張立強(qiáng),張 壘,年二壁（上海眾深科技股份有限公司南京分公司, 南京 201203）

21世紀(jì)機(jī)械可靠性綜述

張立強(qiáng),張 壘,年二壁
（上海眾深科技股份有限公司南京分公司, 南京 201203）

摘 要：雖然隨著高新技術(shù)的大步前進(jìn)，我國(guó)的機(jī)械制造業(yè)也呈現(xiàn)跳躍式發(fā)展。但由于多方面原因，我國(guó)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展相對(duì)于國(guó)外還是比較落后，可靠性研究更是相對(duì)滯后，為了改變這一現(xiàn)狀，研究可靠性成了赤手可熱的任務(wù)。本文介紹了可靠性的發(fā)展歷史及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀；分析了可靠性基礎(chǔ)理論研究熱點(diǎn)及常用方法，展望了其發(fā)展方向；闡述了可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)；論述了可靠性試驗(yàn)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：可靠性；發(fā)展；壽命；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量是否合格的四大指標(biāo)[1]分別為：可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、性能，而可靠性是其最核心指標(biāo)，并成為機(jī)械領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。產(chǎn)品可靠性的高低成了各大公司產(chǎn)品銷售的關(guān)鍵點(diǎn)，也是其競(jìng)爭(zhēng)手段。

所謂可靠性就是指在規(guī)定時(shí)間和條件下產(chǎn)品完成特定功能的能力，可分為：固有可靠性、使用可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。機(jī)械系統(tǒng)隨著科技發(fā)展的腳步變得越來越精密、越來越復(fù)雜，研究機(jī)械的可靠性就成了急需解決的問題。對(duì)可靠性的研究包括很多方面，如：可靠性工程技術(shù)、可靠性試驗(yàn)、可靠性優(yōu)化等問題。本文將從多方面對(duì)可靠性的發(fā)展做出總結(jié)。

1 可靠性研究發(fā)展史

在國(guó)外，對(duì)可靠性研究相對(duì)較早。早期的可靠性研究多用于電子產(chǎn)品和軍工產(chǎn)品。1939年，英國(guó)專家用概率論分析飛機(jī)的可靠度[2]，這也是最早的飛機(jī)可靠性定量指標(biāo)。1958年，日本成立了專門的可靠性研究委員會(huì)，并于1971年召開了一次全國(guó)范圍的學(xué)術(shù)研究。從第二次世界大戰(zhàn)開始，美國(guó)開始對(duì)電子設(shè)備和導(dǎo)彈系統(tǒng)的可靠性問題進(jìn)行研究。最具影響力的是由美國(guó)國(guó)防部于1952年成立的可靠性咨詢組，該小組由軍隊(duì)、工業(yè)、學(xué)術(shù)領(lǐng)域的專家及在可靠性發(fā)展上有推動(dòng)或決定性作用的組織組成。該小組在1957年發(fā)表的一篇名為《軍用電子設(shè)備可靠性》的報(bào)告，為可靠性成為獨(dú)立的學(xué)科立下了重要的里程碑。

隨著我國(guó)高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)發(fā)展進(jìn)入全新機(jī)遇期，機(jī)械可靠性也將迎來蓬勃發(fā)展的春天。對(duì)可靠性的研究可追溯到上世紀(jì)四十年代，從那時(shí)開始人們開始大面積使用電子產(chǎn)品，對(duì)其故障的研究也隨之展開，可靠性研究就成為故障研究的核心。隨著電子產(chǎn)品技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)其可靠性研究也提出了越來越高的要求。從上個(gè)世紀(jì)末開始，可靠性技術(shù)開始在機(jī)械制造領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

2 可靠性基礎(chǔ)理論研究

可靠性理論實(shí)際上包括四個(gè)獨(dú)立學(xué)科即：

（1）可靠性數(shù)學(xué)，是最基本的基礎(chǔ)理論，它涵蓋了概率、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)變量、拓?fù)鋵W(xué)等，用于可靠性的數(shù)據(jù)收集與分析、使用壽命試驗(yàn)等方面。

