踐行可靠性系統(tǒng)工程實現(xiàn)軸承行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展

盧剛

(中國軸承工業(yè)協(xié)會，北京 100055)

“十五”至“十二五”期間，軸承行業(yè)的技改投資總額高達(dá)數(shù)百億元，其中外資約一百億元。與國際先進(jìn)水平相比，內(nèi)資投入多為低水平的重復(fù)建設(shè)；外資投入則是通過補(bǔ)充產(chǎn)能與國內(nèi)企業(yè)爭奪中端市場。因此，自主產(chǎn)品的質(zhì)量與品牌提升效果并不明顯，國際市場競爭國內(nèi)化逐步加劇。

如何推動軸承行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，需要站在戰(zhàn)略高度來思考！需要從現(xiàn)狀出發(fā)，從差距切入；需要有精準(zhǔn)目標(biāo)、精準(zhǔn)指標(biāo)、務(wù)實的措施和支撐條件。軸承可靠性是國內(nèi)高端需求的最大關(guān)注對象，與國外軸承行業(yè)存在很大差距，且至今尚不被行業(yè)所重視。因此，應(yīng)該將提高軸承可靠性作為全行業(yè)轉(zhuǎn)型升級與市場競爭力培育的核心內(nèi)容，作為高質(zhì)量發(fā)展的切入點。

1 軸承行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 快速發(fā)展階段

“八五”至“十二五”期間，軸承行業(yè)的增長趨勢如圖1所示。從圖中可以看出，軸承行業(yè)得到了高速發(fā)展，平均增長率約為14.8%，產(chǎn)業(yè)規(guī)模增長了47倍，已穩(wěn)居世界軸承大國前3位。國產(chǎn)軸承自主配套已實現(xiàn)80%以上的市場覆蓋，中低端產(chǎn)品在國際市場競爭中也取得一定優(yōu)勢。

圖1 軸承行業(yè)“八五”至“十二五”期間增長趨勢

“八五”至“十二五”期間，我國還建立了完整的軸承工業(yè)體系。產(chǎn)業(yè)體系包括了完整的產(chǎn)品種類，軸承鋼材、專用機(jī)床與設(shè)備、檢測試驗裝備、儀器儀表等產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)齊全；技術(shù)體系包括了國家級、部省級技術(shù)創(chuàng)新平臺、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品監(jiān)督檢驗機(jī)構(gòu)；人才培育體系涵蓋了高校與科研院所的中高端專業(yè)人才、企業(yè)級技能人才以及社會培訓(xùn)機(jī)構(gòu)等。

然而，需要注意的是，“十二五”以來，軸承行業(yè)已步入了調(diào)整發(fā)展期。

1.2 從質(zhì)量與差距看現(xiàn)狀

1.2.1 與國際先進(jìn)水平的差距

我國軸承工業(yè)與國外先進(jìn)水平的差距主要表現(xiàn)在產(chǎn)品、技術(shù)水平、企業(yè)發(fā)展水平3個方面，導(dǎo)致了軸承質(zhì)量存在如下主要問題：

1)產(chǎn)品質(zhì)量的一致性差距。同一批軸承中各種質(zhì)量參數(shù)的離散度較大，如公差分布的正態(tài)曲線呈丘峰狀而不是尖峰狀；疲勞試驗中最高壽命與最低壽命之比甚至相差數(shù)十倍。

2)動態(tài)性能差距。盡管國產(chǎn)軸承在靜態(tài)精度上與國外先進(jìn)水平比較接近，微小型軸承已能抗衡日本NSK等公司的產(chǎn)品，但真正反映軸承使用狀態(tài)的動態(tài)性能(振動、噪聲、摩擦)尚有差距，尤其是滾子軸承和中、大型球軸承差距較大。常規(guī)檢測中的振動、噪聲相差5～10 dB，靜音、異常聲等特殊檢測指標(biāo)差距更大。同樣標(biāo)準(zhǔn)要求下，國產(chǎn)軸承的合格率較國外產(chǎn)品低20%～40%。不僅檢測結(jié)果存在差距，性能的保持性也同樣存在較大差距，國產(chǎn)軸承即使檢測結(jié)果與國外先進(jìn)水平相同，其滿足性能要求的運(yùn)行時間相對較短。

