踐行可靠性系統工程實現軸承行業高質量發展

盧剛

(中國軸承工業協會，北京 100055)

“十五”至“十二五”期間，軸承行業的技改投資總額高達數百億元，其中外資約一百億元。與國際先進水平相比，內資投入多為低水平的重復建設；外資投入則是通過補充產能與國內企業爭奪中端市場。因此，自主產品的質量與品牌提升效果并不明顯，國際市場競爭國內化逐步加劇。

如何推動軸承行業高質量發展，需要站在戰略高度來思考！需要從現狀出發，從差距切入；需要有精準目標、精準指標、務實的措施和支撐條件。軸承可靠性是國內高端需求的最大關注對象，與國外軸承行業存在很大差距，且至今尚不被行業所重視。因此，應該將提高軸承可靠性作為全行業轉型升級與市場競爭力培育的核心內容，作為高質量發展的切入點。

1 軸承行業發展現狀

1.1 快速發展階段

“八五”至“十二五”期間，軸承行業的增長趨勢如圖1所示。從圖中可以看出，軸承行業得到了高速發展，平均增長率約為14.8%，產業規模增長了47倍，已穩居世界軸承大國前3位。國產軸承自主配套已實現80%以上的市場覆蓋，中低端產品在國際市場競爭中也取得一定優勢。

圖1 軸承行業“八五”至“十二五”期間增長趨勢

“八五”至“十二五”期間，我國還建立了完整的軸承工業體系。產業體系包括了完整的產品種類，軸承鋼材、專用機床與設備、檢測試驗裝備、儀器儀表等產業鏈建設齊全；技術體系包括了國家級、部省級技術創新平臺、技術標準、產品監督檢驗機構；人才培育體系涵蓋了高校與科研院所的中高端專業人才、企業級技能人才以及社會培訓機構等。

然而，需要注意的是，“十二五”以來，軸承行業已步入了調整發展期。

1.2 從質量與差距看現狀

1.2.1 與國際先進水平的差距

我國軸承工業與國外先進水平的差距主要表現在產品、技術水平、企業發展水平3個方面，導致了軸承質量存在如下主要問題：

1)產品質量的一致性差距。同一批軸承中各種質量參數的離散度較大，如公差分布的正態曲線呈丘峰狀而不是尖峰狀；疲勞試驗中最高壽命與最低壽命之比甚至相差數十倍。

2)動態性能差距。盡管國產軸承在靜態精度上與國外先進水平比較接近，微小型軸承已能抗衡日本NSK等公司的產品，但真正反映軸承使用狀態的動態性能(振動、噪聲、摩擦)尚有差距，尤其是滾子軸承和中、大型球軸承差距較大。常規檢測中的振動、噪聲相差5～10 dB，靜音、異常聲等特殊檢測指標差距更大。同樣標準要求下，國產軸承的合格率較國外產品低20%～40%。不僅檢測結果存在差距，性能的保持性也同樣存在較大差距，國產軸承即使檢測結果與國外先進水平相同，其滿足性能要求的運行時間相對較短。

3)壽命可靠性低。這是國內外用戶反映最普遍、也最強烈的問題，國產軸承的使用壽命平均只能達到國外產品的一半左右。經疲勞壽命試驗得到的國內外軸承的壽命指數(試驗壽命與計算壽命之比)及可靠度結果見表1。

表1 國、內外軸承的壽命指數及可靠度

1.2.2 世界軸承強國的經驗

世界軸承強國均是成熟的工業化國家，其經驗表明： 實踐可靠性系統工程是工業化成熟的重要標志，也是實現工業化的一條重要路徑。

能用、耐用、好用是使用者評價產品最常用的口頭禪，一致性是軸承用戶最關注，也是離散性制造業產品質量最重要的評價項目。如何用指標量化口頭評價和評價項目？可靠性技術或可靠性系統工程就是量化解決質量問題的一種成熟的技術方案。

1.2.3 國內外可靠性技術發展與應用

對于可靠性技術，國內電子行業最先引進，起步于20世紀70年代；20世紀80年代，中國航空工業為了研制“殲十”，在當時國內大部分人都不知道可靠性是什么的背景下，全面引入可靠性工程，成就了我國航空工業的一段傳奇。

我國軸承行業對可靠性的認識相對滯后，20世紀70年代中后期開始在實驗室進行規范的壽命試驗分析，90年代后期提出了軸承壽命與可靠性攻關，但至今仍未系統地普及和推廣應用可靠性技術。在質量領域應用可靠性技術方面，我國軸承行業落后于成熟的工業化國家不只40年。

國外可靠性技術起步于二戰期間，早期出于安全性考慮，主要研究飛機(美國1939年)、火箭(德國1944年)的安全性；1947年美國開始研究結構可靠性問題；1957年美國電子可靠性小組(AGREE)發表可靠性奠基性報告；1962年召開可靠性、維修性和故障物理學學術會議；1970年建立了機械產品-機械可靠性理論(包括機械和元器件的可靠性設計，可靠性評估與負載、應力及失效模式，傳感器、軸承、齒輪和發動機等的可靠性計算)；1974年美國原子能委員會提出“故障樹”方法分析評估故障。日本則從1956年引進可靠性技術，1960年組建質量委員會，使可靠性技術從安全領域進入到質量領域。

