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1、产业 。 评 论 张延群 西电三菱 电机 开关 设备有限公司 开发阶段是保证产品固有可靠陛的关键 开关行业在开发设计阶段必须进行可靠性设计， 论述了可靠性设计思路 提出了产品设计要有适当裕度 优化结构设计 尽 可能减 少模块 和零部件 数并提 高其寿命 作充分 的试 验性研究 ， 反复考核投运产品运行可靠 性 +加强科学管理 不放过任何一个细小环节 的问题 。 张延群西电三菱电机开关设备有限公司 立品 的固 有可靠性， 产生于产品的开发设计阶 段 ， 是可靠性的关键。所谓可靠性 工程 是介 于固有技术和管理科学之间的一门边缘学科， 具有管理 和技 术的双 重性 。一般包括可靠性设计 、可靠性试
2、验 、 制造阶段的可靠性 和使 用阶 段的可靠性 几个环节 。 一般认为 ，生产和制造过程是可靠性的重点环节。 对此 ， 只要有条件 ， 各企业都愿在此投入较高的费用 ， 如 购买最先进的设备 ， 请专业公司进 行流程重组 ， 花 高昂 的费用对 员工进行培训等 。但必须认识到 ，产品的开发 和设计环节对产品可靠性起着重要作用 ， 开发环节 实施 得好， 可以避免产品在可靠性上的 “ 先天不足” ， 即可靠 性设计决定着产品的固有可靠性。同时，完备的可靠性 管珲程序，还可以用设计技术解决可靠性的 “ 后天不 足” ，从而为后期 的生产和维护节省大笔的资金 。因此 ， 可靠性应在产品研制的全过程
3、中得以体现， 包括可靠性 分析 、预计 、论证 、指标的确定和分配、设计、试验及 试生产等阶段 。为此 ，笔者结合近 年来 的工作实际 ，浅 谈在开发研制过程中如何提高产品可靠性的一些体会。 1 开发过程中提高可靠性的手段 根据 国家标准规定 ， 可靠性 是指产品在规定条件下 和规 定时 间内， 完成规定功能的能 力。 可 靠性 设计技术 是指在产品的设计中采取相应的措施， 以提高产品的固 有可靠性并达到可靠性指标的一门技术。 结合高压电器 目前的开发现状， 笔者认为在具体的实际工作中应注意 以下几点 。 1 1要有合适的设计裕度 性能指标的裕量是保证可靠性指标的必要条件。 这 是 因为高压
4、电器产品虽然经过了严格的型式试验考核 ， 但却无法全面模拟在非正常状态以及长期耐受工况的条 1 8 I qI l U1 2 0 0 8 年第9 期 件， 如长期带电、 老化以及腐蚀等， 所以在性能设计上 应该保证适 当的裕 度。 高压电器产品的小型化或轻量化始终是设计技术上 追求的目标 ， 但千万不能因此走向了以牺牲产品可靠性， 牺牲产 品的正常裕度为代价的技术路线 。设计工程 师更 应该懂得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。产品设计中的小型化是精确的过程，不是降低性能 的过程 。 在这方面 ， 我们有很多的实例。目前不少设计 ，
5、特别是在4 0 5 k V开关设备中，为片面满足小型化要求， 在短距离的空气或复合绝缘设计以及固封绝缘设计中， 一味地通过缩小绝缘距离，减少绝缘裕度的简单方法来 实现，已经带来了运行中可靠性指标下降的问题。正是 此因 ， 在电力公司执行的D L系列的订货 条件上 ， 才出现 了规定 “ 诸如温升试验必须在 1 1 倍额定 电流下进行 ， 最 小空气距离或爬距设计的最低要求值等”并不科学但不 得不实施的技术条款，表达了用户对我们提供的产品的 不信任 。而这些规 定却在另一方面又阻碍 了产品的优化 设计和精确化设计的发展，形成了非良性循环。 合适的设计裕度不能被片面地指责为保守， 它是保证 产品性