3)壽命可靠性低。這是國內(nèi)外用戶反映最普遍、也最強(qiáng)烈的問題，國產(chǎn)軸承的使用壽命平均只能達(dá)到國外產(chǎn)品的一半左右。經(jīng)疲勞壽命試驗得到的國內(nèi)外軸承的壽命指數(shù)(試驗壽命與計算壽命之比)及可靠度結(jié)果見表1。

表1 國、內(nèi)外軸承的壽命指數(shù)及可靠度

1.2.2 世界軸承強(qiáng)國的經(jīng)驗

世界軸承強(qiáng)國均是成熟的工業(yè)化國家，其經(jīng)驗表明： 實踐可靠性系統(tǒng)工程是工業(yè)化成熟的重要標(biāo)志，也是實現(xiàn)工業(yè)化的一條重要路徑。

能用、耐用、好用是使用者評價產(chǎn)品最常用的口頭禪，一致性是軸承用戶最關(guān)注，也是離散性制造業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量最重要的評價項目。如何用指標(biāo)量化口頭評價和評價項目？可靠性技術(shù)或可靠性系統(tǒng)工程就是量化解決質(zhì)量問題的一種成熟的技術(shù)方案。

1.2.3 國內(nèi)外可靠性技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

對于可靠性技術(shù)，國內(nèi)電子行業(yè)最先引進(jìn)，起步于20世紀(jì)70年代；20世紀(jì)80年代，中國航空工業(yè)為了研制“殲十”，在當(dāng)時國內(nèi)大部分人都不知道可靠性是什么的背景下，全面引入可靠性工程，成就了我國航空工業(yè)的一段傳奇。

我國軸承行業(yè)對可靠性的認(rèn)識相對滯后，20世紀(jì)70年代中后期開始在實驗室進(jìn)行規(guī)范的壽命試驗分析，90年代后期提出了軸承壽命與可靠性攻關(guān)，但至今仍未系統(tǒng)地普及和推廣應(yīng)用可靠性技術(shù)。在質(zhì)量領(lǐng)域應(yīng)用可靠性技術(shù)方面，我國軸承行業(yè)落后于成熟的工業(yè)化國家不只40年。

國外可靠性技術(shù)起步于二戰(zhàn)期間，早期出于安全性考慮，主要研究飛機(jī)(美國1939年)、火箭(德國1944年)的安全性；1947年美國開始研究結(jié)構(gòu)可靠性問題；1957年美國電子可靠性小組(AGREE)發(fā)表可靠性奠基性報告；1962年召開可靠性、維修性和故障物理學(xué)學(xué)術(shù)會議；1970年建立了機(jī)械產(chǎn)品-機(jī)械可靠性理論(包括機(jī)械和元器件的可靠性設(shè)計，可靠性評估與負(fù)載、應(yīng)力及失效模式，傳感器、軸承、齒輪和發(fā)動機(jī)等的可靠性計算)；1974年美國原子能委員會提出“故障樹”方法分析評估故障。日本則從1956年引進(jìn)可靠性技術(shù)，1960年組建質(zhì)量委員會，使可靠性技術(shù)從安全領(lǐng)域進(jìn)入到質(zhì)量領(lǐng)域。

1.2.4 不同發(fā)展時期的生產(chǎn)特征與質(zhì)量管理

根據(jù)工業(yè)化不同發(fā)展時期，對于質(zhì)量可靠性的生產(chǎn)特征及應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，見表2。

表2 不同工業(yè)化時期的生產(chǎn)特征與質(zhì)量管理方式

1.3 《中國制造2025》與可靠性技術(shù)

《中國制造2025》有三段話提到“可靠性”：1)加強(qiáng)可靠性設(shè)計、試驗、驗證技術(shù)的研究和應(yīng)用；2)推廣先進(jìn)的在線故障預(yù)測與診斷技術(shù)及后勤系統(tǒng)；3)關(guān)鍵產(chǎn)品可靠性指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