（2）可靠性物理，主要用于研究機(jī)械產(chǎn)品的失效，它從本質(zhì)和機(jī)理上研究產(chǎn)品的不確定因素。

（3）可靠性工程，能解決可靠性的很多問題，包括了進(jìn)行可靠性分析的全過程，涉及的學(xué)科比較多。

（4）可靠性教育與管理，用于如何將可靠性作為一門獨(dú)立學(xué)科推廣出去。

2.1 可靠性理論研究發(fā)展史

20世紀(jì)初期是可靠性發(fā)展的萌芽時(shí)期，在這一時(shí)期，數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)在可靠性領(lǐng)域迅速發(fā)展，在這期間提出的維修概率、試件疲勞、極限理論等都與工程實(shí)踐緊密結(jié)合起來，威布爾提出的威布爾分布到目前為止仍是最常用的分布之一[3]。20世紀(jì)初有學(xué)者將數(shù)學(xué)知識(shí)（概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)）運(yùn)用到機(jī)構(gòu)安全性分析上，標(biāo)志著可靠性基礎(chǔ)理論探究的開始；在隨后的十幾年里，各國(guó)專家不斷地用數(shù)學(xué)理論（如：統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)、隨機(jī)變量的均值和方差等）來研究機(jī)構(gòu)可靠性；1930年，Shewhart首次將質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)與可靠性技術(shù)融合到一起，大大提高了檢測(cè)效率； 20世紀(jì)中期是可靠性研究的發(fā)展時(shí)期，在這一時(shí)期，可靠性作為一門獨(dú)立學(xué)科全面發(fā)展，并與其他學(xué)科相輔相成（如圖1所示），其研究從電子、航空等尖端行業(yè)向電機(jī)、機(jī)械、建筑等行業(yè)擴(kuò)展。德國(guó)火箭專家采用分-合的方法算出了Ⅴ—Ⅱ型火箭誘導(dǎo)裝置的可靠度，即將整個(gè)系統(tǒng)拆分成若干子系統(tǒng)，分別計(jì)算其可靠度，最后求代數(shù)和；1969年，C.A.Cornell提出了一次二階方法求解結(jié)構(gòu)的可靠度，并建立了模型，打破了傳統(tǒng)的計(jì)算方法； 20世紀(jì)末期是可靠性發(fā)展的成熟期，可靠性向著系統(tǒng)化、智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展，將可靠性分析與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、人工智能相結(jié)合，使可靠性研究從單一學(xué)科發(fā)展到多個(gè)學(xué)科交叉滲透研究。80年代末，美國(guó)國(guó)防部頒布了DODD5000文件《可靠性與維修性》，將可靠性與其他技術(shù)相結(jié)合；也有不少研究者提出可靠性區(qū)間變量的概念，可靠度是一個(gè)區(qū)間不是一個(gè)數(shù)值；Ben-Haim提出了穩(wěn)健性理論，即如果系統(tǒng)發(fā)生較大的不確定變化而不失效，則說明該系統(tǒng)可靠，否則不可靠。21世紀(jì)則是可靠性發(fā)展的完善期，隨著可靠性基礎(chǔ)理論與標(biāo)準(zhǔn)體系的不斷發(fā)展與完善，可靠性研究將會(huì)在多方面取的進(jìn)展。

2.2 可靠性理論研究發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)于現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品而言，怎樣提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、提高生產(chǎn)效率是最重要的，這些問題又和可靠性有著密不可分的關(guān)系，同時(shí)也標(biāo)志著可靠性理論研究進(jìn)入使用階段。就目前發(fā)展來看，系統(tǒng)可靠性和結(jié)構(gòu)可靠性將成為可靠性研究的焦點(diǎn)。

機(jī)械零件與電子產(chǎn)品的失效形式不同，機(jī)械系統(tǒng)與電子系統(tǒng)也有很大差別，機(jī)械系統(tǒng)的故障模式多樣且復(fù)雜，到目前為止還沒有完善的分析方法和數(shù)學(xué)模型直接用于可靠性研究；用在電子元件上的可靠性理論是建立在一階二次假設(shè)和概率假設(shè)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行分析的，因此，尋找有效的分析方法是研究機(jī)械系統(tǒng)可靠性分析的頭等大事。

縱觀國(guó)內(nèi)外的論文和專著，對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性分析的作品為數(shù)不多，這也預(yù)示著結(jié)構(gòu)可靠性理論研究將成為研究熱點(diǎn)。根據(jù)目前發(fā)展趨勢(shì)分析結(jié)構(gòu)可靠性研究主要從以下幾個(gè)方面入手：

（1）可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)；

（2）可靠性靈敏度設(shè)計(jì)；

（3）可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)；

（4）可靠性試驗(yàn)。

3 可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)包括零件設(shè)計(jì)和整機(jī)設(shè)計(jì)，整機(jī)設(shè)計(jì)常用的有兩種方法：

（1）分析各個(gè)零部件的可靠度，了解整機(jī)性能，由零部件的可靠度推斷整機(jī)可靠性；

（2）將整機(jī)可靠度指標(biāo)分到各個(gè)零部件上，只要零部件滿足新的可靠度則整機(jī)可靠度就達(dá)到了滿足。在進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，我們常采用的方法有：

1）預(yù)防故障設(shè)計(jì)法；

2）簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)法；

3）降額設(shè)計(jì)和安全裕度設(shè)計(jì)法；4）耐環(huán)境設(shè)計(jì)法；

5）人機(jī)工程設(shè)計(jì)法；

6）健壯性設(shè)計(jì)法（常用的是田口方法）；

7）概率設(shè)計(jì)法；

8）模擬設(shè)計(jì)法等。

可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)是在可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行優(yōu)化，即將新工藝、新設(shè)備、新思路、新知識(shí)等新鮮血液注入到可靠性設(shè)計(jì)當(dāng)中，使得設(shè)計(jì)既能滿足產(chǎn)品運(yùn)行中的可靠度要求又能使資源得到充分利用，順應(yīng)了可持續(xù)發(fā)展的大趨勢(shì)。

