機械可靠性工程研究體系及發展方向探討

劉燕

（西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆 克拉瑪依 834000）

可靠性是評估現代產品質量的關鍵指標之一，可靠性工程在概率數據理論的支撐下，科學分析各種不確定因素對機械產品質量及性能產生的影響，采用“率”這一指標去產品預設功能實現的可能性。自20世紀中葉開始，人們給予了機械設備失效問題一定的關注，并對其運行可靠性展開較深入性研究，這對可靠性工程學科發展起到良好的推動作用，有利于將其提升至工業產業發展的日程中。

1 可靠性工程研究體系的基本原則

1.1 價值設計原理的原則

在對該體系相關指標設計時，應參照機械設備的整體性能，實際構造、原材料、工藝流程與技術水平、時間進度、經濟投入、故障類型及成因分析等要素，實現對產品全生命周期運行可靠性的分析，同時參考國際上同類或功能相似機械產品可靠性維持現狀，遵照價值設計的規則，通過整體權衡后，明確產品的可靠性。

1.2 根據使用需求的原則

結合機械產品的種類、功能與使用特征（通常是機械的結構特征、復雜性與運行模式等），進而選用具有可靠性屬性的指標，全面迎合反映機械可靠性各方面的需求，結合現實應用與檢修需求，以及后勤保障計劃等確定相關參數。使用要求主要包括機械需完成的預設功能與任務、適應運行環境并克服各種干擾因素等。

2 機械可靠性工程研究體系

2.1 學科體系

機械可靠性工程實質是可靠性工程運用于機械工程領域的具體表現形式，屬于可靠性理論與機械工程有關理論的交叉學科，邊緣性是該學科體系的典型特征。對該研究體系內容與發展過程2大因素進行分析，發現可靠性工程和工程力學研究之間存在緊密相關性。

2.2 結構及機構的可靠性

從宏觀層面上分析，機械可靠性工程研究主要涉及結構可靠性與機構可靠性2大版塊內容，前者研究內容以各種結構因素對機械強度形成的影響、剛度與其承受載荷間的相關性、機械運行期間的疲勞度、結構裂痕與形體過度改變等失效形式的可靠性發展規則為主。在機械可靠性工程領域中，結構可靠性問題是研究的重點也是基礎，同時其研究歷程較為漫長。在20世紀40年代末期，“結構安全度”指標的提出以及“應力強度干涉模型”的建設，為機械產品結構可靠性研究工作的開展提供了有效支撐。因為該項結構可靠性研究期間涉及工程力學中很多靜力學理論，因此與結構可靠性相關的問題被稱為靜力學可靠性問題。

機構可靠性研究的主要內容有機構及運動副系統在構件幾何規格上產生的偏差、摩擦過程形成的磨損度、彈性變形等多種因素對機械產品可靠性形成的影響，并對產品功能效力喪失及運行故障的，運動學、動力學以及彈塑性等相關問題進行研究分析。目前我國可靠性工程研究領域中，與機構可靠性研究相關的工作缺乏全面性、深度性，且和結構可靠性研究相比較，其起步時間較晚，發展過程體現出明顯的遲緩性。在20世紀70年代末，有學者針對機構磨損及運動可靠性進行較深刻研究，并出版相應專著，這對機械產品機構可靠性研究形成了很大的推動力，時隔10余年后，機構可靠性研究方向才體現出系統性、專門性特征。

2.3 可靠性分析與可靠性規劃

結合機械產品結構設計特點、機構參數等，對其運行可靠性有關儀表進行預估、分析與測算一系列問題，均被統稱為可靠性工程第I類問題，即可靠性分析問題。參照機械產品自身可靠性的相關指標，更合理規劃產品零部件與系統構造、機構參數等，進而取得融合機械可靠性相關要求的產品設計結果，被納入可靠性工程第II類問題范疇中，其屬于可靠性設計問題。在機械可靠性工程研究領域中，可靠性分析與可靠性設計均是重點內容。故此在現實研究中，建議有機結合可靠性理論與機械工程，并將其設為研究的入手點，其主要“職責”是在數學相關理論、方法的支撐下，建設機械產品結構、機構參數和可靠性指標間模型，反映出三者間的定量映射關系，這為機械產品可靠性能整體提升提出了堅實的理論支持與可行渠徑。

