機(jī)械產(chǎn)品可靠性研究的新進(jìn)展
——元?jiǎng)幼骺煽啃岳碚?

張根保 冉 琰 庾 輝 李 麗

(①重慶文理學(xué)院智能制造工程學(xué)院，重慶 402160；②重慶大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，重慶 400044；③北京機(jī)床研究所有限公司，北京 100102)

機(jī)械產(chǎn)品是以機(jī)械零部件為載體的工業(yè)制成品，在國民經(jīng)濟(jì)、國防和社會(huì)生活中發(fā)揮著極其重要的作用[1]。機(jī)械產(chǎn)品種類繁多，功能和性能要求各異，但都對產(chǎn)品的可靠性提出嚴(yán)格的要求。為了保障和提高產(chǎn)品的可靠性，世界各國的學(xué)術(shù)界和企業(yè)界都投入巨大的人力、物力和財(cái)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(chǎn)品的可靠性起到很大作用[2]?？煽啃岳碚撈鹪从诙问澜绱髴?zhàn)期間，美軍在二戰(zhàn)中發(fā)現(xiàn)，其戰(zhàn)機(jī)的損失主要是因?yàn)殡娮釉骷氖?。于是，美國?943年成立了“電子管研究委員會(huì)”，專門研究電子管的可靠性問題。1949年美國無線電工程師學(xué)會(huì)成立了全世界第一個(gè)可靠性技術(shù)組。后來在朝鮮戰(zhàn)爭中發(fā)現(xiàn)，不可靠的電子設(shè)備極大地影響了戰(zhàn)爭的進(jìn)行，而且需要大量的維修費(fèi)用，每年的維修費(fèi)是設(shè)備采購費(fèi)用的2倍。為此，于1950年12月美國成立了“電子設(shè)備可靠性專門委員會(huì)”[3]。到20世紀(jì)60年代，隨著航空航天工業(yè)的迅速發(fā)展，可靠性設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法被接受和應(yīng)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(shù)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(dòng)與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研制和生產(chǎn)相結(jié)合開展可靠性分析，提出可靠性建模方法[4]、進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)[5]、可靠性分配[6-7]、可靠性分析(FMEA和FTA)[8-9]、可靠性試驗(yàn)[10-11]、可靠性物理[12-13]、可靠性數(shù)據(jù)采集和分析、制定可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、可靠性維修方法[14-16]等。但縱觀國內(nèi)外的研究工作，研究對象和研究方法大多是圍繞電子產(chǎn)品和元器件，對電子產(chǎn)品可靠性的提升發(fā)揮了巨大的作用，但由于機(jī)械產(chǎn)品的特殊性，其可靠性方法的研究卻進(jìn)展緩慢，主要是沿用電子產(chǎn)品的可靠性方法。

1 機(jī)械產(chǎn)品可靠性技術(shù)存在的主要問題

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

表1 電子產(chǎn)品與機(jī)械產(chǎn)品的簡要對照

從該對照表可以看出，照搬傳統(tǒng)電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)和分析方法開展機(jī)械產(chǎn)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(jī)械產(chǎn)品的故障模式比電子產(chǎn)品復(fù)雜的多，盡管有研究人員根據(jù)故障表現(xiàn)將機(jī)械產(chǎn)品的故障模式劃分為8大類[17]，但劃分的依據(jù)并不充分，概念并不清晰。在進(jìn)行故障樹分析時(shí)，采用傳統(tǒng)的分析方法無法嚴(yán)格區(qū)分故障模式和故障原因2個(gè)概念。1個(gè)故障現(xiàn)象有時(shí)劃分為故障模式(針對故障樹下層)，有時(shí)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(yù)測所有潛在故障模式

