張根保 冉 琰 庾 輝 李 麗

(①重慶文理學院智能制造工程學院，重慶 402160；②重慶大學機械與運載工程學院，重慶 400044；③北京機床研究所有限公司，北京 100102)

機械產品是以機械零部件為載體的工業(yè)制成品，在國民經濟、國防和社會生活中發(fā)揮著極其重要的作用[1]。機械產品種類繁多，功能和性能要求各異，但都對產品的可靠性提出嚴格的要求。為了保障和提高產品的可靠性，世界各國的學術界和企業(yè)界都投入巨大的人力、物力和財力，到目前已逐步形成一套比較系統(tǒng)的可靠性理論和方法，對保障產品的可靠性起到很大作用[2]。可靠性理論起源于二次世界大戰(zhàn)期間，美軍在二戰(zhàn)中發(fā)現(xiàn)，其戰(zhàn)機的損失主要是因為電子元器件的失效。于是，美國于1943年成立了“電子管研究委員會”，專門研究電子管的可靠性問題。1949年美國無線電工程師學會成立了全世界第一個可靠性技術組。后來在朝鮮戰(zhàn)爭中發(fā)現(xiàn)，不可靠的電子設備極大地影響了戰(zhàn)爭的進行，而且需要大量的維修費用，每年的維修費是設備采購費用的2倍。為此，于1950年12月美國成立了“電子設備可靠性專門委員會”[3]。到20世紀60年代，隨著航空航天工業(yè)的迅速發(fā)展，可靠性設計和試驗方法被接受和應用于航空電子系統(tǒng)中，可靠性工程得到迅速發(fā)展，形成一系列可靠性技術與管理新方法，包括建立可靠性研究中心，將可靠性工程活動與傳統(tǒng)的設計、研制和生產相結合開展可靠性分析，提出可靠性建模方法[4]、進行可靠性預計[5]、可靠性分配[6-7]、可靠性分析(FMEA和FTA)[8-9]、可靠性試驗[10-11]、可靠性物理[12-13]、可靠性數(shù)據采集和分析、制定可靠性試驗標準、可靠性維修方法[14-16]等。但縱觀國內外的研究工作，研究對象和研究方法大多是圍繞電子產品和元器件，對電子產品可靠性的提升發(fā)揮了巨大的作用，但由于機械產品的特殊性，其可靠性方法的研究卻進展緩慢，主要是沿用電子產品的可靠性方法。

1 機械產品可靠性技術存在的主要問題

從可靠性理論的發(fā)展歷程可以看出，機械產品到目前主要沿用電子產品的可靠性分析方法。但電子產品與機械產品是有本質區(qū)別的，照搬電子產品的方法肯定不適合機械產品[6]。表1是電子產品與機械產品的簡要對照表。

表1 電子產品與機械產品的簡要對照

從該對照表可以看出，照搬傳統(tǒng)電子產品的可靠性設計和分析方法開展機械產品可靠性工程，必然存在以下問題:

(1)故障模式概念不清，與故障原因混淆

機械產品的故障模式比電子產品復雜的多，盡管有研究人員根據故障表現(xiàn)將機械產品的故障模式劃分為8大類[17]，但劃分的依據并不充分，概念并不清晰。在進行故障樹分析時，采用傳統(tǒng)的分析方法無法嚴格區(qū)分故障模式和故障原因2個概念。1個故障現(xiàn)象有時劃分為故障模式(針對故障樹下層)，有時劃分為故障原因(針對故障樹上層)，給分析工作帶來很大的難度。

(2)無法從理論上預測所有潛在故障模式

在進行可靠性分析時，常常會使用FMEA作為分析工具。在國家標準GJB/Z 1391《故障模式、影響及危害性分析指南》[18]中，關于故障模式分析有非常重要的一段話：故障模式分析是從被分析產品的功能描述或硬件特征、故障判據的要求中，找出所有可能的功能或硬件故障模式。這里的要害是“所有可能”，但究竟如何實現(xiàn)“所有可能”？在標準中并沒有給出答案。人們在進行FMEA分析時，往往是根據以前的經驗和歷史數(shù)據來定義故障模式。至于所定義的故障模式是否正確，是否完整，沒有人能夠說清楚。對于一般的常見的產品，漏掉幾個故障模式的影響還不大，因為故障的后果并不嚴重。但對于全新的產品(以前就沒有見過，更別提故障的歷史數(shù)據)和安全性要求非常高的產品(如核電設備、航空航天裝備)，遺漏掉的故障模式往往是致命的，因為既然沒有預測到某一個潛在的故障模式，就必然不會在設計、制造和運行中采取應對措施，一旦沒有分析過的故障模式出現(xiàn)，就會產生災難性的后果。

