科创中国

行业领域

高技术服务业,高端装备制造产业,制造业

需求背景

装备可靠性工程主要包括可靠性预计、分析、评估和验证等。其中，可靠性验证用于在研制和生产阶段判断装备是否达到所要求的可靠性水平，是装备可靠性工程中十分重要的环节之一。通过对可靠性指标的充分验证，确保列入部署的装备满足规定的可靠性要求，并可依据验证结果制定合理的保障计划，使装备在服役期维持较高的战备完好率。

目前，工程中通常采用以GJB 899等标准为基础的基于模拟试验的可靠性验证方法。以GJB 899A-2009表***中指数分布场合标准定时试验方案为例，所要求的累积试验时间为使用方要求的MTBF极限质量的***~45倍。一方面，为适应装备跨越式发展和民品快速升级，装备研制周期越来越短，因而在研制和生产阶段能够用于可靠性验证的时间非常有限。进一步，对于“高可靠、长寿命”产品，当装备可靠性指标中时间量（如任务时间、可靠寿命、MTBF等）较长时，可靠性验证所需试验时间会很长，试验实施往往是不现实的，因而导致无法应用基于模拟试验的方法开展可靠性验证工作。因此，目前工程中常用的基于模拟试验的可靠性验证方法存在试验时间长、效率不高等不足，难以在研制和生产阶段对“高可靠、长寿命”装备产品的可靠性指标进行有效验证，目前主要采用初步评估代替验证的方法，得到的结论较保守，导致无法保证装备可靠性水平满足规定的要求。“高可靠、长寿命”产品可靠性验证一直都是装备可靠性工程所面临的技术难题。

加速试验通过适当提高试验应力水平，测试加速应力水平下的失效或性能退化数据，通过对试验数据进行建模分析外推评估出正常应力水平下的可靠性水平。其特点是试验耗时短、费用少、预测能力强。加速试验技术于20世纪70年代处进入我国，立即引起了广泛的关注。目前，已在航空、航天、机械、电子等诸多领域开展了应用。随着产品的可靠性水平不断提高、寿命不断增长，为适应工程需要，利用加速试验技术，通过提高试验应力水平以达到缩短试验时间成为可靠性验证试验技术发展的必选选择。

目前加速寿命可靠性验证试验方法已有初步研究，但存在寿命分布集中于指数分布、难以应用于机械产品以及退化型产品和竞争失效型产品加速试验可靠性验证试验方法仍然处于起步阶段等问题。难以满足基于加速试验开展机械产品可靠性验证试验的工程化、通用化、可操作性要求。

本项目在前期大量技术积累和工程应用基础上，针对机械产品可靠性验证需求，开展加速可靠性验证试验方法标准化研究，制订机械装备基于加速试验的可靠性验证方法专业标准。为开展加速可靠性验证试验的工程应用提供技术标准，支撑“高可靠、长寿命”产品可靠性验证，有利于进一步完善装备可靠性技术标准体系。

到目前为止，我国尚未制订机械装备通用方法类的加速可靠性验证试验标准。已经开展的装备加速可靠性验证试验工程应用均以项目研究的方式实施，难以确保试验规范性、普适性、可操作性。与本项目拟制定标准相关的国际标准为MIL-HDBK-781A和IEC 60300-3-5:2001，等同采用的国家标准为GJB 899A-2009《可靠性鉴定和验收试验》和GB/T ***《设备可靠性试验》。上述标准为适用于各类产品的通用共性技术“方法类”标准，均属于基于模拟方法的可靠性验证方法。

从工程实践角度考虑。为缩短试验时间、提高试验效率，满足“高可靠、长寿命”产品可靠性验证需求，本项目拟申请一项可靠性共性技术领域的基于加速试验的可靠性验证通用方法标准，对困扰工程应用的方案设计、试验实施、数据建模与分析以及结果判决等重难点环节进行标准化，便于工程实施，为开展“高可靠、长寿命”产品可靠性验证提供支撑。

需解决的主要技术难题

随着科学技术的发展和对产品质量要求的不断提高，产品的可靠性也越来越成为产品竞争的焦点。电子技术的发展和电子产品可靠性理论的成熟，电子产品可靠性的相对稳定；而机械可靠性试验技术则由于存在理论难题而发展相对较慢。机械可靠性问题引起了各国广泛重视并开始对其进行了系统研究，西方发达国家由于工业化起步早，也率先建立起机械产品可靠性设计理论基础，并有效地指导了工程实践。对于机械零部件的可靠性概率设计方法的研究中，成立专门研究组，进行机械故障的预防以及检测方面的分析，在大量数据的基础上，形成可靠性分析大数据库，如NPRD、NPs、ADA163900等数据手册。在这些理论及数据的基础上，国外机械可靠性设计已广泛应用于人造卫星、宇宙飞船、飞机、舰船、土木工程、核电站、压力容器、汽车、齿轮和轴承等产品等众多领域，大大提升了国外的机械设备的可靠性及寿命。而我国的机械可靠性设计除了历史原因上的差距以外，现实中也存在一些问题：许多机械设计人员对机械可靠性设计理解不够，在工作中可靠性设计还是沿用了许多电子行业可靠性设计的方法，对机械可靠性设计中使用概率论和数理统计生疏，感到机械可靠性设计数理深奥，难以定量计算，面临一个知识更新的问题。在我国目前的可靠性设计手册主要适用于电子行业，缺乏可供机械可靠性设计实用的手册、规范和指南，在机械可靠性数据和资料较少情况下，开展机械可靠性设计存在或多或少的困难；因机械可靠性试验研究较少，可靠性试验的周期长、费用高等原因，使得在产品研制的过程中不好开展机械可靠性试验。由此导致我国自主研发的工程机械产品可靠性差，寿命低，早期故障多，导致机械产品的市场反应较差，在国际市场上而言，其占有率相比发达国家而言，差别较大。