在進(jìn)行可靠性分析時(shí)，常常會(huì)使用FMEA作為分析工具。在國家標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 1391《故障模式、影響及危害性分析指南》[18]中，關(guān)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(chǎn)品的功能描述或硬件特征、故障判據(jù)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(shí)現(xiàn)“所有可能”？在標(biāo)準(zhǔn)中并沒有給出答案。人們在進(jìn)行FMEA分析時(shí)，往往是根據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn)和歷史數(shù)據(jù)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(chǎn)品，漏掉幾個(gè)故障模式的影響還不大，因?yàn)楣收系暮蠊⒉粐?yán)重。但對于全新的產(chǎn)品(以前就沒有見過，更別提故障的歷史數(shù)據(jù))和安全性要求非常高的產(chǎn)品(如核電設(shè)備、航空航天裝備)，遺漏掉的故障模式往往是致命的，因?yàn)榧热粵]有預(yù)測到某一個(gè)潛在的故障模式，就必然不會(huì)在設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行中采取應(yīng)對措施，一旦沒有分析過的故障模式出現(xiàn)，就會(huì)產(chǎn)生災(zāi)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(chǎn)品的功能密切相關(guān)的一個(gè)概念。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3187-1982《可靠性基本名詞術(shù)語及定義》[19]，將可靠性定義為產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，這種能力以概率表示，也稱可靠度。可以看出，所謂的可靠性就是指功能可靠性，所謂的故障就是指產(chǎn)品的功能不能正常完成。因此很明顯，故障模式一定是與產(chǎn)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(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)中一個(gè)齒輪發(fā)生斷齒，通常會(huì)說“斷齒故障”。但斷齒這一故障對產(chǎn)品功能(也就是運(yùn)動(dòng))是如何發(fā)生關(guān)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(shí)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(chǎn)品的功能和性能是兩個(gè)不同的概念。功能故障指的是產(chǎn)品功能不能夠正常實(shí)現(xiàn)，性能故障指的是產(chǎn)品性能參數(shù)超出設(shè)定的閾值。以車床作為例子，只要主軸能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具能夠移動(dòng)，車床的功能就能夠?qū)崿F(xiàn)(沒有功能故障)。只要被加工零件的圓度在公差范圍內(nèi)，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(yán)格區(qū)分這兩類不同性質(zhì)的故障，缺乏統(tǒng)一的故障定義。

(5)部件級的建模復(fù)雜，零件級的分析繁瑣

在進(jìn)行FMEA分析時(shí)，傳統(tǒng)的方法或者分解到部件級，或者按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解到零件級?；诓考壍姆纸?將部件作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)的整體)，建模的粒度太粗(無法深入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)，難于實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的分析。基于零件的分解，建模的粒度太細(xì)，零件數(shù)量很多時(shí)，會(huì)造成建模分析的工作量太大。盡管在機(jī)械裝配結(jié)構(gòu)上有“組件”的概念，但很少應(yīng)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(yùn)動(dòng)關(guān)系

機(jī)械產(chǎn)品的最大特點(diǎn)是“運(yùn)動(dòng)”，通過零部件間的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能，保障產(chǎn)品的性能。因此，機(jī)械產(chǎn)品可靠性分析的要點(diǎn)是與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的各種特性(力、運(yùn)動(dòng)、速度、加速度和摩擦磨損等)以及產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)，這是電子產(chǎn)品所沒有的。因此，電子產(chǎn)品的故障樹分析不需要考慮這些特點(diǎn)，而對機(jī)械產(chǎn)品而言卻是必不可少的，但目前尚缺乏適合機(jī)械產(chǎn)品的故障樹建模方法。

(7)缺乏整機(jī)可靠性指標(biāo)的映射方法

在進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，需要將整機(jī)的設(shè)計(jì)可靠度(包括精度)分配給各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件甚至關(guān)鍵零件，作為部件和零件的設(shè)計(jì)輸入。但由于缺乏整機(jī)可靠度指標(biāo)與部件和零件可靠度指標(biāo)之間的理論關(guān)系，使得可靠性(精度)分配只能采用類比法和經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行，難于保障分配的效果。另外，由于機(jī)械產(chǎn)品主要是個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)，在進(jìn)行可靠性(精度)分配時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)“層層加碼”的現(xiàn)象，即每個(gè)子系統(tǒng)分配到的指標(biāo)必須小于總的指標(biāo)，使得最終零件級的設(shè)計(jì)輸入要求太高，實(shí)際中往往是無法實(shí)現(xiàn)的。