(3)故障模式與功能沒有直接掛鉤

在可靠性的概念中，故障是與產品的功能密切相關的一個概念。按照國家標準GB 3187-1982《可靠性基本名詞術語及定義》[19]，將可靠性定義為產品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內完成規(guī)定功能的能力，這種能力以概率表示，也稱可靠度?？梢钥闯?，所謂的可靠性就是指功能可靠性，所謂的故障就是指產品的功能不能正常完成。因此很明顯，故障模式一定是與產品的功能連在一起的。但在傳統(tǒng)的可靠性工程中，故障與功能卻是分離的，只是就故障而故障。例如，機床傳動系統(tǒng)中一個齒輪發(fā)生斷齒，通常會說“斷齒故障”。但斷齒這一故障對產品功能(也就是運動)是如何發(fā)生關系的？從“斷齒故障”這一描述中是無法說清楚的。

(4)功能故障與性能故障難于實現(xiàn)統(tǒng)一化

在傳統(tǒng)的可靠性方法中，功能故障和性能故障是割裂開的，這是由于產品的功能和性能是兩個不同的概念。功能故障指的是產品功能不能夠正常實現(xiàn)，性能故障指的是產品性能參數(shù)超出設定的閾值。以車床作為例子，只要主軸能夠轉動，刀具能夠移動，車床的功能就能夠實現(xiàn)(沒有功能故障)。只要被加工零件的圓度在公差范圍內，車床的性能就是完好的，一旦超出公差范圍，車床的性能就無法滿足要求，就出現(xiàn)了性能故障。傳統(tǒng)的可靠性分析方法并沒有嚴格區(qū)分這兩類不同性質的故障，缺乏統(tǒng)一的故障定義。

(5)部件級的建模復雜，零件級的分析繁瑣

在進行FMEA分析時，傳統(tǒng)的方法或者分解到部件級，或者按照產品結構分解到零件級?；诓考壍姆纸?將部件作為一個運動的整體)，建模的粒度太粗(無法深入到結構內部)，難于實現(xiàn)精細化的分析?；诹慵姆纸猓５牧６忍?，零件數(shù)量很多時，會造成建模分析的工作量太大。盡管在機械裝配結構上有“組件”的概念，但很少應用到可靠性的建模和分析中。

(6)故障樹建模難于體現(xiàn)零件之間的運動關系

機械產品的最大特點是“運動”，通過零部件間的運動實現(xiàn)產品的功能，保障產品的性能。因此，機械產品可靠性分析的要點是與運動有關的各種特性(力、運動、速度、加速度和摩擦磨損等)以及產品的裝配結構，這是電子產品所沒有的。因此，電子產品的故障樹分析不需要考慮這些特點，而對機械產品而言卻是必不可少的，但目前尚缺乏適合機械產品的故障樹建模方法。

(7)缺乏整機可靠性指標的映射方法

在進行機械產品設計時，需要將整機的設計可靠度(包括精度)分配給各個運動部件甚至關鍵零件，作為部件和零件的設計輸入。但由于缺乏整機可靠度指標與部件和零件可靠度指標之間的理論關系，使得可靠性(精度)分配只能采用類比法和經驗法進行，難于保障分配的效果。另外，由于機械產品主要是個串聯(lián)系統(tǒng)，在進行可靠性(精度)分配時往往會出現(xiàn)“層層加碼”的現(xiàn)象，即每個子系統(tǒng)分配到的指標必須小于總的指標，使得最終零件級的設計輸入要求太高，實際中往往是無法實現(xiàn)的。