同时，“中国制造2025”中“五大工程”中第5条“高端设备创新工程”中明确提出，要组织实施大型飞机、航空发动机及燃气轮机、海洋工程设备及高技术船舶、高档数控机床等一批创新和产业化专项、重大工程。开发一批标志性、带动性强的重点产品和重大设备，提升自主设计水平和系统集成能力，突破共性关键技术与工程化、产业化瓶颈，组织开展应用试点和示范，提高创新发展能力和国际竞争力，抢占竞争制高点。要达到“高端设备创新工程”的要求，不但要有科学的机械设计方法，同时也要有能够短时间获取和验证机械设备可靠性特征的理论及实施方法。因此，需要将机械产品可靠性验证方法标准化，提高可靠性验证的效率，短时间完成可靠性鉴定与验收，为加快推进机械产品技术革新升级提供理论和技术支撑。

机械产品的可靠性验证有以下几个问题：

1）一般对于机械产品的可靠性试验来说。很难得到较大子样容量。并且费资、费力，试验周期长。

2）机械失效机制的多样性和对环境因素的依赖性，机械系统中决定机械寿命和性能劣化的因素，不仅与应力因素有关，还取决于环境因素。同时对于机械产品的外场环境与试验环境相比更为复杂、更为恶劣。

3）机械可靠性理论难度大，大多数电子产品故障多属随机性、寿命服从指数分布；而机械产品的零部件大多是耗损性失效为主，现已颁发的一些可靠性试验方法或标准，是根据电子产品失效制定的，这些方法或标准对机械类产品不完全适宜。

4）机械零部件一般都是为特定用途设计，通用性不强，不易积累共用数据。因此，缺少开展非电产品可靠性验证试验的必要的支撑数据导。

期望实现的主要技术目标

（1）范围

（2）规范性引用文件

（3）术语和定义

包括可靠性验证试验、加速试验、应力、应力水平、失效模式、步加应力加速寿命试验、步加应力加速退化试验。

（4）基本模型

1）可靠性指标，包括可靠寿命指标和给定任务时间的可靠度指标。

2）寿命分布，包括机械产品常见的威布尔分布和对数正态分布。

3）加速模型，归一化线下性加速模型。

4）退化模型，线性化退化模型及退化拟合风险定义。

5）竞争失效模型。

6）基于累积失效模型的等效判决数据，包括步加应力加速寿命试验等效数据和步加应力加速退化试验等效数据。

（5）寿命型产品加速可靠性验证试验方法

1）设计参数已知情形寿命型产品加速可靠性验证试验方法

包括定时截尾加速寿命试验可靠性抽样方案设计、试验安排及判决的方法

2）计参数未知情形寿命型产品加速可靠性验证试验方案

包括预试验方案设计，预试验实施及参数估计，利用加速寿命试验可靠性抽样方案的判决方法以及补充试验。

（6）退化型产品加速可靠性验证试验方法

1）设计参数已知情形退化型产品加速可靠性验证试验方法

包括加速退化试验可靠性抽样方案及对应的加速寿命试验可靠性抽样方案设计，依据混合加速试验可靠性抽样方案开展试验并判决的方法。

2）设计参数未知情形退化型产品加速可靠性验证试验方法

包括预试验方案设计，预试验实施及参数估计，利用混合加速试验可靠性抽样方案的判决方法以及补充试验。

（7）竞争失效型产品加速可靠性验证方法

包括可靠性指标分配方法以及加速试验可靠性抽样方案设计及判决方法。

需求解析

解析单位：“科创中国”高端装备制造产业科技服务团（中国机械工程学会） 解析时间：2022-10-26

袁俊瑞

中国机械工程学会

高工

综合评价

到目前为止，我国尚未制订机械装备通用方法类的加速可靠性验证试验标准。已经开展的装备加速可靠性验证试验工程应用均以项目研究的方式实施，难以确保试验规范性、普适性、可操作性。针对“高可靠、长寿命”产品可靠性验证难点，急需开展加速可靠性验证试验通用方法类标准，对工程应用中试验方案设计、试验流程、试验数据建模与处理、判决准则与方法等重难点环节进行标准化，为开展“高可靠、长寿命”产品可靠性验证工作提供参考与支撑。 本项目在前期大量技术积累和工程应用基础上，针对机械装备产品可靠性验证需求，开展组件级和系统级加速可靠性验证试验方法标准化研究，制订机械装备基于加速试验的可靠性验证方法专业标准。主要意义和用途包括： （1）为开展加速可靠性验证试验的工程应用提供技术标准 加速试验在机械设备的可靠性鉴定与验收等可靠性工程问题中具有广泛而急迫的应用需求。依据本项目制订的基于加速试验的可靠性验证方法标准，在产品研制阶段，通过加速试验在可承受的时间代价内对“高可靠、长寿命”产品可靠性设计水平进行鉴定，验证产品可靠性特征是否达到设计指标要求水平。

查看更多>

处理进度