針對機械系統在運行方面可靠性的研究

婁軻　劉書豪　李鑫

摘 要：對于一臺特定的機械研究其運行過程中的可靠性問題具有局限性，但選擇較多的研究對象同時采用數學統計算法算出的可靠性對于單個研究對象又沒有針對性。傳統意義上的可靠性方面的理論在機械系統的可靠性研究過程中又存在著各種各樣的問題，所以提出一種新的理論對于機械系統的運行過程中的可靠性非常重要，將動態建模、信號處理和故障機理作為其技術的內涵，使得機械可靠性和可靠度有了新的內涵，最后提出了可靠性的評估手段。

關鍵詞：機械系統；可靠性；故障；可靠度

1 機械系統可靠性研究的背景

工業技術在不斷的發展，一些歐洲的發達國家在二戰之后就開始大力的研究機械設備的可靠性，可靠性研究的成果使得一些新的機械產品不斷出現。中國是一個大國，機械系統的可靠性影響著中國的發展，目前我國與世界上的一些先進技術仍然是有非常大的差距的，因此對于我國研究機械可靠性技術顯得尤為重要。

機械系統的可靠性包括很多方面，如設計方面的可靠性、制造方面的可靠性、管理方面的可靠性、運行方面的可靠性和維修方面的可靠性等等。設計和制造方面的可靠性是產品在生產階段的可靠性，是機械設備的可靠性的第一因素。運行方面的可靠性則是聯系著機械在使用過程中的環境、使用的周期以及機械小部件的逐漸失效等，相當于機械可靠性的第二因素。即使是同一臺機械設備，如果運行的條件與所處的環境不同，機械設備的可靠性也是截然不同的。如果是重大的機械系統，其結構比較復雜，組成的小部件個數多而且零部件間耦合緊密，提高了故障發生的幾率。小部件的損傷或失效使得機械設備的可靠性降低，因為此原因造成的災難事件也不勝枚舉了。為了使得重大事故發生的幾率降低，就必須要保證機械設備的可靠性，使機械設備的安全性提高，所以研究機械系統的可靠性至關重要。

2 機械系統可靠性研究的發展

2.1 機械可靠性研究中的問題

經過科學家們的不斷研究，機械可靠性的研究已經在理論方面與實踐方面都取得了重要的成果。傳統的機械可靠性的理論主要是依據數理統計與概率論相關的數學工具，以較多數量的樣本為研究對象，研究對象是具有概率的重復性特征，從而獲取機械失效所分布的范圍，最后確定同類機械設備的可靠性共性。但是，這種研究方法有其缺陷之處。因為沒有考慮到機械設備運行的條件和運行的環境，以及機械系統中零部件失效的不同程度。特定的機械設備的可靠性研究是一個個性的問題，然而大量的研究樣本又不能滿足特定機械設備可靠性的評估要求。科學家曾指出，傳統的機械可靠性的研究理論在處理工業中的具體問題時很容易就會有誤導現象和無效現象，并闡述了產生這些現象的原因。

2.2 針對現有問題的改進技術

傳統的機械可靠性的理論具有一定的局限性，針對這些問題許多學者提出了改性方法，在機械可靠性的研究上取得了新的進展。

傳統的評估機械可靠性的技術方法是以大量的重復性樣本為研究對象，對此很多位學者專家提出了減少依賴數學概率分布的技術方法對傳統的可靠性的理論進行改進。例如，采用準確性較高的仿真法、建立聚類和模糊理論的計算模型等。雖然這些方法在某種程度上對小數量樣本可靠性的分析難度有所緩解，但是這些方法都沒有真正的從數理統計和概率論中脫離出來，因此也不可能從根本上解決數量較小的樣本機械可靠性的問題。

