機(jī)械可靠性工程研究體系及發(fā)展方向

龐志鋒，姚云峰

(1. 福建省三明市發(fā)展和改革委員會(huì)工業(yè)發(fā)展科，福建三明 365000；2. 河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

機(jī)械可靠性工程研究體系及發(fā)展方向

龐志鋒1，姚云峰2

(1. 福建省三明市發(fā)展和改革委員會(huì)工業(yè)發(fā)展科，福建三明 365000；2. 河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

總結(jié)分析機(jī)械可靠性理論研究的特點(diǎn)，系統(tǒng)闡述機(jī)械可靠性工程的學(xué)科體系及研究內(nèi)容，界定了機(jī)械可靠性工程研究的兩類主要問題。在此基礎(chǔ)上分析論述了機(jī)械可靠性工程研究的發(fā)展趨勢和方向。

可靠性；機(jī)械可靠性；研究體系；發(fā)展方向

可靠性是公認(rèn)的現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品四大質(zhì)量指標(biāo)(性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性)之一?？煽啃怨こ汤酶怕蕯?shù)學(xué)理論分析各種不確定的實(shí)際因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及性能的影響，用概率來定量表述產(chǎn)品可以完成預(yù)定功能的可能性。第二次世界大戰(zhàn)中暴露的大量武器裝備失效問題促使二戰(zhàn)后歐美國家開始對(duì)軍用電子設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)深入的可靠性研究，從而使可靠性成為一門工程研究學(xué)科迅速發(fā)展起來。當(dāng)前，隨著機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、功能日益完善，對(duì)可靠性的要求不斷提高，可靠性成為衡量機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，機(jī)械可靠性工程也成為機(jī)械工程和可靠性理論研究的重要方向[1]。

1 機(jī)械可靠性理論研究特點(diǎn)

哲學(xué)上講萬事無絕對(duì)，關(guān)于“絕對(duì)”唯一成立的命題就是“絕對(duì)沒有絕對(duì)”。任何產(chǎn)品都受其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用過程中各種不確定的實(shí)際因素影響，都無法保證絕對(duì)能夠完成預(yù)定的功能和任務(wù)?？煽啃跃褪怯酶怕实母拍顏矶攘慨a(chǎn)品可以完成預(yù)定功能的可能性及可靠程度，此即為產(chǎn)品的可靠度[2]。

在傳統(tǒng)的機(jī)械工程理論中用安全系數(shù)來保證產(chǎn)品的安全可靠性，各種設(shè)計(jì)變量的隨機(jī)性得不到反映。雖然基于強(qiáng)度和應(yīng)力平均值的安全系數(shù)取值明顯大于1，但是由于強(qiáng)度和應(yīng)力數(shù)值的離散性，有時(shí)候也會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力大于強(qiáng)度的實(shí)際情況，從而造成產(chǎn)品失效。在設(shè)計(jì)過程中為了提高產(chǎn)品的安全可靠性選用優(yōu)質(zhì)材料或加大零件尺寸以獲取較大的安全系數(shù)，這就必然造成不必要的浪費(fèi)。另外大量事實(shí)證明，一味地增大基于強(qiáng)度和應(yīng)力平均值的安全系數(shù)，并不能保證產(chǎn)品安全可靠性的提高。

在機(jī)械可靠性理論中，將載荷、材料性能與強(qiáng)度、零部件外形尺寸等變量都視為符合某種概率分布規(guī)律的隨機(jī)變量，以概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、工程力學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)等多方面知識(shí)，可以定量地給出產(chǎn)品的可靠度指標(biāo)，以保證產(chǎn)品的安全性和可靠性。機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)決定了產(chǎn)品的固有可靠性水平，而制造、安裝、使用和管理環(huán)節(jié)的任務(wù)則是保證產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，所以機(jī)械設(shè)計(jì)的可靠性是保證產(chǎn)品可靠性的最重要環(huán)節(jié)。將可靠性理論應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的性能分析及開發(fā)設(shè)計(jì)中，以可靠度指標(biāo)的定量研究來保證產(chǎn)品的可靠性品質(zhì)，有利于提高機(jī)械設(shè)計(jì)水平，改善產(chǎn)品質(zhì)量，是現(xiàn)代機(jī)械工程技術(shù)的重要發(fā)展方向。

2 機(jī)械可靠性工程研究體系

2.1機(jī)械可靠性工程研究的學(xué)科體系

機(jī)械可靠性工程是可靠性工程在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用，是可靠性理論與機(jī)械工程相關(guān)理論的交叉邊緣性學(xué)科。從研究內(nèi)容及其發(fā)展歷程上來看，機(jī)械可靠性工程與工程力學(xué)的研究緊密相連，其學(xué)科體系的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

