機電可靠性工程實踐

陳建民，1960年出生，教授級高級工程師，畢業於西安理工大學。現任西安理工大學可靠性研究院創院院長、特聘教授、行業博士生導師。作為制造業可靠性領域實戰型專家，擁有40余年行業經驗，曾任格力電器技術及出口副總經理、中國家用電器研究院副院長等職。主導構建以可靠性為核心的研發質量體系，是“格力”商標主要原創者，提出“好看、好用、耐用”六字方針、“135精品法則”及“民品十性”等質量理念，首次定義燃爆風險性產品安全可靠性概念。鑒於其工作業績，獲得廣東省及珠海市科技進步突出貢獻獎。構建“三個階段、六個模塊、九個環節、十項特性”可靠性工程理論框架，主編“制造業可靠性叢書”，推動質量管理向全生命周期轉型。持有職務發明專利130余項，參與審定100余項家電國家標準，受聘為多家知名企業技術顧問，舉辦可靠性專題講座60余場，積極推動“產學研用”融合，是制造業可靠性理念普及與實踐的重要推動者。

目 錄

第1章 機械零件可靠性設計 1
1.1 概述 1
1.2 機械結構可靠性的設計原理 2
1.2.1 應力-強度幹涉模型及結構
可靠度簡介 2
1.2.2 確定應力分布和強度分布的
主要方法 4
1.2.3 常用可靠度計算方法 11
1.2.4 零件結構疲勞可靠度計算 19
1.3 軸靜強度的可靠性設計 27
1.3.1 傳動軸的靜強度可靠性設計 27
1.3.2 轉軸的靜強度可靠性設計 29
1.4 圓柱齒輪輪齒強度的可靠性
設計 32
1.4.1 齒面接觸疲勞強度可靠性
設計 32
1.4.2 齒根彎曲疲勞強度可靠性
設計 36
1.5 滾動軸承的可靠性設計 39
1.5.1 滾動軸承的壽命計算 40
1.5.2 滾動軸承的可靠性模型 40
1.6 螺栓聯接的可靠性設計 42
1.6.1 靜載荷受拉松螺栓聯接的
可靠性設計 42
1.6.2 靜載荷緊螺栓聯接的可靠性
設計 44
思考題與習題 50
第2章 機械系統可靠性應用 52
2.1 概述 52
2.2 數控機床應用場景及環境應力
識別 53
2.3 數控機床的FMECA 53
2.3.1 GMC2000A 龍門加工中心的
FMECA 54
2.3.2 機械系統基於元動作的故障
模式與故障原因分析 54
2.4 數控機床可靠性建模分析 58
2.4.1 基於故障失效數據的可靠性
建模分析 58
2.4.2 基於故障失效機理的可靠性
建模分析 59
2.5 數控機床的可靠性設計 60
2.6 機械產品制造過程的可靠性分析 61
2.6.1 機械零件的加工一致性 62
2.6.2 裝配過程的可靠性建模分析
技術 64
2.6.3 數控機床裝配過程的可靠性
分析舉例 70
思考題與習題 74
第3章 軟件可靠性設計 76
3.1 概述 76
3.1.1 軟件可靠性 76
3.1.2 軟件瀑布生命周期模型 77
3.1.3 基本概念 78
3.1.4 影響軟件可靠性的因素 78
3.1.5 軟件可靠性指標與參數 79
3.2 軟件可靠性建模 80
3.2.1 簡述 80
3.2.2 非齊次泊松過程模型 80
3.2.3 錯誤植入模型 85
3.3 軟件可靠性要求的制定與分配 85
3.3.1 軟件可靠性要求 85
3.3.2 軟件可靠性分配方法 86
3.3.3 分配方法的比較 88
3.3.4 可靠性設計 88
3.3.5 Myers設計原則 89
3.3.6 需求階段 89
3.3.7 軟件設計 89
3.3.8 編碼實現 90
3.3.9 健壯性設計 90
3.4 查錯設計 90
3.4.1 被動式錯誤檢測 90
3.4.2 主動式錯誤檢測 91
3.5 糾錯設計 91
3.6 容錯設計 91
3.6.1 結構冗余 92
3.6.2 信息冗余 92
3.6.3 時間冗余 92
3.7 軟件可靠性測試 93
3.7.1 軟件可靠性測試與常規測試 93
3.7.2 構造操作概圖 93
3.7.3 軟件可靠性增長測試 93
3.7.4 軟件可靠性驗證測試 94
思考題與習題 97
第4章 維修性設計 98
4.1 概述 98
