本文關鍵詞：機械可靠性工程研究體系及發(fā)展方向，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第３０卷第４期２０１３年７月

河北工業(yè)科技

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Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．４Ｊｕｌ０１３ｙ２

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（）１００８１５３４２０１３０４０２７２０４　　文章編號：－－－

機械可靠性工程研究體系及發(fā)展方向

龐志鋒１，姚云峰２

（福建三明　３１．福建省三明市發(fā)展和改革委員會工業(yè)發(fā)展科，６５０００；２．河北科技大學材料科學

）與工程學院，河北石家莊�。埃担埃埃保刚∫嚎偨Y分析機械可靠性理論研究的特點，系統闡述機械可靠性工程的學科體系及研究內容，界定了機械可靠性工程研究的兩類主要問題。在此基礎上分析論述了機械可靠性工程研究的發(fā)展趨勢和方向。

關鍵詞：可靠性；機械可靠性；研究體系；發(fā)展方向

：／中圖分類號：ＴＢ１１４．３；ＴＨ１２２　　　文獻標志碼：Ａ　　　ｄｏｉ１０．７５３５ｈｂｋ．２０１３ｘ０４１２ｇｙｊｙ

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［１］

１　機械可靠性理論研究特點

哲學上講萬事無絕對，關于“絕對”唯一成立的。任何產品都受其設計、命題就是“絕對沒有絕對”生產、使用過程中各種不確定的實際因素影響，都無法保證絕對能夠完成預定的功能和任務�？煽啃跃褪怯酶怕实母拍顏矶攘慨a品可以完成預定功能的可

２］

。能性及可靠程度，此即為產品的可靠度［

在傳統的機械工程理論中用安全系數來保證產各種設計變量的隨機性得不到反品的安全可靠性，

映。雖然基于強度和應力平均值的安全系數取值明但是由于強度和應力數值的離散性，有時顯大于１，

候也會出現應力大于強度的實際情況，從而造成產品失效。在設計過程中為了提高產品的安全可靠性選用優(yōu)質材料或加大零件尺寸以獲取較大的安全系數，這就必然造成不必要的浪費。另外大量事實證明，一味地增大基于強度和應力平均值的安全系數，

。

；收稿日期：修回日期：２０１３０３２６２０１３０４２７－－－－責任編輯：馮　民

，作者簡介：龐志鋒（男，河北邯鄲人，博士，主要從事工業(yè)１９８１－）科技管理、機械可靠性理論及技術研究等方面的工作。

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等：機械可靠性工程研究體系及發(fā)展方向　第４期　　　　　　　　　　　　龐志鋒，

２７３

并不能保證產品安全可靠性的提高。

在機械可靠性理論中，將載荷、材料性能與強零部件外形尺寸等變量都視為符合某種概率分度、

布規(guī)律的隨機變量，以概率論與數理統計理論為基礎，綜合運用數學、物理、工程力學、機械工程學、系可以定量地給出產品的可統工程學等多方面知識，

靠度指標，以保證產品的安全性和可靠性。機械設而制造、安計環(huán)節(jié)決定了產品的固有可靠性水平，

裝、使用和管理環(huán)節(jié)的任務則是保證產品可靠性指標的實現，所以機械設計的可靠性是保證產品可靠性的最重要環(huán)節(jié)。將可靠性理論應用于機械產品的以可靠度指標的定量研究性能分析及開發(fā)設計中，

有利于提高機械設計水來保證產品的可靠性品質，

平，改善產品質量，是現代機械工程技術的重要發(fā)展方向。

靠性問題是機械可靠性工程研究的基礎領域，研究起步較早。２結構安全０世紀４０年代末期提出的“及“應力－強度干涉模型”為結構可靠性的研究奠度”