(8)實驗周期長，失效數(shù)據少

與電子產品不同，機械產品結構復雜，零件數(shù)量很多且很難實現(xiàn)標準化，失效模式多樣，實驗方式多變。在進行可靠性和壽命實驗時，從搭建試驗臺到開展實驗的時間周期很長，得到的失效數(shù)據量難于支撐可靠性分析的需求，一般需要采用小樣本的分析方法。

(9)建模難于標準化，分析難于實現(xiàn)通用化

機械產品的結構復雜多變，造成可靠性建模方法難于實現(xiàn)標準化，可靠性分析方法難于實現(xiàn)通用化，只能采用“一事一議”式的建模和分析方法。

2 提出元動作可靠性的理論依據

鑒于傳統(tǒng)可靠性方法存在的諸多問題，極大地影響了機械產品可靠性的提升，需要尋找新的、適合機械產品的可靠性工作方法。首先，根據機械產品的結構特點，我們將產品結構劃分為3個部分：運動結構、承載結構和驅控結構，針對3種結構采用不同的可靠性工作方法。

運動結構是機械產品最主要的結構形式，主要作用是實現(xiàn)產品的各種運動功能，可以說，沒有運動就不成其為機械。運動結構主要包括各類運動型的機械零件、傳動組件和各種運動機構。運動失效是機械產品的主要故障模式，本文所指的元動作可靠性理論主要就是針對運動結構的。

承載結構是機械產品的承重部分，主要作用是承受工作載荷、環(huán)境載荷、各個零部件的重量，以及保障工作環(huán)境載荷下各個零部件的相對位置。承載結構主要包括床身、立柱和工作臺等。承載結構的可靠性分析主要采用非常成熟的有限元方法。

驅控結構是機械產品中除運動結構和承載結構外的其他結構形式，主要作用是為機械產品提供動力并控制機械部分的各種運動。驅控結構主要包括電氣、液壓、氣動、環(huán)境保障和數(shù)控等形式，屬于機械產品的外圍結構。驅控失效也是機械產品的主要故障原因，考慮到各種驅控結構各自都有比較成熟的可靠性分析方法，本文并不涉及驅控結構的可靠性問題。

對于機械產品(主要指運動結構)而言，產品的功能是靠運動實現(xiàn)的，性能是靠運動保障的，功能故障和性能故障必然就體現(xiàn)在運動上。由于運動的基本單位是元動作，因此就需要從元動作出發(fā)定義故障模式，以元動作為核心分析產品的可靠性，這樣就將產品的運動功能和性能與故障有機的結合起來，這就是提出機械產品元動作可靠性的理論依據。

3 元動作可靠性理論體系

元動作可靠性理論體系如圖1所示?？梢钥闯觯獎幼骺煽啃岳碚擉w系共包括5大部分內容：產品功能分解、可靠性指標映射、元動作可靠性分析、元動作可靠性優(yōu)化和可靠性預計，這5部分以元動作為核心，共同構成一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)。產品功能分解的主要工作是建立FMA(function-movement-action)分解樹[6, 20]，將產品的設計功能分解為元動作，并組成元動作結構單元；可靠性指標映射的主要工作是將整機的可靠性指標沿著FMA樹分解到各個元動作，作為元動作可靠性分析的設計輸入；元動作可靠性分析的主要工作是對元動作及其單元進行各種分析和試驗，發(fā)現(xiàn)各種潛在的故障；元動作可靠性優(yōu)化的主要工作是改進元動作單元的結構，保障其可靠性指標的實現(xiàn)；可靠性預計的主要工作是對各個元動作的故障概率沿著FMA樹進行逆向綜合，確保產品的實際可靠性優(yōu)于其設計指標。元動作可靠性的理論基礎是：相關定義、建模方法、分析方法、試驗方法和試驗臺架、評估方法和應用軟件。

