21世纪机械可靠性综述

张立强,张 垒,年二壁（上海众深科技股份有限公司南京分公司, 南京 201203）

21世纪机械可靠性综述

张立强,张 垒,年二壁
（上海众深科技股份有限公司南京分公司, 南京 201203）

摘 要：虽然随着高新技术的大步前进，我国的机械制造业也呈现跳跃式发展。但由于多方面原因，我国机械行业的发展相对于国外还是比较落后，可靠性研究更是相对滞后，为了改变这一现状，研究可靠性成了赤手可热的任务。本文介绍了可靠性的发展历史及国内外发展现状；分析了可靠性基础理论研究热点及常用方法，展望了其发展方向；阐述了可靠性优化设计注意事项；论述了可靠性试验的发展。

关键词：可靠性；发展；寿命；优化设计

0 引言

现代机械产品质量是否合格的四大指标[1]分别为：可靠性、安全性、经济性、性能，而可靠性是其最核心指标，并成为机械领域关注的焦点。产品可靠性的高低成了各大公司产品销售的关键点，也是其竞争手段。

所谓可靠性就是指在规定时间和条件下产品完成特定功能的能力，可分为：固有可靠性、使用可靠性和环境适应性。机械系统随着科技发展的脚步变得越来越精密、越来越复杂，研究机械的可靠性就成了急需解决的问题。对可靠性的研究包括很多方面，如：可靠性工程技术、可靠性试验、可靠性优化等问题。本文将从多方面对可靠性的发展做出总结。

1 可靠性研究发展史

在国外，对可靠性研究相对较早。早期的可靠性研究多用于电子产品和军工产品。1939年，英国专家用概率论分析飞机的可靠度[2]，这也是最早的飞机可靠性定量指标。1958年，日本成立了专门的可靠性研究委员会，并于1971年召开了一次全国范围的学术研究。从第二次世界大战开始，美国开始对电子设备和导弹系统的可靠性问题进行研究。最具影响力的是由美国国防部于1952年成立的可靠性咨询组，该小组由军队、工业、学术领域的专家及在可靠性发展上有推动或决定性作用的组织组成。该小组在1957年发表的一篇名为《军用电子设备可靠性》的报告，为可靠性成为独立的学科立下了重要的里程碑。

随着我国高新技术的迅猛发展，现代机械制造业发展进入全新机遇期，机械可靠性也将迎来蓬勃发展的春天。对可靠性的研究可追溯到上世纪四十年代，从那时开始人们开始大面积使用电子产品，对其故障的研究也随之展开，可靠性研究就成为故障研究的核心。随着电子产品技术的飞速发展，对其可靠性研究也提出了越来越高的要求。从上个世纪末开始，可靠性技术开始在机械制造领域发挥重要作用。

2 可靠性基础理论研究

可靠性理论实际上包括四个独立学科即：

（1）可靠性数学，是最基本的基础理论，它涵盖了概率、数理统计、随机变量、拓扑学等，用于可靠性的数据收集与分析、使用寿命试验等方面。

（2）可靠性物理，主要用于研究机械产品的失效，它从本质和机理上研究产品的不确定因素。

（3）可靠性工程，能解决可靠性的很多问题，包括了进行可靠性分析的全过程，涉及的学科比较多。

（4）可靠性教育与管理，用于如何将可靠性作为一门独立学科推广出去。

2.1 可靠性理论研究发展史

20世纪初期是可靠性发展的萌芽时期，在这一时期，数理统计学在可靠性领域迅速发展，在这期间提出的维修概率、试件疲劳、极限理论等都与工程实践紧密结合起来，威布尔提出的威布尔分布到目前为止仍是最常用的分布之一[3]。20世纪初有学者将数学知识（概率论、数理统计）运用到机构安全性分析上，标志着可靠性基础理论探究的开始；在随后的十几年里，各国专家不断地用数学理论（如：统计数学、随机变量的均值和方差等）来研究机构可靠性；1930年，Shewhart首次将质量检测技术与可靠性技术融合到一起，大大提高了检测效率； 20世纪中期是可靠性研究的发展时期，在这一时期，可靠性作为一门独立学科全面发展，并与其他学科相辅相成（如图1所示），其研究从电子、航空等尖端行业向电机、机械、建筑等行业扩展。德国火箭专家采用分-合的方法算出了Ⅴ—Ⅱ型火箭诱导装置的可靠度，即将整个系统拆分成若干子系统，分别计算其可靠度，最后求代数和；1969年，C.A.Cornell提出了一次二阶方法求解结构的可靠度，并建立了模型，打破了传统的计算方法； 20世纪末期是可靠性发展的成熟期，可靠性向着系统化、智能化、自动化方向发展，将可靠性分析与计算机辅助设计、人工智能相结合，使可靠性研究从单一学科发展到多个学科交叉渗透研究。80年代末，美国国防部颁布了DODD5000文件《可靠性与维修性》，将可靠性与其他技术相结合；也有不少研究者提出可靠性区间变量的概念，可靠度是一个区间不是一个数值；Ben-Haim提出了稳健性理论，即如果系统发生较大的不确定变化而不失效，则说明该系统可靠，否则不可靠。21世纪则是可靠性发展的完善期，随着可靠性基础理论与标准体系的不断发展与完善，可靠性研究将会在多方面取的进展。

2.2 可靠性理论研究发展趋势

对于现代机械产品而言，怎样提高产品质量、缩短设计周期、提高生产效率是最重要的，这些问题又和可靠性有着密不可分的关系，同时也标志着可靠性理论研究进入使用阶段。就目前发展来看，系统可靠性和结构可靠性将成为可靠性研究的焦点。

