21世紀機械可靠性綜述

張立強,張 壘,年二壁（上海眾深科技股份有限公司南京分公司, 南京 201203）

21世紀機械可靠性綜述

張立強,張 壘,年二壁
（上海眾深科技股份有限公司南京分公司, 南京 201203）

摘 要：雖然隨著高新技術的大步前進，我國的機械制造業也呈現跳躍式發展。但由于多方面原因，我國機械行業的發展相對于國外還是比較落后，可靠性研究更是相對滯后，為了改變這一現狀，研究可靠性成了赤手可熱的任務。本文介紹了可靠性的發展歷史及國內外發展現狀；分析了可靠性基礎理論研究熱點及常用方法，展望了其發展方向；闡述了可靠性優化設計注意事項；論述了可靠性試驗的發展。

關鍵詞：可靠性；發展；壽命；優化設計

0 引言

現代機械產品質量是否合格的四大指標[1]分別為：可靠性、安全性、經濟性、性能，而可靠性是其最核心指標，并成為機械領域關注的焦點。產品可靠性的高低成了各大公司產品銷售的關鍵點，也是其競爭手段。

所謂可靠性就是指在規定時間和條件下產品完成特定功能的能力，可分為：固有可靠性、使用可靠性和環境適應性。機械系統隨著科技發展的腳步變得越來越精密、越來越復雜，研究機械的可靠性就成了急需解決的問題。對可靠性的研究包括很多方面，如：可靠性工程技術、可靠性試驗、可靠性優化等問題。本文將從多方面對可靠性的發展做出總結。

1 可靠性研究發展史

在國外，對可靠性研究相對較早。早期的可靠性研究多用于電子產品和軍工產品。1939年，英國專家用概率論分析飛機的可靠度[2]，這也是最早的飛機可靠性定量指標。1958年，日本成立了專門的可靠性研究委員會，并于1971年召開了一次全國范圍的學術研究。從第二次世界大戰開始，美國開始對電子設備和導彈系統的可靠性問題進行研究。最具影響力的是由美國國防部于1952年成立的可靠性咨詢組，該小組由軍隊、工業、學術領域的專家及在可靠性發展上有推動或決定性作用的組織組成。該小組在1957年發表的一篇名為《軍用電子設備可靠性》的報告，為可靠性成為獨立的學科立下了重要的里程碑。

隨著我國高新技術的迅猛發展，現代機械制造業發展進入全新機遇期，機械可靠性也將迎來蓬勃發展的春天。對可靠性的研究可追溯到上世紀四十年代，從那時開始人們開始大面積使用電子產品，對其故障的研究也隨之展開，可靠性研究就成為故障研究的核心。隨著電子產品技術的飛速發展，對其可靠性研究也提出了越來越高的要求。從上個世紀末開始，可靠性技術開始在機械制造領域發揮重要作用。

