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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

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。

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,。可接受的可靠度一般不得小于0.90,，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)。

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,。可表示為：

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。

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

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

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