在高新技術(shù)的推動(dòng)下，現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法和理念不斷融入到機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化也得以快步前進(jìn)。機(jī)械產(chǎn)品不同于其他產(chǎn)品，將可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)單一考慮的路子是行不通的，單一考慮可靠性設(shè)計(jì)時(shí)得到的產(chǎn)品參數(shù)和性能指標(biāo)并不是產(chǎn)品的最佳點(diǎn)；若單一考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)有可能達(dá)不到產(chǎn)品的可靠性而導(dǎo)致生產(chǎn)事故，進(jìn)而降低了產(chǎn)品的安全性和效益性。因此，結(jié)合機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，在進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要理清設(shè)計(jì)的先后順序和側(cè)重點(diǎn)，在保證產(chǎn)品可靠性的基礎(chǔ)之上，盡可能的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品參數(shù)和性能的最優(yōu)化。

4 機(jī)械可靠性試驗(yàn)

4.1 可靠性試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

可靠性試驗(yàn)是對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行調(diào)查、分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷，為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)和減少維修等提供信息。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，多數(shù)機(jī)械系統(tǒng)是由單機(jī)組成的，很多企業(yè)為了縮短試驗(yàn)周期，常常省略單機(jī)的可靠性測(cè)試，僅僅測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，這樣就加大了故障的發(fā)生，降低了產(chǎn)品的使用效率。機(jī)械可靠性試驗(yàn)是一項(xiàng)耗資、耗力、耗時(shí)的任務(wù)，在研制期間，各個(gè)公司都面臨著任務(wù)重、難度大、時(shí)間緊等難題。如何將可靠性試驗(yàn)變?yōu)楹臅r(shí)少，費(fèi)用低、簡(jiǎn)單便捷的操作作業(yè)成了研究的大難題。而目前，最常用到的解決辦法是將可靠性試驗(yàn)與其他實(shí)驗(yàn)（如：耐久試驗(yàn)、性能試驗(yàn)等）融合到一起，既可以避免單項(xiàng)試驗(yàn)引來的缺陷又可以避免資源的不必要浪費(fèi)。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和成熟，電子產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)相對(duì)比較成功，其穩(wěn)定性也較高。機(jī)械可靠性相對(duì)就落后了，其可靠性試驗(yàn)也存在著很多問題，主要有一下兩個(gè)方面：

（1）缺乏專項(xiàng)人員，在做可靠性試驗(yàn)時(shí)，常常是一人多機(jī)，這樣，工作人員沒有辦法專注于一臺(tái)樣車，信息記錄人員可不固定，所以，記錄信息有時(shí)就會(huì)出現(xiàn)誤差，為后來的進(jìn)展帶來難度。

（2）試驗(yàn)前工作不嚴(yán)謹(jǐn)，為提高時(shí)效性，在做可靠性試驗(yàn)之前，一般會(huì)做可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)。有些企業(yè)為了縮短周期，往往還沒來的及檢驗(yàn)這一輪的研制、設(shè)計(jì)，就急急忙忙開展下一輪的研制、測(cè)試，就會(huì)造成問題的累加，增加故障的發(fā)生。

4.2 可靠性試驗(yàn)發(fā)展趨勢(shì)

可靠性試驗(yàn)貫穿于產(chǎn)品整個(gè)壽命周期，在研制階段，通過可靠性試驗(yàn)可以及時(shí)彌補(bǔ)可靠性缺陷，盡可能去除產(chǎn)品早期故障；在設(shè)計(jì)定性（小批生產(chǎn)）階段，驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否符合可靠性要求，為使用方提供合格證明；在批量生產(chǎn)階段，驗(yàn)證可靠性的穩(wěn)定程度，保證產(chǎn)品的可靠性不隨生產(chǎn)工藝、流程、環(huán)境等的變化而變化；在使用階段，了解使用可靠性，保證產(chǎn)品的正常使用。

在可靠性技術(shù)中，我們一般是選用小樣本容量，如何對(duì)小樣本參數(shù)進(jìn)行分析和評(píng)定是可靠性技術(shù)的核心問題，而能夠很好的處理小樣本參數(shù)的理論是貝葉斯論點(diǎn)[4]，貝葉斯論點(diǎn)可以很好的將參數(shù)與信息融合在一起，也可以降低壽命試驗(yàn)時(shí)間，因此，貝葉斯論點(diǎn)在可靠性試驗(yàn)中得到廣泛使用。但也有部分專家存在一定的爭(zhēng)議，對(duì)貝葉斯論點(diǎn)的使用非常謹(jǐn)慎。

5 結(jié)論

可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，并成為機(jī)械領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)和國(guó)外各公司間競(jìng)爭(zhēng)的重要手段。隨著產(chǎn)品功能的強(qiáng)大，機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日俱復(fù)雜，產(chǎn)品發(fā)生故障和失效的可能性逐漸變大，可靠性問題日益突出，更深層研究可靠性成了現(xiàn)在最重要的任務(wù)。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外可靠性發(fā)展現(xiàn)狀，分析了可靠性理論研究熱點(diǎn)，闡述了可靠性試驗(yàn)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：張立強(qiáng)(1984-)，男，安徽蕭縣人，本科，助理工程師，研究方向：機(jī)械構(gòu)造等。