4.2 維修與維修性定義 99
4.2.1 維修 99
4.2.2 維修性 99
4.3 維修性指標 100
4.4 維修時間評價指標 101
4.4.1 平均修復時間 101
4.4.2 平均預防性維修時間 101
4.4.3 平均維修時間 102
4.4.4 平均維修間隔 102
4.5 產品可用性 102
4.5.1 固有可用性 102
4.5.2 實現可用性 103
4.5.3 使用可用性 103
4.6 維修性統計學模型 103
4.6.1 指數分布 104
4.6.2 正態分布 104
4.6.3 對數正態分布 105
4.7 維修性分配 106
4.8 維修性設計 108
4.8.1 影響產品可用性的因素 108
4.8.2 簡化設計 109
4.8.3 可達性和可操作性設計 109
4.8.4 模塊化設計 109
4.8.5 標準化和互換性設計 110
4.8.6 防差錯設計 110
4.8.7 維修安全性設計 110
4.8.8 診斷測試設計 110
4.9 維修備件策略 111
4.9.1 備件分析 111
4.9.2 確定備件庫存水平 111
4.9.3 備件管理 112
4.9.4 按經濟訂貨量備件 112
4.9.5 按二八準則備件 112
4.9.6 按需備件 112
4.9.7 按訂單備件 112
4.9.8 備件需求預測 113
4.9.9 磨損和退化情況 113
4.9.10 通過預防性維修提高
可靠性 115
4.9.11 通過現場數據預測部件量 116
思考題與習題 117
第5章 失效分析 119
5.1 概述 119
5.2 失效分析方法及流程 119
5.2.1 失效分析思路 119
5.2.2 失效分析方法 120
5.2.3 失效分析流程 120
5.3 常見失效模式及其機理 122
5.3.1 機械失效 122
5.3.2 電子失效 129
5.3.3 軟件系統失效 132
5.3.4 表面塗覆失效 134
5.3.5 PCBA聯通失效 135
5.3.6 機械連接失效 139
5.4 半導體器件的失效分析 140
5.4.1 初步電學測試 141
5.4.2 外觀檢查 141
5.4.3 物理分析 141
5.4.4 化學分析 141
5.4.5 其他分析方法 141
5.5 失效分析常用的儀器儀表 142
5.5.1 顯微鏡 142
5.5.2 無損檢測儀器 142
5.5.3 物理分析儀器 142
5.5.4 電性能測試設備 143
5.5.5 其他輔助設備 143
思考題與習題 143
第6章 DFX設計及華為實踐 144
6.1 概述 144
6.2 DFX在華為的應用 145
6.2.1 可環保性設計 145
6.2.2 可制造性設計和可裝配性
設計 145
6.2.3 可測試性設計和可服務性
設計 145
6.2.4 可成本性設計 145
6.3 如何讓客戶對可靠性有感覺 145
6.3.1 理解客戶DFX方面的挑戰和
壓力 146
6.3.2 DFX能力要比其他廠商有
數量級的競爭優勢 147
6.4 華為產品的可靠性領先行業的
秘訣 147
6.4.1 高端客戶有需求，產品有
規模 147
6.4.2 華為特別有追求 148
6.4.3 華為舍得對研發投入 149
6.5 DFX業務的責任結果 150
6.5.1 可靠性 150
6.5.2 安全性 150
6.5.3 可服務性 150
6.5.4 環境可持續性 151
6.5.5 可供應性 151
6.5.6 可制造性 152
6.6 各業務的本質 152
6.6.1 DFX業務的本質是非
功能性 152
6.6.2 可靠性業務的本質是裕度 152
6.6.3 安全性業務的本質是受控 153
6.6.4 可服務性業務的本質是
自動化 154
6.6.5 環境可持續性業務的本質是
環境影響 154
6.6.6 可供應性業務的本質是
模塊化 154
6.6.7 可制造性業務的本質是標準
工序及共線生產 155
6.7 構建DFX工程能力 155
6.8 DFX工程師能力培養 157
