淺談機(jī)械產(chǎn)品可靠性試驗技術(shù)的研究方向

李艷紅

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 榆次 030600）

引言

可靠性是機(jī)械設(shè)備質(zhì)量的核心與重要表征之一，為了對機(jī)械設(shè)備可靠性進(jìn)行表達(dá)與評價，就需要進(jìn)行試驗。所謂機(jī)械設(shè)備可靠性試驗，就是在對機(jī)械設(shè)備設(shè)計、原材料及制造工藝進(jìn)行定性、定量分析的基礎(chǔ)上，評判該機(jī)械設(shè)備是否符合可靠性要求，同時，可靠性試驗還可以為機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品合格率、降低維修費用等方面提供數(shù)據(jù)參考，所以說，機(jī)械設(shè)備的可靠性試驗是非常重要的。我國對于機(jī)械可靠性的研究起步較晚，有人認(rèn)為，在理想狀態(tài)下，當(dāng)機(jī)械設(shè)備按照圖紙生產(chǎn)出來時，就可以滿足其可靠性要求，但實質(zhì)上，這種想當(dāng)然的想法是靠不住的。美國一份報告指出，大型機(jī)電類首臺樣機(jī)的平均無故障時間往往只有設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的1/10左右，只有經(jīng)過深入的可靠性試驗，準(zhǔn)確判斷產(chǎn)品設(shè)計、元器件及零部件及制造工藝等方面的缺陷，并逐一糾正，才能使其可靠性達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)。在可靠性領(lǐng)域，美國可靠性分析中心（RAC）作了很大努力，該中心主張將機(jī)械可靠性與加速試驗、軟件可靠性列為可靠性領(lǐng)域的三大課題，在廣泛收集機(jī)械產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)方面也做出了很大業(yè)績。近年來，機(jī)械可靠性越來越受到重視，而機(jī)械可靠性試驗技術(shù)作為該領(lǐng)域的關(guān)鍵一環(huán)，也被廣泛關(guān)注。

1 機(jī)械可靠性試驗的特點

追根溯源，可靠性研究發(fā)端于上世紀(jì)50年代，1957年6月，美國電子設(shè)備可靠性顧問組發(fā)布了《軍用電子設(shè)備可靠性報告》，從那以后，可靠性研究在世界發(fā)達(dá)國家方興未艾，但其發(fā)展卻并不平衡，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品的可靠性理論與試驗技術(shù)趨于成熟，而機(jī)械可靠性試驗技術(shù)則發(fā)展緩慢。原因是汽車、發(fā)電設(shè)備、發(fā)動機(jī)等機(jī)械產(chǎn)品具有復(fù)雜性與特殊性，且不如電子產(chǎn)品那樣易于測試。多年來，現(xiàn)有電子產(chǎn)品模型及試驗方法是否同樣適用于機(jī)械產(chǎn)品的可靠性試驗，一直存在爭議。

因為機(jī)械可靠性的復(fù)雜性與特殊性，機(jī)械可靠性試驗也就難上加難了，大體來說，機(jī)械可靠性試驗有如下一些特點：

1）機(jī)械各類繁多，其零部件千差萬別，缺少共性，因而機(jī)械可靠性試驗的數(shù)據(jù)采集較難，很難獲得較大子樣容量，模型或備件制作困難，人財物的消耗較大，試驗周期也長。

2）影響機(jī)械性能與壽命的因素中，應(yīng)力因素只是其中一項，此外，溫度、潮濕、酸堿等環(huán)境因素也會影響機(jī)械壽命與性能的發(fā)揮。機(jī)械可靠性的試驗環(huán)境很難全方位模擬機(jī)械的使用環(huán)境，而且，機(jī)械的使用環(huán)境往往更加復(fù)雜，更加惡劣。

3）機(jī)械可靠性理論相對滯后，研究難度大。一般來說，機(jī)械產(chǎn)品的零部件大多因磨損而失效，但磨損程度及部位的不同，所表現(xiàn)出來的故障卻各不相同，這也正是其復(fù)雜性之所在?，F(xiàn)階段，機(jī)械方面的可靠性設(shè)計、試驗和標(biāo)準(zhǔn)，有很多是照搬電子產(chǎn)品可靠性的做法，但實際上，二者并不能通用。

2 機(jī)械可靠性試驗的理論問題

機(jī)械可靠性試驗的數(shù)據(jù)一般基于小子樣，甚至是極小子樣，單純依靠其數(shù)據(jù)，往往不能直接得出結(jié)論，還需要借助經(jīng)驗及其他信息，才能給出合理的分析評估。就是說，如何分析與評估小樣本數(shù)據(jù)，是解決機(jī)械可靠性試驗數(shù)據(jù)處理的一個重要問題，這就需要應(yīng)用“貝葉斯理論”（Bayes）了，因為該理論可以融合試驗信息與其他數(shù)據(jù)。但在具體運用時，應(yīng)持審慎態(tài)度，因為貝葉斯理論并非萬能靈藥。