2.2結(jié)構(gòu)可靠性與機(jī)構(gòu)可靠性

如圖1所示，機(jī)械可靠性工程研究的領(lǐng)域大致可以歸結(jié)為2部分，即結(jié)構(gòu)可靠性和機(jī)構(gòu)可靠性。結(jié)構(gòu)可靠性主要研究受結(jié)構(gòu)因素影響的機(jī)械強(qiáng)度、剛度與其承受載荷之間的關(guān)系以及由此產(chǎn)生疲勞、斷裂、過度變形等失效行為的可靠性規(guī)律。結(jié)構(gòu)可靠性問題是機(jī)械可靠性工程研究的基礎(chǔ)領(lǐng)域，研究起步較早。20世紀(jì)40年代末期提出的“結(jié)構(gòu)安全度”及“應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型”為結(jié)構(gòu)可靠性的研究奠定了理論基礎(chǔ)。由于主要涉及工程力學(xué)的靜力學(xué)理論，所以結(jié)構(gòu)可靠性問題又可以稱為靜力學(xué)可靠性問題。

機(jī)構(gòu)可靠性主要研究機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)副系統(tǒng)在構(gòu)件幾何尺寸誤差、摩擦磨損、彈性變形等因素影響下，造成產(chǎn)品預(yù)定功能失效或故障的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及彈塑性等方面問題的可靠性。機(jī)構(gòu)可靠性是可靠性工程研究中相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。與結(jié)構(gòu)可靠性研究相比，機(jī)構(gòu)可靠性的研究起步比較晚，是可靠性技術(shù)在機(jī)械工程中應(yīng)用的新方向。20世紀(jì)70年代末，前蘇聯(lián)學(xué)者關(guān)于機(jī)構(gòu)磨損可靠性和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可靠性專著的出版為機(jī)構(gòu)可靠性研究奠定了重要基礎(chǔ)，直到20世紀(jì)80年代機(jī)構(gòu)可靠性才開始形成系統(tǒng)的、專門的研究方向[3]。

2.3可靠性分析與可靠性設(shè)計(jì)

如圖2所示，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)其可靠性相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測評(píng)估及分析計(jì)算的問題可以稱之為可靠性工程第Ⅰ類問題，此即為可靠性分析問題。而可靠性工程的第Ⅱ類問題是根據(jù)產(chǎn)品的可靠性相關(guān)指標(biāo)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品零部件及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，從而獲得兼顧可靠性要求的機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)果，此即為可靠性設(shè)計(jì)問題?？煽啃苑治雠c可靠性設(shè)計(jì)都是機(jī)械可靠性工程研究的主要問題，是可靠性理論與機(jī)械工程相結(jié)合進(jìn)行研究的著眼點(diǎn)，其任務(wù)就是利用可靠性數(shù)學(xué)及其它相關(guān)理論、方法建立起機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)參數(shù)與可靠性指標(biāo)之間的定量映射關(guān)系，從而為產(chǎn)品可靠性質(zhì)量的提高提供理論依據(jù)及現(xiàn)實(shí)途徑。

圖2 機(jī)械可靠性工程的兩類問題Fig.2 Two main study fields of mechanical reliability engineering

3 機(jī)械可靠性工程研究發(fā)展方向

3.1可靠度計(jì)算方法

嚴(yán)格來講，可靠度計(jì)算方法屬于可靠性數(shù)學(xué)理論的范疇，但是鑒于其在可靠性工程中的重要的理論基礎(chǔ)地位，在此特別予以強(qiáng)調(diào)。可靠性工程關(guān)注于產(chǎn)品具體的可靠度及失效概率值。多年來關(guān)于可靠度的定量分析計(jì)算已經(jīng)形成了一些比較成熟的方法，但是在當(dāng)前工程實(shí)際對(duì)計(jì)算精度及效率要求日益提高的情況下，對(duì)可靠度計(jì)算方法的創(chuàng)新研究也顯得日益重要。

