关于液压元件可靠性标准知识理解

一、什么是可靠性？

从国家标准GB/T35023-2018《液压元件可靠性评估方法》可知：液压元件可靠性是指产品在规定的条件下规定的时间内完成规定功能的能力。这种能力通常用一个概率值表达。

二、如何评价可靠性？

ISO标准规定在液压元件无维修条件下的首次失效的可靠性规则方法，有三种：

1. a) 失效或中止的实验室试验分析；（例如，液压阀的MTTF值的数据通过试验测试获得进行评估）；
2. b) 现场数据分析；（例如，飞机使用的伺服阀10万小时/4.5年/6小时天/7000台首次故障统计分析）；
3. c) 实证性试验分析。（例如，一种密炼机液压系统设计要求5年期不大修期的现场收集故障数据）。

目前，采用实验室试验分析法是液压行业产品标准的制定第一步目标和工作。

三、失效与故障

失效与故障是可靠性的两个不同概念。

在GB/T 2900.13-2008《电工术语  可信性与服务质量》中，对失效（lailure）定义如下：

产品完成要求的功能的能力的中断。

注1：失效后，阀处于故障状态；

注2：失效与故障的区别在于，失效是一次事件，而故障是一种状态；

注3：阀作为不可修复产品，第一次出现功能中断故障为失效。

对故障（fault）定义如下：

产品不能完成要求的功能的状态。

注1：故障通常是产品自身失效引起的，但即使失效未发生，故障也可能存在。

可见，可靠性标准要求适用于液压元件无维修条件下的首次失效。因此，应采用失效（lailure）概念而不是故障（fault）。

另外，从系统角度理解失效与故障之间的区分关系，系统从完好到失效所要经历一个逐步演化过程，通常认为故障是在失效之前发生的，即故障可理解为失效发生的前提条件。因此，失效主要是针对系统或外在层面，表现为其不能完成规定的功能。而故障主要是针对系统的内部某些硬件或结构层面（可能是制造或加工工艺缺陷等造成），经过时间累积，演化成一些故障模式而导致系统失效。

四、阈值

阈值就是门槛的意思，是一个指标的界限问题。如对电磁换向阀的中位内泄漏量的考察，在正常工作状态下，一个阀工作口封闭时的内泄漏量35 cc/min，随着使用时间延长，可能内泄漏量增加到100 cc/min，但阀仍可使用。那么，在继续使用，内泄漏量增加到500 cc/min，阀仍可有换向动作，可不可以使用了？

虽然，这时的阀本身动作还是正常的，但是，在这个情况就要人为设定一个界限，就不能再继续使用该阀了，否则不仅该阀本身耗能，而且这也可能关联其它隐患，如多个阀在一起工作会造成供油不足或者压力响应等问题。

这由人为设定的一个界限就是“阈值”。它是符合逻辑的。

五、可靠性试验与寿命测试

产品的可靠性试验应分两类：可靠性测定试验和可靠性验证试验。

可靠性测定试验就是对从来没有可靠性数据的产品的进行试验，是全新的试验。

可靠性验证试验是产品过去已有（做过的）可靠性数据了，现在需要对重复生产的批量产品进行重复检验性质的试验，以证明是否还能达到可靠性指标。

显然，验证试验流程相对简单一些。

可靠性试验是以被试阀的寿命用一定换向动作下的累计次数进行表达和数据记录的。因此，应在合格的批量成品中，随机抽取一定数量的被试阀，保证样本有效分布的全面性。

既然是用换向次数来表达寿命概念，那么，就要用被试阀的换向次数来表达产品预期寿命，用这个寿命值做可靠性目标的计量单位。

所以，标准规定是用B10寿命的95%单侧置信限值表达可靠性目标。

在市场上，国外液压电磁换向阀的产品换向次数达到一千万次以上，这可能不一定是标准应用的寿命数据。不过，我们可以规定的标准寿命目标是一千万次。这个换向次数是我们人为规定的，可能比较高，但是目前国外产品也有给出的同类阀的寿命数据至少是一千万次。虽然，国内外所规定的可靠性具体测试方法可能不尽相同，但是我们应该争取达到这个目标，这需要通过测试实践。因此，实际测试是非常关键的，这一点没有什么办法可以替代的。

标准中，通过测试数据结果，可由威布尔函数计算B10寿命。而要表达B10寿命时，是用其95%单侧置信限值来衡量。

从图1中可知，根据测试样本的数据结果分析，电磁换向阀B10寿命是10⁷次即一千万次，其发生失效概率是10%，用95%置信度曲线衡量。这个失效概率与该被试阀代表的产品总体失效寿命的上限值是25%，就是说置信区间是10%-25%这个范围。