思考題與習題 158
第7章 物料優選與正確使用 159
7.1 物料對產品可靠性的影響 159
7.2 物料優選的原則與策略 160
7.2.1 確定需求和目標 160
7.2.2 制定評估標準 160
7.2.3 收集數據與信息 162
7.2.4 篩選與評估 162
7.2.5 持續優化與調整 164
7.3 物料優選的實施步驟 164
7.3.1 組建專業團隊 164
7.3.2 制定物料優選流程 164
7.3.3 實施物料優選 165
7.3.4 物料質量管理 165
思考題與習題 166
第8章 供應商的選擇與管理 167
8.1 概述 167
8.2 供應商的選擇 168
8.2.1 供應商管理的基本要求 168
8.2.2 供應商體系審核 170
8.2.3 供應商的流程審核(工藝、
技術審核) 171
8.3 PPAP 171
8.3.1 PPAP的目的和適用性 172
8.3.2 PPAP的責任確定與職責 172
8.3.3 零部件風險等級的確定 173
8.3.4 PPAP的流程 175
8.3.5 PPAP 的過程要求 175
8.3.6 部件提交保證書 181
8.3.7 PPAP供應商應提交的材料
(元素)舉例 182
思考題與習題 192
第9章 可靠性工具軟件 193
9.1 國內外可靠性軟件概述 193
9.2 CARMES軟件簡介 194
9.2.1 CARMES軟件的構成 194
9.2.2 CARMES軟件總體功能
架構 194
9.2.3 CARMES軟件強大的基礎
數據庫 196
9.2.4 CARMES10軟件一體化
可靠性建模技術 196
9.2.5 CARMES軟件的優勢 196
9.3 可靠性建模、可靠性分配與
可靠性預計模塊 198
9.4 故障模式、影響及危害性分析
模塊 201
9.5 故障樹分析模塊 201
9.6 故障報告、分析和糾正措施系統
模塊 202
9.7 可靠性評估模塊 203
9.8 維修性設計模塊 203
9.9 基於模型的可靠性設計分析工具
模塊 204
9.9.1 模塊功能介紹 204
9.9.2 模型驅動的可靠性協同設計
技術框架 204
9.9.3 以模型為核心的多專業/
多學科協同設計技術 205
9.9.4 基於模型的可靠性系統工程
軟件CARMES-MBRSE 206
9.9.5 軟件架構 206
9.9.6 案例分析 208
9.10 美國ReliaSoft軟件 211
9.11 美國Relyence軟件 214
9.12 國產可靠性軟件 214
9.12.1 概述 214
9.12.2 R-FMEA功能模塊 215
9.12.3 eFTA功能模塊 216
9.12.4 eWeibull功能模塊 216
9.13 可靠性仿真 216
9.13.1 可靠性仿真的內涵 216
9.13.2 可靠性仿真的方法與流程 217
9.13.3 常用可靠性仿真軟件 218
思考題與習題 222
第10章 制造業可靠性工程實施 223
10.1 制造業可靠性工程導入的整體
思路 223
10.2 從質量體系到可靠性管理體系
的轉變 223
10.2.1 對現有質量體系的分析與
評估 223
10.2.2 基於可靠性的質量體系改造
原則 224
10.2.3 可靠性管理體系的構建 224
10.2.4 可靠性管理體系構建的
18條指引 225
10.3 產品可靠性提升 226
10.3.1 產品可靠性的設計階段 226
10.3.2 生產過程中的可靠性控制 226
10.4 可靠性工具軟件的應用與系統
集成 227
10.4.1 可靠性工具軟件的種類與
功能 227
10.4.2 系統集成的意義與方法 228
10.5 可靠性工程中的風險管理 228
10.5.1 可靠性工程中的風險識別 228
10.5.2 風險評估量化 228
10.5.3 風險應對策略 228
10.6 專精特新企業實施可靠性工程
的路徑 229
10.6.1 導入可靠性工程的必要性 229
10.6.2 可靠性工程的緊迫性 230