加強鉆探機機械可靠性功能的設計，是促進其功能性特征有效發揮的重要舉措之一。鉆探機在現實應用期間，通常會維持其可靠性處于承載能力區間內，故此設備運行期間出現故障的風險相對較低。在對鉆探機可靠性設計時，可采用降額法實現，降額法也是實現對零部件設計方法管理的重要手段，若應用中小于應力設計，在產品可靠性分布模式不確定情況下，可把零部件的載荷應力控制在一定范疇中，技術人員可通過增強鉆探機平均強度值或降低應力與強度波動幅度等方式，以提升鉆探機功能設計的可靠性。目前人機工程設計法在鉆探機可靠性設計領域有廣泛性應用，其能將機械運行過程中形成的誤差降至最低水平，該種設計方法加強人員與機械自身兩方面的設計，在人機工程學內有關方法的支撐下，可選設計各種操作按鈕，若機械出現某種故障，則可結合人機操作現狀對其進行預測、評估，在設計中結合實況設計調節閥，若水量回流對調節閥造成返堵，會導致泥漿泵泵壓值驟然變化，采用以上方式預示鉆探機操作人員井下出現堵水情況，促使其立即做出提鉆行為，以防誘發避免燒鉆井事故。

3 機械可靠性工程研究發展方向

3.1 可靠度計算方法

可靠度計算方法列屬于可靠性數學理論的范疇。以往機械應力強度模型可靠度的計算方法，包括概率解析法與近似概率法兩大類。前者是以數學概率計算理論為基礎對概率精確性進行分析的方法，在現實中，機械結構與隨機變量概率分布模式均有較明顯的復雜性，這增加了概率解析計算預設目標的實現難度。近似概率法通常是以極限狀態函數近似泰勒為支撐，而進行的一次二階矩、高次高階矩計算過程，氣候后一種計算過程有利于提升狀態函數泰勒展開的精度，但過程過于煩瑣故而可能出現新的誤差，影響結果的精確度，應用受限。

3.2 疲勞強度及疲勞壽命

國內外針對機械可靠性技術研究的推進，單純進行靜強度可靠性已經難以迎合機械功能實踐的多樣化需求。分析產品循環交變應力工況、零部件疲勞壽命、持久極限屬性的疲勞強度及壽命可靠性，發現其與工程現實發展需求更具匹配性，將會逐漸演變成后續幾年中，機械工程強度可靠性研究的重要趨向之一。

3.3 可靠性數據處理與評價方案研究

在軟件編程系統的協助下，建設機械可靠性研究的數據庫，具有數套軟件能實現對可靠性相關數據的有效處理。汽車行業可靠性數據處理軟件和工程機械行業相比較，更具成熟性，在具體實踐中，可照搬其軟件平臺，以實現對機械產品可靠性數據的有效處理、分離與整合。對于現代企業而言，當其生產的產品出現故障時，應將故障信息整體納入數據庫內，以便后續故障檢修等工作中隨時調用數據，同時其也能對產品設計方案制定提供良好的支撐作用。

針對機械可靠性數據處理與評估方案的研究，技術人員可以在首次處理機械故障時，應預見性評估其故障后的使用年限、整機同類故障的發生率、故障時間等，繼而建設相應圖表。這些圖表是“三包期”故障處理工作結束后，能為設計部門、決策機構等提供更優質的服務，例如，其可促進機械設計部門結合產品的使用環境與現實技術操作水平等因素，采用更先進的方法設計機械的主要功能，進而確保其在現實生產中更具優勢。

4 結語

可靠性是評估產品質量的關鍵性指標，也是后續幾年中功能相同或相似產品提升競爭實力的重要依托。加強機械可靠性工程的研究，是提升機械質量的理論基礎，同時也迎合了機械工程技術持續發展的內在需求。本文對機械可靠性工程研究體系的設計原則、體系內容做出較詳細論述，在此基礎上對其發展趨向做出科學預測。