践行可靠性系统工程实现轴承行业高质量发展

2019-07-22卢刚

轴承 2019年1期

卢刚

(中国轴承工业协会，北京 100055)

“十五”至“十二五”期间，轴承行业的技改投资总额高达数百亿元，其中外资约一百亿元。与国际先进水平相比，内资投入多为低水平的重复建设；外资投入则是通过补充产能与国内企业争夺中端市场。因此，自主产品的质量与品牌提升效果并不明显，国际市场竞争国内化逐步加剧。

如何推动轴承行业高质量发展，需要站在战略高度来思考！需要从现状出发，从差距切入；需要有精准目标、精准指标、务实的措施和支撑条件。轴承可靠性是国内高端需求的最大关注对象，与国外轴承行业存在很大差距，且至今尚不被行业所重视。因此，应该将提高轴承可靠性作为全行业转型升级与市场竞争力培育的核心内容，作为高质量发展的切入点。

1 轴承行业发展现状

1.1 快速发展阶段

“八五”至“十二五”期间，轴承行业的增长趋势如图1所示。从图中可以看出，轴承行业得到了高速发展，平均增长率约为14.8%，产业规模增长了47倍，已稳居世界轴承大国前3位。国产轴承自主配套已实现80%以上的市场覆盖，中低端产品在国际市场竞争中也取得一定优势。

图1 轴承行业“八五”至“十二五”期间增长趋势

“八五”至“十二五”期间，我国还建立了完整的轴承工业体系。产业体系包括了完整的产品种类，轴承钢材、专用机床与设备、检测试验装备、仪器仪表等产业链建设齐全；技术体系包括了国家级、部省级技术创新平台、技术标准、产品监督检验机构；人才培育体系涵盖了高校与科研院所的中高端专业人才、企业级技能人才以及社会培训机构等。

然而，需要注意的是，“十二五”以来，轴承行业已步入了调整发展期。

1.2 从质量与差距看现状

1.2.1 与国际先进水平的差距

我国轴承工业与国外先进水平的差距主要表现在产品、技术水平、企业发展水平3个方面，导致了轴承质量存在如下主要问题：

1)产品质量的一致性差距。同一批轴承中各种质量参数的离散度较大，如公差分布的正态曲线呈丘峰状而不是尖峰状；疲劳试验中最高寿命与最低寿命之比甚至相差数十倍。

2)动态性能差距。尽管国产轴承在静态精度上与国外先进水平比较接近，微小型轴承已能抗衡日本NSK等公司的产品，但真正反映轴承使用状态的动态性能(振动、噪声、摩擦)尚有差距，尤其是滚子轴承和中、大型球轴承差距较大。常规检测中的振动、噪声相差5～10 dB，静音、异常声等特殊检测指标差距更大。同样标准要求下，国产轴承的合格率较国外产品低20%～40%。不仅检测结果存在差距，性能的保持性也同样存在较大差距，国产轴承即使检测结果与国外先进水平相同，其满足性能要求的运行时间相对较短。

3)寿命可靠性低。这是国内外用户反映最普遍、也最强烈的问题，国产轴承的使用寿命平均只能达到国外产品的一半左右。经疲劳寿命试验得到的国内外轴承的寿命指数(试验寿命与计算寿命之比)及可靠度结果见表1。

表1 国、内外轴承的寿命指数及可靠度

1.2.2 世界轴承强国的经验

世界轴承强国均是成熟的工业化国家，其经验表明：实践可靠性系统工程是工业化成熟的重要标志，也是实现工业化的一条重要路径。

能用、耐用、好用是使用者评价产品最常用的口头禅，一致性是轴承用户最关注，也是离散性制造业产品质量最重要的评价项目。如何用指标量化口头评价和评价项目？可靠性技术或可靠性系统工程就是量化解决质量问题的一种成熟的技术方案。

1.2.3 国内外可靠性技术发展与应用

对于可靠性技术，国内电子行业最先引进，起步于20世纪70年代；20世纪80年代，中国航空工业为了研制“歼十”，在当时国内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，成就了我国航空工业的一段传奇。

我国轴承行业对可靠性的认识相对滞后，20世纪70年代中后期开始在实验室进行规范的寿命试验分析，90年代后期提出了轴承寿命与可靠性攻关，但至今仍未系统地普及和推广应用可靠性技术。在质量领域应用可靠性技术方面，我国轴承行业落后于成熟的工业化国家不只40年。

