机械可靠性工程研究体系及发展方向

庞志锋，姚云峰

(1. 福建省三明市发展和改革委员会工业发展科，福建三明 365000；2. 河北科技大学材料科学与工程学院，河北石家庄 050018)

机械可靠性工程研究体系及发展方向

庞志锋1，姚云峰2

(1. 福建省三明市发展和改革委员会工业发展科，福建三明 365000；2. 河北科技大学材料科学与工程学院，河北石家庄 050018)

总结分析机械可靠性理论研究的特点，系统阐述机械可靠性工程的学科体系及研究内容，界定了机械可靠性工程研究的两类主要问题。在此基础上分析论述了机械可靠性工程研究的发展趋势和方向。

可靠性；机械可靠性；研究体系；发展方向

可靠性是公认的现代工业产品四大质量指标(性能、可靠性、经济性、安全性)之一。可靠性工程利用概率数学理论分析各种不确定的实际因素对产品质量及性能的影响，用概率来定量表述产品可以完成预定功能的可能性。第二次世界大战中暴露的大量武器装备失效问题促使二战后欧美国家开始对军用电子设备进行系统深入的可靠性研究，从而使可靠性成为一门工程研究学科迅速发展起来。当前，随着机械产品的结构日益复杂、功能日益完善，对可靠性的要求不断提高，可靠性成为衡量机械产品质量的重要指标，机械可靠性工程也成为机械工程和可靠性理论研究的重要方向[1]。

1 机械可靠性理论研究特点

哲学上讲万事无绝对，关于“绝对”唯一成立的命题就是“绝对没有绝对”。任何产品都受其设计、生产、使用过程中各种不确定的实际因素影响，都无法保证绝对能够完成预定的功能和任务。可靠性就是用概率的概念来度量产品可以完成预定功能的可能性及可靠程度，此即为产品的可靠度[2]。

在传统的机械工程理论中用安全系数来保证产品的安全可靠性，各种设计变量的随机性得不到反映。虽然基于强度和应力平均值的安全系数取值明显大于1，但是由于强度和应力数值的离散性，有时候也会出现应力大于强度的实际情况，从而造成产品失效。在设计过程中为了提高产品的安全可靠性选用优质材料或加大零件尺寸以获取较大的安全系数，这就必然造成不必要的浪费。另外大量事实证明，一味地增大基于强度和应力平均值的安全系数，并不能保证产品安全可靠性的提高。

在机械可靠性理论中，将载荷、材料性能与强度、零部件外形尺寸等变量都视为符合某种概率分布规律的随机变量，以概率论与数理统计理论为基础，综合运用数学、物理、工程力学、机械工程学、系统工程学等多方面知识，可以定量地给出产品的可靠度指标，以保证产品的安全性和可靠性。机械设计环节决定了产品的固有可靠性水平，而制造、安装、使用和管理环节的任务则是保证产品可靠性指标的实现，所以机械设计的可靠性是保证产品可靠性的最重要环节。将可靠性理论应用于机械产品的性能分析及开发设计中，以可靠度指标的定量研究来保证产品的可靠性品质，有利于提高机械设计水平，改善产品质量，是现代机械工程技术的重要发展方向。

2 机械可靠性工程研究体系

2.1机械可靠性工程研究的学科体系

机械可靠性工程是可靠性工程在机械工程领域的应用，是可靠性理论与机械工程相关理论的交叉边缘性学科。从研究内容及其发展历程上来看，机械可靠性工程与工程力学的研究紧密相连，其学科体系的对应关系如图1所示。

2.2结构可靠性与机构可靠性

如图1所示，机械可靠性工程研究的领域大致可以归结为2部分，即结构可靠性和机构可靠性。结构可靠性主要研究受结构因素影响的机械强度、刚度与其承受载荷之间的关系以及由此产生疲劳、断裂、过度变形等失效行为的可靠性规律。结构可靠性问题是机械可靠性工程研究的基础领域，研究起步较早。20世纪40年代末期提出的“结构安全度”及“应力-强度干涉模型”为结构可靠性的研究奠定了理论基础。由于主要涉及工程力学的静力学理论，所以结构可靠性问题又可以称为静力学可靠性问题。

机构可靠性主要研究机构及运动副系统在构件几何尺寸误差、摩擦磨损、弹性变形等因素影响下，造成产品预定功能失效或故障的运动学、动力学及弹塑性等方面问题的可靠性。机构可靠性是可靠性工程研究中相对薄弱的环节。与结构可靠性研究相比，机构可靠性的研究起步比较晚，是可靠性技术在机械工程中应用的新方向。20世纪70年代末，前苏联学者关于机构磨损可靠性和机构运动可靠性专著的出版为机构可靠性研究奠定了重要基础，直到20世纪80年代机构可靠性才开始形成系统的、专门的研究方向[3]。