6、能的重要手段之一。 在不少产品中 ， 正是由于注重 了设计裕度， 才使其更具有生命力。 例如， 早期的L w8 4 JD 5 断路器的设计， 额定标称短路容量为3 l 5 k A， 实际可 达N 4 o k A； 近年来开发的L w3 6 一 】 2 6 型断路器的开断和 绝缘能力其实可达到1 4 5 k V， 这些设计裕度为产品的推广 和应用 ， 带来了更多的安全和可靠， 从而赢得了好的口碑 。 1 2用优化设计提高可靠性 优 化设计是 体现精确化设计的关键 。 合理地 改进设 计结构 ， 可以达到提 高性能 的 目的。目前更多的优化设 计依赖的是投入各种技术资源 ， 需要设计工程 师采用
7、电 磁场分析 、 气流场分析 、 热分析 、 力及疲 劳分析 等手段 ， 对重点部位及全新结构这些可能存在潜在可靠性隐患 的 地 方进 行分析 。 开关行业中 ， 不少的企业 已经开始应 用 一些商用的软件 工具 ， 开展这方面的工作 ， 并取 得了实 效。 以西电三菱电机开关设备有限公司 ( 以下简称西电 三菱公司)为例，在机构设计、电磁场设计、老化模拟 及温度测试模拟等方面采 用了专业软件 ， 使 设计效率提 高，成本降低。如新开发的B H一 2 机构，运用C A E技 术后，使质量、受力、阻尼和尺寸等参数达到最佳值； 同时 ， 使 用该项技术对 凸轮也进行 了最佳外形设计 ， 对 离合器
8、和其他运 动件的作用都经过反复研究 ， 即使在摩 擦力和弹力处于极值的条件下， 其可靠性也能通过模拟 分析得到证实。如图 l 所示为机构仿真设计图。 图1 B H一 2机构仿真设计图 1 3在满足功能的前提下减少模块数和零件数 可靠性设计中要求采用 “ 简化设计原则” 。产品的 设计技 术上也一直提倡 “ 简单即可靠 ”的思想 ， 也就是 说设计 中膨倡导采用更 少的模块和更少的零件数满足 同 样的功能 ， 这不仅可以降低成本 ， 而且意味着产 品的可 靠性得到提高 。 在成套电器的设计中， 减少不同的模块数， 或使用 更 多通用的模块将有利于工厂的管理和降低成本。 同时 相同的模块 ， 可以
9、降低在安装、 零件 质量控制等方面的 人员差错率， 提高可靠性。在零件及部件设计中， 设计 的主导思想已经逐渐地从 多个零件满足一个功能 ， 转换 产业 。 寡 评 论 到一 个零 件满足一 个功能 ，甚至满 足 多个功能 的设计 了。这些设计思想的变化一方面是源于工艺水平的提 高，使复杂零件的制造成为可能；另一方面 ， 也是产品 可靠性指标的进一步要求 。 仍以西电三菱公司 1 0 一VP R断路器所配用的机构 为例进行说 明。 西电三菱 公司的断路 器 目前主流的操动 机构 主体都是在 B H系列产品平台上开发和衍生 的 ， 在 设计 上互相借 鉴， 最终形成模块化产品 ， 并在大批量生
10、产中得以应用。 B H一2 型弹簧操动机构( 如图2 所示) 具 有动作原理简单， 结构紧凑的特点， 其零部件数量仅为 老式机构的3 5 ， 这种简单的机构带来高质量、 高可靠 性，同时操作安全， 维护量少。 整个机构零件数量只有 7 7 种 9 4个 ( 包括垫 圈、螺母 、二次元件 ) ，机构零件数 量减 少。主体框架为冲压折弯 ，就好比一个工装模具 ， 基本上其 他零件都能在上面找到位置 ， 压簧储能传动轴 完成 6 种功能，通断掣子传动轴完成3 种功能，结构紧 凑 ，储能 电动机 只有 6 2 w ，储能时 间 4 5 S 。外形尺寸 4 0 0mm X 1 4 0mm X 1 0 0
