机电产品的可靠性分析

0 引言

随着科学技术的迅速发展，机电产品在国防、工业、农业、商业、科研和民用等方面的应用种类越来越多，而且都离不开电源技术和其它技术的应用。如果在其应用中忽略了可靠性管理，机电产品的质量也不会得到保证。可靠性是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。所以，可靠性是产品质量的时间指标，是产品性能能否在实际使用中得到充分发挥的关键之一。机电产品的可靠性是设计出来的、生产出来的。可靠性设计必须与机电产品的功能设计同步进行。因此，设计人员必须明确可靠性设计的目的并掌握可靠性设计的方法。

下面仅对机电产品的可靠性进行部分简要探讨。

1 可靠性设计

1.1 可靠性设计的目的

可靠性设计的目的一般包括以下几个方面：

——政治目的任何国家的产品的先进性和可靠性对其国际贸易、国际声誉和国际地位都有很大的影响，因此，各国政府都很重视产品的可靠性问题;

——经济目的对销售而言，产品的质量和可靠性水平是其占领市场份额和获得信誉的关键性因素;对生产而言，生产设备的可靠性故障会影响生产，造成经济损失;因此，各厂家和用户都很重视产品的可靠性问题;

——军事目的军用设备的可靠性直接关系到战斗的成败，人员的伤亡，甚至国家的安全，因此，各国都很重视军用产品的可靠性问题。

1.2 可靠性设计的指导思想

可靠性设计技术是在产品的设计中采取相应的措施，以提高产品的可靠性并达到可靠性指标的一门技术。为此应当充分注意以下几个方面：

——充分估计现有的技术水平，尽量采用成熟的、定型的、标准的原材料、元器件、电路和工艺来完成设计;

——准确掌握产品在运输、储存和使用中可能遇到的环境条件，采取相应的可靠性设计技术，以便使产品增强对环境的适应能力;

——应当充分满足设计与工艺制造、调试检测和维护使用的相互要求;

——可靠性定量活动应当贯穿于产品研制的全过程，包括可靠性分析、预计、论证、指标的确定和分配、设计、制造、调试检测和维护使用等;

——重视和加强设计阶段的可靠性管理，在设计中，必须贯彻和执行可靠性设计的技术标准和规范、产品可靠性要求事项、可靠性工作计划和可靠性审查程序等管理措施。

1.3 可靠性与维修性指标的论证和确定

可靠性与维修性指标的论证应当特别注意以下两个问题：

——被论证的机电产品应该具有哪些可靠性与维修性指标用来表征产品可靠性的数量特征有很多，对被论证的机电产品应该根据其用途选用适当的可靠性与维修性指标，例如对可修复的连续工作的机电产品，应以规定时间内的可靠度或平均无故障工作时间和平均维修时间作为主要可靠性指标;

——决定机电产品可靠性与维修性指标的高低应当根据使用要求、成本和研制进度来决定机电产品可靠性与维修性指标的高低，例如军用机电产品的可靠性与维修性指标过低，不仅会丧失战机，而且还将处于被动挨打状态;而可靠性与维修性指标过高，不仅会延长研制周期，而且还将增大研制经费。

1.4 可靠性指标和性能指标的关系

可靠性指标和性能指标的关系应当特别注意以下3点：

——可靠性是产品质量的时间指标;

——如果达不到可靠性指标的最低要求，性能指标再好也没有实际使用价值，反之亦然;

——性能指标的裕量是保证可靠性指标的必要条件。

1.5 可靠性增长

任何产品初期的可靠性不可能达到预期的水平，都需要一个经过不断地采取各种纠正措施的增长过程。可靠性增长应当把握以下3个主要因素：

——产品的信息反馈，特别应该重视用户的意见;

——产品可靠性故障的检测与分析;

——采取相应的纠正措施并进行试验验证。

2 元器件的选择与使用

元器件是机电产品可靠性的基础之一，很多机电产品的失效是由于元器件的性能和质量问题造成的。例如，国内某炼钢厂用中频炉熔炼钢铁，其中频电源是利用晶闸管全桥逆变获得的，每个桥臂上的晶闸管均并有阻容吸收电路。熔炼过程中，由于阻容吸收电路中的电容被击穿导致晶闸管失去保护而被击穿，从而造成直通故障和快速熔断器熔断，中频炉断电，正在熔炼的钢铁凝结在炉中，造成极大损失。由此可以看出元器件的选择与使用的重要性。

