浅谈机械产品可靠性试验技术的研究方向

李艳红

（晋中职业技术学院，山西 榆次 030600）

引言

可靠性是机械设备质量的核心与重要表征之一，为了对机械设备可靠性进行表达与评价，就需要进行试验。所谓机械设备可靠性试验，就是在对机械设备设计、原材料及制造工艺进行定性、定量分析的基础上，评判该机械设备是否符合可靠性要求，同时，可靠性试验还可以为机械设备产品合格率、降低维修费用等方面提供数据参考，所以说，机械设备的可靠性试验是非常重要的。我国对于机械可靠性的研究起步较晚，有人认为，在理想状态下，当机械设备按照图纸生产出来时，就可以满足其可靠性要求，但实质上，这种想当然的想法是靠不住的。美国一份报告指出，大型机电类首台样机的平均无故障时间往往只有设计标准的1/10左右，只有经过深入的可靠性试验，准确判断产品设计、元器件及零部件及制造工艺等方面的缺陷，并逐一纠正，才能使其可靠性达到要求标准。在可靠性领域，美国可靠性分析中心（RAC）作了很大努力，该中心主张将机械可靠性与加速试验、软件可靠性列为可靠性领域的三大课题，在广泛收集机械产品可靠性数据方面也做出了很大业绩。近年来，机械可靠性越来越受到重视，而机械可靠性试验技术作为该领域的关键一环，也被广泛关注。

1 机械可靠性试验的特点

追根溯源，可靠性研究发端于上世纪50年代，1957年6月，美国电子设备可靠性顾问组发布了《军用电子设备可靠性报告》，从那以后，可靠性研究在世界发达国家方兴未艾，但其发展却并不平衡，由于电子技术的飞速发展，电子产品的可靠性理论与试验技术趋于成熟，而机械可靠性试验技术则发展缓慢。原因是汽车、发电设备、发动机等机械产品具有复杂性与特殊性，且不如电子产品那样易于测试。多年来，现有电子产品模型及试验方法是否同样适用于机械产品的可靠性试验，一直存在争议。

因为机械可靠性的复杂性与特殊性，机械可靠性试验也就难上加难了，大体来说，机械可靠性试验有如下一些特点：

1）机械各类繁多，其零部件千差万别，缺少共性，因而机械可靠性试验的数据采集较难，很难获得较大子样容量，模型或备件制作困难，人财物的消耗较大，试验周期也长。

2）影响机械性能与寿命的因素中，应力因素只是其中一项，此外，温度、潮湿、酸碱等环境因素也会影响机械寿命与性能的发挥。机械可靠性的试验环境很难全方位模拟机械的使用环境，而且，机械的使用环境往往更加复杂，更加恶劣。

3）机械可靠性理论相对滞后，研究难度大。一般来说，机械产品的零部件大多因磨损而失效，但磨损程度及部位的不同，所表现出来的故障却各不相同，这也正是其复杂性之所在。现阶段，机械方面的可靠性设计、试验和标准，有很多是照搬电子产品可靠性的做法，但实际上，二者并不能通用。

2 机械可靠性试验的理论问题

机械可靠性试验的数据一般基于小子样，甚至是极小子样，单纯依靠其数据，往往不能直接得出结论，还需要借助经验及其他信息，才能给出合理的分析评估。就是说，如何分析与评估小样本数据，是解决机械可靠性试验数据处理的一个重要问题，这就需要应用“贝叶斯理论”（Bayes）了，因为该理论可以融合试验信息与其他数据。但在具体运用时，应持审慎态度，因为贝叶斯理论并非万能灵药。

在机械产品进行可靠性试验以前，通常要进行故障模式影响分析和致命度分析。所谓故障模式影响分析，即通过机械产品零部件的潜在故障模式、潜在故障对机械产品功能的影响加以分析，并列举出每一种潜在的故障模式，按其影响程度进行排序，进而提出相当的改进措施；所谓致命度分析，即在故障模式影响分析的基础上，判断某一潜在故障模式是否具有致命影响，致命程度有多大。故障模式影响分析和致命度分析对于机械产品可靠性的判断，十分有效，所以在机械产品设计和制造工艺中，应用较为广泛，是机械技术人员的必备的技能之一，同时也是“六西格玛”管理中必备的环节之一。

在机械可靠性试验问题上，疲劳失效同样不容忽视。因为影响机械疲劳的因素较多，牵涉到工作条件、零件状态和原材料等方方面面，所以现代科学技术对疲劳问题还有待于继续深入。确定机械疲劳寿命的方法主要有两种，即试验法和试验分析法，二者各有侧重。