(8)實(shí)驗(yàn)周期長，失效數(shù)據(jù)少

與電子產(chǎn)品不同，機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件數(shù)量很多且很難實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，失效模式多樣，實(shí)驗(yàn)方式多變。在進(jìn)行可靠性和壽命實(shí)驗(yàn)時(shí)，從搭建試驗(yàn)臺(tái)到開展實(shí)驗(yàn)的時(shí)間周期很長，得到的失效數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)化，分析難于實(shí)現(xiàn)通用化

機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，造成可靠性建模方法難于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，可靠性分析方法難于實(shí)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?jiǎng)幼骺煽啃缘睦碚撘罁?jù)

鑒于傳統(tǒng)可靠性方法存在的諸多問題，極大地影響了機(jī)械產(chǎn)品可靠性的提升，需要尋找新的、適合機(jī)械產(chǎn)品的可靠性工作方法。首先，根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)劃分為3個(gè)部分：運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)、承載結(jié)構(gòu)和驅(qū)控結(jié)構(gòu)，針對3種結(jié)構(gòu)采用不同的可靠性工作方法。

運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)是機(jī)械產(chǎn)品最主要的結(jié)構(gòu)形式，主要作用是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的各種運(yùn)動(dòng)功能，可以說，沒有運(yùn)動(dòng)就不成其為機(jī)械。運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要包括各類運(yùn)動(dòng)型的機(jī)械零件、傳動(dòng)組件和各種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)失效是機(jī)械產(chǎn)品的主要故障模式，本文所指的元?jiǎng)幼骺煽啃岳碚撝饕褪轻槍\(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的。

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

驅(qū)控結(jié)構(gòu)是機(jī)械產(chǎn)品中除運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和承載結(jié)構(gòu)外的其他結(jié)構(gòu)形式，主要作用是為機(jī)械產(chǎn)品提供動(dòng)力并控制機(jī)械部分的各種運(yùn)動(dòng)。驅(qū)控結(jié)構(gòu)主要包括電氣、液壓、氣動(dòng)、環(huán)境保障和數(shù)控等形式，屬于機(jī)械產(chǎn)品的外圍結(jié)構(gòu)。驅(qū)控失效也是機(jī)械產(chǎn)品的主要故障原因，考慮到各種驅(qū)控結(jié)構(gòu)各自都有比較成熟的可靠性分析方法，本文并不涉及驅(qū)控結(jié)構(gòu)的可靠性問題。

對于機(jī)械產(chǎn)品(主要指運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu))而言，產(chǎn)品的功能是靠運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，性能是靠運(yùn)動(dòng)保障的，功能故障和性能故障必然就體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)上。由于運(yùn)動(dòng)的基本單位是元?jiǎng)幼?，因此就需要從元?jiǎng)幼鞒霭l(fā)定義故障模式，以元?jiǎng)幼鳛楹诵姆治霎a(chǎn)品的可靠性，這樣就將產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)功能和性能與故障有機(jī)的結(jié)合起來，這就是提出機(jī)械產(chǎn)品元?jiǎng)幼骺煽啃缘睦碚撘罁?jù)。

3 元?jiǎng)幼骺煽啃岳碚擉w系

元?jiǎng)幼骺煽啃岳碚擉w系如圖1所示?？梢钥闯觯?jiǎng)幼骺煽啃岳碚擉w系共包括5大部分內(nèi)容：產(chǎn)品功能分解、可靠性指標(biāo)映射、元?jiǎng)幼骺煽啃苑治觥⒃獎(jiǎng)幼骺煽啃詢?yōu)化和可靠性預(yù)計(jì)，這5部分以元?jiǎng)幼鳛楹诵?，共同?gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)。產(chǎn)品功能分解的主要工作是建立FMA(function-movement-action)分解樹[6, 20]，將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)功能分解為元?jiǎng)幼?，并組成元?jiǎng)幼鹘Y(jié)構(gòu)單元；可靠性指標(biāo)映射的主要工作是將整機(jī)的可靠性指標(biāo)沿著FMA樹分解到各個(gè)元?jiǎng)幼?，作為元?jiǎng)幼骺煽啃苑治龅脑O(shè)計(jì)輸入；元?jiǎng)幼骺煽啃苑治龅闹饕ぷ魇菍υ獎(jiǎng)幼骷捌鋯卧M(jìn)行各種分析和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各種潛在的故障；元?jiǎng)幼骺煽啃詢?yōu)化的主要工作是改進(jìn)元?jiǎng)幼鲉卧慕Y(jié)構(gòu)，保障其可靠性指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)；可靠性預(yù)計(jì)的主要工作是對各個(gè)元?jiǎng)幼鞯墓收细怕恃刂鳩MA樹進(jìn)行逆向綜合，確保產(chǎn)品的實(shí)際可靠性優(yōu)于其設(shè)計(jì)指標(biāo)。元?jiǎng)幼骺煽啃缘睦碚摶A(chǔ)是：相關(guān)定義、建模方法、分析方法、試驗(yàn)方法和試驗(yàn)臺(tái)架、評估方法和應(yīng)用軟件。