定了理論基礎。由于主要涉及工程力學的靜力學理論，所以結構可靠性問題又可以稱為靜力學可靠性問題。

機構可靠性主要研究機構及運動副系統在構件摩擦磨損、彈性變形等因素影響下，幾何尺寸誤差、

造成產品預定功能失效或故障的運動學、動力學及彈塑性等方面問題的可靠性。機構可靠性是可靠性工程研究中相對薄弱的環(huán)節(jié)。與結構可靠性研究相機構可靠性的研究起步比較晚，是可靠性技術在比，

前機械工程中應用的新方向。２０世紀７０年代末，蘇聯學者關于機構磨損可靠性和機構運動可靠性專著的出版為機構可靠性研究奠定了重要基礎，直到專２０世紀８０年代機構可靠性才開始形成系統的、

３］

。門的研究方向［

２　機械可靠性工程研究體系

２．１　機械可靠性工程研究的學科體系

機械可靠性工程是可靠性工程在機械工程領域的應用，是可靠性理論與機械工程相關理論的交叉機邊緣性學科。從研究內容及其發(fā)展歷程上來看，械可靠性工程與工程力學的研究緊密相連，其學科體系的對應關系如圖１所示。

２．３　可靠性分析與可靠性設計

如圖２所示，根據產品設計的結構、機構參數對其可靠性相關指標進行預測評估及分析計算的問題可以稱之為可靠性工程第Ⅰ類問題，此即為可靠性分析問題。而可靠性工程的第Ⅱ類問題是根據產品的可靠性相關指標驅動產品零部件及系統的結構、機構參數設計，從而獲得兼顧可靠性要求的機械設計結果，此即為可靠性設計問題�？煽啃苑治雠c可靠性設計都是機械可靠性工程研究的主要問題，是可靠性理論與機械工程相結合進行研究的著眼點，其任務就是利用可靠性數學及其它相關理論、方法建立起機械產品的結構、機構參數與可靠性指標之

間的定量映射關系，從而為產品可靠性質量的提高提供理論依據及現實途徑。

圖１　機械可靠性工程學科體系

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圖２　機械可靠性工程的兩類問題

２．２　結構可靠性與機構可靠性

如圖１所示，機械可靠性工程研究的領域大致即結構可靠性和機構可

靠性�？梢詺w結為２部分，

結構可靠性主要研究受結構因素影響的機械強度、剛度與其承受載荷之間的關系以及由此產生疲勞、斷裂、過度變形等失效行為的可靠性規(guī)律。結構可

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３　機械可靠性工程研究發(fā)展方向

３．１　可靠度計算方法

嚴格來講，可靠度計算方法屬于可靠性數學理

２７４

河　北　工　業(yè)　科　技　　　　　　　　　　　　　　　　第３０卷　

論的范疇，但是鑒于其在可靠性工程中的重要的理論基礎地位，在此特別予以強調�？煽啃怨こ剃P注于產品具體的可靠度及失效概率值。多年來關于可靠度的定量分析計算已經形成了一些比較成熟的方但是在當前工程實際對計算精度及效率要求日法，

益提高的情況下，對可靠度計算方法的創(chuàng)新研究也顯得日益重要。

基于傳統的應力－強度干涉模型的可靠度計算方法主要有概率解析法和近似概率法。概率解析法是基于數學概率計算理論的精確概率分析方法，而由于實際機械結構和隨機變量概率分布情況的復雜使完全精確的概率解析計算難以實現。近似概性，

率法包括基于極限狀態(tài)函數近似泰勒展開的一次二階矩法、高次高階矩法。其中高次高階矩法雖然提但由于解析計算過高了狀態(tài)函數泰勒展開的精度，

程過于繁瑣導致新的計算誤差，故計算精度受到限應用較少。目前工程實際中應用較多的是基于制，

包括極限狀態(tài)函數線性泰勒展開的一次二階矩法，矩分析法、變異系數法及Ｊ其中ＪＣ法，Ｃ法適用于基本隨機變量為任意分布的可靠度求解，并且運算簡捷、計算精度較高，是廣泛應用的一種可靠度計算方法。基于大數定律的蒙特卡羅隨機抽樣模擬法（也是可靠度計算的重要發(fā)展方ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法）　向，尤其是２結合先進的計算機０世紀９０年代以后，技術逐漸發(fā)展出了具有不同特點的多種抽樣模擬方