国外可靠性技术起步于二战期间，早期出于安全性考虑，主要研究飞机(美国1939年)、火箭(德国1944年)的安全性；1947年美国开始研究结构可靠性问题；1957年美国电子可靠性小组(AGREE)发表可靠性奠基性报告；1962年召开可靠性、维修性和故障物理学学术会议；1970年建立了机械产品-机械可靠性理论(包括机械和元器件的可靠性设计，可靠性评估与负载、应力及失效模式，传感器、轴承、齿轮和发动机等的可靠性计算)；1974年美国原子能委员会提出“故障树”方法分析评估故障。日本则从1956年引进可靠性技术，1960年组建质量委员会，使可靠性技术从安全领域进入到质量领域。

1.2.4 不同发展时期的生产特征与质量管理

根据工业化不同发展时期，对于质量可靠性的生产特征及应用进行了总结，见表2。

表2 不同工业化时期的生产特征与质量管理方式

1.3 《中国制造2025》与可靠性技术

《中国制造2025》有三段话提到“可靠性”：1)加强可靠性设计、试验、验证技术的研究和应用；2)推广先进的在线故障预测与诊断技术及后勤系统；3)关键产品可靠性指标达到国际先进水平。

轴承在很多主机和应用领域都被认为是关键产品。因此在轴承行业推广可靠性技术十分必要，尤其是高端轴承领域。但对不同的应用可以设计不同的可靠性指标。中国工程院《制造强国战略研究》报告中的质量强国战略就提出“制造业可靠性工程的质量强国战略”。报告总结提炼了航空航天30年的可靠性系统工程的经验和成果，对外以《可靠性系统工程理论与技术》名称发布，成为实现制造强国的重大基础性工作，需要用系统工程的方法推进可靠性技术应用。

2 可靠性系统工程初识

2.1 浴盆曲线

可靠性领域最重要的概念就是浴盆曲线(图2)，纵坐标是产品的故障率，横坐标是产品的使用时间，从统计上反映出产品故障发生的规律。

图2 可靠性工程的浴盆曲线

浴盆曲线的第1段表示在早期使用时，故障率会比较高，需要经过不断的维修、适应性改进，甚至修改设计、工艺，降低故障率，常称之为“磨合期”。

浴盆曲线的第2段是故障率处于较低水平的使用阶段，基本上不会发生剧烈波动，最好保持长时间稳定，称之为“适应期”。

浴盆曲线的第3段是低水平故障率明显升高的阶段，但尚可使用，说明产品已进入到预期寿命阶段，称之为“故障期”。

几乎所有的机械产品都表现出相同的规律，这是统计记录所揭示出来的现象，维修周期可根据这个规律进行设定。

2.2 浴盆曲线与可靠性

实施了可靠性系统工程，“浴盆”就会变成“碟盘”。从统计数据上看到浴盆曲线第1和第3阶段会很平坦，说明磨合期和故障期的变化并不显著；而第2个阶段，即盆底向两端延伸，说明适应期得到了延长。

通过浴盆曲线的变化可以判断出可靠性技术应用的效果；还可以折射出中国制造业的很多常见问题。目前，我国制造业的特征在浴盆曲线的3个阶段均有反映：1)磨合期故障率高；2)故障率稳定下来的时间长；3)适应期短，即寿命不长。这些问题交织在一起反映了企业实施可靠性工程实践的重要性。

浴盆曲线是一个有关故障发生概率和统计规律的曲线，也是产品质量评价和失效分析的一种工具。

2.3 轴承产品的可靠性

轴承是机械元件，其可靠性区别于机械产品和过程的可靠性。用于定量表述可靠性指标的标准术语为“可靠度”。

轴承可靠度(Reliability)是指在同一条件下运转的一组近于相同的滚动轴承期望达到或超过某一规定寿命的百分率；单个轴承的可靠度则指达到期望寿命的概率。工程应用中对可靠度的理解主要有3个内容：1)在确定运转条件下；2)期望寿命期内；3)正常使用的百分率(概率)。

1)可靠度由以试验数据为基础的统计分析获得。物理过程、失效分析、数学模型、概率分布及数理方法是实施可靠性工程的重要基础。

2)可靠度与寿命密切相关。轴承设计的期望寿命对应的可靠度是90%(根据额定动载荷理论和ISO标准)，缩小期望寿命值就能提高可靠度。GB/T 6391—2010《滚动轴承额定动载荷和额定寿命》给出的对应不同可靠度寿命值的修正系数见表3。

表3 可靠度寿命修正系数a1

3)轴承行业是典型的离散型制造业。大批量轴承制造过程产生的超大量数据都是离散型数据。尺寸与公差是离散的，统计结果符合正态分布；寿命数据也是离散的，符合Weibull分布等。

4)可靠度评估是一门深奥的学问，也是一项复杂的技术，需要花大力气、大投入，经过长期积累数据才能完成。目前，计算机技术为此创造了良好的先决条件。

5)同时要求长寿命与高可靠度是现代高端装备对配套轴承的基本要求，主要基于安全性和经济性的考虑。如飞行器、高速客车、风电机组、盾构机等。这是轴承产业链企业的发展机遇，更是企业必须面对的挑战。

