機械可靠性工程研究體系及發展方向

龐志鋒，姚云峰

(1. 福建省三明市發展和改革委員會工業發展科，福建三明 365000；2. 河北科技大學材料科學與工程學院，河北石家莊 050018)

機械可靠性工程研究體系及發展方向

龐志鋒1，姚云峰2

(1. 福建省三明市發展和改革委員會工業發展科，福建三明 365000；2. 河北科技大學材料科學與工程學院，河北石家莊 050018)

總結分析機械可靠性理論研究的特點，系統闡述機械可靠性工程的學科體系及研究內容，界定了機械可靠性工程研究的兩類主要問題。在此基礎上分析論述了機械可靠性工程研究的發展趨勢和方向。

可靠性；機械可靠性；研究體系；發展方向

可靠性是公認的現代工業產品四大質量指標(性能、可靠性、經濟性、安全性)之一。可靠性工程利用概率數學理論分析各種不確定的實際因素對產品質量及性能的影響，用概率來定量表述產品可以完成預定功能的可能性。第二次世界大戰中暴露的大量武器裝備失效問題促使二戰后歐美國家開始對軍用電子設備進行系統深入的可靠性研究，從而使可靠性成為一門工程研究學科迅速發展起來。當前，隨著機械產品的結構日益復雜、功能日益完善，對可靠性的要求不斷提高，可靠性成為衡量機械產品質量的重要指標，機械可靠性工程也成為機械工程和可靠性理論研究的重要方向[1]。

1 機械可靠性理論研究特點

哲學上講萬事無絕對，關于“絕對”唯一成立的命題就是“絕對沒有絕對”。任何產品都受其設計、生產、使用過程中各種不確定的實際因素影響，都無法保證絕對能夠完成預定的功能和任務。可靠性就是用概率的概念來度量產品可以完成預定功能的可能性及可靠程度，此即為產品的可靠度[2]。

在傳統的機械工程理論中用安全系數來保證產品的安全可靠性，各種設計變量的隨機性得不到反映。雖然基于強度和應力平均值的安全系數取值明顯大于1，但是由于強度和應力數值的離散性，有時候也會出現應力大于強度的實際情況，從而造成產品失效。在設計過程中為了提高產品的安全可靠性選用優質材料或加大零件尺寸以獲取較大的安全系數，這就必然造成不必要的浪費。另外大量事實證明，一味地增大基于強度和應力平均值的安全系數，并不能保證產品安全可靠性的提高。

在機械可靠性理論中，將載荷、材料性能與強度、零部件外形尺寸等變量都視為符合某種概率分布規律的隨機變量，以概率論與數理統計理論為基礎，綜合運用數學、物理、工程力學、機械工程學、系統工程學等多方面知識，可以定量地給出產品的可靠度指標，以保證產品的安全性和可靠性。機械設計環節決定了產品的固有可靠性水平，而制造、安裝、使用和管理環節的任務則是保證產品可靠性指標的實現，所以機械設計的可靠性是保證產品可靠性的最重要環節。將可靠性理論應用于機械產品的性能分析及開發設計中，以可靠度指標的定量研究來保證產品的可靠性品質，有利于提高機械設計水平，改善產品質量，是現代機械工程技術的重要發展方向。

2 機械可靠性工程研究體系

2.1機械可靠性工程研究的學科體系

機械可靠性工程是可靠性工程在機械工程領域的應用，是可靠性理論與機械工程相關理論的交叉邊緣性學科。從研究內容及其發展歷程上來看，機械可靠性工程與工程力學的研究緊密相連，其學科體系的對應關系如圖1所示。

2.2結構可靠性與機構可靠性

如圖1所示，機械可靠性工程研究的領域大致可以歸結為2部分，即結構可靠性和機構可靠性。結構可靠性主要研究受結構因素影響的機械強度、剛度與其承受載荷之間的關系以及由此產生疲勞、斷裂、過度變形等失效行為的可靠性規律。結構可靠性問題是機械可靠性工程研究的基礎領域，研究起步較早。20世紀40年代末期提出的“結構安全度”及“應力-強度干涉模型”為結構可靠性的研究奠定了理論基礎。由于主要涉及工程力學的靜力學理論，所以結構可靠性問題又可以稱為靜力學可靠性問題。