10.6.3 導入可靠性工程 231
10.6.4 各類型可靠性工程導入的
特點 235
10.6.5 不同規模企業導入可靠性
工程的策略 237
10.6.6 中小型專精特新企業可靠性
工程的難點與應對措施 238
10.7 中小型熱泵工廠可靠性工程
導入框架 239
10.7.1 導入可靠性工程的背景與
必要性 240
10.7.2 分階段導入路徑：低成本、
高效益的實施步驟 240
10.7.3 可靠性工程的具體收益：
降本、提效、穩固市場 241
10.7.4 堅持實效，邁向可持續
增長 242
思考題與習題 242
第11章 可靠性工程應用指引 243
11.1 概述 243
11.1.1 可靠性工程體系的構成 243
11.1.2 產品全生命周期的可靠性 243
11.2 家用變頻空調器的可靠性 244
11.2.1 應用場景及環境應力識別 245
11.2.2 家用變頻空調器可靠性
建模 246
11.2.3 故障激發試驗 247
11.2.4 家用變頻空調器FMECA 252
11.2.5 家用變頻空調器可靠性
評估方法 253
11.3 空調器用壓縮機的可靠性 254
11.3.1 壓縮機結構 254
11.3.2 應用場景分析 255
11.3.3 環境應力識別 256
11.3.4 旋轉式壓縮機FMECA 256
11.3.5 可靠性設計 260
11.3.6 可靠性試驗 260
11.3.7 空調器用壓縮機失效分析
案例 263
11.4 智能機器人的可靠性 268
11.4.1 智能機器人及其分類 268
11.4.2 應用場景分析 269
11.4.3 環境應力識別 269
11.4.4 惡劣環境應力識別 271
11.4.5 建立可靠性模型 272
11.4.6 工業機器人FMECA 275
11.4.7 如何建立FRACAS 280
11.4.8 工業機器人可靠性設計
要點 284
11.4.9 工業機器人可靠性試驗
類型 287
11.5 電動汽車全隱藏式門把手的
可靠性 287
11.5.1 應用場景及環境應力識別 287
11.5.2 可靠性設計 288
11.5.3 可靠性試驗 288
11.5.4 故障模式分析 288
11.5.5 改進措施 289
11.5.6 安全故障事故案例 289
11.5.7 後續工作及標準升級 289
11.6 電動汽車充電樁的可靠性 290
11.6.1 應用場景及環境應力識別 290
11.6.2 可靠性設計 290
11.6.3 可靠性試驗 291
11.6.4 可靠性風險評估 291
11.6.5 運維可靠性 291
11.6.6 故障案例 292
11.7 電動汽車用動力電池的可靠性 293
11.7.1 應用場景及環境應力識別 293
11.7.2 意外事件評估 293
11.7.3 動力電池FMECA 294
11.7.4 續航裏程衰減案例 295
11.7.5 動力電池安全可靠性標準 296
11.8 小型電動無人直升機的可靠性 297
11.8.1 應用場景及環境應力識別 297
11.8.2 小型電動無人直升機
FMECA 298
11.8.3 小型電動無人直升機可靠性
試驗 299
11.8.4 小型電動無人直升機故障及
事故案例 300
11.9 光伏設備的可靠性 301
11.9.1 應用場景及環境應力識別 302
11.9.2 意外情況識別 302
11.9.3 光伏設備FMECA 302
11.9.4 可靠性設計 303
11.9.5 可靠性試驗 303
11.9.6 可靠性評估 304
11.9.7 運維可靠性 304
11.10 風電機組的可靠性 305
11.10.1 應用場景識別 306
11.10.2 環境應力識別 306
11.10.3 風電機組極端環境應力
識別及意外情況識別 306
11.10.4 風電機組FMECA 307
11.10.5 運維可靠性 309
11.11 電力系統的可靠性 309
11.11.1 應用場景識別 310
11.11.2 環境應力識別 311