軸承在很多主機(jī)和應(yīng)用領(lǐng)域都被認(rèn)為是關(guān)鍵產(chǎn)品。因此在軸承行業(yè)推廣可靠性技術(shù)十分必要，尤其是高端軸承領(lǐng)域。但對不同的應(yīng)用可以設(shè)計不同的可靠性指標(biāo)。中國工程院《制造強(qiáng)國戰(zhàn)略研究》報告中的質(zhì)量強(qiáng)國戰(zhàn)略就提出“制造業(yè)可靠性工程的質(zhì)量強(qiáng)國戰(zhàn)略”。報告總結(jié)提煉了航空航天30年的可靠性系統(tǒng)工程的經(jīng)驗和成果，對外以《可靠性系統(tǒng)工程理論與技術(shù)》名稱發(fā)布，成為實現(xiàn)制造強(qiáng)國的重大基礎(chǔ)性工作，需要用系統(tǒng)工程的方法推進(jìn)可靠性技術(shù)應(yīng)用。

2 可靠性系統(tǒng)工程初識

2.1 浴盆曲線

可靠性領(lǐng)域最重要的概念就是浴盆曲線(圖2)，縱坐標(biāo)是產(chǎn)品的故障率，橫坐標(biāo)是產(chǎn)品的使用時間，從統(tǒng)計上反映出產(chǎn)品故障發(fā)生的規(guī)律。

圖2 可靠性工程的浴盆曲線

浴盆曲線的第1段表示在早期使用時，故障率會比較高，需要經(jīng)過不斷的維修、適應(yīng)性改進(jìn)，甚至修改設(shè)計、工藝，降低故障率，常稱之為“磨合期”。

浴盆曲線的第2段是故障率處于較低水平的使用階段，基本上不會發(fā)生劇烈波動，最好保持長時間穩(wěn)定，稱之為“適應(yīng)期”。

浴盆曲線的第3段是低水平故障率明顯升高的階段，但尚可使用，說明產(chǎn)品已進(jìn)入到預(yù)期壽命階段，稱之為“故障期”。

幾乎所有的機(jī)械產(chǎn)品都表現(xiàn)出相同的規(guī)律，這是統(tǒng)計記錄所揭示出來的現(xiàn)象，維修周期可根據(jù)這個規(guī)律進(jìn)行設(shè)定。

2.2 浴盆曲線與可靠性

實施了可靠性系統(tǒng)工程，“浴盆”就會變成“碟盤”。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)上看到浴盆曲線第1和第3階段會很平坦，說明磨合期和故障期的變化并不顯著；而第2個階段，即盆底向兩端延伸，說明適應(yīng)期得到了延長。

通過浴盆曲線的變化可以判斷出可靠性技術(shù)應(yīng)用的效果；還可以折射出中國制造業(yè)的很多常見問題。目前，我國制造業(yè)的特征在浴盆曲線的3個階段均有反映：1)磨合期故障率高；2)故障率穩(wěn)定下來的時間長；3)適應(yīng)期短，即壽命不長。這些問題交織在一起反映了企業(yè)實施可靠性工程實踐的重要性。

浴盆曲線是一個有關(guān)故障發(fā)生概率和統(tǒng)計規(guī)律的曲線，也是產(chǎn)品質(zhì)量評價和失效分析的一種工具。

2.3 軸承產(chǎn)品的可靠性

軸承是機(jī)械元件，其可靠性區(qū)別于機(jī)械產(chǎn)品和過程的可靠性。用于定量表述可靠性指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語為“可靠度”。

軸承可靠度(Reliability)是指在同一條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的一組近于相同的滾動軸承期望達(dá)到或超過某一規(guī)定壽命的百分率；單個軸承的可靠度則指達(dá)到期望壽命的概率。工程應(yīng)用中對可靠度的理解主要有3個內(nèi)容：1)在確定運(yùn)轉(zhuǎn)條件下；2)期望壽命期內(nèi)；3)正常使用的百分率(概率)。

1)可靠度由以試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的統(tǒng)計分析獲得。物理過程、失效分析、數(shù)學(xué)模型、概率分布及數(shù)理方法是實施可靠性工程的重要基礎(chǔ)。

2)可靠度與壽命密切相關(guān)。軸承設(shè)計的期望壽命對應(yīng)的可靠度是90%(根據(jù)額定動載荷理論和ISO標(biāo)準(zhǔn))，縮小期望壽命值就能提高可靠度。GB/T 6391—2010《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》給出的對應(yīng)不同可靠度壽命值的修正系數(shù)見表3。