4 元動作可靠性理論體系

元動作可靠性理論涉及的技術比較多，下面我們圍繞8大關鍵技術展開討論。

4.1 產品功能的結構化分解方法

與傳統(tǒng)的可靠性方法不同，元動作可靠性理論是采用結構化的分解方法把產品的功能一步步分解到元動作。元動作單元是介于部件和零件之間的1個層級，從粒度上看，元動作單元比部件更細化、可用信息更多。從結構上看，元動作單元可以自成體系，體現(xiàn)出零部件之間的機械作用，比零件的綜合性更強。為了得到元動作和元動作單元，我們首先需要對產品的功能進行分析，得到產品的總功能和分功能；然后對實現(xiàn)分功能的部件運動進行分析，得到部件的各級運動(可能是1級、2級、甚至3級)；由于部件最低級的運動都是由動力源到最低級運動的傳動鏈組成的，分解工作的最后環(huán)節(jié)就是對傳動鏈進行分析，得到組成傳動鏈的各個元動作和元動作單元[21]。分解完成后得到的典型的分解樹(FMA樹)如圖2所示[22]。

4.2 元動作單元

元動作單元是實現(xiàn)元動作的基本結構單元，元動作單元在結構上獨立，可以獨立進行設計、分析和實驗。分解得到的2類典型元動作單元(移動元動作和轉動元動作)如圖3和圖4所示。

元動作單元一般由5類零件構成，包括輸出件、輸入件、中間件、緊固件和支撐件，如表2所示。

表2 元動作單元的五類構成要素

4.3 整機可靠性指標的映射方法

機械產品的整機可靠性是靠所有元動作可靠性共同實現(xiàn)的。因此，在元動作可靠性設計和分析時，需要將整機的可靠度映射到各個元動作，通過元動作的可靠度來保障整機的可靠度(即傳統(tǒng)的可靠性分配)。映射是按照FMA樹逐層進行的，即首先把整機的可靠度映射到部件的1級運動，再將1級運動的可靠度映射到2級運動。最后再把2級運動可靠度沿元動作鏈映射給各個元動作[23]。由于機械產品一般是個串聯(lián)系統(tǒng)，意味著下級所有單元的可靠度必須都高于上級系統(tǒng)的可靠度，因此在進行可靠性逐層映射時，往往會發(fā)生“層層加碼”的現(xiàn)象，如果系統(tǒng)比較復雜，分解的層級較多，最低層次元動作的可靠度將會異常高而造成設計制造的成本太高，有時甚至不可能實現(xiàn)。因此在進行可靠性映射時，建議采用統(tǒng)計法分配可靠度，盡量不要采用極值法。

4.4 故障定義及全故障模式分析方法

與傳統(tǒng)方法不同，元動作可靠性理論中，明確給出了故障的定義為：元動作不能實現(xiàn)其規(guī)定的運動功能或性能要求，其具體可表現(xiàn)為元動作無運動(功能故障)或元動作各項運動性能參數(shù)在規(guī)定時間內超出相應工況下規(guī)定的閾值范圍(性能故障)。這個定義將故障與機械產品的功能(運動)結合在一起，完全符合國家標準中“可靠性體現(xiàn)在產品功能上”的要求。另外，將故障定義在運動功能上，就徹底解決了傳統(tǒng)方法存在的兩大問題：故障與功能脫節(jié)，故障模式與故障原因區(qū)分不清。根據元動作故障的定義，我們就可以通過對元動作運動狀態(tài)的分析從理論上來預測所有可能的(或潛在的)故障模式，而不需要依賴歷史數(shù)據、經驗法和類比法。從理論上看，1個元動作的運動方程中只有“軌跡”、“速度”、“位置”以及“速度不均勻系數(shù)”這4個參數(shù)。那么，元動作的所有故障模式必然都體現(xiàn)在這4個參數(shù)上，任何1個參數(shù)的不正常就是1個故障模式。經分析，1個元動作所有可能的運動故障有37個(傳統(tǒng)的分析方法可能會面對幾百個故障模式)，如果不考慮故障模式之間的組合，則僅有7個基本故障模式[24]，如表3所示。