4 元?jiǎng)幼骺煽啃岳碚擉w系

元?jiǎng)幼骺煽啃岳碚撋婕暗募夹g(shù)比較多，下面我們圍繞8大關(guān)鍵技術(shù)展開討論。

4.1 產(chǎn)品功能的結(jié)構(gòu)化分解方法

與傳統(tǒng)的可靠性方法不同，元?jiǎng)幼骺煽啃岳碚撌遣捎媒Y(jié)構(gòu)化的分解方法把產(chǎn)品的功能一步步分解到元?jiǎng)幼?。元?jiǎng)幼鲉卧墙橛诓考土慵g的1個(gè)層級，從粒度上看，元?jiǎng)幼鲉卧炔考?xì)化、可用信息更多。從結(jié)構(gòu)上看，元?jiǎng)幼鲉卧梢宰猿审w系，體現(xiàn)出零部件之間的機(jī)械作用，比零件的綜合性更強(qiáng)。為了得到元?jiǎng)幼骱驮獎(jiǎng)幼鲉卧?，我們首先需要對產(chǎn)品的功能進(jìn)行分析，得到產(chǎn)品的總功能和分功能；然后對實(shí)現(xiàn)分功能的部件運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，得到部件的各級運(yùn)動(dòng)(可能是1級、2級、甚至3級)；由于部件最低級的運(yùn)動(dòng)都是由動(dòng)力源到最低級運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈組成的，分解工作的最后環(huán)節(jié)就是對傳動(dòng)鏈進(jìn)行分析，得到組成傳動(dòng)鏈的各個(gè)元?jiǎng)幼骱驮獎(jiǎng)幼鲉卧猍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?jiǎng)幼鲉卧?/h3>

元?jiǎng)幼鲉卧菍?shí)現(xiàn)元?jiǎng)幼鞯幕窘Y(jié)構(gòu)單元，元?jiǎng)幼鲉卧诮Y(jié)構(gòu)上獨(dú)立，可以獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和實(shí)驗(yàn)。分解得到的2類典型元?jiǎng)幼鲉卧?移動(dòng)元?jiǎng)幼骱娃D(zhuǎn)動(dòng)元?jiǎng)幼?如圖3和圖4所示。

元?jiǎng)幼鲉卧话阌?類零件構(gòu)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?jiǎng)幼鲉卧奈孱悩?gòu)成要素