2 可靠性基礎理論研究

可靠性理論實際上包括四個獨立學科即：

（1）可靠性數學，是最基本的基礎理論，它涵蓋了概率、數理統計、隨機變量、拓撲學等，用于可靠性的數據收集與分析、使用壽命試驗等方面。

（2）可靠性物理，主要用于研究機械產品的失效，它從本質和機理上研究產品的不確定因素。

（3）可靠性工程，能解決可靠性的很多問題，包括了進行可靠性分析的全過程，涉及的學科比較多。

（4）可靠性教育與管理，用于如何將可靠性作為一門獨立學科推廣出去。

2.1 可靠性理論研究發展史

20世紀初期是可靠性發展的萌芽時期，在這一時期，數理統計學在可靠性領域迅速發展，在這期間提出的維修概率、試件疲勞、極限理論等都與工程實踐緊密結合起來，威布爾提出的威布爾分布到目前為止仍是最常用的分布之一[3]。20世紀初有學者將數學知識（概率論、數理統計）運用到機構安全性分析上，標志著可靠性基礎理論探究的開始；在隨后的十幾年里，各國專家不斷地用數學理論（如：統計數學、隨機變量的均值和方差等）來研究機構可靠性；1930年，Shewhart首次將質量檢測技術與可靠性技術融合到一起，大大提高了檢測效率； 20世紀中期是可靠性研究的發展時期，在這一時期，可靠性作為一門獨立學科全面發展，并與其他學科相輔相成（如圖1所示），其研究從電子、航空等尖端行業向電機、機械、建筑等行業擴展。德國火箭專家采用分-合的方法算出了Ⅴ—Ⅱ型火箭誘導裝置的可靠度，即將整個系統拆分成若干子系統，分別計算其可靠度，最后求代數和；1969年，C.A.Cornell提出了一次二階方法求解結構的可靠度，并建立了模型，打破了傳統的計算方法； 20世紀末期是可靠性發展的成熟期，可靠性向著系統化、智能化、自動化方向發展，將可靠性分析與計算機輔助設計、人工智能相結合，使可靠性研究從單一學科發展到多個學科交叉滲透研究。80年代末，美國國防部頒布了DODD5000文件《可靠性與維修性》，將可靠性與其他技術相結合；也有不少研究者提出可靠性區間變量的概念，可靠度是一個區間不是一個數值；Ben-Haim提出了穩健性理論，即如果系統發生較大的不確定變化而不失效，則說明該系統可靠，否則不可靠。21世紀則是可靠性發展的完善期，隨著可靠性基礎理論與標準體系的不斷發展與完善，可靠性研究將會在多方面取的進展。

2.2 可靠性理論研究發展趨勢

對于現代機械產品而言，怎樣提高產品質量、縮短設計周期、提高生產效率是最重要的，這些問題又和可靠性有著密不可分的關系，同時也標志著可靠性理論研究進入使用階段。就目前發展來看，系統可靠性和結構可靠性將成為可靠性研究的焦點。

機械零件與電子產品的失效形式不同，機械系統與電子系統也有很大差別，機械系統的故障模式多樣且復雜，到目前為止還沒有完善的分析方法和數學模型直接用于可靠性研究；用在電子元件上的可靠性理論是建立在一階二次假設和概率假設的基礎之上進行分析的，因此，尋找有效的分析方法是研究機械系統可靠性分析的頭等大事。

縱觀國內外的論文和專著，對結構可靠性分析的作品為數不多，這也預示著結構可靠性理論研究將成為研究熱點。根據目前發展趨勢分析結構可靠性研究主要從以下幾個方面入手：

（1）可靠性優化設計；

（2）可靠性靈敏度設計；

（3）可靠性穩健設計；

（4）可靠性試驗。

3 可靠性優化設計

機械產品的設計包括零件設計和整機設計，整機設計常用的有兩種方法：

（1）分析各個零部件的可靠度，了解整機性能，由零部件的可靠度推斷整機可靠性；

（2）將整機可靠度指標分到各個零部件上，只要零部件滿足新的可靠度則整機可靠度就達到了滿足。在進行可靠性設計時，我們常采用的方法有：

1）預防故障設計法；

2）簡化設計法；

3）降額設計和安全裕度設計法；4）耐環境設計法；

5）人機工程設計法；

6）健壯性設計法（常用的是田口方法）；

7）概率設計法；

8）模擬設計法等。

可靠性優化設計是在可靠性設計的基礎之上進行優化，即將新工藝、新設備、新思路、新知識等新鮮血液注入到可靠性設計當中，使得設計既能滿足產品運行中的可靠度要求又能使資源得到充分利用，順應了可持續發展的大趨勢。

在高新技術的推動下，現代化設計方法和理念不斷融入到機械設計領域，可靠性設計和優化也得以快步前進。機械產品不同于其他產品，將可靠性設計和優化設計單一考慮的路子是行不通的，單一考慮可靠性設計時得到的產品參數和性能指標并不是產品的最佳點；若單一考慮優化設計有可能達不到產品的可靠性而導致生產事故，進而降低了產品的安全性和效益性。因此，結合機械產品的結構復雜性，在進行可靠性優化設計時，要理清設計的先后順序和側重點，在保證產品可靠性的基礎之上，盡可能的實現產品參數和性能的最優化。