４］５］

、、包括：重要抽樣法［子集模擬法［方向抽樣法，

６］７］

、。目前限制該類方法發(fā)展的主要響應面法［法［

目前，在材料疲勞強度及疲勞壽命理論發(fā)展的基礎上，將可靠性分析技術及理論與之有機結合，建立系統的無限壽命疲勞可靠性及有限壽命疲勞可靠性數學模型，并尋求精確高效的分析計算方法是這方面研究的迫切需要和重要方向。

３．３　系統可靠性研究

近年來，隨著機械系統日益復雜化，系統可靠性研究日益受到重視。但就目前水平而言，對系統可靠性的研究還很不充分，尤其是對復雜系統的可靠性研究是最近十幾年才發(fā)展起來的，相關的數學建模理論及分析計算方法都處于基礎研究階段，有待進一步發(fā)展。

傳統的系統可靠性理論將系統中各組成單元的故障失效視為相互獨立，進而基于串聯、并聯、混聯等各種理想模型進行系統可靠性分析。但是事實上在一般現實系統中，各組成單元及元器件的故障失相互關聯的，只有考慮系統各組成效都是相互影響、

建立關聯系統可靠性單元及元器件的故障關聯性，

模型，才能更加準確地反映系統可靠性的真實情況。所以關聯系統可靠性問題便成為目前系統可靠性研究的主要方向之一。另外，考慮系統元件對應不同不同失效程度的多狀態(tài)模式以及由于系故障模式、

統元件失效或性能衰退導致系統整體的性能下降且呈現出多個性能水平和多種失效模式，建立多狀態(tài)是研究復雜系統可靠性的現實要系統可靠性理論，

１１］

。當前多狀態(tài)系統可靠性研究的主要困難在求［

于多狀態(tài)系統的可靠性建模及狀態(tài)數目爆炸問題，簡化多狀態(tài)系統可靠性模型、減輕計算負擔是研究的重點。

３．４　模糊可靠性理論

最早有人提出了用模糊數學２０世紀８０年代，方法處理可靠性設計中存在的模糊性問題，國內外

１２］

。但研究人士就此進行了許多有益的探索研究［

瓶頸是計算成本和計算效率問題。另外，將有限元法與概率分析理論相結合應用于可靠性分析的概率有限元法，對極限狀態(tài)函數難以用顯函式表達的復雜結構可靠性分析提供了有效途徑。

目前，隨著機械系統日益復雜化，系統可靠性成為機械可靠性研究發(fā)展的重要方向。但是目前針對復雜系統進行可靠性分析的方法還很不完善，對復

］８９－

。一般雜系統的可靠性指標評價依然比較困難［

是，由于研究起步晚、時間短，目前尚未形成完整的初步的研究成果主要包括：建立模糊可靠性理理論，

論的必要性；擴展常規(guī)可靠性指標獲得模糊可靠度、模糊失效概率、模糊故障率等指標；建立模糊可靠性對簡單系統的模糊可靠性指標進指標的計算公式；

行計算。為了處理實際機械系統中大量存在的模糊問題，對工程實踐起到實際的指導意義，應該充分重視模糊可靠性理論的研究和發(fā)展。３．５　可靠性優(yōu)化設計

將傳統優(yōu)化設計技術與可靠性設計理論相結合，考慮系統設計參數的概率分布特性及產品可靠性指標對系統設計的約束指導作用，將可靠性指標集成到優(yōu)化設計的目標函數或約束條件中，運用最

簡單的系統可靠性分析主要應用傳統的可靠性框圖，模型（串聯系統、并聯系統、表決系統等）復雜系統可靠性分析主要應用方法及研究方向包括故障樹分、析法（故障模式影響及危害度分析法（ＦＴＡ）ＦＭＥ－、貝葉斯網絡分析法等。ＣＡ）