2.1 元器件的选用原则

元器件的选用要遵循下述原则：

——根据产品要实现的功能要求和环境条件，选用相应种类、型号规格质量等级的元器件;

——根据元器件使用时的应力情况，确定元器件的极限值，按降额设计技术选用元器件;

——根据产品要求的可靠性等级，选用与其适应的并通过国家质量认证合格单位生产的元器件;

——尽量选用标准的、系列化的元器件，重要的关键件应选用军用级以上元器件;

——对非标准的元器件要进行严格的验证，使用时要经过批准;

——根据国家或本单位的元器件优选手册选用。

2.2 器件封装结构和质量等级的选择

2.2.1 器件封装结构的选择

环氧树脂塑封器件为非气密性结构，易受潮气、盐雾和其它腐蚀性气体的侵蚀而失效。因此，对使用环境苛刻的产品，应当选用金属、陶瓷或低熔点玻璃封装的器件。

2.2.2 质量等级的选择

质量等级是指元器件装机使用前，在制造、检验和筛选过程中质量的控制等级。我国电子元器件分为A，B，C三个质量层次，每个质量层次包含几个质量等级，每个质量等级都有相应的质量系数。

质量等级的选择原则为：

——对可靠性要求高的产品，优先选用通过生产线军用标准认证并已上QPL(质量认证合格产品目录)表的元器件;

——关键件、重要件、分配可靠性高、基本失效率高的元器件应当选用质量等级高的元器件;

——其它元器件可按其生产执行标准，参照国标中质量等级顺序选用。

2.3 降额设计

2.3.1 降额设计的依据

电子元器件在使用或贮存过程中，总存在着某种比较缓慢的物理化学变化。这种变化发展到一定程度时，会使元器件的特性退化、功能丧失，即失效了。而这种变化的快慢，与温度和施加在元器件上的应力大小直接相关。为此，应当对元器件实行降额设计。[page]

2.3.2 降额等级

对不同的元器件，应用在不同的场合，实行不同的降额等级：

——Ⅰ级降额，是最大降额，应用于最关键设备;

——Ⅱ级降额，是中等降额，应用于重要设备;

——Ⅲ级降额，是最小降额，应用于一般设备。

2.3.3 降额注意事项

降额注意事项如下：

——有些元器件的应力是不能降额的，如电子管的灯丝电压、继电器线圈的吸合电流;

——有些元器件应力的降额是有限度的，如薄膜电阻器的功率减到10%以下时，二极管的反向电压减到60%以下时，失效率将不再下降;

——有些电容器的降额可能发生低电平失效，即当电容器两端电压过低时呈现开路失效。

2.3.4 降额系数

降额系数是依靠试验数据和使用的环境来确定的。确定降额系数的方法如下：

——数学模型及基本失效率与温度、降额系数之间的关系曲线;

——减额曲线给出了为保证元器件可靠工作所选择的降额系数与温度之间的函数关系，当在该减额曲线上工作的半导体结温达到其最高结温时，其失效率仍然较高;

——应用减额图，即在减额曲线的下方，通过试验找到一条半导体结温较低的减额曲线;

——各种元器件的减额因子参见国家标准。

3 三防设计

任何机电产品都是在一定的环境下工作的，而潮湿、盐雾和霉菌会降低材料的绝缘强度，引起漏电，从而导致故障。因此，必须采取防止或减少环境条件对机电产品可靠性影响的各种方法，以保证机电产品工作中的性能。例如，国内某厂家生产的UPS，由于没有采用三防设计，在沿海和潮湿地区应用时多次发生故障，致使该厂家的维修费用过高，几乎到了无利可图的地步。由此可以看出采用三防设计的重要性。为此应当充分注意以下几个方面。

3.1 防潮设计

防潮设计的原则如下：

——采用吸湿性小的元器件和材料;

——采用喷涂、浸渍、灌封、憎水等处理;