表3 可靠度壽命修正系數(shù)a1

3)軸承行業(yè)是典型的離散型制造業(yè)。大批量軸承制造過程產(chǎn)生的超大量數(shù)據(jù)都是離散型數(shù)據(jù)。尺寸與公差是離散的，統(tǒng)計結(jié)果符合正態(tài)分布；壽命數(shù)據(jù)也是離散的，符合Weibull分布等。

4)可靠度評估是一門深奧的學(xué)問，也是一項復(fù)雜的技術(shù)，需要花大力氣、大投入，經(jīng)過長期積累數(shù)據(jù)才能完成。目前，計算機(jī)技術(shù)為此創(chuàng)造了良好的先決條件。

5)同時要求長壽命與高可靠度是現(xiàn)代高端裝備對配套軸承的基本要求，主要基于安全性和經(jīng)濟(jì)性的考慮。如飛行器、高速客車、風(fēng)電機(jī)組、盾構(gòu)機(jī)等。這是軸承產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的發(fā)展機(jī)遇，更是企業(yè)必須面對的挑戰(zhàn)。

2.4 可靠性系統(tǒng)工程是“方法論”

與故障相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計特性主要包含6個方面：可靠性、維修性、測試性、保障性、環(huán)境適應(yīng)性和安全性，也就是產(chǎn)品的通用質(zhì)量特性，如圖3所示。

圖3 故障“六性”

可靠性系統(tǒng)工程的概念是從如何推進(jìn)可靠性工作的角度提出，其關(guān)鍵是研究產(chǎn)品故障的發(fā)生、發(fā)展及其預(yù)防和維修保障的規(guī)律。將這些與故障直接或間接相關(guān)的設(shè)計特性進(jìn)行概括性的總結(jié)，即可靠性系統(tǒng)工程，也就是圍繞產(chǎn)品保障規(guī)律組織管理通用質(zhì)量特性工作的方法論。 從方法論上進(jìn)一步解釋可靠性系統(tǒng)工程的內(nèi)涵(圖4)，即在研發(fā)階段就進(jìn)行與故障相關(guān)特性的設(shè)計、分析、試驗評價工作，同時還要做與故障相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計、分析、評價工作。

圖4 可靠性系統(tǒng)工程的內(nèi)涵

與故障相關(guān)的系統(tǒng)，是指面向產(chǎn)品的使用維護(hù)和運(yùn)維階段，即售后服務(wù)系統(tǒng)。沒有經(jīng)歷過正向研發(fā)過程時，解決方案通常是出了故障就要修好，即被動的維修服務(wù)。然而，即使是售后服務(wù)系統(tǒng)，也需要主動去設(shè)計。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展了與故障相關(guān)的系統(tǒng)，如維修保障系統(tǒng)、機(jī)內(nèi)測試系統(tǒng)、自動測試設(shè)備系統(tǒng)、中央維護(hù)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)、PHM故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)(目前的技術(shù)熱點)等。完整的針對故障的研發(fā)和設(shè)計如圖4所示，這就是可靠性系統(tǒng)工程最基本的理念。

3 可靠性伴隨工業(yè)發(fā)展而發(fā)展

如圖5所示，質(zhì)量與可靠性就像一對形影不離的雙胞胎，始終伴隨著工業(yè)化的歷程。

圖5 質(zhì)量與可靠性伴隨著工業(yè)化進(jìn)程

3.1 產(chǎn)品質(zhì)量檢驗

有制造就有質(zhì)量和質(zhì)量檢驗。手工業(yè)時代、青銅器或鐵器時代，器物鑄造的好不好同樣取決于設(shè)計、制造和檢驗，但這些工序可能由師傅一個人完成。工業(yè)化后的批量生產(chǎn)則不一樣，福特汽車在大批量生產(chǎn)時代最具里程碑意義的事情，就是將質(zhì)量檢驗從產(chǎn)業(yè)工人中分離，設(shè)置專業(yè)人員檢驗產(chǎn)品是否合格，這就是基于專業(yè)化分工的流水線產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗，質(zhì)量專業(yè)也因此誕生。