2.3可靠性分析与可靠性设计

如图2所示，根据产品设计的结构、机构参数对其可靠性相关指标进行预测评估及分析计算的问题可以称之为可靠性工程第Ⅰ类问题，此即为可靠性分析问题。而可靠性工程的第Ⅱ类问题是根据产品的可靠性相关指标驱动产品零部件及系统的结构、机构参数设计，从而获得兼顾可靠性要求的机械设计结果，此即为可靠性设计问题。可靠性分析与可靠性设计都是机械可靠性工程研究的主要问题，是可靠性理论与机械工程相结合进行研究的着眼点，其任务就是利用可靠性数学及其它相关理论、方法建立起机械产品的结构、机构参数与可靠性指标之间的定量映射关系，从而为产品可靠性质量的提高提供理论依据及现实途径。

图2 机械可靠性工程的两类问题Fig.2 Two main study fields of mechanical reliability engineering

3 机械可靠性工程研究发展方向

3.1可靠度计算方法

严格来讲，可靠度计算方法属于可靠性数学理论的范畴，但是鉴于其在可靠性工程中的重要的理论基础地位，在此特别予以强调。可靠性工程关注于产品具体的可靠度及失效概率值。多年来关于可靠度的定量分析计算已经形成了一些比较成熟的方法，但是在当前工程实际对计算精度及效率要求日益提高的情况下，对可靠度计算方法的创新研究也显得日益重要。

基于传统的应力-强度干涉模型的可靠度计算方法主要有概率解析法和近似概率法。概率解析法是基于数学概率计算理论的精确概率分析方法，而由于实际机械结构和随机变量概率分布情况的复杂性，使完全精确的概率解析计算难以实现。近似概率法包括基于极限状态函数近似泰勒展开的一次二阶矩法、高次高阶矩法。其中高次高阶矩法虽然提高了状态函数泰勒展开的精度，但由于解析计算过程过于繁琐导致新的计算误差，故计算精度受到限制，应用较少。目前工程实际中应用较多的是基于极限状态函数线性泰勒展开的一次二阶矩法，包括矩分析法、变异系数法及JC法，其中JC法适用于基本随机变量为任意分布的可靠度求解，并且运算简捷、计算精度较高，是广泛应用的一种可靠度计算方法。基于大数定律的蒙特卡罗随机抽样模拟法(Monte Carlo法)也是可靠度计算的重要发展方向，尤其是20世纪90年代以后，结合先进的计算机技术逐渐发展出了具有不同特点的多种抽样模拟方法，包括：重要抽样法[4]、子集模拟法[5]、方向抽样法[6]、响应面法[7]。目前限制该类方法发展的主要瓶颈是计算成本和计算效率问题。另外，将有限元法与概率分析理论相结合应用于可靠性分析的概率有限元法，对极限状态函数难以用显函式表达的复杂结构可靠性分析提供了有效途径。

目前，随着机械系统日益复杂化，系统可靠性成为机械可靠性研究发展的重要方向。但是目前针对复杂系统进行可靠性分析的方法还很不完善，对复杂系统的可靠性指标评价依然比较困难[8-9]。一般简单的系统可靠性分析主要应用传统的可靠性框图模型(串联系统、并联系统、表决系统等)，复杂系统可靠性分析主要应用方法及研究方向包括故障树分析法(FTA)、故障模式影响及危害度分析法(FMECA)、贝叶斯网络分析法等。

3.2疲劳强度及疲劳寿命可靠性

随着可靠性技术研究的深入，单纯的静强度可靠性已经不能满足工程实践的需要。考虑产品的循环交变应力工况及零部件疲劳寿命、持久极限特性的疲劳强度及疲劳寿命可靠性问题更符合工程实际要求[10]，成为强度可靠性研究的重要发展方向。

目前，在材料疲劳强度及疲劳寿命理论发展的基础上，将可靠性分析技术及理论与之有机结合，建立系统的无限寿命疲劳可靠性及有限寿命疲劳可靠性数学模型，并寻求精确高效的分析计算方法是这方面研究的迫切需要和重要方向。

3.3系统可靠性研究

近年来，随着机械系统日益复杂化，系统可靠性研究日益受到重视。但就目前水平而言，对系统可靠性的研究还很不充分，尤其是对复杂系统的可靠性研究是最近十几年才发展起来的，相关的数学建模理论及分析计算方法都处于基础研究阶段，有待进一步发展。