11、mm，质量 为 1 2 k g 。 图2 B H一 2 型弹簧操动机构 此外 ，在设计中应在满足功能的前提下，根据现有 的技术水平 ，尽量采用成熟的、定型的、标 准的结构方 式 、原材料和工艺。这一点在一些通用设计 ，如密封设 计、电接触设计、传动设计和某些绝缘设计中应得到重 视 。通用件和借用件越多 ，意味着整体产品设计 中已经 过考验的零件就越多，可靠性将得到提高。再比如高压 2 0 0 8 年第9 期 l l ,ll ll l t I 1 9 性以及镀件抽检 等检验 。所 以 ，要更改 某一成熟零件 和工艺是相 当困难的 。 1 6反复 的型式试验考核机制 反复的型式试验考核机制是可靠性
12、试验 的另一种形 式。在J B 3 8 5 5 高压交流真空断路器和 J B 9 6 9 4 高压 交流六氟化硫断路器 等很多高压产品标准中都规定： 正 常生产的产品 ， 每隔 8 年应进行一次温升试验 ， 常温下的 机械操作试验以及基本短路试验方式T I O 0 S ， 其他试验项 目必要时也可进行。 这条规定主要就是要考核产品在定型 生产后仍可能存在 由于设计、 工艺、 材料修改及人员培训 等方面出现的缺 陷，并通过反复试验来进一步验证。 很多人可能认为这没有必要 ， 加 重了企业的负担 ， 但事实并非如此。即使一台新产品样机 已经完成比较 齐全的型式试验， 但通过技术转让， 在进行反复的
13、型式 试验中仍然会暴露出不少设计中的问题。只有试验数 据才是 最有说服力的 ，这 个过程也是对 新的部件或新 的工艺的深刻认识 。 诸 多事件都说 明 ， 设计和 工艺 上的 细小的失误 ， 会造成产品性能 的重大缺 陷 ， 这 只能通过 反复的型式试验考核才能真正发现并彻底解决。 2 试生产过程 中设计质量的保证手段 任何产品初期的可靠性不可能达到预期的水平， 都需要 经过一个不断纠偏的过程。重点要把握以下 3 个主要环节。 ( 1 ) 不放过任何一个质量隐患。 虽然没有发生事故 ， 但看到了质量隐患 ， 也要引起高度重视 ， 认真分析原 因， 产业 厂 一 、 观p in 点o n 评 论
14、 评价可靠性几率，提出整改措施。 ( 2 ) 重要零部件修改要有严格的管理程序。 在新产品 的小批量或试生产期间 ， 有时不可避免地会遇到零部件的 修改和代用。 对此必须要有严格的管理和评估程序， 对修 改的部分要有技术说明和计算认证。 若对重要零部件进行 了修改，又没有确切把握的一定要重新进行试验验证。 ( 3 ) 严格的事故追踪和处理制度。即使经过了比较 完备的研究性试验和型式试验的验证， 在新产品的小批 量或试 生产期间， 仍会发生较大概率的质量事故。 重视 质量事故的反馈 ，严格按 照三不放过的处理原则进行 ， 从源头 上解决问题是 必要手段 。 以上三个环节的工作能做得扎实到位， 产
15、品的可靠 性将大大提高。 3 结束语 本文结合实 际工作情况 ， 提 出一些在开发和研制过 程 中提 高可靠性 设计 的认识和具体方法 。正如前所述 ， 首先 ， 开发过程决定着产品的固有可靠性 ， 可靠性设计 决定了产品的 “ 优生” ， 是可靠性工程中最重要的阶段； 其次 ， 应重视开发过程中的可靠性管理， 在可靠性设计 上 ，应理顺设计思路 ， 建立较为完备的实施 、 检查及监 督 手段；在具体的结构设计上要重视细节 ；最后 ， 大家 要重视研究性试验和型式试验在开发过程 中的可靠性研 究工作 ，加大可靠性研究投入的力度 。E M ( 收稿 日期 ：2 0 0 8 0 7 2 0 ) 源 需要 日夜不 停地 连续 运 行 ， 这 就要 求 电气 开关 要 经受高、低温 ，高湿，冲击等考验。运行 中往往不 允 许检 修 ， 或 只能 从事 简单 的 维护 。这一 切 就使 得 提高电气开关可靠性的研究 ， 变得刻不容缓 ， 十分 重 要 了 。 然而，保证电气设备的可靠性是一个复杂的涉及 广泛知识领域的系统工程。只有产业链上各相关领域 的领导和研发设计人员充分重视，认真采取各种技术 措施，共同努力，才会有满意的成果。E IV I 2 0 0 8 年第9 期 _【 _量 I 2 1
