机械可靠性工程研究体系及发展方向探讨

2019-01-19刘燕

中国设备工程 2019年11期

刘燕

（西部钻探克拉玛依钻井公司，新疆克拉玛依 834000）

可靠性是评估现代产品质量的关键指标之一，可靠性工程在概率数据理论的支撑下，科学分析各种不确定因素对机械产品质量及性能产生的影响，采用“率”这一指标去产品预设功能实现的可能性。自20世纪中叶开始，人们给予了机械设备失效问题一定的关注，并对其运行可靠性展开较深入性研究，这对可靠性工程学科发展起到良好的推动作用，有利于将其提升至工业产业发展的日程中。

1 可靠性工程研究体系的基本原则

1.1 价值设计原理的原则

在对该体系相关指标设计时，应参照机械设备的整体性能，实际构造、原材料、工艺流程与技术水平、时间进度、经济投入、故障类型及成因分析等要素，实现对产品全生命周期运行可靠性的分析，同时参考国际上同类或功能相似机械产品可靠性维持现状，遵照价值设计的规则，通过整体权衡后，明确产品的可靠性。

1.2 根据使用需求的原则

结合机械产品的种类、功能与使用特征（通常是机械的结构特征、复杂性与运行模式等），进而选用具有可靠性属性的指标，全面迎合反映机械可靠性各方面的需求，结合现实应用与检修需求，以及后勤保障计划等确定相关参数。使用要求主要包括机械需完成的预设功能与任务、适应运行环境并克服各种干扰因素等。

2 机械可靠性工程研究体系

2.1 学科体系

机械可靠性工程实质是可靠性工程运用于机械工程领域的具体表现形式，属于可靠性理论与机械工程有关理论的交叉学科，边缘性是该学科体系的典型特征。对该研究体系内容与发展过程2大因素进行分析，发现可靠性工程和工程力学研究之间存在紧密相关性。

2.2 结构及机构的可靠性

从宏观层面上分析，机械可靠性工程研究主要涉及结构可靠性与机构可靠性2大版块内容，前者研究内容以各种结构因素对机械强度形成的影响、刚度与其承受载荷间的相关性、机械运行期间的疲劳度、结构裂痕与形体过度改变等失效形式的可靠性发展规则为主。在机械可靠性工程领域中，结构可靠性问题是研究的重点也是基础，同时其研究历程较为漫长。在20世纪40年代末期，“结构安全度”指标的提出以及“应力强度干涉模型”的建设，为机械产品结构可靠性研究工作的开展提供了有效支撑。因为该项结构可靠性研究期间涉及工程力学中很多静力学理论，因此与结构可靠性相关的问题被称为静力学可靠性问题。

机构可靠性研究的主要内容有机构及运动副系统在构件几何规格上产生的偏差、摩擦过程形成的磨损度、弹性变形等多种因素对机械产品可靠性形成的影响，并对产品功能效力丧失及运行故障的，运动学、动力学以及弹塑性等相关问题进行研究分析。目前我国可靠性工程研究领域中，与机构可靠性研究相关的工作缺乏全面性、深度性，且和结构可靠性研究相比较，其起步时间较晚，发展过程体现出明显的迟缓性。在20世纪70年代末，有学者针对机构磨损及运动可靠性进行较深刻研究，并出版相应专著，这对机械产品机构可靠性研究形成了很大的推动力，时隔10余年后，机构可靠性研究方向才体现出系统性、专门性特征。

