淺談機械產品可靠性試驗技術的研究方向

李艷紅

（晉中職業技術學院，山西 榆次 030600）

引言

可靠性是機械設備質量的核心與重要表征之一，為了對機械設備可靠性進行表達與評價，就需要進行試驗。所謂機械設備可靠性試驗，就是在對機械設備設計、原材料及制造工藝進行定性、定量分析的基礎上，評判該機械設備是否符合可靠性要求，同時，可靠性試驗還可以為機械設備產品合格率、降低維修費用等方面提供數據參考，所以說，機械設備的可靠性試驗是非常重要的。我國對于機械可靠性的研究起步較晚，有人認為，在理想狀態下，當機械設備按照圖紙生產出來時，就可以滿足其可靠性要求，但實質上，這種想當然的想法是靠不住的。美國一份報告指出，大型機電類首臺樣機的平均無故障時間往往只有設計標準的1/10左右，只有經過深入的可靠性試驗，準確判斷產品設計、元器件及零部件及制造工藝等方面的缺陷，并逐一糾正，才能使其可靠性達到要求標準。在可靠性領域，美國可靠性分析中心（RAC）作了很大努力，該中心主張將機械可靠性與加速試驗、軟件可靠性列為可靠性領域的三大課題，在廣泛收集機械產品可靠性數據方面也做出了很大業績。近年來，機械可靠性越來越受到重視，而機械可靠性試驗技術作為該領域的關鍵一環，也被廣泛關注。

1 機械可靠性試驗的特點

追根溯源，可靠性研究發端于上世紀50年代，1957年6月，美國電子設備可靠性顧問組發布了《軍用電子設備可靠性報告》，從那以后，可靠性研究在世界發達國家方興未艾，但其發展卻并不平衡，由于電子技術的飛速發展，電子產品的可靠性理論與試驗技術趨于成熟，而機械可靠性試驗技術則發展緩慢。原因是汽車、發電設備、發動機等機械產品具有復雜性與特殊性，且不如電子產品那樣易于測試。多年來，現有電子產品模型及試驗方法是否同樣適用于機械產品的可靠性試驗，一直存在爭議。

因為機械可靠性的復雜性與特殊性，機械可靠性試驗也就難上加難了，大體來說，機械可靠性試驗有如下一些特點：

1）機械各類繁多，其零部件千差萬別，缺少共性，因而機械可靠性試驗的數據采集較難，很難獲得較大子樣容量，模型或備件制作困難，人財物的消耗較大，試驗周期也長。

2）影響機械性能與壽命的因素中，應力因素只是其中一項，此外，溫度、潮濕、酸堿等環境因素也會影響機械壽命與性能的發揮。機械可靠性的試驗環境很難全方位模擬機械的使用環境，而且，機械的使用環境往往更加復雜，更加惡劣。

3）機械可靠性理論相對滯后，研究難度大。一般來說，機械產品的零部件大多因磨損而失效，但磨損程度及部位的不同，所表現出來的故障卻各不相同，這也正是其復雜性之所在。現階段，機械方面的可靠性設計、試驗和標準，有很多是照搬電子產品可靠性的做法，但實際上，二者并不能通用。

2 機械可靠性試驗的理論問題

機械可靠性試驗的數據一般基于小子樣，甚至是極小子樣，單純依靠其數據，往往不能直接得出結論，還需要借助經驗及其他信息，才能給出合理的分析評估。就是說，如何分析與評估小樣本數據，是解決機械可靠性試驗數據處理的一個重要問題，這就需要應用“貝葉斯理論”（Bayes）了，因為該理論可以融合試驗信息與其他數據。但在具體運用時，應持審慎態度，因為貝葉斯理論并非萬能靈藥。

在機械產品進行可靠性試驗以前，通常要進行故障模式影響分析和致命度分析。所謂故障模式影響分析，即通過機械產品零部件的潛在故障模式、潛在故障對機械產品功能的影響加以分析，并列舉出每一種潛在的故障模式，按其影響程度進行排序，進而提出相當的改進措施；所謂致命度分析，即在故障模式影響分析的基礎上，判斷某一潛在故障模式是否具有致命影響，致命程度有多大。故障模式影響分析和致命度分析對于機械產品可靠性的判斷，十分有效，所以在機械產品設計和制造工藝中，應用較為廣泛，是機械技術人員的必備的技能之一，同時也是“六西格瑪”管理中必備的環節之一。

在機械可靠性試驗問題上，疲勞失效同樣不容忽視。因為影響機械疲勞的因素較多，牽涉到工作條件、零件狀態和原材料等方方面面，所以現代科學技術對疲勞問題還有待于繼續深入。確定機械疲勞壽命的方法主要有兩種，即試驗法和試驗分析法，二者各有側重。

