任瀚-----可靠性设计论文

国内外机械可靠性研究领域的现状和趋势

任瀚

（中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院，武汉）

摘要：本文通过对机械可靠性预测和机械可靠性设计两方面，对国内外机械可靠性的发展、现状和趋势进行了概述。

关键词：机械可靠性预测设计优化

1.引言

机械可靠性是指机械产品在规定的时间内及工作条件下，完成它被要求的功能用途的能力，与其他可靠性一样，机械可靠性由可靠性设计、可靠性预测、可靠性实验、可靠性应用及可靠性维修等组成。机械可靠性的特点是不存在一个综合性指标在来判定。由于设备在设计方案和机械工作的环境中涉及的因素很多，无法使用传统的安全系数作为评价指标。下面在机械可靠性预测和机械可靠性设计方面对机械可靠性发展的现状和趋势进行综述。

2.机械可靠性的现状

一、机械可靠性预测的现状：可靠性预测，即是指一种预报方法，它根据已掌握的有关可靠性理论与数据来预报零件、部件、系统的可靠性，它为设计制造和使用提供了方便的数据。【1】

可靠性的预测主要有零件的预测和整个系统的预测两个方面，目前的机械零件可靠性预测主要集中在齿轮、轴承、弹簧以及链接器件的预测伤，在进行预测时，必须研究零件在规定工作条件下的主要的失效形式，然后在该失效形式下的研究失效的随机规律，才能做出有效的零件可靠性预测。而研究失效形式的方式目前有两种方法，其一，采取模拟现实的实验方法，通过对零件在实验中的表现规律，从而预测出零件在实际工作中的失效可能性，但这种方法应为实验与实际存在状态的偏差，所以可靠度还不是很准确。还有一种方式是通过现场大量调查来得到数据，然后运用统计学的方法进行计算预测，进而再对同类零件进行可靠性预测，这类方法虽得到的预测可能性较准确，但需要前人做大量的调查工作，在新出的零件或比较小众的零件方面不能很好的进行可靠性预测。而在系统可靠性的预测中，虽然对零件进行了可靠性预测，但整体的可靠性并不等于所以零件可靠性简单的综合，所以对系统的可靠度计算，需要对在零件可靠度和系统中各零件之间的工作关系进行整合。

机械可靠性预测的主要方法：目前使用得最多的便是数学模型法，它是根据系统的构造建立相应的数学公式，从而计算出相应可靠度。一般先将整个系统解剖成不可划分的小系统，先用简洁的数学预测小系统的可靠度，然后在逐级而上，最后预测出整个系统的可靠性。除了数学模型法外，还有布尔真值表法、上下极限法等预测方法，它们是对无法用数学公式建模的系统进行可靠性预测。布尔真值表的方法是运用对所有种状态进行逐一的分析，找个系统的工作状态是所以可能之中的哪几种并计算的概率，最后把所有正常工作状态的概率相加，所得的便

是系统的可靠度。而上下限法是在系统特别复杂、无法建立数学模型的情况下时使用，它是通过预测整个系统的可靠度的上、下限从而预测出系统可靠度。

二、机械可靠性设计的现状：机械可靠性的设计是指机械可靠性设计通过相关的物理运算，分析出机械产品在规定的条件下和规定的时间内无故障运行的时间和频率，准确的计算出维修机械产品具体时间。【2】

机械可靠性设计是一门边缘性学科，涉及的科目比较多，运用的知识非常广，但由于发展起步得比较晚，现在还没有形成专门的科目体系。有记录的最开始的可靠性设计是载二次世界大战期间，德国科学家在对V2导弹研制过程使用了概率性的可靠性设计。随着战争结束经济的发展，一些工业发达的国家对可靠性开始了有组织的研究工作，可靠性技术在这段时期进一步完善，理论研究不断深入，为可靠性设计技术的进一步国际化奠定了基础。到了现在人们逐渐发现可靠性设计对于传统设计的优势越来越明显，受到世界各国人民的高度关注和发扬光大，机械可靠性设计进入了现在国际化的时代。

可靠性设计的方法现在主要分为定性和定量两种，定性设计方法是把成功的设计经验或失败的经验教训，有目标性地应用到机械设计中，避免故障或设计缺陷。可靠性的定性设计方法，在分析故障及其影响的基础上，不断改进设计、消除故障并提出质量控制、使用限制及防救措施的方案，来保证对机械可靠性的定性要求。定量设计方法是概率设计法以应力强度干涉模型和功能失效极限的状态函数理论为基础，将应力、强度视为随机变量，利用概率方法计算出给定设计条件下产品的失效概率或可靠度，以符合给定的可靠性要求。现在广为认知的可靠性设计方法具体有应力强度干涉模型法、中心点一次二阶矩法、当量正态法、统计模拟实验法、Fuzzy法等，在此就不再做详细介绍。