學者們對于傳統的機械可靠性理論中的二值假設或者是有限狀態的假設不可能充分地闡述機械系統的連續性能逐漸退化的現象，提出了監測機械設備的性能逐漸退化的數據，采用假設出機械產品的失效路徑或者是機械產品的失效分布評估機械系統的可靠性，使得傳統的機械可靠性的理論得以拓展。例如，布朗運動與伽馬過程結合建立出一種全新的使性能退化加速的模型，在原有兩個階段退化分析的技術方法上改進進而提出了新的三個階段機械設備退化的分析方法等。

由于機械設備是在不斷運行的，運行過程中會出現各種故障。傳統的機械可靠性的分析技術方法很難評估機械在線動態運行過程中的性能，因此諸多學者就開始提出了動態可靠性和實時可靠性的概念。例如，基于歷史數據采用了貝葉斯法使得數據實時的反映到機械設備的可靠性的模型中，根據飛機飛行時的參數評估飛機的結構損傷和可靠性等。機械動態的可靠性與實時的可靠性兩個概念的提出，打破了傳統意義上的靜態的機械可靠性的理論，由于該概念的研究仍然處在起始階段，僅僅停留在仿真方面和理論方面的研究，所以要想將這兩個概念真正的應用在動態運行的機械可靠性的評估中還需要更深入的研究和探討。

3 機械系統可靠性基礎和內涵

3.1 機械運行過程中的可靠性和可靠度

機械系統是一個整體，這個整體是由大量的小部件一個個組合而成，最終實現機械所提供的功能，大量的小部件類似于木桶的每塊小木板。機械系統在運行過程中的可靠性就如同這個木桶所能承受的存水功能，其在于構成木桶的長度最短的那個小木板，簡言之就是短板效應。

在機械設備運行的期間，組成機械系統的各個小部件都在經受著應力、電流、溫度和腐蝕等等各種不同因素的影響，從而造成機械性能的不斷退化，在初期小部件的損傷由萌生到擴展，變為故障，最終使得機械設備徹底失效。這些變化都是小部件性能逐漸退化的最直接反映。所以設備在運行中的可靠性可以根據受損傷的程度最為嚴重的小部件來衡量出來。由此，運行的可靠性的新定義是在指定的環境條件下以及服役的周期內，機械設備的小部件的狀態決定的機械設備的能力。

可靠度是機械可靠性的分析過程中非常重要的一個指標。在國際標準中，可靠度的定義是在規定的條件與和規定的時間內，機械設備能夠實現其功能的數學概率。機械運行的可靠度可以如下定義：在特定的環境條件和服役周期內，機械設備運行過程中小部件的狀態能夠決定的實現所要功能的度量性指標。機械設備的運行的可靠度是關于時間參數的函數，它的值是一個正實數，且在0和1之間。

3.2 運行過程中可靠性的評估

在機械運行的過程中，會制造出一些如噪聲、位移、電量等信息，基于這些信息，可以將動態建模和故障機理的分析、信號的處理和故障具體表現的提取聯系起來進行研究。動態建模和故障機理的分析主要是針對機械設備中的基本的小部件如齒輪或者軸承等等，這些小部件在各種受約束的環境條件中受到的溫度等作用，構建出動態的模型，根據模型分析找到此故障形成的原理以及它在時間域、頻率域或者時間頻率域的具體表征，這就為故障的診斷提供了重要的理論上的依據。信號的處理和故障具體表現的提取是通過測量設備在運轉過程中的實時物理量的信號，采用高科技技術處理信號，提取出能夠反映產生故障的表征，可用在小部件的及時定位與受損傷程度的定量分析，為機械系統的正常運行提供了技術保證。動態建模和故障機理的分析、信號的處理和故障具體表現的提取兩部分為機械運行的可靠性提供了堅實的理論基礎。

4 結論與展望

針對傳統的可靠性研究中存在的問題，重新定義了機械運行的可靠性含義和可靠度含義，建立了動態建模和故障機理的分析理論、信號的處理和故障具體表現的提取理論，提出了機械運行的可靠性的評估方法，為機械運行的可靠性提供了理論基礎。本文中機械運行的可靠性研究只是一個開始，還有許多等待著解答，最終使得機械運行的可靠性理論能在工業界起到重要的作用。