4.3 整機(jī)可靠性指標(biāo)的映射方法

機(jī)械產(chǎn)品的整機(jī)可靠性是靠所有元?jiǎng)幼骺煽啃怨餐瑢?shí)現(xiàn)的。因此，在元?jiǎng)幼骺煽啃栽O(shè)計(jì)和分析時(shí)，需要將整機(jī)的可靠度映射到各個(gè)元?jiǎng)幼鳎ㄟ^元?jiǎng)幼鞯目煽慷葋肀Ｕ险麢C(jī)的可靠度(即傳統(tǒng)的可靠性分配)。映射是按照FMA樹逐層進(jìn)行的，即首先把整機(jī)的可靠度映射到部件的1級運(yùn)動(dòng)，再將1級運(yùn)動(dòng)的可靠度映射到2級運(yùn)動(dòng)。最后再把2級運(yùn)動(dòng)可靠度沿元?jiǎng)幼麈溣成浣o各個(gè)元?jiǎng)幼鱗23]。由于機(jī)械產(chǎn)品一般是個(gè)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(jìn)行可靠性逐層映射時(shí)，往往會(huì)發(fā)生“層層加碼”的現(xiàn)象，如果系統(tǒng)比較復(fù)雜，分解的層級較多，最低層次元?jiǎng)幼鞯目煽慷葘?huì)異常高而造成設(shè)計(jì)制造的成本太高，有時(shí)甚至不可能實(shí)現(xiàn)。因此在進(jìn)行可靠性映射時(shí)，建議采用統(tǒng)計(jì)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?jiǎng)幼骺煽啃岳碚撝校鞔_給出了故障的定義為：元?jiǎng)幼鞑荒軐?shí)現(xiàn)其規(guī)定的運(yùn)動(dòng)功能或性能要求，其具體可表現(xiàn)為元?jiǎng)幼鳠o運(yùn)動(dòng)(功能故障)或元?jiǎng)幼鞲黜?xiàng)運(yùn)動(dòng)性能參數(shù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)超出相應(yīng)工況下規(guī)定的閾值范圍(性能故障)。這個(gè)定義將故障與機(jī)械產(chǎn)品的功能(運(yùn)動(dòng))結(jié)合在一起，完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)中“可靠性體現(xiàn)在產(chǎn)品功能上”的要求。另外，將故障定義在運(yùn)動(dòng)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(jù)元?jiǎng)幼鞴收系亩x，我們就可以通過對元?jiǎng)幼鬟\(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析從理論上來預(yù)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(jù)、經(jīng)驗(yàn)法和類比法。從理論上看，1個(gè)元?jiǎng)幼鞯倪\(yùn)動(dòng)方程中只有“軌跡”、“速度”、“位置”以及“速度不均勻系數(shù)”這4個(gè)參數(shù)。那么，元?jiǎng)幼鞯乃泄收夏Ｊ奖厝欢俭w現(xiàn)在這4個(gè)參數(shù)上，任何1個(gè)參數(shù)的不正常就是1個(gè)故障模式。經(jīng)分析，1個(gè)元?jiǎng)幼魉锌赡艿倪\(yùn)動(dòng)故障有37個(gè)(傳統(tǒng)的分析方法可能會(huì)面對幾百個(gè)故障模式)，如果不考慮故障模式之間的組合，則僅有7個(gè)基本故障模式[24]，如表3所示。

表3 元?jiǎng)幼骰竟收夏Ｊ降姆N類

4.5 元?jiǎng)幼鞴收蠙C(jī)理分析方法

基于元?jiǎng)幼鞯?類故障模式，我們就可以有針對性地對這些故障模式的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，分析方法如下：

為了避免傳統(tǒng)故障機(jī)理研究方法中針對不同故障模式需要多次重復(fù)建模的問題，在分別考慮轉(zhuǎn)動(dòng)類和移動(dòng)類元?jiǎng)幼鲉卧r受力的基礎(chǔ)上，從元?jiǎng)幼鲉卧M成要素出發(fā)，分別對兩類元?jiǎng)幼鲉卧獌?nèi)部的潛在失效激勵(lì)進(jìn)行分析；基于幾何學(xué)、概率論等知識(shí)，根據(jù)各失效激勵(lì)對元?jiǎng)幼鲉卧挠绊?，建立其相?yīng)的激勵(lì)表征；借助動(dòng)力學(xué)方法，建立各失效激勵(lì)與元?jiǎng)幼鲉卧敵黾\(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的影響關(guān)系式；最后，利用仿真模擬或試驗(yàn)等手段，結(jié)合元?jiǎng)幼鲉卧诟魇Ъ?lì)下的響應(yīng)結(jié)果及元?jiǎng)幼鞲黝惞收吓袚?jù)，即可分析得到元?jiǎng)幼鞲黝惞收系男纬杉鞍l(fā)展過程、即故障機(jī)理。