表3 元動作基本故障模式的種類

4.5 元動作故障機理分析方法

基于元動作的7類故障模式，我們就可以有針對性地對這些故障模式的產生機理進行分析，分析方法如下：

為了避免傳統(tǒng)故障機理研究方法中針對不同故障模式需要多次重復建模的問題，在分別考慮轉動類和移動類元動作單元工況受力的基礎上，從元動作單元組成要素出發(fā)，分別對兩類元動作單元內部的潛在失效激勵進行分析；基于幾何學、概率論等知識，根據各失效激勵對元動作單元的影響，建立其相應的激勵表征；借助動力學方法，建立各失效激勵與元動作單元輸出件運動狀態(tài)之間的影響關系式；最后，利用仿真模擬或試驗等手段，結合元動作單元在各失效激勵下的響應結果及元動作各類故障判據，即可分析得到元動作各類故障的形成及發(fā)展過程、即故障機理。

4.6 基于元動作的FMEA和FTA分析方法

FMEA分析和FTA分析是2個典型的可靠性分析方法。在傳統(tǒng)的分析方法中，F(xiàn)MEA和FTA分析都是基于部件結構的，最后都落腳在零件上，建模和分析的工作量非常大。根據元動作理論，分析的對象是元動作，1個元動作單元中一般僅包含不到20個零件，建模和分析過程異常簡化，分析的結果更加準確。在進行基于元動作的FMEA和FTA分析時，可以沿用傳統(tǒng)的分析方法，但FMEA分析表的規(guī)?？梢源蠓染?，且只需要針對7類故障模式進行分析。在FTA建模和分析時，只需要將故障樹的建模范圍局限在特定元動作上，故障樹的建模也變得異常簡單，更便于后續(xù)的定量分析。

4.7 元動作單元可靠性實驗方法

可靠性實驗一般包括故障激發(fā)實驗和壽命實驗，實驗的對象分別是針對整機、部件和關鍵零件，一般需要針對具體的對象設計相應的實驗方案，搭建相應的實驗臺架，企業(yè)一般需要搭建多個試驗臺。在元動作可靠性方法中，將復雜的產品視為是由兩類基本的元動作組成的，由于元動作單元在結構上自成體系，實驗的對象就變成元動作單元。只需要針對轉動單元和移動單元分別建立通用性的試驗臺，基本上就可以完成幾乎所有的實驗工作，極大地減少了試驗臺架的數(shù)量。由于單元的結構類似，就可以借鑒成組技術的原理，建立標準化的元動作結構單元，并對實驗數(shù)據進行相似性分析，可以比較好地解決故障數(shù)據少的難題。

4.8 基于元動作的可靠性預計方法

經過產品功能分解、可靠性指標映射、元動作可靠性分析、元動作可靠性優(yōu)化等各階段的工作后，就可以得到滿足設計可靠性要求的元動作設計方案，但上述工作并沒有考慮到各個元動作之間的關系。為了得到整機的可靠性，還需要對元動作之間的關系進行分析，沿著FMA樹逆向進行整機的可靠性預計[20]。在進行可靠性預計時，主要研究FMA樹同代單元之間的耦合特性和FMA樹異代單元之間的傳遞機制。同代單元是指與某一個單元之間存在相互影響關系的所有單元，它們之間的耦合特性主要包括結構耦合、動態(tài)特性耦合、熱變形耦合等，這些耦合特性在一定程度上影響目標元動作單元的可靠性。異代單元是指沿著元動作鏈(或傳動鏈)的上下游相鄰單元，它們之間主要是運動和動力傳遞關系，單元之間的運動和動力特性除了影響傳動精度外，也是造成結構變形、摩擦、磨損、傳動件損壞等各種失效的主要原因。在得到同代耦合特性和異代傳遞機制后，就可以建立預計模型，實現(xiàn)對整機可靠性的評估和預計。

5 結語

針對機械產品傳統(tǒng)可靠性分析方法存在的各種問題，在分析了電子產品與機械產品差異的基礎上，針對機械產品“運動實現(xiàn)功能，運動決定性能”的特點，本文介紹了一種全新的機械產品可靠性分析方法，稱之為元動作可靠性理論。給出元動作可靠性的理論依據，建立了元動作可靠性的理論體系，討論了元動作可靠性理論的8大關鍵技術，實踐證明，采用元動作方法開展機械產品的可靠性設計與分析，方法的針對性非常強，有助于提高機械產品的可靠性。