３．２　疲勞強度及疲勞壽命可靠性

隨著可靠性技術研究的深入，單純的靜強度可靠性已經不能滿足工程實踐的需要。考慮產品的循環(huán)交變應力工況及零部件疲勞壽命、持久極限特性的疲勞強度及疲勞壽命可靠性問題更符合工程實際

１０］

，要求［成為強度可靠性研究的重要發(fā)展方向。

等：機械可靠性工程研究體系及發(fā)展方向　第４期　　　　　　　　　　　　龐志鋒，

２７５

優(yōu)化方法得到概率意義上的產品最優(yōu)設計方案，這就是可靠性優(yōu)化設計。機械可靠性優(yōu)化設計問題主要可分為３類：一是將可靠性指標作為約束條件；二是將可靠性指標作為優(yōu)化目標；三是對系統可靠度進行最優(yōu)化分配�？煽啃詢�(yōu)化設計比傳統的優(yōu)化設計模式更為合理，有利于提高產品的設計質量、保證設計安全可靠并且提高產品的設計效益，在倡導提高產品安全可靠性及降低資源消耗的經濟社會發(fā)展背景下，可靠性優(yōu)化設計將成為機械產品設計開發(fā)的基本要求和必然趨勢，相關的理論研究發(fā)展便顯得尤為重要。

３．６　可靠性試驗及數據積累

產品可靠性試驗及失效數據的積累是深入研究機械可靠性的重要條件。但是由于機械產品壽命試時間周期長，并且驗及失效破壞試驗的經濟成本高、

現場設備可靠性及失效數據的采集和積累難以實所以產品壽命及失效數據缺乏往往成為制約機現，

是中國機械可靠性研究面臨械可靠性研究的瓶頸，

的普遍問題。廣大機械可靠性研究工作者應該樹立可靠性數據積累的長期意識，通過科學試驗數據及現場數據的準確采集和長期積累，促進機械可靠性研究水平的切實提高。

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４　結　語

可靠性是產品質量的重要指標，也是未來產品競爭的關鍵所在。機械可靠性工程的研究是提高機也是機械工程技術及可靠械產品質量的必然要求，

性理論發(fā)展的內在要求。本文總結分析了機械可靠闡述了機械可靠性工程研究的性理論研究的特點，

學科體系及研究內容，在此基礎上分析論述了機械可靠性工程研究的發(fā)展趨勢和方向，為提高機械可對機械可靠性工靠性研究水平提供了思路和方向，程的研究發(fā)展具有重要意義。：參考文獻／Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ

［］張紅衛(wèi)，韓春鳴，等．聯接螺栓靜強度的模糊可靠性設１　劉小寧，

］（）：計研究［Ｊ．河北科技大學學報，２０１２，３３２１２６１３０．－，Ｚ，ＨＡＮ，ｅＸｉａｏｎｉｎＨＡＮＧ�。龋铮睿鳎澹椋茫瑁酰睿恚椋睿簦幔欤蹋桑铡　　。纾纾纾颍澹欤椋幔猓欤澹洌澹螅椋睿铮妫悖铮睿酰睿悖簦椋铮睿猓铮欤簦螅簦幔簦椋悖螅簦颍澹睿簦瑁郏剩荩疲酰　　　　　。纾辏纾。剩铮酰颍睿幔欤铮妫龋澹猓澹椋眨睿椋觯澹颍螅椋簦铮妫樱悖椋澹睿悖澹幔睿洌裕澹悖瑁睿铮欤铮玻埃保�，　　　　　�。纾。ǎ海常常玻保玻叮保常埃�

［］２　龐志鋒．內平動齒輪傳動裝置系統設計的可靠性及相關問題

研究［北京理工大學，Ｄ］．北京：２０１１．

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本文編號：144799