質(zhì)量檢驗又分為2個階段，當(dāng)批量比較少的時候全數(shù)檢驗；對于一年幾十萬輛車，數(shù)千萬個零件的大批量，無法全數(shù)檢驗，需要采用統(tǒng)計方法，即抽樣檢驗。這2種檢驗都可以叫做過程質(zhì)量檢驗。過程質(zhì)量檢驗的出現(xiàn)是質(zhì)量可靠性發(fā)展歷史上的第1個里程碑事件。

3.2 過程質(zhì)量控制

當(dāng)工業(yè)化發(fā)展到一定程度后，又出現(xiàn)新的問題，質(zhì)量檢驗是在產(chǎn)品生產(chǎn)后進(jìn)行合格與否的判定，會產(chǎn)生廢品，造成質(zhì)量損失。因此，驅(qū)動人們思考能不能在制造過程中進(jìn)行質(zhì)量控制，預(yù)防不合格品的產(chǎn)生，降低不合格率，這就是過程質(zhì)量控制。統(tǒng)計過程控制SPC和六西格瑪概念方法在這個階段產(chǎn)生。

3.3 質(zhì)量的安全性

早期的工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用，如蒸汽機(jī)、汽車、火車、飛機(jī)等，常發(fā)生爆炸、交通肇事、脫軌、墜毀等重大事故，所以，安全性是伴隨著工業(yè)化要面臨的又一個問題！

對于電氣、機(jī)械產(chǎn)品，如何保障其使用安全，逐步形成了一套設(shè)計準(zhǔn)則以及嚴(yán)格的驗證規(guī)范。但是，需要設(shè)計、制造者的嚴(yán)格遵守，也需要政府的監(jiān)督。像民用飛機(jī)這一類政府監(jiān)管的適航取證，則是只管安全性，不管可靠性。可靠性對飛機(jī)安全有影響，但是安全性又有自己的技術(shù)范疇，安全的不一定可靠，可靠的不一定安全，這是2個很有意思的概念。于是“可靠性”成了一個獨(dú)特的質(zhì)量概念。

3.4 質(zhì)量的可靠性

第二次世界大戰(zhàn)中，德國人在作戰(zhàn)運(yùn)籌中產(chǎn)生了“可靠度”的概念，后來發(fā)展為可靠性意識。到了20世紀(jì)50年代，在美國正式誕生了可靠性工程專業(yè)。但是“質(zhì)量”的發(fā)展也一直在向前推進(jìn)，從質(zhì)量過程的事后檢驗發(fā)展為事前的過程質(zhì)量控制，到了六七十年代，發(fā)現(xiàn)只控制生產(chǎn)過程仍然不夠，還需要全面的質(zhì)量管理，這就是非常經(jīng)典的“人、機(jī)、料、法、環(huán)”。

綜上可知：過程質(zhì)量檢驗、過程質(zhì)量控制是工業(yè)化早、中期形成的經(jīng)典、傳統(tǒng)方法；20世紀(jì)七八十年代采用了全面質(zhì)量管理。在這個過程中，可靠性逐漸發(fā)展了維修性、測試性、保障性等概念。維修性指產(chǎn)品要易于修理；測試性指在維修過程中能夠快速進(jìn)行故障定位、診斷；保障性指在維修診斷的過程中要能夠提供足夠多的資源、備件、維修人員、維修設(shè)備、維修設(shè)施等。

伴隨著這些新概念的發(fā)展，20世紀(jì)60年代，美國在研發(fā)過程中提出了新的管理技術(shù)——工程專業(yè)綜合，后來發(fā)展為系統(tǒng)工程，并于90年代進(jìn)一步發(fā)展為并行工程，最終發(fā)展為目前的基于模型的系統(tǒng)工程。這些技術(shù)的目的是解決可靠性概念融入設(shè)計研發(fā)流程以及整個壽命周期流程的問題。

3.5 小結(jié)

從上述發(fā)展歷史可以看出，可靠性與質(zhì)量伴隨著整個工業(yè)發(fā)展的全過程，是工業(yè)化的主旋律，是工業(yè)化成熟的重要路徑和標(biāo)志。可靠性系統(tǒng)工程主要是針對復(fù)雜產(chǎn)品和大型工程項目，但可靠性知識和技術(shù)幾乎適用于所有批量化工業(yè)產(chǎn)品和工程項目。