2.3 可靠性分析与可靠性规划

结合机械产品结构设计特点、机构参数等，对其运行可靠性有关仪表进行预估、分析与测算一系列问题，均被统称为可靠性工程第I类问题，即可靠性分析问题。参照机械产品自身可靠性的相关指标，更合理规划产品零部件与系统构造、机构参数等，进而取得融合机械可靠性相关要求的产品设计结果，被纳入可靠性工程第II类问题范畴中，其属于可靠性设计问题。在机械可靠性工程研究领域中，可靠性分析与可靠性设计均是重点内容。故此在现实研究中，建议有机结合可靠性理论与机械工程，并将其设为研究的入手点，其主要“职责”是在数学相关理论、方法的支撑下，建设机械产品结构、机构参数和可靠性指标间模型，反映出三者间的定量映射关系，这为机械产品可靠性能整体提升提出了坚实的理论支持与可行渠径。

加强钻探机机械可靠性功能的设计，是促进其功能性特征有效发挥的重要举措之一。钻探机在现实应用期间，通常会维持其可靠性处于承载能力区间内，故此设备运行期间出现故障的风险相对较低。在对钻探机可靠性设计时，可采用降额法实现，降额法也是实现对零部件设计方法管理的重要手段，若应用中小于应力设计，在产品可靠性分布模式不确定情况下，可把零部件的载荷应力控制在一定范畴中，技术人员可通过增强钻探机平均强度值或降低应力与强度波动幅度等方式，以提升钻探机功能设计的可靠性。目前人机工程设计法在钻探机可靠性设计领域有广泛性应用，其能将机械运行过程中形成的误差降至最低水平，该种设计方法加强人员与机械自身两方面的设计，在人机工程学内有关方法的支撑下，可选设计各种操作按钮，若机械出现某种故障，则可结合人机操作现状对其进行预测、评估，在设计中结合实况设计调节阀，若水量回流对调节阀造成返堵，会导致泥浆泵泵压值骤然变化，采用以上方式预示钻探机操作人员井下出现堵水情况，促使其立即做出提钻行为，以防诱发避免烧钻井事故。

3 机械可靠性工程研究发展方向

3.1 可靠度计算方法

可靠度计算方法列属于可靠性数学理论的范畴。以往机械应力强度模型可靠度的计算方法，包括概率解析法与近似概率法两大类。前者是以数学概率计算理论为基础对概率精确性进行分析的方法，在现实中，机械结构与随机变量概率分布模式均有较明显的复杂性，这增加了概率解析计算预设目标的实现难度。近似概率法通常是以极限状态函数近似泰勒为支撑，而进行的一次二阶矩、高次高阶矩计算过程，气候后一种计算过程有利于提升状态函数泰勒展开的精度，但过程过于烦琐故而可能出现新的误差，影响结果的精确度，应用受限。

3.2 疲劳强度及疲劳寿命

国内外针对机械可靠性技术研究的推进，单纯进行静强度可靠性已经难以迎合机械功能实践的多样化需求。分析产品循环交变应力工况、零部件疲劳寿命、持久极限属性的疲劳强度及寿命可靠性，发现其与工程现实发展需求更具匹配性，将会逐渐演变成后续几年中，机械工程强度可靠性研究的重要趋向之一。

3.3 可靠性数据处理与评价方案研究

在软件编程系统的协助下，建设机械可靠性研究的数据库，具有数套软件能实现对可靠性相关数据的有效处理。汽车行业可靠性数据处理软件和工程机械行业相比较，更具成熟性，在具体实践中，可照搬其软件平台，以实现对机械产品可靠性数据的有效处理、分离与整合。对于现代企业而言，当其生产的产品出现故障时，应将故障信息整体纳入数据库内，以便后续故障检修等工作中随时调用数据，同时其也能对产品设计方案制定提供良好的支撑作用。

针对机械可靠性数据处理与评估方案的研究，技术人员可以在首次处理机械故障时，应预见性评估其故障后的使用年限、整机同类故障的发生率、故障时间等，继而建设相应图表。这些图表是“三包期”故障处理工作结束后，能为设计部门、决策机构等提供更优质的服务，例如，其可促进机械设计部门结合产品的使用环境与现实技术操作水平等因素，采用更先进的方法设计机械的主要功能，进而确保其在现实生产中更具优势。