基于傳統(tǒng)的應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型的可靠度計(jì)算方法主要有概率解析法和近似概率法。概率解析法是基于數(shù)學(xué)概率計(jì)算理論的精確概率分析方法，而由于實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)和隨機(jī)變量概率分布情況的復(fù)雜性，使完全精確的概率解析計(jì)算難以實(shí)現(xiàn)。近似概率法包括基于極限狀態(tài)函數(shù)近似泰勒展開的一次二階矩法、高次高階矩法。其中高次高階矩法雖然提高了狀態(tài)函數(shù)泰勒展開的精度，但由于解析計(jì)算過程過于繁瑣導(dǎo)致新的計(jì)算誤差，故計(jì)算精度受到限制，應(yīng)用較少。目前工程實(shí)際中應(yīng)用較多的是基于極限狀態(tài)函數(shù)線性泰勒展開的一次二階矩法，包括矩分析法、變異系數(shù)法及JC法，其中JC法適用于基本隨機(jī)變量為任意分布的可靠度求解，并且運(yùn)算簡捷、計(jì)算精度較高，是廣泛應(yīng)用的一種可靠度計(jì)算方法?；诖髷?shù)定律的蒙特卡羅隨機(jī)抽樣模擬法(Monte Carlo法)也是可靠度計(jì)算的重要發(fā)展方向，尤其是20世紀(jì)90年代以后，結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)逐漸發(fā)展出了具有不同特點(diǎn)的多種抽樣模擬方法，包括：重要抽樣法[4]、子集模擬法[5]、方向抽樣法[6]、響應(yīng)面法[7]。目前限制該類方法發(fā)展的主要瓶頸是計(jì)算成本和計(jì)算效率問題。另外，將有限元法與概率分析理論相結(jié)合應(yīng)用于可靠性分析的概率有限元法，對(duì)極限狀態(tài)函數(shù)難以用顯函式表達(dá)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析提供了有效途徑。

目前，隨著機(jī)械系統(tǒng)日益復(fù)雜化，系統(tǒng)可靠性成為機(jī)械可靠性研究發(fā)展的重要方向。但是目前針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析的方法還很不完善，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)評(píng)價(jià)依然比較困難[8-9]。一般簡單的系統(tǒng)可靠性分析主要應(yīng)用傳統(tǒng)的可靠性框圖模型(串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)、表決系統(tǒng)等)，復(fù)雜系統(tǒng)可靠性分析主要應(yīng)用方法及研究方向包括故障樹分析法(FTA)、故障模式影響及危害度分析法(FMECA)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析法等。

3.2疲勞強(qiáng)度及疲勞壽命可靠性

隨著可靠性技術(shù)研究的深入，單純的靜強(qiáng)度可靠性已經(jīng)不能滿足工程實(shí)踐的需要?？紤]產(chǎn)品的循環(huán)交變應(yīng)力工況及零部件疲勞壽命、持久極限特性的疲勞強(qiáng)度及疲勞壽命可靠性問題更符合工程實(shí)際要求[10]，成為強(qiáng)度可靠性研究的重要發(fā)展方向。

目前，在材料疲勞強(qiáng)度及疲勞壽命理論發(fā)展的基礎(chǔ)上，將可靠性分析技術(shù)及理論與之有機(jī)結(jié)合，建立系統(tǒng)的無限壽命疲勞可靠性及有限壽命疲勞可靠性數(shù)學(xué)模型，并尋求精確高效的分析計(jì)算方法是這方面研究的迫切需要和重要方向。

3.3系統(tǒng)可靠性研究

近年來，隨著機(jī)械系統(tǒng)日益復(fù)雜化，系統(tǒng)可靠性研究日益受到重視。但就目前水平而言，對(duì)系統(tǒng)可靠性的研究還很不充分，尤其是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性研究是最近十幾年才發(fā)展起來的，相關(guān)的數(shù)學(xué)建模理論及分析計(jì)算方法都處于基礎(chǔ)研究階段，有待進(jìn)一步發(fā)展。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性理論將系統(tǒng)中各組成單元的故障失效視為相互獨(dú)立，進(jìn)而基于串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等各種理想模型進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分析。但是事實(shí)上在一般現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，各組成單元及元器件的故障失效都是相互影響、相互關(guān)聯(lián)的，只有考慮系統(tǒng)各組成單元及元器件的故障關(guān)聯(lián)性，建立關(guān)聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型，才能更加準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)可靠性的真實(shí)情況。所以關(guān)聯(lián)系統(tǒng)可靠性問題便成為目前系統(tǒng)可靠性研究的主要方向之一。另外，考慮系統(tǒng)元件對(duì)應(yīng)不同故障模式、不同失效程度的多狀態(tài)模式以及由于系統(tǒng)元件失效或性能衰退導(dǎo)致系統(tǒng)整體的性能下降且呈現(xiàn)出多個(gè)性能水平和多種失效模式，建立多狀態(tài)系統(tǒng)可靠性理論，是研究復(fù)雜系統(tǒng)可靠性的現(xiàn)實(shí)要求[11]。當(dāng)前多狀態(tài)系統(tǒng)可靠性研究的主要困難在于多狀態(tài)系統(tǒng)的可靠性建模及狀態(tài)數(shù)目爆炸問題，簡化多狀態(tài)系統(tǒng)可靠性模型、減輕計(jì)算負(fù)擔(dān)是研究的重點(diǎn)。