4 機械可靠性試驗

4.1 可靠性試驗研究現狀

可靠性試驗是對產品的可靠性進行調查、分析，發現產品的缺陷，為產品的優化設計和減少維修等提供信息。在實際的工程應用中，多數機械系統是由單機組成的，很多企業為了縮短試驗周期，常常省略單機的可靠性測試，僅僅測試系統的可靠性，這樣就加大了故障的發生，降低了產品的使用效率。機械可靠性試驗是一項耗資、耗力、耗時的任務，在研制期間，各個公司都面臨著任務重、難度大、時間緊等難題。如何將可靠性試驗變為耗時少，費用低、簡單便捷的操作作業成了研究的大難題。而目前，最常用到的解決辦法是將可靠性試驗與其他實驗（如：耐久試驗、性能試驗等）融合到一起，既可以避免單項試驗引來的缺陷又可以避免資源的不必要浪費。

隨著電子技術的發展和成熟，電子產品的可靠性試驗相對比較成功，其穩定性也較高。機械可靠性相對就落后了，其可靠性試驗也存在著很多問題，主要有一下兩個方面：

（1）缺乏專項人員，在做可靠性試驗時，常常是一人多機，這樣，工作人員沒有辦法專注于一臺樣車，信息記錄人員可不固定，所以，記錄信息有時就會出現誤差，為后來的進展帶來難度。

（2）試驗前工作不嚴謹，為提高時效性，在做可靠性試驗之前，一般會做可靠性增長試驗。有些企業為了縮短周期，往往還沒來的及檢驗這一輪的研制、設計，就急急忙忙開展下一輪的研制、測試，就會造成問題的累加，增加故障的發生。

4.2 可靠性試驗發展趨勢

可靠性試驗貫穿于產品整個壽命周期，在研制階段，通過可靠性試驗可以及時彌補可靠性缺陷，盡可能去除產品早期故障；在設計定性（小批生產）階段，驗證產品設計是否符合可靠性要求，為使用方提供合格證明；在批量生產階段，驗證可靠性的穩定程度，保證產品的可靠性不隨生產工藝、流程、環境等的變化而變化；在使用階段，了解使用可靠性，保證產品的正常使用。

在可靠性技術中，我們一般是選用小樣本容量，如何對小樣本參數進行分析和評定是可靠性技術的核心問題，而能夠很好的處理小樣本參數的理論是貝葉斯論點[4]，貝葉斯論點可以很好的將參數與信息融合在一起，也可以降低壽命試驗時間，因此，貝葉斯論點在可靠性試驗中得到廣泛使用。但也有部分專家存在一定的爭議，對貝葉斯論點的使用非常謹慎。

5 結論

可靠性是產品質量的一項重要指標，并成為機械領域關注的焦點和國外各公司間競爭的重要手段。隨著產品功能的強大，機械產品結構日俱復雜，產品發生故障和失效的可能性逐漸變大，可靠性問題日益突出，更深層研究可靠性成了現在最重要的任務。本文總結了國內外可靠性發展現狀，分析了可靠性理論研究熱點，闡述了可靠性試驗的發展。

參考文獻：

[1]張立博.探討機械工程的可靠性優化設計[J].科協論壇:下半月,2012(03):38-39.

[2]班德利.電器產品的可靠性設計[J].城市建設理論研究,2013(22):1-4.

[3]王志剛，戴柏林.可靠性技術的發展與應用[M].北京：機械工業出版社,2010.

[4]尹廷亭.機械可靠性試驗技術研究現狀和展望[J].科技創新導報,2014(12):22-23.

作者簡介：張立強(1984-)，男，安徽蕭縣人，本科，助理工程師，研究方向：機械構造等。