图1

六、样本要求

被测试液压元件称为样本。有如下要求：

（1）必须是已入库的经过出厂检验的合格品；

（2）应在成品库中随机选取。尽可能代表产品整体特征，使抽取样本机率均等。（因此，应考虑放回抽样方法的概念，即在逐个抽取个体时，每次被抽到的个体放回总体中后，再进行下次抽取的抽样方法。）

（3）试验过程中不允许维护。

七、最小样本数

为什么规定最小样本数是7个？

因为标准规定可靠性指标B₁₀寿命，它是指预期有10%发生失效时的元件平均寿命。或者其意思是说，10%的样本发生失效的时间（寿命的10%分位线）。如图2所示，从威布尔图上可以看到：用7个样本数做试验时，第一个数据点会在B₁₀线（累计失效率）之下，在较低置信度界线内，做出威布尔分布线将与B₁₀线相交。

这些数据点要在威布尔坐标系上拟合为直线，7个样本至少有5个数据点才能拟合成直线。如果样本数少于7个，会造成数据点少，直线拟合偏差太大，设置无法拟合成直线。

试验时，并不要求全部样本都发生失效，标准规定有70%的样本发生失效，试验就可以终止。

试验过程有可能发生意外，或者出现奇点（即有理由不做数据处理被排除在外的数据点），这样有可能使有效数据点少于5个，因此，需要适当增加样本数，如9个、10个或更多。但是，样本数增加难免增加试验成本，数据处理相对麻烦。

不过，样本数多，每一个被试阀的寿命测试的目标动作次数可以减少许多，如SUN螺纹插装阀采用是几十个样本一起做寿命测试，也可以借鉴。我们不一定拘泥于现有的简单方法，需要对不同试验方法进行运行成本分析。

另外，对于同类型被试阀来说，如果测试的产品是中位机能是O型，那么，对于相类似的Y型的阀的寿命就不需要再试验了，因为它们属于同一系列产品基本结构功能是可以证明接近性质。

理论上，如果用100个或者更多样本做寿命测试，数据结果将越来越接近于真值，如图3所示，但是，这是不现实的。

图2

图3

八、有三种试验形式

（1）完全样本试验。即所有样本测试到发生失效才停止试验的过程；

（2）截尾试验。即达到样本规定的失效数，试验停止。余下的样本仍可继续做试验叫截尾试验。（截尾有两种，定数截尾和定时截尾，采用定数截尾）；

（3）意外挂起试验。即试验过程出现不是样本本身原因造成样本被迫撤离测试的意外故障。其样本本身并没有发生失效。被迫撤离样本数据仍然有用，后期数据处理会使用。

九、数据处理

为试验需要，有时样本首次出现失效后，本应停止试验，但是，为进一步了解产品各种失效情况，会继续进行试验，可能会出现其它失效模式。这些数据被记录下来。但是，不允许进入寿命数据处理中。

十、威布尔分布函数

ISO标准采用威布尔分布函数。为什么采用威布尔分布函数？因为在统计分析学中，威布尔分布函数具有各种统计分布模型的通用性，使用是最常采用的方法。采用此方法需要保证数据分析结果具有可比性。

所谓分布函数指：如果有一个正函数F（t），它是随机变量t所有可能取值的概率，那么，函数F（t）称为是随机变量t的分布函数。

所谓概率是指随机现象发生的可能性的大小。

所谓随机变量指重复进行试验所获数据结果各不相同，但是，多次重复试验会发现每一个数据出现的可能性有一定的规律。

威布尔分布函数：

式中： t — 随机变量，样本发生失效时的循环动作次数（或时间）；

η— 特征寿命值；

β—斜率（或威布尔分布的形状参数，当β= 0时，即为正态分布函数）。

十一、威布尔坐标系

威布尔分布函数是有两个待定参数（β，η）的指数函数。因此，在直角坐标系图形曲线比较复杂，为方便分析。统计学中采用威布尔坐标系，在威布尔坐标系中，t与F（t）之间为一条线性关系曲线。

在威布尔坐标系中，横坐标表示 循环动作次数；纵坐标 表示发生失效的概率（用百分数表示）。坐标值是对数，用公式换算x、y之间的关系为：

在威布尔坐标系上横坐标 的范围是10⁶～10⁸，纵坐标 的百分数范围是1%～99%。

可根据表1对应值进行坐标值变换：

表1

这样，可以画出威布尔坐标系与直角坐标系之间关系图，如图4所示。

图4

十二、估算测试数据参数

数据分析主要分两个内容，一个是估算威布尔分布的两个参数β、η，做出威布尔分布线；另一个是确定置信区间，做出区间界线。

估算方法有许多种，标准推荐极大似然法和秩回归法。

十三、置信度与置信区间

置信度表示总体参数值落在试验样本统计值某一区间内的概率。置信度又称置信水平与置信区间有关。

在规定的置信度下，置信区间表示了样本统计值与总体参数值之间误差范围，给出试验参数的测量值的可信程度，如只考虑误差的下限范围，即为单侧置信区间。置信区表示参数的真实值有一定概率落在测量结果的周围的程度。此概率又称为置信水平。