3.机械可靠性的发展趋势

随着机械可靠性发展国际化，更多的人认识到了机械可靠性设计带来的优势与优点，生产中对机械可靠性的依靠也越来越大，现有的设计与预测方法早已满足不了日益壮大的需求，许多新方法、新技术如雨后春笋般频频出现：

一、在大型机械设备的机械可靠性设计中通过无失效模型对可靠性进行预测：

针对大型机械在已有数据为无失效数据，寿命服从三参数Weibull分布的情况下，提出了一种全新的可靠度评估方法．此种方法是在三参数Weibull分布的形状参数下限为已知的情形下，将所有的无失效数据进行叠加，以此在已知大型机械设备寿命下限和置信度时，建立模型并得到大型机械设备在使用时的可靠度估计的单侧置信下限，并据此判断可靠度是否满足一定条件和工程上的要求．结果表明，该方法在工程应用中适用度高．【3】

二、将混合理论引入至机械系统可靠度计算理论中：

基于混合理论建立多状态多模式机械系统可靠性分析模型方法。首先按照不同失效机理特征和同一失效机理不同失效等级的特征，把机械系统单元分为不同状态和不同模式，构建多状态多模式机械系统；其次，以混合图表述单元多状态多模式与单元综合多状态的逻辑关系，用混合算子给出由单元多状态多模式分布推导单元综合多状态分布的算法；第三，推导多状态多模式串联单元、多状态多模式并联单元的混合形式；第四，建立混合多状态系统可靠性分析模型，获得多级系统可靠度，避免两状态系统因忽略故障隐患和功能退化状态可能导致的重大

危害，避免部件很多时采用独立算法可能出现系统可靠度趋于零的不合理现象。【4】通过将混合理论引入多状态多模式机械系统，解决了系统多状态多模式下统一划分的难题。多状态多模式系统的机械可靠性分析模型在机械可靠性评估方面有很大效性和优越性。

三、FMEA在工程机械系统可靠性设计越来越被我国的工程师重视：

FMEA即故障模式及影响分析方法(Failure Mode andEfects Analysis)是一种“自下而上”的定性分析方法，是一种行之有效的系统分析方法。相应的国际标准有IEC60812，QS 9000被汽车行业采用，我国也有一些相关标准如GB 7826—87、GJB 1391—92。【5】该方法目前在国际上已经被广泛认可和普遍的采用。许多欧诺个也大国都将此方法列为机械设备生产设计中的强制标准，随着我国经济的发展和工业的进步，对机械可靠性的需求逐渐提高，我国开始将此方法逐步应用到机械可靠性设计中去，并建立相应的国标对其进行完善和规范，通过将此方法引入实际生产设计，能够发现机械系统中的薄弱环节，专门针对薄弱环节进行优化设计和维护保养，大大提高机械产品的可靠性。

四、机械可靠性设计与优化设计相结合：

常规的可靠性设计，通常是容易在零件和整体可靠性设计中产生矛盾，一是零件的可靠性设计过高造成系统冗杂和机械产品的不吻合与过度使用材料，还有事机械整体的可靠性设计过高部分零件设计中达不到要求或很难反映零件的实际情况，在这时可靠设计和优化设计的结合就显得相当重要，通常采用可靠性设计和优化设计同时并行设计的方法，在考虑整体可靠性的同时考虑零件的可靠性以及体积、总质量和成本等因素，优化分配工程机械的可靠度，使得整个设计达到最优化最省材料的状态，有利于产品合理可靠，技术性能指标优良，价格成本低廉。

五、将各种新的算法运用到机械可靠性设计中去：

例如近年来很热门的神经网络与遗传算法，伴随着这几年神经网络和遗传算法的研究的迅速发展和日趋成熟，国内外已有一些学者开始尝试将神经网络和遗传算法应用到机械可靠性优化设计中。国内也开始了对这些新算法的尝试，如余建星等采用神经网络方法，较好地解决了含有混合设计变量的可靠性优化设计问题。

4.结束语

机械可靠性在材料节省和使用寿命结果优化中的优势，使得它在机械相关的生产制造设计中愈来愈被国家和人们重视，相信不久的将来机械可靠性能形成独特的科目体系，并在国内日益发展壮大。

【1】华中工学院机械系，机械可靠性预测概述，出版时间不明

【2】高尔立，刍议机械可靠性设计的应用，大观周刊，2012（24）

【3】肇慧，秦克林，对大型机械设备的可靠性研究，高师理科学刊，2013（01）

【4】宋冬利，张卫华，多状态多模式机械系统可靠性分析模型，铁道学报，2012（34）【5】沈政，牛从民，邓连喜，FMEA在工程机械系统可靠性设计中的应用，工程机械，2012（12）