4.6 基于元?jiǎng)幼鞯腇MEA和FTA分析方法

FMEA分析和FTA分析是2個(gè)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(jié)構(gòu)的，最后都落腳在零件上，建模和分析的工作量非常大。根據(jù)元?jiǎng)幼骼碚?，分析的對象是元?jiǎng)幼鳎?個(gè)元?jiǎng)幼鲉卧幸话銉H包含不到20個(gè)零件，建模和分析過程異常簡化，分析的結(jié)果更加準(zhǔn)確。在進(jìn)行基于元?jiǎng)幼鞯腇MEA和FTA分析時(shí)，可以沿用傳統(tǒng)的分析方法，但FMEA分析表的規(guī)?？梢源蠓染啠抑恍枰槍?類故障模式進(jìn)行分析。在FTA建模和分析時(shí)，只需要將故障樹的建模范圍局限在特定元?jiǎng)幼魃?，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?jiǎng)幼鲉卧煽啃詫?shí)驗(yàn)方法

可靠性實(shí)驗(yàn)一般包括故障激發(fā)實(shí)驗(yàn)和壽命實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的對象分別是針對整機(jī)、部件和關(guān)鍵零件，一般需要針對具體的對象設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，搭建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，企業(yè)一般需要搭建多個(gè)試驗(yàn)臺(tái)。在元?jiǎng)幼骺煽啃苑椒ㄖ校瑢?fù)雜的產(chǎn)品視為是由兩類基本的元?jiǎng)幼鹘M成的，由于元?jiǎng)幼鲉卧诮Y(jié)構(gòu)上自成體系，實(shí)驗(yàn)的對象就變成元?jiǎng)幼鲉卧?。只需要針對轉(zhuǎn)動(dòng)單元和移動(dòng)單元分別建立通用性的試驗(yàn)臺(tái)，基本上就可以完成幾乎所有的實(shí)驗(yàn)工作，極大地減少了試驗(yàn)臺(tái)架的數(shù)量。由于單元的結(jié)構(gòu)類似，就可以借鑒成組技術(shù)的原理，建立標(biāo)準(zhǔn)化的元?jiǎng)幼鹘Y(jié)構(gòu)單元，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相似性分析，可以比較好地解決故障數(shù)據(jù)少的難題。

4.8 基于元?jiǎng)幼鞯目煽啃灶A(yù)計(jì)方法

經(jīng)過產(chǎn)品功能分解、可靠性指標(biāo)映射、元?jiǎng)幼骺煽啃苑治?、元?jiǎng)幼骺煽啃詢?yōu)化等各階段的工作后，就可以得到滿足設(shè)計(jì)可靠性要求的元?jiǎng)幼髟O(shè)計(jì)方案，但上述工作并沒有考慮到各個(gè)元?jiǎng)幼髦g的關(guān)系。為了得到整機(jī)的可靠性，還需要對元?jiǎng)幼髦g的關(guān)系進(jìn)行分析，沿著FMA樹逆向進(jìn)行整機(jī)的可靠性預(yù)計(jì)[20]。在進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)時(shí)，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(jī)制。同代單元是指與某一個(gè)單元之間存在相互影響關(guān)系的所有單元，它們之間的耦合特性主要包括結(jié)構(gòu)耦合、動(dòng)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(biāo)元?jiǎng)幼鲉卧目煽啃浴．惔鷨卧侵秆刂獎(jiǎng)幼麈?或傳動(dòng)鏈)的上下游相鄰單元，它們之間主要是運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞關(guān)系，單元之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性除了影響傳動(dòng)精度外，也是造成結(jié)構(gòu)變形、摩擦、磨損、傳動(dòng)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(jī)制后，就可以建立預(yù)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)對整機(jī)可靠性的評估和預(yù)計(jì)。

5 結(jié)語

針對機(jī)械產(chǎn)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(chǎn)品與機(jī)械產(chǎn)品差異的基礎(chǔ)上，針對機(jī)械產(chǎn)品“運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)功能，運(yùn)動(dòng)決定性能”的特點(diǎn)，本文介紹了一種全新的機(jī)械產(chǎn)品可靠性分析方法，稱之為元?jiǎng)幼骺煽啃岳碚摗＝o出元?jiǎng)幼骺煽啃缘睦碚撘罁?jù)，建立了元?jiǎng)幼骺煽啃缘睦碚擉w系，討論了元?jiǎng)幼骺煽啃岳碚摰?大關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)踐證明，采用元?jiǎng)幼鞣椒ㄩ_展機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)與分析，方法的針對性非常強(qiáng)，有助于提高機(jī)械產(chǎn)品的可靠性。