3 機械可靠性增長試驗

在研發機械產品時，必須就機械可靠性反復進行試驗，要經過多輪試驗—改進—再試驗—再改進的過程，不斷提升機械的可靠性。對于試驗過程中發現的缺陷，要在試驗獲取相關數據的基礎上，進行科學的分析與闡釋，并加以改進，只有這樣，機械可靠性才能逐步提高。起初，可靠性增長試驗只運用于電子產品，后來才逐步擴展到機械產品。一般來說，在機械研發時，都需要制定科學合理的可靠性增長試驗計劃，經過一系列“試驗—分析—修正”的研發過程，才能獲得較好效果，并獲得市場認可。上海交通大學研究人員張學富和陳兆能曾對溢流閥進行了可靠性增長試驗[1]，使其壽命提高3倍，但該數據來源于試驗前后兩種產品的壽命評估，而沒有進行可靠性增長模型評估，稍嫌欠缺。不過，就其試驗本身來說，還是成功的。

就是說，可靠性增長試驗是提升機械可靠性的重要途徑，經過可靠性增長試驗后，機械的性能將更加穩定，壽命也會延長。但由于機械產品多以損耗性失效為主，使用周期也比較長，運行環境也千差萬別，進行可靠性增長試驗時很難模擬，所以經過可靠性增長試驗的機械產品，在實際使用過程中，也有可能出現偏差，這點應予充分考慮。

為提升可靠性增長試驗的準確率，可在加速應力狀態下進行該試驗，北京強度與環境研究所研究員周源泉與朱新偉合作，對加速可靠性增長問題進行了深入研究，得出結論：在不同應力水平下，加速可靠性增長產品有相同的失效機理；同時，二位研究人員還根據失效機理不變原理推導出不同可靠性增長模型對應的加速因子[2]。應當說，這一研究是很有成效的。當然，由于機械可靠性增長試驗相當復雜，研究還有待于繼續深入。

4 機械產品的強化試驗

隨著材料科學的發展，一般機械產品都能滿足無故障運轉的使用要求，但這還不夠，因為機械產品一旦發生故障，后果往往很嚴重，再加之機械產品的運行環境可能會突然發生惡化，從而導致故障的發生，所以說，機械可靠性試驗應進一步升級換代。傳統的可靠性試驗，包括環境應力篩選、可靠性增長試驗、可靠性鑒定試驗均在模擬環境下進行，存在著試驗周期長、試驗費用高的缺點。更主要的是，傳統的可靠性試驗不能排除機械后期維修費用高的缺點，因為在研制機械產品時，通常會把技術條件規定的應力極限值作為鑒定或考核標準，即使達到這些標準，仍然可能存在著潛在的缺陷。在大量生產時，又可能因各種因素加大其潛在缺陷，從而使機械產品在使用時，可靠性差，平均無故障時間短、返修頻繁，遇到這種情況，用戶當然會不滿意，制造廠商的信譽就會受影響，如果制造廠商排除其生產環節的責任，就會對設計研發部門追責。當前的市場競爭十分激烈，制造廠商和設計研發部門都不希望如此，而要全面提升機械產品的研發效率和可靠性，就需要科學、強化的可靠性試驗技術。

所謂強化試驗技術，就是在極端溫度（高溫、低溫或驟冷驟熱）、異常電壓、超負載或腐蝕環境下，來試驗產品的可靠性，通過試驗前的優化設計和試驗后的統計分析，提升機械的可靠性。與傳統可靠性試驗不同，高加速壽命試驗并不采用模擬使用環境的方式進行試驗，而是通過施加步進應力，將機械產品的潛在缺陷激發成可觀察的故障，在遠大于技術條件規定的極限應力下進行試驗，從而得出機械產品的工作極限；然后，試驗轉入高加速應力篩選過程，即在高加速壽命試驗的基礎上，剔除生產制造環節的缺陷，從而使機械產品的可靠性得到提升和鞏固。目前，國內對于強化試驗的研究還很不完善，技術、設備等軟硬件方面都比較薄弱，有待提升。

5 結論

通過以上分析，我們發現，影響機械產品可靠性的因素有疲勞、老化、磨損、腐蝕、極端氣溫等，其可靠性試驗普遍存在著周期長、費用大的特點，且獲取數據大都不具有普遍性，屬小子樣。我國在機械可靠性試驗方面，還存在著相當差距，而對于機械產品來說，可靠性試驗又是必不可少的，應當增加這方面的科研投入。機械產品可靠性試驗往往不具有典型性，比如用在自行車、汽車、列車上的軸承，就需要進行不同的可靠性試驗。目前實行的可靠性標準和規范，基本上都是針對電子產品的，而機械產品的可靠性試驗標準和規范還有待完善。對于機械產品的可靠性設計，一般還停留在靜態預測的階段，至于機械產品零部件的磨損和老化因素，往往考慮不到。目前，國外一些學者提出可靠性概率—物理模型的思路，以失效機理的物理參數作為預計參數，為機械產品可靠性的預計指明了研究方向。此外，在機械產品可靠性與環境應力因素、微型零件的失效機理等方面，都應當重點攻關。機械可靠性技術雖然還存在著這樣那樣的不足，但隨著研究的深入與發展，一定會促進機械可靠性的整體發展。

[1] 張學富,陳兆能.溢流閥可靠性增長試驗分析[J].傳動技術,1997,97(2):41-47.

[2] 周源泉,朱新偉.論加速可靠性增長試驗新方向的提出[J].推進技術,2000,21(6):6-9.