传统的系统可靠性理论将系统中各组成单元的故障失效视为相互独立，进而基于串联、并联、混联等各种理想模型进行系统可靠性分析。但是事实上在一般现实系统中，各组成单元及元器件的故障失效都是相互影响、相互关联的，只有考虑系统各组成单元及元器件的故障关联性，建立关联系统可靠性模型，才能更加准确地反映系统可靠性的真实情况。所以关联系统可靠性问题便成为目前系统可靠性研究的主要方向之一。另外，考虑系统元件对应不同故障模式、不同失效程度的多状态模式以及由于系统元件失效或性能衰退导致系统整体的性能下降且呈现出多个性能水平和多种失效模式，建立多状态系统可靠性理论，是研究复杂系统可靠性的现实要求[11]。当前多状态系统可靠性研究的主要困难在于多状态系统的可靠性建模及状态数目爆炸问题，简化多状态系统可靠性模型、减轻计算负担是研究的重点。

3.4模糊可靠性理论

20世纪80年代，最早有人提出了用模糊数学方法处理可靠性设计中存在的模糊性问题，国内外研究人士就此进行了许多有益的探索研究[12]。但是，由于研究起步晚、时间短，目前尚未形成完整的理论，初步的研究成果主要包括：建立模糊可靠性理论的必要性；扩展常规可靠性指标获得模糊可靠度、模糊失效概率、模糊故障率等指标；建立模糊可靠性指标的计算公式；对简单系统的模糊可靠性指标进行计算。为了处理实际机械系统中大量存在的模糊问题，对工程实践起到实际的指导意义，应该充分重视模糊可靠性理论的研究和发展。

3.5可靠性优化设计

将传统优化设计技术与可靠性设计理论相结合，考虑系统设计参数的概率分布特性及产品可靠性指标对系统设计的约束指导作用，将可靠性指标集成到优化设计的目标函数或约束条件中，运用最优化方法得到概率意义上的产品最优设计方案，这就是可靠性优化设计。机械可靠性优化设计问题主要可分为3类：一是将可靠性指标作为约束条件；二是将可靠性指标作为优化目标；三是对系统可靠度进行最优化分配。可靠性优化设计比传统的优化设计模式更为合理，有利于提高产品的设计质量、保证设计安全可靠并且提高产品的设计效益，在倡导提高产品安全可靠性及降低资源消耗的经济社会发展背景下，可靠性优化设计将成为机械产品设计开发的基本要求和必然趋势，相关的理论研究发展便显得尤为重要。

3.6可靠性试验及数据积累

产品可靠性试验及失效数据的积累是深入研究机械可靠性的重要条件。但是由于机械产品寿命试验及失效破坏试验的经济成本高、时间周期长，并且现场设备可靠性及失效数据的采集和积累难以实现，所以产品寿命及失效数据缺乏往往成为制约机械可靠性研究的瓶颈，是中国机械可靠性研究面临的普遍问题。广大机械可靠性研究工作者应该树立可靠性数据积累的长期意识，通过科学试验数据及现场数据的准确采集和长期积累，促进机械可靠性研究水平的切实提高。

4 结 语

可靠性是产品质量的重要指标，也是未来产品竞争的关键所在。机械可靠性工程的研究是提高机械产品质量的必然要求，也是机械工程技术及可靠性理论发展的内在要求。本文总结分析了机械可靠性理论研究的特点，阐述了机械可靠性工程研究的学科体系及研究内容，在此基础上分析论述了机械可靠性工程研究的发展趋势和方向，为提高机械可靠性研究水平提供了思路和方向，对机械可靠性工程的研究发展具有重要意义。

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Research and development of mechanical reliability engineering

PANG Zhifeng1, YAO Yunfeng2

(1. Industry Development Section, Sanming City Development and Reform Commission， Sanming Fujian 365000, China; 2.School of Materials Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

The characteristics of the mechanical reliability theory are summarized and analyzed, and the discipline system and its research contents are systematically examined. The two main study areas of mechanical reliability engineering are defined. The research trend of mechanical reliability engineering is also discussed.

reliability; mechanical reliability; study system; development direction

1008-1534(2013)04-0272-04

TB114.3；TH122

A

10.7535/hbgykj.2013yx0412

2013-03-26;

2013-04-27

责任编辑：冯 民

庞志锋(1981-)，男，河北邯郸人，博士，主要从事工业科技管理、机械可靠性理论及技术研究等方面的工作。

E-mail: pangzfmail@163.com