在機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行可靠性試驗以前，通常要進(jìn)行故障模式影響分析和致命度分析。所謂故障模式影響分析，即通過機(jī)械產(chǎn)品零部件的潛在故障模式、潛在故障對機(jī)械產(chǎn)品功能的影響加以分析，并列舉出每一種潛在的故障模式，按其影響程度進(jìn)行排序，進(jìn)而提出相當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施；所謂致命度分析，即在故障模式影響分析的基礎(chǔ)上，判斷某一潛在故障模式是否具有致命影響，致命程度有多大。故障模式影響分析和致命度分析對于機(jī)械產(chǎn)品可靠性的判斷，十分有效，所以在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計和制造工藝中，應(yīng)用較為廣泛，是機(jī)械技術(shù)人員的必備的技能之一，同時也是“六西格瑪”管理中必備的環(huán)節(jié)之一。

在機(jī)械可靠性試驗問題上，疲勞失效同樣不容忽視。因為影響機(jī)械疲勞的因素較多，牽涉到工作條件、零件狀態(tài)和原材料等方方面面，所以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對疲勞問題還有待于繼續(xù)深入。確定機(jī)械疲勞壽命的方法主要有兩種，即試驗法和試驗分析法，二者各有側(cè)重。

3 機(jī)械可靠性增長試驗

在研發(fā)機(jī)械產(chǎn)品時，必須就機(jī)械可靠性反復(fù)進(jìn)行試驗，要經(jīng)過多輪試驗—改進(jìn)—再試驗—再改進(jìn)的過程，不斷提升機(jī)械的可靠性。對于試驗過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷，要在試驗獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行科學(xué)的分析與闡釋，并加以改進(jìn)，只有這樣，機(jī)械可靠性才能逐步提高。起初，可靠性增長試驗只運用于電子產(chǎn)品，后來才逐步擴(kuò)展到機(jī)械產(chǎn)品。一般來說，在機(jī)械研發(fā)時，都需要制定科學(xué)合理的可靠性增長試驗計劃，經(jīng)過一系列“試驗—分析—修正”的研發(fā)過程，才能獲得較好效果，并獲得市場認(rèn)可。上海交通大學(xué)研究人員張學(xué)富和陳兆能曾對溢流閥進(jìn)行了可靠性增長試驗[1]，使其壽命提高3倍，但該數(shù)據(jù)來源于試驗前后兩種產(chǎn)品的壽命評估，而沒有進(jìn)行可靠性增長模型評估，稍嫌欠缺。不過，就其試驗本身來說，還是成功的。

就是說，可靠性增長試驗是提升機(jī)械可靠性的重要途徑，經(jīng)過可靠性增長試驗后，機(jī)械的性能將更加穩(wěn)定，壽命也會延長。但由于機(jī)械產(chǎn)品多以損耗性失效為主，使用周期也比較長，運行環(huán)境也千差萬別，進(jìn)行可靠性增長試驗時很難模擬，所以經(jīng)過可靠性增長試驗的機(jī)械產(chǎn)品，在實際使用過程中，也有可能出現(xiàn)偏差，這點應(yīng)予充分考慮。

為提升可靠性增長試驗的準(zhǔn)確率，可在加速應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行該試驗，北京強(qiáng)度與環(huán)境研究所研究員周源泉與朱新偉合作，對加速可靠性增長問題進(jìn)行了深入研究，得出結(jié)論：在不同應(yīng)力水平下，加速可靠性增長產(chǎn)品有相同的失效機(jī)理；同時，二位研究人員還根據(jù)失效機(jī)理不變原理推導(dǎo)出不同可靠性增長模型對應(yīng)的加速因子[2]。應(yīng)當(dāng)說，這一研究是很有成效的。當(dāng)然，由于機(jī)械可靠性增長試驗相當(dāng)復(fù)雜，研究還有待于繼續(xù)深入。