1.2.4 不同發展時期的生產特征與質量管理

根據工業化不同發展時期，對于質量可靠性的生產特征及應用進行了總結，見表2。

表2 不同工業化時期的生產特征與質量管理方式

1.3 《中國制造2025》與可靠性技術

《中國制造2025》有三段話提到“可靠性”：1)加強可靠性設計、試驗、驗證技術的研究和應用；2)推廣先進的在線故障預測與診斷技術及后勤系統；3)關鍵產品可靠性指標達到國際先進水平。

軸承在很多主機和應用領域都被認為是關鍵產品。因此在軸承行業推廣可靠性技術十分必要，尤其是高端軸承領域。但對不同的應用可以設計不同的可靠性指標。中國工程院《制造強國戰略研究》報告中的質量強國戰略就提出“制造業可靠性工程的質量強國戰略”。報告總結提煉了航空航天30年的可靠性系統工程的經驗和成果，對外以《可靠性系統工程理論與技術》名稱發布，成為實現制造強國的重大基礎性工作，需要用系統工程的方法推進可靠性技術應用。

2 可靠性系統工程初識

2.1 浴盆曲線

可靠性領域最重要的概念就是浴盆曲線(圖2)，縱坐標是產品的故障率，橫坐標是產品的使用時間，從統計上反映出產品故障發生的規律。

圖2 可靠性工程的浴盆曲線

浴盆曲線的第1段表示在早期使用時，故障率會比較高，需要經過不斷的維修、適應性改進，甚至修改設計、工藝，降低故障率，常稱之為“磨合期”。

浴盆曲線的第2段是故障率處于較低水平的使用階段，基本上不會發生劇烈波動，最好保持長時間穩定，稱之為“適應期”。

浴盆曲線的第3段是低水平故障率明顯升高的階段，但尚可使用，說明產品已進入到預期壽命階段，稱之為“故障期”。

幾乎所有的機械產品都表現出相同的規律，這是統計記錄所揭示出來的現象，維修周期可根據這個規律進行設定。

2.2 浴盆曲線與可靠性

實施了可靠性系統工程，“浴盆”就會變成“碟盤”。從統計數據上看到浴盆曲線第1和第3階段會很平坦，說明磨合期和故障期的變化并不顯著；而第2個階段，即盆底向兩端延伸，說明適應期得到了延長。

通過浴盆曲線的變化可以判斷出可靠性技術應用的效果；還可以折射出中國制造業的很多常見問題。目前，我國制造業的特征在浴盆曲線的3個階段均有反映：1)磨合期故障率高；2)故障率穩定下來的時間長；3)適應期短，即壽命不長。這些問題交織在一起反映了企業實施可靠性工程實踐的重要性。

浴盆曲線是一個有關故障發生概率和統計規律的曲線，也是產品質量評價和失效分析的一種工具。

2.3 軸承產品的可靠性

軸承是機械元件，其可靠性區別于機械產品和過程的可靠性。用于定量表述可靠性指標的標準術語為“可靠度”。

軸承可靠度(Reliability)是指在同一條件下運轉的一組近于相同的滾動軸承期望達到或超過某一規定壽命的百分率；單個軸承的可靠度則指達到期望壽命的概率。工程應用中對可靠度的理解主要有3個內容：1)在確定運轉條件下；2)期望壽命期內；3)正常使用的百分率(概率)。

1)可靠度由以試驗數據為基礎的統計分析獲得。物理過程、失效分析、數學模型、概率分布及數理方法是實施可靠性工程的重要基礎。

2)可靠度與壽命密切相關。軸承設計的期望壽命對應的可靠度是90%(根據額定動載荷理論和ISO標準)，縮小期望壽命值就能提高可靠度。GB/T 6391—2010《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》給出的對應不同可靠度壽命值的修正系數見表3。

表3 可靠度壽命修正系數a1

3)軸承行業是典型的離散型制造業。大批量軸承制造過程產生的超大量數據都是離散型數據。尺寸與公差是離散的，統計結果符合正態分布；壽命數據也是離散的，符合Weibull分布等。

4)可靠度評估是一門深奧的學問，也是一項復雜的技術，需要花大力氣、大投入，經過長期積累數據才能完成。目前，計算機技術為此創造了良好的先決條件。

5)同時要求長壽命與高可靠度是現代高端裝備對配套軸承的基本要求，主要基于安全性和經濟性的考慮。如飛行器、高速客車、風電機組、盾構機等。這是軸承產業鏈企業的發展機遇，更是企業必須面對的挑戰。

2.4 可靠性系統工程是“方法論”

與故障相關的產品設計特性主要包含6個方面：可靠性、維修性、測試性、保障性、環境適應性和安全性，也就是產品的通用質量特性，如圖3所示。

圖3 故障“六性”