3 机械可靠性增长试验

在研发机械产品时，必须就机械可靠性反复进行试验，要经过多轮试验—改进—再试验—再改进的过程，不断提升机械的可靠性。对于试验过程中发现的缺陷，要在试验获取相关数据的基础上，进行科学的分析与阐释，并加以改进，只有这样，机械可靠性才能逐步提高。起初，可靠性增长试验只运用于电子产品，后来才逐步扩展到机械产品。一般来说，在机械研发时，都需要制定科学合理的可靠性增长试验计划，经过一系列“试验—分析—修正”的研发过程，才能获得较好效果，并获得市场认可。上海交通大学研究人员张学富和陈兆能曾对溢流阀进行了可靠性增长试验[1]，使其寿命提高3倍，但该数据来源于试验前后两种产品的寿命评估，而没有进行可靠性增长模型评估，稍嫌欠缺。不过，就其试验本身来说，还是成功的。

就是说，可靠性增长试验是提升机械可靠性的重要途径，经过可靠性增长试验后，机械的性能将更加稳定，寿命也会延长。但由于机械产品多以损耗性失效为主，使用周期也比较长，运行环境也千差万别，进行可靠性增长试验时很难模拟，所以经过可靠性增长试验的机械产品，在实际使用过程中，也有可能出现偏差，这点应予充分考虑。

为提升可靠性增长试验的准确率，可在加速应力状态下进行该试验，北京强度与环境研究所研究员周源泉与朱新伟合作，对加速可靠性增长问题进行了深入研究，得出结论：在不同应力水平下，加速可靠性增长产品有相同的失效机理；同时，二位研究人员还根据失效机理不变原理推导出不同可靠性增长模型对应的加速因子[2]。应当说，这一研究是很有成效的。当然，由于机械可靠性增长试验相当复杂，研究还有待于继续深入。

4 机械产品的强化试验

随着材料科学的发展，一般机械产品都能满足无故障运转的使用要求，但这还不够，因为机械产品一旦发生故障，后果往往很严重，再加之机械产品的运行环境可能会突然发生恶化，从而导致故障的发生，所以说，机械可靠性试验应进一步升级换代。传统的可靠性试验，包括环境应力筛选、可靠性增长试验、可靠性鉴定试验均在模拟环境下进行，存在着试验周期长、试验费用高的缺点。更主要的是，传统的可靠性试验不能排除机械后期维修费用高的缺点，因为在研制机械产品时，通常会把技术条件规定的应力极限值作为鉴定或考核标准，即使达到这些标准，仍然可能存在着潜在的缺陷。在大量生产时，又可能因各种因素加大其潜在缺陷，从而使机械产品在使用时，可靠性差，平均无故障时间短、返修频繁，遇到这种情况，用户当然会不满意，制造厂商的信誉就会受影响，如果制造厂商排除其生产环节的责任，就会对设计研发部门追责。当前的市场竞争十分激烈，制造厂商和设计研发部门都不希望如此，而要全面提升机械产品的研发效率和可靠性，就需要科学、强化的可靠性试验技术。

所谓强化试验技术，就是在极端温度（高温、低温或骤冷骤热）、异常电压、超负载或腐蚀环境下，来试验产品的可靠性，通过试验前的优化设计和试验后的统计分析，提升机械的可靠性。与传统可靠性试验不同，高加速寿命试验并不采用模拟使用环境的方式进行试验，而是通过施加步进应力，将机械产品的潜在缺陷激发成可观察的故障，在远大于技术条件规定的极限应力下进行试验，从而得出机械产品的工作极限；然后，试验转入高加速应力筛选过程，即在高加速寿命试验的基础上，剔除生产制造环节的缺陷，从而使机械产品的可靠性得到提升和巩固。目前，国内对于强化试验的研究还很不完善，技术、设备等软硬件方面都比较薄弱，有待提升。

5 结论

通过以上分析，我们发现，影响机械产品可靠性的因素有疲劳、老化、磨损、腐蚀、极端气温等，其可靠性试验普遍存在着周期长、费用大的特点，且获取数据大都不具有普遍性，属小子样。我国在机械可靠性试验方面，还存在着相当差距，而对于机械产品来说，可靠性试验又是必不可少的，应当增加这方面的科研投入。机械产品可靠性试验往往不具有典型性，比如用在自行车、汽车、列车上的轴承，就需要进行不同的可靠性试验。目前实行的可靠性标准和规范，基本上都是针对电子产品的，而机械产品的可靠性试验标准和规范还有待完善。对于机械产品的可靠性设计，一般还停留在静态预测的阶段，至于机械产品零部件的磨损和老化因素，往往考虑不到。目前，国外一些学者提出可靠性概率—物理模型的思路，以失效机理的物理参数作为预计参数，为机械产品可靠性的预计指明了研究方向。此外，在机械产品可靠性与环境应力因素、微型零件的失效机理等方面，都应当重点攻关。机械可靠性技术虽然还存在着这样那样的不足，但随着研究的深入与发展，一定会促进机械可靠性的整体发展。

[1] 张学富,陈兆能.溢流阀可靠性增长试验分析[J].传动技术,1997,97(2):41-47.

[2] 周源泉,朱新伟.论加速可靠性增长试验新方向的提出[J].推进技术,2000,21(6):6-9.