biāo)，然后在研制中修改完善。
泵可靠性判定和分析的方法
泵的可靠性可通過“可靠性測定試驗”來判定，也可以通過分析的方法來判定。其中，泵可靠性測定試驗可參見JB/T6881-2006標(biāo)準(zhǔn)，在此不再贅述。
可靠性分析是指利用邏輯、歸納、演繹的方法對可能會發(fā)生的故障進(jìn)行分析，研究失效（故障）的原因、后果及影響、嚴(yán)重程度，從而為產(chǎn)品設(shè)計提供改進(jìn)建議。
4.1 組件可靠性
組件可靠性分析，就是分析泵與零部件之間的邏輯關(guān)系，將泵的可靠性指標(biāo)分解到各個零部件，或根據(jù)零部件的可靠性來估算組件的可靠性。
離心泵（泵頭）可以看成一個組件，一般由：泵殼體零部件、轉(zhuǎn)子部件（包括泵軸、葉輪、軸套及平衡機(jī)構(gòu)等）、密封部件和軸承部件等由一百多零件至數(shù)百零件組成，其中任何一個零部件失效，離心泵就失效。因此，離心泵（泵頭）屬于一個串聯(lián)系統(tǒng)，即屬于串聯(lián)故障模式。
離心泵的可靠度為所有零部件可靠度的乘積?？杀硎緸椋?/span>
組件可靠性分析的方法，其實就是統(tǒng)計分析。根據(jù)同種/同類泵型在相同或相近的工況運(yùn)行的業(yè)績或者經(jīng)過大量可靠性試驗，統(tǒng)計不同零部件的失效情況來分析（估算）其可靠度。
4.2 系統(tǒng)可靠性
對于系統(tǒng)可靠性分析，常用的方法有兩種：故障模式、影響及危害分析（FMECA）和故障樹分析（FTA）。
FMECA包括：失效模式分析（FMA）、失效影響分析（FEA）和失效危害分析（FCA），它是一種系統(tǒng)化的故障預(yù)想技術(shù)，運(yùn)用歸納的方法系統(tǒng)地分析產(chǎn)品設(shè)計可能存在的每一種故障模式及其產(chǎn)生的后果和危害的程度。
FTA是指在系統(tǒng)設(shè)計過程中通過對可能造成系統(tǒng)失效的各種因素、系統(tǒng)失效原因的各種可能組合方式或其發(fā)生的概率，以計算系統(tǒng)失效概率，然后采取相應(yīng)的糾正措施，以提高系統(tǒng)可靠性的一種設(shè)計方法。
兩種分析方法各有所長，相輔相成，常常綜合兩種方法進(jìn)行可靠性分析[3]。
離心泵系統(tǒng)可靠度相對比較復(fù)雜，特別是對于新設(shè)計的產(chǎn)品，變量太多，很多系統(tǒng)中同時包含串聯(lián)故障模式和并聯(lián)故障模式。可根據(jù)設(shè)計和實際工程應(yīng)用經(jīng)驗（包括他人經(jīng)驗），對系統(tǒng)中各組件的失效概率給出預(yù)測和/或統(tǒng)計值，并參考以下步驟進(jìn)行分析。
系統(tǒng)可靠性分析的步驟[4]
不同的分析方法，分析的步驟各不相同。
5.1 FMECA分析步驟
FMECA法的基本步驟是按照FMECA表格逐項分析和填表，其典型表格形式見表1。
表1 FMECA分析表
（1） 零部件名稱：將進(jìn)行FMECA分析的零部件的名稱列出一張清單。
（2） 功能：給零部件所執(zhí)行的功能編寫一簡要說明。這個說明既要包括零部件的固有功能，也應(yīng)包括其有關(guān)接口設(shè)備的相互關(guān)系。
（3） 失效模式：零部件所有可能的失效表現(xiàn)形式。
（4） 失效后果等級：分析失效模式出現(xiàn)對系統(tǒng)工作、功能或狀態(tài)所引起的各種后果。后果一般分成四級：Ⅰ級（災(zāi)難性的）、Ⅱ級（關(guān)鍵性的）、Ⅲ級（邊緣的）和Ⅳ級（次要的）。
（5） 概率等級：失效模式出現(xiàn)的概率是以某一失效模式出現(xiàn)次數(shù)除以全系統(tǒng)的失效次數(shù)來計算?？蓪⑦@一概率劃分為五個等級：A級（經(jīng)常的，概率大于20%）、B級（相當(dāng)可能的，概率為10%~20%）、C級（偶然的，概率為1%~10%）、D級（小的，概率為1%~10%）、E級（極不可能的，概率小于1%）。