当对一个样本测试就相当于用一个产品寿命猜测整个产品的寿命，这个概率非常小。当对一批样本测试就相当于猜测这批样本会有一个产品寿命代表整个产品的寿命，这个一批样本就是置信区间，概率显然要更大。

当估算出β、η值后，它只是真值的近似值，估算出β、η值究竟与真值之间相差多少？需要先估计一个范围，希望这个包括真值的范围有多大？通常用使用区间形式给出，这个可能包括真值的区间称为置信区间。

如果置信度90%的双侧置信区间是90%，则单侧置信度95%，分上、下限置信区间。ISO标准给出置信度95%是寿命等指标希望越大越好，因此对这类指标关心的是单侧置信下限。

如图5所示，在95%置信区间，每一个圆点代表一个置信区间并包含一个真值，而置信区间外的圆点中不包含真值。

图5

95%的置信区间表示多样本所得到的多个置信区间里，包含真值的区间占比。如图6所示，竖的虚线代表平均真值，横的实线分别代表25个置信区间，这25个置信区间中，只有1个（红色的线）不包含真值，95%以上区间包含了真值。

图6

95%单侧置信下限曲线表示试验样本估算的可靠性失效概率上限，表明整体失效的置信度为95%。

置信度水平不同，可靠性寿命指标差别大。

置信度其实是指特定对结果真实性相信的程度，也是这个结果概率对个人信念相信程度。

可见置信度是有主观合理性色彩的。

可靠性寿命之所以有概率就是这个概率在人头脑中所具有的信念证据。如图1所示，测试结果B10寿命是一条斜线，但是，这个分布结果的概率对我们个人存在一个相信程度。人为地确定在一个95%置信曲线上，这个就是可信程度。我们可以规定是失效概率10%的分位线上。这样，所增加的置信度概念的结果是比测试结果偏小，是保守的、以测试结果为基础应可相信这个概率值。

十四、失效判据

就是对测试中的被试阀判断好坏的标准，好就是阀正常，坏就是不正常，须退出测试。

失效判据实际分三类情况，只要出现一出现这些情况一个就认为是失效：

一是阀的功能丧失，即失效了，报废了，如，阀芯断了，就不能修复了，废弃了。在实际使用时这种“事件“”是必须更换新阀，没有其它办法。

二是阀出现故障现象，实际上阀属于一种不正常状态或者维修一下可以继续使用的小故障，如，阀突然发生卡死不动状态，用螺丝刀捅一下，阀又恢复正常状态，这个现象可能是偶然的污染颗粒卡阻，这类故障属于小毛病。

三是阈值问题，主要用阀厂家试验指标做依据，如，虽然阀一直在正常动作状态，但是由于磨损，内泄漏量太大了，超过规定的门槛，也把它是为不可使用状态。

其实，现实使用中，三类情况在产品使用中有时不好区分，或者过去我们工作中没有这样地区分的标准观点。

有的情况是不好分类的，如，电磁铁螺纹口密封圈断了，有的企业就报废不用了，有的企业有备用密封圈，可以及时换上，这样维修一下可继续使用。甚至像电磁铁烧毁，也有这样的问题。

有的情况是两种情况同时发生，等等。

如果我们概念上能明确失效问题的分界线，做试验就可以准确分辨被试阀的失效情况，及时退出测试样本。

十六、MTTF和B10计算

平均失效前时间 MTTF  （mean time to failure）表示元件从投入运行到失效时的平均工作时间，也是其寿命的平均值。

B_10d寿命 （B_10d life）表示在规定运行条件下，预期有10%的阀将发生危险失效时的平均寿命。

MTTF计算

平均失效前时间MTTF需使用软件计算，其计算公式为：

式中：

h-特征寿命，

b -威布尔斜率；

G(.)-伽玛分布函数，定义可参考GB/T 3358.1-2009；

t₀-位置参数，表示服从威布尔分布的寿命可以取到的极小值。对于两参数威布尔分布，t₀=0。

B₁₀ 计算

B₁₀寿命需使用软件计算，按双侧置信度为90%，其计算公式为：

式中：

0.9-置信度为0.9。

十五、加速试验

寿命测试比较耗费时间和成本，因此期望加速试验。加速试验目的是缩短测试时间和成本，但是加速试验基本原则是失效模式或失效机理不应改变，或发生不同。所以，原则上，加速试验是在常规试验的数据和经验基础上加以提高。

对于加速试验，设计原理相同的系列产品不需要一定进行所有产品类型和规格测试，但是，加速试验方法必须包含最典型苛阂的工况模拟。除典型苛阂的工况提炼，工作参数（压力、流量、温度、电压等）应有进一步提高。

林 广  20170312

20180806 （修改1）

20181212 （修改2）