3.4模糊可靠性理論

20世紀(jì)80年代，最早有人提出了用模糊數(shù)學(xué)方法處理可靠性設(shè)計(jì)中存在的模糊性問題，國內(nèi)外研究人士就此進(jìn)行了許多有益的探索研究[12]。但是，由于研究起步晚、時(shí)間短，目前尚未形成完整的理論，初步的研究成果主要包括：建立模糊可靠性理論的必要性；擴(kuò)展常規(guī)可靠性指標(biāo)獲得模糊可靠度、模糊失效概率、模糊故障率等指標(biāo)；建立模糊可靠性指標(biāo)的計(jì)算公式；對(duì)簡單系統(tǒng)的模糊可靠性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。為了處理實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)中大量存在的模糊問題，對(duì)工程實(shí)踐起到實(shí)際的指導(dǎo)意義，應(yīng)該充分重視模糊可靠性理論的研究和發(fā)展。

3.5可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

將傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)與可靠性設(shè)計(jì)理論相結(jié)合，考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的概率分布特性及產(chǎn)品可靠性指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的約束指導(dǎo)作用，將可靠性指標(biāo)集成到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)或約束條件中，運(yùn)用最優(yōu)化方法得到概率意義上的產(chǎn)品最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，這就是可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)。機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)問題主要可分為3類：一是將可靠性指標(biāo)作為約束條件；二是將可靠性指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)；三是對(duì)系統(tǒng)可靠度進(jìn)行最優(yōu)化分配。可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模式更為合理，有利于提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量、保證設(shè)計(jì)安全可靠并且提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效益，在倡導(dǎo)提高產(chǎn)品安全可靠性及降低資源消耗的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展背景下，可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)將成為機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的基本要求和必然趨勢，相關(guān)的理論研究發(fā)展便顯得尤為重要。

3.6可靠性試驗(yàn)及數(shù)據(jù)積累

產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)及失效數(shù)據(jù)的積累是深入研究機(jī)械可靠性的重要條件。但是由于機(jī)械產(chǎn)品壽命試驗(yàn)及失效破壞試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)成本高、時(shí)間周期長，并且現(xiàn)場設(shè)備可靠性及失效數(shù)據(jù)的采集和積累難以實(shí)現(xiàn)，所以產(chǎn)品壽命及失效數(shù)據(jù)缺乏往往成為制約機(jī)械可靠性研究的瓶頸，是中國機(jī)械可靠性研究面臨的普遍問題。廣大機(jī)械可靠性研究工作者應(yīng)該樹立可靠性數(shù)據(jù)積累的長期意識(shí)，通過科學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和長期積累，促進(jìn)機(jī)械可靠性研究水平的切實(shí)提高。

4 結(jié) 語

可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是未來產(chǎn)品競爭的關(guān)鍵所在。機(jī)械可靠性工程的研究是提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的必然要求，也是機(jī)械工程技術(shù)及可靠性理論發(fā)展的內(nèi)在要求。本文總結(jié)分析了機(jī)械可靠性理論研究的特點(diǎn)，闡述了機(jī)械可靠性工程研究的學(xué)科體系及研究內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上分析論述了機(jī)械可靠性工程研究的發(fā)展趨勢和方向，為提高機(jī)械可靠性研究水平提供了思路和方向，對(duì)機(jī)械可靠性工程的研究發(fā)展具有重要意義。

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Research and development of mechanical reliability engineering

PANG Zhifeng1, YAO Yunfeng2

(1. Industry Development Section, Sanming City Development and Reform Commission， Sanming Fujian 365000, China; 2.School of Materials Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

The characteristics of the mechanical reliability theory are summarized and analyzed, and the discipline system and its research contents are systematically examined. The two main study areas of mechanical reliability engineering are defined. The research trend of mechanical reliability engineering is also discussed.

reliability; mechanical reliability; study system; development direction

1008-1534(2013)04-0272-04

TB114.3；TH122

A

10.7535/hbgykj.2013yx0412

2013-03-26;

2013-04-27

責(zé)任編輯：馮 民

龐志鋒(1981-)，男，河北邯鄲人，博士，主要從事工業(yè)科技管理、機(jī)械可靠性理論及技術(shù)研究等方面的工作。

E-mail: pangzfmail@163.com