4 機(jī)械產(chǎn)品的強(qiáng)化試驗

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，一般機(jī)械產(chǎn)品都能滿足無故障運轉(zhuǎn)的使用要求，但這還不夠，因為機(jī)械產(chǎn)品一旦發(fā)生故障，后果往往很嚴(yán)重，再加之機(jī)械產(chǎn)品的運行環(huán)境可能會突然發(fā)生惡化，從而導(dǎo)致故障的發(fā)生，所以說，機(jī)械可靠性試驗應(yīng)進(jìn)一步升級換代。傳統(tǒng)的可靠性試驗，包括環(huán)境應(yīng)力篩選、可靠性增長試驗、可靠性鑒定試驗均在模擬環(huán)境下進(jìn)行，存在著試驗周期長、試驗費用高的缺點。更主要的是，傳統(tǒng)的可靠性試驗不能排除機(jī)械后期維修費用高的缺點，因為在研制機(jī)械產(chǎn)品時，通常會把技術(shù)條件規(guī)定的應(yīng)力極限值作為鑒定或考核標(biāo)準(zhǔn)，即使達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)，仍然可能存在著潛在的缺陷。在大量生產(chǎn)時，又可能因各種因素加大其潛在缺陷，從而使機(jī)械產(chǎn)品在使用時，可靠性差，平均無故障時間短、返修頻繁，遇到這種情況，用戶當(dāng)然會不滿意，制造廠商的信譽(yù)就會受影響，如果制造廠商排除其生產(chǎn)環(huán)節(jié)的責(zé)任，就會對設(shè)計研發(fā)部門追責(zé)。當(dāng)前的市場競爭十分激烈，制造廠商和設(shè)計研發(fā)部門都不希望如此，而要全面提升機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)效率和可靠性，就需要科學(xué)、強(qiáng)化的可靠性試驗技術(shù)。

所謂強(qiáng)化試驗技術(shù)，就是在極端溫度（高溫、低溫或驟冷驟熱）、異常電壓、超負(fù)載或腐蝕環(huán)境下，來試驗產(chǎn)品的可靠性，通過試驗前的優(yōu)化設(shè)計和試驗后的統(tǒng)計分析，提升機(jī)械的可靠性。與傳統(tǒng)可靠性試驗不同，高加速壽命試驗并不采用模擬使用環(huán)境的方式進(jìn)行試驗，而是通過施加步進(jìn)應(yīng)力，將機(jī)械產(chǎn)品的潛在缺陷激發(fā)成可觀察的故障，在遠(yuǎn)大于技術(shù)條件規(guī)定的極限應(yīng)力下進(jìn)行試驗，從而得出機(jī)械產(chǎn)品的工作極限；然后，試驗轉(zhuǎn)入高加速應(yīng)力篩選過程，即在高加速壽命試驗的基礎(chǔ)上，剔除生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的缺陷，從而使機(jī)械產(chǎn)品的可靠性得到提升和鞏固。目前，國內(nèi)對于強(qiáng)化試驗的研究還很不完善，技術(shù)、設(shè)備等軟硬件方面都比較薄弱，有待提升。

5 結(jié)論

通過以上分析，我們發(fā)現(xiàn)，影響機(jī)械產(chǎn)品可靠性的因素有疲勞、老化、磨損、腐蝕、極端氣溫等，其可靠性試驗普遍存在著周期長、費用大的特點，且獲取數(shù)據(jù)大都不具有普遍性，屬小子樣。我國在機(jī)械可靠性試驗方面，還存在著相當(dāng)差距，而對于機(jī)械產(chǎn)品來說，可靠性試驗又是必不可少的，應(yīng)當(dāng)增加這方面的科研投入。機(jī)械產(chǎn)品可靠性試驗往往不具有典型性，比如用在自行車、汽車、列車上的軸承，就需要進(jìn)行不同的可靠性試驗。目前實行的可靠性標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，基本上都是針對電子產(chǎn)品的，而機(jī)械產(chǎn)品的可靠性試驗標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范還有待完善。對于機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計，一般還停留在靜態(tài)預(yù)測的階段，至于機(jī)械產(chǎn)品零部件的磨損和老化因素，往往考慮不到。目前，國外一些學(xué)者提出可靠性概率—物理模型的思路，以失效機(jī)理的物理參數(shù)作為預(yù)計參數(shù)，為機(jī)械產(chǎn)品可靠性的預(yù)計指明了研究方向。此外，在機(jī)械產(chǎn)品可靠性與環(huán)境應(yīng)力因素、微型零件的失效機(jī)理等方面，都應(yīng)當(dāng)重點攻關(guān)。機(jī)械可靠性技術(shù)雖然還存在著這樣那樣的不足，但隨著研究的深入與發(fā)展，一定會促進(jìn)機(jī)械可靠性的整體發(fā)展。

[1] 張學(xué)富,陳兆能.溢流閥可靠性增長試驗分析[J].傳動技術(shù),1997,97(2):41-47.

[2] 周源泉,朱新偉.論加速可靠性增長試驗新方向的提出[J].推進(jìn)技術(shù),2000,21(6):6-9.