機構可靠性主要研究機構及運動副系統在構件幾何尺寸誤差、摩擦磨損、彈性變形等因素影響下，造成產品預定功能失效或故障的運動學、動力學及彈塑性等方面問題的可靠性。機構可靠性是可靠性工程研究中相對薄弱的環節。與結構可靠性研究相比，機構可靠性的研究起步比較晚，是可靠性技術在機械工程中應用的新方向。20世紀70年代末，前蘇聯學者關于機構磨損可靠性和機構運動可靠性專著的出版為機構可靠性研究奠定了重要基礎，直到20世紀80年代機構可靠性才開始形成系統的、專門的研究方向[3]。

2.3可靠性分析與可靠性設計

如圖2所示，根據產品設計的結構、機構參數對其可靠性相關指標進行預測評估及分析計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類問題是根據產品的可靠性相關指標驅動產品零部件及系統的結構、機構參數設計，從而獲得兼顧可靠性要求的機械設計結果，此即為可靠性設計問題。可靠性分析與可靠性設計都是機械可靠性工程研究的主要問題，是可靠性理論與機械工程相結合進行研究的著眼點，其任務就是利用可靠性數學及其它相關理論、方法建立起機械產品的結構、機構參數與可靠性指標之間的定量映射關系，從而為產品可靠性質量的提高提供理論依據及現實途徑。

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

3 機械可靠性工程研究發展方向

3.1可靠度計算方法

嚴格來講，可靠度計算方法屬于可靠性數學理論的范疇，但是鑒于其在可靠性工程中的重要的理論基礎地位，在此特別予以強調。可靠性工程關注于產品具體的可靠度及失效概率值。多年來關于可靠度的定量分析計算已經形成了一些比較成熟的方法，但是在當前工程實際對計算精度及效率要求日益提高的情況下，對可靠度計算方法的創新研究也顯得日益重要。

基于傳統的應力-強度干涉模型的可靠度計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學概率計算理論的精確概率分析方法，而由于實際機械結構和隨機變量概率分布情況的復雜性，使完全精確的概率解析計算難以實現。近似概率法包括基于極限狀態函數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函數泰勒展開的精度，但由于解析計算過程過于繁瑣導致新的計算誤差，故計算精度受到限制，應用較少。目前工程實際中應用較多的是基于極限狀態函數線性泰勒展開的一次二階矩法，包括矩分析法、變異系數法及JC法，其中JC法適用于基本隨機變量為任意分布的可靠度求解，并且運算簡捷、計算精度較高，是廣泛應用的一種可靠度計算方法。基于大數定律的蒙特卡羅隨機抽樣模擬法(Monte Carlo法)也是可靠度計算的重要發展方向，尤其是20世紀90年代以后，結合先進的計算機技術逐漸發展出了具有不同特點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]、響應面法[7]。目前限制該類方法發展的主要瓶頸是計算成本和計算效率問題。另外，將有限元法與概率分析理論相結合應用于可靠性分析的概率有限元法，對極限狀態函數難以用顯函式表達的復雜結構可靠性分析提供了有效途徑。

目前，隨著機械系統日益復雜化，系統可靠性成為機械可靠性研究發展的重要方向。但是目前針對復雜系統進行可靠性分析的方法還很不完善，對復雜系統的可靠性指標評價依然比較困難[8-9]。一般簡單的系統可靠性分析主要應用傳統的可靠性框圖模型(串聯系統、并聯系統、表決系統等)，復雜系統可靠性分析主要應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)、貝葉斯網絡分析法等。

3.2疲勞強度及疲勞壽命可靠性

隨著可靠性技術研究的深入，單純的靜強度可靠性已經不能滿足工程實踐的需要。考慮產品的循環交變應力工況及零部件疲勞壽命、持久極限特性的疲勞強度及疲勞壽命可靠性問題更符合工程實際要求[10]，成為強度可靠性研究的重要發展方向。

目前，在材料疲勞強度及疲勞壽命理論發展的基礎上，將可靠性分析技術及理論與之有機結合，建立系統的無限壽命疲勞可靠性及有限壽命疲勞可靠性數學模型，并尋求精確高效的分析計算方法是這方面研究的迫切需要和重要方向。