2.4 可靠性系统工程是“方法论”

与故障相关的产品设计特性主要包含6个方面：可靠性、维修性、测试性、保障性、环境适应性和安全性，也就是产品的通用质量特性，如图3所示。

图3 故障“六性”

可靠性系统工程的概念是从如何推进可靠性工作的角度提出，其关键是研究产品故障的发生、发展及其预防和维修保障的规律。将这些与故障直接或间接相关的设计特性进行概括性的总结，即可靠性系统工程，也就是围绕产品保障规律组织管理通用质量特性工作的方法论。从方法论上进一步解释可靠性系统工程的内涵(图4)，即在研发阶段就进行与故障相关特性的设计、分析、试验评价工作，同时还要做与故障相关的系统设计、分析、评价工作。

图4 可靠性系统工程的内涵

与故障相关的系统，是指面向产品的使用维护和运维阶段，即售后服务系统。没有经历过正向研发过程时，解决方案通常是出了故障就要修好，即被动的维修服务。然而，即使是售后服务系统，也需要主动去设计。在此基础上进一步发展了与故障相关的系统，如维修保障系统、机内测试系统、自动测试设备系统、中央维护系统、远程维护系统、PHM故障预测与健康管理系统(目前的技术热点)等。完整的针对故障的研发和设计如图4所示，这就是可靠性系统工程最基本的理念。

3 可靠性伴随工业发展而发展

如图5所示，质量与可靠性就像一对形影不离的双胞胎，始终伴随着工业化的历程。

图5 质量与可靠性伴随着工业化进程

3.1 产品质量检验

有制造就有质量和质量检验。手工业时代、青铜器或铁器时代，器物铸造的好不好同样取决于设计、制造和检验，但这些工序可能由师傅一个人完成。工业化后的批量生产则不一样，福特汽车在大批量生产时代最具里程碑意义的事情，就是将质量检验从产业工人中分离，设置专业人员检验产品是否合格，这就是基于专业化分工的流水线产品的质量检验，质量专业也因此诞生。

质量检验又分为2个阶段，当批量比较少的时候全数检验；对于一年几十万辆车，数千万个零件的大批量，无法全数检验，需要采用统计方法，即抽样检验。这2种检验都可以叫做过程质量检验。过程质量检验的出现是质量可靠性发展历史上的第1个里程碑事件。

3.2 过程质量控制

当工业化发展到一定程度后，又出现新的问题，质量检验是在产品生产后进行合格与否的判定，会产生废品，造成质量损失。因此，驱动人们思考能不能在制造过程中进行质量控制，预防不合格品的产生，降低不合格率，这就是过程质量控制。统计过程控制SPC和六西格玛概念方法在这个阶段产生。

3.3 质量的安全性

早期的工业产品应用，如蒸汽机、汽车、火车、飞机等，常发生爆炸、交通肇事、脱轨、坠毁等重大事故，所以，安全性是伴随着工业化要面临的又一个问题！

对于电气、机械产品，如何保障其使用安全，逐步形成了一套设计准则以及严格的验证规范。但是，需要设计、制造者的严格遵守，也需要政府的监督。像民用飞机这一类政府监管的适航取证，则是只管安全性，不管可靠性。可靠性对飞机安全有影响，但是安全性又有自己的技术范畴，安全的不一定可靠，可靠的不一定安全，这是2个很有意思的概念。于是“可靠性”成了一个独特的质量概念。

3.4 质量的可靠性

第二次世界大战中，德国人在作战运筹中产生了“可靠度”的概念，后来发展为可靠性意识。到了20世纪50年代，在美国正式诞生了可靠性工程专业。但是“质量”的发展也一直在向前推进，从质量过程的事后检验发展为事前的过程质量控制，到了六七十年代，发现只控制生产过程仍然不够，还需要全面的质量管理，这就是非常经典的“人、机、料、法、环”。

综上可知：过程质量检验、过程质量控制是工业化早、中期形成的经典、传统方法；20世纪七八十年代采用了全面质量管理。在这个过程中，可靠性逐渐发展了维修性、测试性、保障性等概念。维修性指产品要易于修理；测试性指在维修过程中能够快速进行故障定位、诊断；保障性指在维修诊断的过程中要能够提供足够多的资源、备件、维修人员、维修设备、维修设施等。

伴随着这些新概念的发展，20世纪60年代，美国在研发过程中提出了新的管理技术——工程专业综合，后来发展为系统工程，并于90年代进一步发展为并行工程，最终发展为目前的基于模型的系统工程。这些技术的目的是解决可靠性概念融入设计研发流程以及整个寿命周期流程的问题。