可靠性系統工程的概念是從如何推進可靠性工作的角度提出，其關鍵是研究產品故障的發生、發展及其預防和維修保障的規律。將這些與故障直接或間接相關的設計特性進行概括性的總結，即可靠性系統工程，也就是圍繞產品保障規律組織管理通用質量特性工作的方法論。 從方法論上進一步解釋可靠性系統工程的內涵(圖4)，即在研發階段就進行與故障相關特性的設計、分析、試驗評價工作，同時還要做與故障相關的系統設計、分析、評價工作。

圖4 可靠性系統工程的內涵

與故障相關的系統，是指面向產品的使用維護和運維階段，即售后服務系統。沒有經歷過正向研發過程時，解決方案通常是出了故障就要修好，即被動的維修服務。然而，即使是售后服務系統，也需要主動去設計。在此基礎上進一步發展了與故障相關的系統，如維修保障系統、機內測試系統、自動測試設備系統、中央維護系統、遠程維護系統、PHM故障預測與健康管理系統(目前的技術熱點)等。完整的針對故障的研發和設計如圖4所示，這就是可靠性系統工程最基本的理念。

3 可靠性伴隨工業發展而發展

如圖5所示，質量與可靠性就像一對形影不離的雙胞胎，始終伴隨著工業化的歷程。

圖5 質量與可靠性伴隨著工業化進程

3.1 產品質量檢驗

有制造就有質量和質量檢驗。手工業時代、青銅器或鐵器時代，器物鑄造的好不好同樣取決于設計、制造和檢驗，但這些工序可能由師傅一個人完成。工業化后的批量生產則不一樣，福特汽車在大批量生產時代最具里程碑意義的事情，就是將質量檢驗從產業工人中分離，設置專業人員檢驗產品是否合格，這就是基于專業化分工的流水線產品的質量檢驗，質量專業也因此誕生。

質量檢驗又分為2個階段，當批量比較少的時候全數檢驗；對于一年幾十萬輛車，數千萬個零件的大批量，無法全數檢驗，需要采用統計方法，即抽樣檢驗。這2種檢驗都可以叫做過程質量檢驗。過程質量檢驗的出現是質量可靠性發展歷史上的第1個里程碑事件。

3.2 過程質量控制

當工業化發展到一定程度后，又出現新的問題，質量檢驗是在產品生產后進行合格與否的判定，會產生廢品，造成質量損失。因此，驅動人們思考能不能在制造過程中進行質量控制，預防不合格品的產生，降低不合格率，這就是過程質量控制。統計過程控制SPC和六西格瑪概念方法在這個階段產生。

3.3 質量的安全性

早期的工業產品應用，如蒸汽機、汽車、火車、飛機等，常發生爆炸、交通肇事、脫軌、墜毀等重大事故，所以，安全性是伴隨著工業化要面臨的又一個問題！

對于電氣、機械產品，如何保障其使用安全，逐步形成了一套設計準則以及嚴格的驗證規范。但是，需要設計、制造者的嚴格遵守，也需要政府的監督。像民用飛機這一類政府監管的適航取證，則是只管安全性，不管可靠性。可靠性對飛機安全有影響，但是安全性又有自己的技術范疇，安全的不一定可靠，可靠的不一定安全，這是2個很有意思的概念。于是“可靠性”成了一個獨特的質量概念。

3.4 質量的可靠性

第二次世界大戰中，德國人在作戰運籌中產生了“可靠度”的概念，后來發展為可靠性意識。到了20世紀50年代，在美國正式誕生了可靠性工程專業。但是“質量”的發展也一直在向前推進，從質量過程的事后檢驗發展為事前的過程質量控制，到了六七十年代，發現只控制生產過程仍然不夠，還需要全面的質量管理，這就是非常經典的“人、機、料、法、環”。

綜上可知：過程質量檢驗、過程質量控制是工業化早、中期形成的經典、傳統方法；20世紀七八十年代采用了全面質量管理。在這個過程中，可靠性逐漸發展了維修性、測試性、保障性等概念。維修性指產品要易于修理；測試性指在維修過程中能夠快速進行故障定位、診斷；保障性指在維修診斷的過程中要能夠提供足夠多的資源、備件、維修人員、維修設備、維修設施等。

伴隨著這些新概念的發展，20世紀60年代，美國在研發過程中提出了新的管理技術——工程專業綜合，后來發展為系統工程，并于90年代進一步發展為并行工程，最終發展為目前的基于模型的系統工程。這些技術的目的是解決可靠性概念融入設計研發流程以及整個壽命周期流程的問題。

3.5 小結

從上述發展歷史可以看出，可靠性與質量伴隨著整個工業發展的全過程，是工業化的主旋律，是工業化成熟的重要路徑和標志。可靠性系統工程主要是針對復雜產品和大型工程項目，但可靠性知識和技術幾乎適用于所有批量化工業產品和工程項目。