3.3系統可靠性研究

近年來，隨著機械系統日益復雜化，系統可靠性研究日益受到重視。但就目前水平而言，對系統可靠性的研究還很不充分，尤其是對復雜系統的可靠性研究是最近十幾年才發展起來的，相關的數學建模理論及分析計算方法都處于基礎研究階段，有待進一步發展。

傳統的系統可靠性理論將系統中各組成單元的故障失效視為相互獨立，進而基于串聯、并聯、混聯等各種理想模型進行系統可靠性分析。但是事實上在一般現實系統中，各組成單元及元器件的故障失效都是相互影響、相互關聯的，只有考慮系統各組成單元及元器件的故障關聯性，建立關聯系統可靠性模型，才能更加準確地反映系統可靠性的真實情況。所以關聯系統可靠性問題便成為目前系統可靠性研究的主要方向之一。另外，考慮系統元件對應不同故障模式、不同失效程度的多狀態模式以及由于系統元件失效或性能衰退導致系統整體的性能下降且呈現出多個性能水平和多種失效模式，建立多狀態系統可靠性理論，是研究復雜系統可靠性的現實要求[11]。當前多狀態系統可靠性研究的主要困難在于多狀態系統的可靠性建模及狀態數目爆炸問題，簡化多狀態系統可靠性模型、減輕計算負擔是研究的重點。

3.4模糊可靠性理論

20世紀80年代，最早有人提出了用模糊數學方法處理可靠性設計中存在的模糊性問題，國內外研究人士就此進行了許多有益的探索研究[12]。但是，由于研究起步晚、時間短，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；擴展常規可靠性指標獲得模糊可靠度、模糊失效概率、模糊故障率等指標；建立模糊可靠性指標的計算公式；對簡單系統的模糊可靠性指標進行計算。為了處理實際機械系統中大量存在的模糊問題，對工程實踐起到實際的指導意義，應該充分重視模糊可靠性理論的研究和發展。

3.5可靠性優化設計

將傳統優化設計技術與可靠性設計理論相結合，考慮系統設計參數的概率分布特性及產品可靠性指標對系統設計的約束指導作用，將可靠性指標集成到優化設計的目標函數或約束條件中，運用最優化方法得到概率意義上的產品最優設計方案，這就是可靠性優化設計。機械可靠性優化設計問題主要可分為3類：一是將可靠性指標作為約束條件；二是將可靠性指標作為優化目標；三是對系統可靠度進行最優化分配。可靠性優化設計比傳統的優化設計模式更為合理，有利于提高產品的設計質量、保證設計安全可靠并且提高產品的設計效益，在倡導提高產品安全可靠性及降低資源消耗的經濟社會發展背景下，可靠性優化設計將成為機械產品設計開發的基本要求和必然趨勢，相關的理論研究發展便顯得尤為重要。

3.6可靠性試驗及數據積累

產品可靠性試驗及失效數據的積累是深入研究機械可靠性的重要條件。但是由于機械產品壽命試驗及失效破壞試驗的經濟成本高、時間周期長，并且現場設備可靠性及失效數據的采集和積累難以實現，所以產品壽命及失效數據缺乏往往成為制約機械可靠性研究的瓶頸，是中國機械可靠性研究面臨的普遍問題。廣大機械可靠性研究工作者應該樹立可靠性數據積累的長期意識，通過科學試驗數據及現場數據的準確采集和長期積累，促進機械可靠性研究水平的切實提高。

4 結 語

可靠性是產品質量的重要指標，也是未來產品競爭的關鍵所在。機械可靠性工程的研究是提高機械產品質量的必然要求，也是機械工程技術及可靠性理論發展的內在要求。本文總結分析了機械可靠性理論研究的特點，闡述了機械可靠性工程研究的學科體系及研究內容，在此基礎上分析論述了機械可靠性工程研究的發展趨勢和方向，為提高機械可靠性研究水平提供了思路和方向，對機械可靠性工程的研究發展具有重要意義。

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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

責任編輯：馮 民

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

E-mail: pangzfmail@163.com