——局部采用密封结构;

——改善整机使用环境，如采用空调、安装加热去湿装置。

3.2 防霉设计

防霉设计的原则如下：

——采用抗霉材料，例如无机矿物质材料;

——采用防霉剂进行处理;

——控制环境条件来抑制霉菌生长，例如采用防潮、通风、降温等措施。

3.3 防盐雾设计

防盐雾设计的原则如下：

——采用防潮和防腐能力强的材料;

——采用密封结构;

——岸上设备应当远离海岸。

4 抗震设计

任何机电产品都要经过从厂家到用户的装运过程，特别是在振动场合下应用的机电产品，必须采取防止或减少振动环境条件对机电产品可靠性影响的各种方法，以保证机电产品工作中的性能。例如，国内某个著名研究所在上世纪60年代购入一台几十万元的真空熔炉设备，在厂家验收合格后运往北京。然而经过多次调试，其高压电源均调不到额定值，只好丢弃在库房中。后来被另一个研究所以废品的价格买走，打开高压电源的油箱后发现高压变压器的初级绕组三相进线中有一根断裂。这很可能是该产品从厂家到北京的装运过程中发生的。由于冲击和振动会引起材料的机械强度降低，甚至会发生材料断裂，从而导致故障。为此应当充分注意以下几个方面：

——印制板上各元器件引脚线长应当尽量短，以增加抗振动能力;

——印制板应当竖放并进行加固;

——较重的器件应当进行加固;

——悬空的引线不宜拉的过紧，以防振动时断裂;

——运输机电产品时，应当加强防震措施;

——振动场合应用的机电产品，应当采用防震措施。

5 电磁兼容性设计

电磁兼容性是指电子设备在电磁环境中正常工作的能力。电磁干扰是对电子设备工作性能有害的电磁变化现象。电磁干扰不仅影响电子设备的正常工作，甚至造成电子设备中的某些元器件损害。因此，对电子设备的电磁兼容技术要给予充分的重视。既要注意电子设备不受周围电磁干扰而能正常工作，又要注意电子设备本身不对周围其他设备产生电磁骚扰，影响其他设备正常运行。

例如，国内某厂家生产的二氧化碳激光器刻标机，由于对电磁兼容性设计重视不够，每当二氧化碳激光器刻标机运行时，其周围的计算机等电子设备便无法工作。这主要是因为二氧化碳激光器刻标机运行时产生的空间电磁辐射干扰所致。为此应当充分注意以下几个方面。

5.1 电磁兼容性控制计划

电磁兼容性控制计划主要包括以下各项：

——落实电磁兼容性管理机构的职责、权限和实施计划;

——电磁兼容性的预测和分析;

——制定项目的电磁兼容性标准;

——进行项目的频谱管理;

——制定电源、结构、工艺、布局等电磁兼容性的要求;

——拟制电磁兼容性试验大纲。

5.2 电磁兼容性设计指标

电磁兼容性设计指标可以参照相应的国家标准。

5.3 电磁兼容性设计方法

电磁兼容性设计方法主要包括以下各项。

[page]

5.3.1 抑制骚扰源

抑制骚扰源的主要方法如下：

——限制骚扰源的电压、电流变化率;

——限制骚扰源的电压、电流幅?;

——限制骚扰源的频率;

——直流电源的去耦;

——交流电源变压器的电磁屏蔽;

——对感性负载的骚扰源采取相应措施;

——采用独立电源。

5.3.2 切断干扰的耦合通道

切断干扰的耦合通道的主要方法如下：

——完整的电磁屏蔽以切断空间干扰的耦合通道;

——合适频谱的滤波以切断线路传导干扰的耦合通道;

——适当的接地以降低地线干扰的耦合通道;

——采用适当的导线以传输不同性质的信号;

——注意元器件的布局，以降低干扰耦合;

——应用布线技术，以降低干扰耦合;

——采用电磁、光电、机械等隔离技术，切断干扰的耦合通道。

5.3.3 提高敏感电路的抗干扰能力

提高敏感电路的抗干扰能力的主要方法如下：

——选用具有高抗干扰能力的元器件;

——采用完整的电磁屏蔽;