11.11.3 電力系統極端環境應力
識別 312
11.11.4 意外情況識別 312
11.11.5 可靠性評估 312
11.11.6 運維可靠性 312
11.11.7 電力系統智能監測與預警
系統 312
11.11.8 電力系統應急預案與快速
響應機制 313
11.12 電動自行車的可靠性 313
11.12.1 應用場景識別 313
11.12.2 惡劣環境應力識別 314
11.12.3 電動自行車FMECA 316
11.12.4 電動自行車FTA 317
11.12.5 FRACAS應用 318
11.12.6 可靠性指標及其確定
方法 319
11.12.7 可靠性設計準則 321
11.12.8 可靠性評估試驗方法 321
11.12.9 競品的可靠性評估對比 323
11.12.10 電動自行車可靠性評估
案例分析 324
11.13 自動扶梯的可靠性 324
11.13.1 自動扶梯的構成 324
11.13.2 應用場景識別 325
11.13.3 惡劣環境應力識別 326
11.13.4 建立可靠性模型 326
11.13.5 自動扶梯FMECA 327
11.13.6 典型故障案例 328
11.14 近海機械裝備的可靠性 329
11.14.1 應用場景 329
11.14.2 環境應力識別 329
11.14.3 可靠性仿真原則 330
11.14.4 可靠性設計技術 330
11.14.5 可靠性仿真試驗 331
11.14.6 可靠性評估 333
11.14.7 可靠性制造 334
11.14.8 高可靠性運維先進數字化
技術 334
思考題與習題 338
第12章 故障預測與健康管理 339
12.1 PHM概述 339
12.1.1 PHM的基本概念 339
12.1.2 PHM的內涵與作用 340
12.2 PHM系統的基本架構和基本
功能 341
12.2.1 基本架構 341
12.2.2 基本功能 342
12.3 PHM技術的產生與發展 343
12.3.1 PHM技術的產生 343
12.3.2 PHM技術的發展 343
12.3.3 PHM系統分析與設計的
發展 344
12.4 關鍵技術 344
12.4.1 傳感器優選布置技術 344
12.4.2 數據處理技術 345
12.4.3 故障預測技術 345
12.4.4 故障診斷技術 345
12.4.5 健康狀態評估技術 345
12.4.6 維修輔助決策技術 346
12.4.7 系統驗證與評估技術 346
12.5 PHM系統的分析與設計 346
12.5.1 需求分析 346
12.5.2 基於模型的PHM系統功能
設計 349
12.5.3 PHM系統部署架構 354
12.5.4 架構類型 354
12.5.5 架構設計 355
12.6 PHM的工程應用 357

12.6.1 PHM在數控機床中的
應用 357
12.6.2 PHM在石化裝備中的
應用 360
12.6.3 PHM在船舶中的應用 361
12.6.4 PHM在航空裝備中的
應用 363
12.6.5 PHM在高鐵中的應用 364
思考題與習題 368
第13章 可靠性相關標準簡介 369
13.1 概述 369
13.2 可靠性國際標準 369
13.2.1 可靠性國際標準化組織 369
13.2.2 IEC制定的可靠性標準 370
13.2.3 ISO制定的可靠性標準 371
13.2.4 IEEE制定的可靠性標準 371

13.3 可靠性國家標準和可靠性國家
軍用標準 372
13.3.1 可靠性國家標準 372
13.3.2 可靠性國家軍用標準 372
13.4 美國軍用可靠性標準 373
13.5 行業可靠性標準 374
13.5.1 核電可靠性標準 374
13.5.2 電力可靠性標準 374
13.5.3 汽車可靠性標準 374
13.5.4 航天可靠性標準 375
13.5.5 航空可靠性標準 375
13.6 家用電器可靠性標準 375
思考題與習題 376
叢書後記 377
參考文獻 378