机械可靠性问题分析

机械可靠性问题分析

冯建俊孙霖

（齐齐哈尔工程学院）

摘要：由于产品的竞争日益激烈，现代机械产品对其质量与可靠性提出了越来越高的要求，提高机械产品的可靠性、维修性、保障性已经成为机械产品质量和可靠性工作的重要内容。考虑机械产品的特点，结合可靠性工程的通用技术，制定机械产品的可靠性大纲。该大纲是机械工程领域内统筹可靠性工作的一项基本法规，是开展机械产品可靠性研究的实施依据，是在企业中应用可靠性理论与技术及管理措施的行为指南。可靠性大纲涵盖开展机械产品全寿命周期可靠性工作的各个方面，从可靠性数据采集与分析、可靠性设计、零部件筛选与检验、可靠性试验、制造与装配工艺、使用与维护及保障、可靠性规范与准则、可靠性管理等着手，在源头上把握和控制机械产品的可靠性，促使机械产品可靠性的持续增长，对推动机械产品的设计、制造、使用各阶段的质量和可靠性的提升起着至关重要的作用，也是全面保证机械产品可靠性的重要措施。

关键词：机械；可靠性问题；系统

一、机械可靠性的理论和技术

可靠性理论和技术兴起于第二次世界大战期间，是为了解决军用电子元器件和设备失效问题而形成和发展起来的一门综合性工程学科。为预测机械产品的可靠性、诊断产品的故障、验证设计的可靠性、排除薄弱环节、延长使用寿命、评价维修策略与控制失效风险等提供共性基础技术支撑，国家中长期发展规划中明确将“重大产品寿命预测技术”作为重点发展方向之一，“国家高技术研究发展计划”先进制造技术与自动化领域也将“重大产品的寿命与可靠性技术”作为本领域专题之一，“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项同样将“可靠性技术”列为重中之重的研究内容之一。可见机械可靠性技术是保障机械产品安全可靠运行的共性技术，这种共性的可靠性理论与技术和具体机械产品的有效融合将是提高产品安全可靠运行能力的必经之路，是提高机械产品的经济效益和社会效益的重要基础，是提升我国工业企业核心竞争力的重要载体。随着科学技术的迅速发展，机械可靠性研究已经取得可观的成果，出版了相当数量的专著教材及学术论文。经过几十年的发展，可靠性理论和技术已经在航空航天、机械工程、交通运输、材料冶金、石油化工、医疗设备、食品加工等各个工业部门得到了广泛的应用。但是机械产品的可靠性研究工作多属于理论、方法和技术层面的具体活动，总体规划还远不完善，基本性、系统性、完整性、普适性、长期性的工作计划更有待于健全和提高，因此机械可靠性研究工作亟需顶层设计规划。

二、机械可靠性的研究对象

机械可靠性的研究对象是机械零件和机械系统。不同零件（涉及不同失效机理）、不同系统、不同载荷工况都需要不同的方法、不同的模型，甚至不同的概念和不同的定义。如果不加区别地直接应用传统的方法与模型，或隐含地做出不合理的假设，都会导致可靠性设计、分析、评估失去应用价值，甚至造成错误导向。机械系统及其零部件的失效、寿命与可靠性理.论及方法的研究都已有相当长的历史。结构强度可靠性设计、分析方法的数学基础也早在20世纪70年代初就已基本建立。然而，随着应用范围、应用对象的扩大，传统疲劳可靠性理论、方法及模型中存在问题也不断暴露出来。

三、.机械可靠性问题

（一）机械零部件可靠性设计

目前普遍采用的仍是传统的载荷-强度干涉理论，或以载荷-强度干涉理论为基础的方法。事实上，载荷-强度干涉模型的直接应用只适于计算载荷一次作用下的失效概率或可靠度[2]。将这个可靠性基本模型应用于复杂载荷历程、复杂失效机理（例如疲劳）的可靠性问题时，其先天不足极易导致错误的应用、产生错误的结果。

（二）在系统可靠性方面

目前，已有越来越多的研究工作致力于零部件失效之间的统计相关性问题、复杂载荷环境问题、复杂失效模式问题、复杂失效状态问题等，明确提出了必须基于失效机理和失效模式进行可靠性建模，但仍有许多基础理论问题没有得到很好地解决。例如，工程实际中的载荷大多是复杂的随机载荷-时间历程。对于复杂载荷历程环境的表征，有基于功率谱的表达方法和基于循环计数的表达方法，但这两类方法考虑的主要是载荷的复杂性，未能全面地反映载荷环境的不确定性。

（三）针对机械可靠性问题的多样性和复杂性

研究者们从不同的角度、尝试了不同方法，包括基于强度退化的可靠性分析方法、随机有限元法、非概率建模、区间估计及分析计算方法、基于遗传算法和神经网络的方法、Bayes方法、信息理论方法、模糊方法、数论方法等。

关于复杂随机载荷-时间历程的统计特性及其表述方法，以及复杂载荷历程下的疲劳寿命分布规律这两个方面，研究都还很少。有关载荷的统计特性的表达，基本上都只涉及恒幅循环载荷，或对一个复杂载荷历程样本中的载荷循环进行统计分析，或将一个变幅载荷历程等效转换为恒幅循环载荷，以及以“首次穿越”方法为背景的极限载荷分布统计。有研究者提出用“平均水平因子”和“幅度因子”两个随机参数描述复杂随机载荷历程，是很有意义的尝试，只是方法过于简化。疲劳寿命分布研究则多是在确定性循环应力下进行的。

参考文献：

[1]黄洪钟，孙占全，郭东明.随机应力模糊强度时模糊可靠性的计算理论[J].机械强度，2001，23（3）：305-307.

[2]易当祥，吕国志，周瑜.结构元件疲劳断裂可靠性分析的新方法[J].飞机设计，2004（4）：17-22.

[3]李超，赵永翔，王金诺，等.评价寿命统计分布的信息量模拟[J].核动力工程，2004，25（6）：509-513.