——采用合适的滤波技术;

——限制电路的带宽;

——采用合理的去耦措施;

——采用合理的接地。

5.4 电磁兼容性试验验证

电磁兼容性试验验证可以参照相应的国家标准进行。

6 安全性设计

安全性是保证机电设备能够可靠地完成其规定功能，同时保证操作和维护人员的人身安全的重要特性。例如，国内某厂家生产的UPS有两个性能和参数不同的端口，但是却采用了两个相同的电连接器。操作人员匆忙中插错了电连接器，造成该电源烧毁。对此如有防差错的安全性设计，就不会发生这种灾难性后果。安全性设计主要有以下几项内容。

6.1 防止电危险的安全性设计

防止电危险的安全性设计主要包括：

——设计操作方便的电源开关，以便能及时切断电源;

——全部外露金属件都要可靠接地;

——设置过压、过流和漏电保护装置;

——设置高压电容器自动放电装置;

——电源和高压部位应当设置明显标志，如电源进出线的‘火’‘零’‘地’，蓄电池的‘正’‘负’，以防误操作;

——特别要注意高压部件的绝缘设计;

——露天使用的机电产品应设置避雷装置;

——多个电连接器，应有防差错设计。

6.2 防止机械危险的安全性设计

防止机械危险的安全性设计主要包括：

——运动部件应当加防护和限位装置以保证人身安全;

——设备的边角应当导圆以防伤人;

——门、抽屉以及其它运动部件，应当加连锁装置以防意外脱落;

——有危险的部位，应当设置明显标志。

6.3 防止火灾和爆炸危险的安全性设计

防止火灾和爆炸危险的安全性设计主要包括：

——有爆炸危险的物资，对其使用、运输和存储都应有相应的安全措施;

——有易燃危险的物资，应有相应的防范措施;

——对电气设备，应当加强维护和检修，以防引起火灾;

——尽量采用阻燃性好的材料;

——设置灭火装置。

6.4 防止辐射危险的安全性设计

防止辐射危险的安全性设计主要包括：

——微波辐射功率密度大于10mW/cm2，应当加装防护衰减装置;

——磁通量大于0.1T，应当加装防护衰减装置;

——因为激光进入人眼的密度不能大于5×10-6J/cm2，因此，产生激光的部位应设置明显标志;

——X射线每周累计照射量一般不能大于5.58×10-2C/kg。

7 使用与定期维护

最后，正确使用与定期维护也是提高机电产品可靠性的重要内容。为此应当充分注意以下几个方面。

7.1 机电产品

使用机电产品时，首先应当了解它的工作原理，其次应当严格遵循它的使用程序，最后应当对其进行定期维护，这样才能提高机电产品的可靠性。

7.2 电源

移动机电产品的电源是油机和蓄电池，它们的性能好坏是整个机电产品可靠工作的前提。为此，应当对油机和蓄电池正确使用与定期维护。

7.3 电器

电器是供电系统中的重要元器件。电器触头的烧蚀和绝缘性能的下降，往往导致重大事故。为此，应当对电器进行定期维护。

7.4 活动连接件

在振动场合下使用的机电产品，其活动连接件易松动，特别是导电的活动连接件松动时，会导致事故的发生。为此，应当对活动连接件进行定期维护。

7.5 供电线缆

供电线缆是电能传递的路径，电能的主要参数是电流和电压。电流在供电线缆中流动时会发热，发热将导致供电线缆绝缘强度降低，严重的会引起供电线缆火灾。电压对供电线缆的绝缘形成应力，应用中的供电线缆绝缘性能在不断下降，一旦电压的应力超过绝缘的承受能力，会造成绝缘击穿而发生故障。特别是位于金属走线槽口处的线缆应当增加保护套，以防长期磨损而可能发生对地短路的故障。

8 结语

随着科学技术的迅猛发展，机电产品越来越广泛地应用于社会各个领域，其使用条件也越来越严酷，因此，对机电产品的可靠性要求越来越高。本文结合实例对机电产品可靠性的各个方面进行了探讨，以供生产厂家和设计人员参考。其最终目的在于提高机电产品的可靠性和质量，增加机电产品的社会效益和经济效益。