（6） 致命度：根據(jù)失效等級和概率等級，致命度分為以下四級：1級（ⅠA）、2級（ⅠB、ⅡA）、3級（ⅠC、ⅡB、ⅢA）和4級（ⅠD、ⅡC、ⅡD、ⅢB、ⅢC、ⅢD、ⅣA、ⅣB、ⅣC、ⅣD、ⅠE、ⅡE、ⅢE、ⅣE）。
（7） 預(yù)防措施：針對各種失效模式及影響提出可能的預(yù)防措施。
5.2 故障樹分析的主要步驟
離心泵可靠度估算示例
制造商和用戶面臨的最大挑戰(zhàn)是如何提高產(chǎn)品的可靠性。對于該議題請參考文獻(xiàn)[5]。
影響離心泵運(yùn)行可靠性/可靠度的因素很多，但對于一個成熟產(chǎn)品來說，其可靠性/可靠度影響的因素基本可以確定，其主要體現(xiàn)在機(jī)械密封、軸承、耐磨環(huán)、密封圈及墊、泵軸、葉輪、軸套等零部件上。而這些零部件的可靠度的估算應(yīng)基于實際應(yīng)用經(jīng)驗 – 即對相同泵型在相同或相似工況應(yīng)用中這些零部件的實際使用情況進(jìn)行收集、匯總，在統(tǒng)計出各個零部件的可靠度后，則可以估算出離心泵泵頭（不包括驅(qū)動設(shè)備及聯(lián)軸器）的可靠度。
現(xiàn)以某系統(tǒng)中BB2型離心泵為例，具體要求如下：
機(jī)械密封壽命不低于16000小時（兩年）；
軸承壽命不低于40000小時（5年）；
耐磨環(huán)壽命不低于40000小時（5年）；
密封圈及墊壽命不低于一個大修周期（3年）；
泵軸、葉輪及軸套的壽命不低于80000小時（10年）。
除了上述易損件及正常磨損件以外，要求泵整體設(shè)計使用壽命不低于20年。
該泵為成熟產(chǎn)品，可以修復(fù)。
通過查詢其以往的維修記錄后，可得出各零部件的平均無故障工作時間（MTBF）和平均檢修壽命（MOL）。則可換算出其在規(guī)定的時間內(nèi)各故障的類別發(fā)生失效的概率及可靠度，匯總?cè)绫?。
表2 – 故障的類別、失效概率及可靠度匯總表
由此，根據(jù)組件可靠度計算公式，可以估算出該泵的可靠度為R(t)：
R(t) = 0.978 × 0.995 × 0.990 × 0.989 × 1.000 ≈ 0.953
總結(jié)
目前，在我國離心泵行業(yè)招標(biāo)過程中，還很少涉及可靠性分析和可靠度估算。
離心泵的可靠性可通過“泵可靠性測定試驗”來判定，也可以通過分析的方法來判定。
離心泵泵頭是由不同零部件組成的一個串聯(lián)系統(tǒng)，屬于串聯(lián)故障模式。
對于成熟產(chǎn)品來說，可靠性分析和可靠度估算是基于對產(chǎn)品以往應(yīng)用經(jīng)驗的統(tǒng)計；對于新設(shè)計的產(chǎn)品，可根據(jù)設(shè)計和實際工程應(yīng)用經(jīng)驗（包括他人經(jīng)驗），基于對系統(tǒng)中各組件可能故障的概率給出預(yù)測和/或統(tǒng)計值進(jìn)行分析和評估。
作者：謝小青1 陳廣福2 李艷杰3
參考文獻(xiàn)
[1] 金樹德，陳次昌，現(xiàn)代水泵設(shè)計方法，兵器工業(yè)出版社，1993年5月
[2] JB/T 6881-2006，泵可靠性測定試驗
[3] 黃維明，企業(yè)質(zhì)量成本控制方法與實踐，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.03
[4] 徐穎強(qiáng)，產(chǎn)品可靠性設(shè)計與分析，2016.6，DOC88.COM
[5] 謝小青，如何打造高可靠性離心泵，泵工程師，2020年12月號總第84期，P30-35
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