机械零件与电子产品的失效形式不同，机械系统与电子系统也有很大差别，机械系统的故障模式多样且复杂，到目前为止还没有完善的分析方法和数学模型直接用于可靠性研究；用在电子元件上的可靠性理论是建立在一阶二次假设和概率假设的基础之上进行分析的，因此，寻找有效的分析方法是研究机械系统可靠性分析的头等大事。

纵观国内外的论文和专著，对结构可靠性分析的作品为数不多，这也预示着结构可靠性理论研究将成为研究热点。根据目前发展趋势分析结构可靠性研究主要从以下几个方面入手：

（1）可靠性优化设计；

（2）可靠性灵敏度设计；

（3）可靠性稳健设计；

（4）可靠性试验。

3 可靠性优化设计

机械产品的设计包括零件设计和整机设计，整机设计常用的有两种方法：

（1）分析各个零部件的可靠度，了解整机性能，由零部件的可靠度推断整机可靠性；

（2）将整机可靠度指标分到各个零部件上，只要零部件满足新的可靠度则整机可靠度就达到了满足。在进行可靠性设计时，我们常采用的方法有：

1）预防故障设计法；

2）简化设计法；

3）降额设计和安全裕度设计法；4）耐环境设计法；

5）人机工程设计法；

6）健壮性设计法（常用的是田口方法）；

7）概率设计法；

8）模拟设计法等。

可靠性优化设计是在可靠性设计的基础之上进行优化，即将新工艺、新设备、新思路、新知识等新鲜血液注入到可靠性设计当中，使得设计既能满足产品运行中的可靠度要求又能使资源得到充分利用，顺应了可持续发展的大趋势。

在高新技术的推动下，现代化设计方法和理念不断融入到机械设计领域，可靠性设计和优化也得以快步前进。机械产品不同于其他产品，将可靠性设计和优化设计单一考虑的路子是行不通的，单一考虑可靠性设计时得到的产品参数和性能指标并不是产品的最佳点；若单一考虑优化设计有可能达不到产品的可靠性而导致生产事故，进而降低了产品的安全性和效益性。因此，结合机械产品的结构复杂性，在进行可靠性优化设计时，要理清设计的先后顺序和侧重点，在保证产品可靠性的基础之上，尽可能的实现产品参数和性能的最优化。

4 机械可靠性试验

4.1 可靠性试验研究现状

可靠性试验是对产品的可靠性进行调查、分析，发现产品的缺陷，为产品的优化设计和减少维修等提供信息。在实际的工程应用中，多数机械系统是由单机组成的，很多企业为了缩短试验周期，常常省略单机的可靠性测试，仅仅测试系统的可靠性，这样就加大了故障的发生，降低了产品的使用效率。机械可靠性试验是一项耗资、耗力、耗时的任务，在研制期间，各个公司都面临着任务重、难度大、时间紧等难题。如何将可靠性试验变为耗时少，费用低、简单便捷的操作作业成了研究的大难题。而目前，最常用到的解决办法是将可靠性试验与其他实验（如：耐久试验、性能试验等）融合到一起，既可以避免单项试验引来的缺陷又可以避免资源的不必要浪费。

随着电子技术的发展和成熟，电子产品的可靠性试验相对比较成功，其稳定性也较高。机械可靠性相对就落后了，其可靠性试验也存在着很多问题，主要有一下两个方面：

（1）缺乏专项人员，在做可靠性试验时，常常是一人多机，这样，工作人员没有办法专注于一台样车，信息记录人员可不固定，所以，记录信息有时就会出现误差，为后来的进展带来难度。

（2）试验前工作不严谨，为提高时效性，在做可靠性试验之前，一般会做可靠性增长试验。有些企业为了缩短周期，往往还没来的及检验这一轮的研制、设计，就急急忙忙开展下一轮的研制、测试，就会造成问题的累加，增加故障的发生。

4.2 可靠性试验发展趋势

可靠性试验贯穿于产品整个寿命周期，在研制阶段，通过可靠性试验可以及时弥补可靠性缺陷，尽可能去除产品早期故障；在设计定性（小批生产）阶段，验证产品设计是否符合可靠性要求，为使用方提供合格证明；在批量生产阶段，验证可靠性的稳定程度，保证产品的可靠性不随生产工艺、流程、环境等的变化而变化；在使用阶段，了解使用可靠性，保证产品的正常使用。

在可靠性技术中，我们一般是选用小样本容量，如何对小样本参数进行分析和评定是可靠性技术的核心问题，而能够很好的处理小样本参数的理论是贝叶斯论点[4]，贝叶斯论点可以很好的将参数与信息融合在一起，也可以降低寿命试验时间，因此，贝叶斯论点在可靠性试验中得到广泛使用。但也有部分专家存在一定的争议，对贝叶斯论点的使用非常谨慎。

5 结论

可靠性是产品质量的一项重要指标，并成为机械领域关注的焦点和国外各公司间竞争的重要手段。随着产品功能的强大，机械产品结构日俱复杂，产品发生故障和失效的可能性逐渐变大，可靠性问题日益突出，更深层研究可靠性成了现在最重要的任务。本文总结了国内外可靠性发展现状，分析了可靠性理论研究热点，阐述了可靠性试验的发展。

参考文献：

[1]张立博.探讨机械工程的可靠性优化设计[J].科协论坛:下半月,2012(03):38-39.

[2]班德利.电器产品的可靠性设计[J].城市建设理论研究,2013(22):1-4.

[3]王志刚，戴柏林.可靠性技术的发展与应用[M].北京：机械工业出版社,2010.

[4]尹廷亭.机械可靠性试验技术研究现状和展望[J].科技创新导报,2014(12):22-23.

作者简介：张立强(1984-)，男，安徽萧县人，本科，助理工程师，研究方向：机械构造等。