機械可靠性綜述

1、機械可靠性設計綜述摘 要：可靠性優(yōu)化設計是在常規(guī)優(yōu)化設計的基礎上，結合可靠性設計理論發(fā)展起來的一種有效的優(yōu)化設計方法。 本文在總結現(xiàn)有文獻的基礎上對機械可靠性優(yōu)化設計進行了綜述，系統(tǒng)闡述了機械可靠性、可靠性設計、可靠性優(yōu) 化設計及可靠性試驗的理論及方法。關鍵詞：可靠性；優(yōu)化設計；可靠性試驗Review of Optimization Design of Mechanical ReliabilityREN Ju-peng(School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Student ID: 12

2、70174) Abstract： On the basis of traditional optimization design, combined with the theory of reliability design, reliability optimization design is an effective optimization design method. In this paper, the existing literatures are firstly summarized, then the theory and method of mechanical relia

3、bility, reliability design, reliability optimization design and reliability test are systematically reviewed.Key words： reliability; optimization design; reliability test隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的飛速發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨 復雜化、大型化、高參數(shù)化，使產(chǎn)品發(fā)生故障的機 會增多，因而，可靠性作為產(chǎn)品質(zhì)量的主要指標， 愈來愈受到工程界的重視。機械可靠性，是指機械 產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件、規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功 能的能力。機械的可靠性是機械設計的

4、主要目的之 一，有效地增強產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本、減輕整 機質(zhì)量、提高可靠性和作業(yè)效率是可靠性設計的主 要目標。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，機械產(chǎn)品性能參數(shù) 日益提高，結構日趨復雜，使用場所更加廣泛，產(chǎn) 品的性能和可靠性問題也就越來越突出。機械可靠 性設計的基本任務是在故障物理學研究的基礎上， 結合可靠性試驗以及故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，提供實 際計算的數(shù)學力學模型和方法及實踐。科技研究人員和工程設計人員積極投入到可靠 性工程的研究與實踐之中，取得了可喜的成果。張 義民1結合現(xiàn)代數(shù)學力學理論，系統(tǒng)地闡明機械可 靠性設計、機械動態(tài)可靠性設計、機械可靠性優(yōu)化 設計、機械可靠性靈敏度設計、機械可靠性穩(wěn)健設 計等可

5、靠性設計理論與方法內(nèi)涵與遞進。陳靜等 闡述了機械產(chǎn)品優(yōu)化設計及可靠性的相關理論，介 紹了可靠性優(yōu)化設計的應用及發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了 機械行業(yè)相關的軟件應用情況。喻天翔等3對當前 機械可靠性的特點和爭議進行介紹，從Bayesian理 論、FMECA和疲勞可靠性試驗三個方面總結了機 械可靠性試驗技術相關的重要理論問題及其發(fā)展， 并闡述了可靠性增長試驗、加速試驗和微機械可靠 性試驗技術的國內(nèi)外發(fā)展，總結了機械可靠性試驗 技術研究存在的問題及其發(fā)展趨勢。本文將在上述文獻的基礎上對機械可靠性優(yōu)化 設計進行綜述，系統(tǒng)闡述機械可靠性、可靠性設計、 可靠性優(yōu)化設計及可靠性試驗的理論及方法。1可靠性設計1.1可靠

6、性設計傳統(tǒng)的機械設計方法認為零件的強度和應力都 是單值，只要計算出的安全系數(shù)大于規(guī)定的安全系 數(shù)，就認為零件是安全的，因而設計過程中忽略了 各設計參數(shù)的隨機性。可靠性設計將零件的應力和 強度作為隨機變量，認為應力受到各種環(huán)境因素(溫 度、腐蝕、粒子輻射等)的影響，具有一定的分布規(guī) 律；強度受材料的性能、工藝環(huán)節(jié)的波動和加工精 度等的影響，也是具有一定的分布規(guī)律。可靠性設 計認為所設計的任一機械存在著一定的失效可能 性，設計時根據(jù)需要預先控制的失效概率或可靠度， 考慮各參數(shù)的隨機性及分布規(guī)律，以反映出零部件 的實際工作狀況。產(chǎn)品的可靠性表示產(chǎn)品在規(guī)定使用條件和使用 期限內(nèi)，保持其正常技術性能完成

7、規(guī)定功能的能力。 可靠性設計的一個目標是計算可靠度，可靠度是指 產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功 能的概率。其表達式為：R = if (X )dX式中兒(X)為基本隨機參數(shù)向量X = (X, X2,X)T的聯(lián)合概率密度；g(X)為狀態(tài) 函數(shù)，可表示零件的不同狀態(tài)：g(X)0為安全狀態(tài)，g(X)0為失效狀態(tài)，g(X)=0為極限狀態(tài)方程?，F(xiàn)代生產(chǎn)的經(jīng)驗表明，在設計、制造和使用產(chǎn) 品的三個階段中，設計決定了產(chǎn)品的可靠性水平， 即產(chǎn)品的固有可靠性，而制造和使用是保證產(chǎn)品可 靠性指標的實現(xiàn)?？煽啃栽囼灁?shù)據(jù)是可靠性設計的 基礎，但是試驗不能提高產(chǎn)品的可靠性，只有設計 才能決定產(chǎn)品的固有可靠性。

8、機械產(chǎn)品與可靠性的 關系框圖見圖1。圖1機械產(chǎn)品與可靠性關系機械可靠性分析與設計的方法很多，總體上可 以歸納成兩類，即數(shù)學模型法與物理原因法。數(shù)學 模型法是指可靠性遵從由某種試驗數(shù)據(jù)獲得的概率 統(tǒng)計規(guī)律，而物理原因法是指考慮失效的物理原因 的方法。1.2動態(tài)可靠性設計經(jīng)典的可靠性設計理論不能考慮結構系統(tǒng)的動 力學行為，為了彌補這種缺失必須開展動態(tài)可靠性 的研究。動態(tài)可靠性是指產(chǎn)品在運動或振動狀況下 的可靠性，“動態(tài)”強調(diào)結構系統(tǒng)中所包含的動態(tài)特 性(如：振動頻率、輸出響應、能量傳遞等)，由于 機械產(chǎn)品的特性及參數(shù)(如：強度、應力、物理變量、 幾何尺寸等)具有固有的隨機性，同時機械產(chǎn)品運行 是也

9、是典型的動態(tài)過程，載荷、工況、應力等運行 環(huán)境及參數(shù)也都是隨時間變化的量，因而必須將其 處理為隨機過程。不考慮動態(tài)特性將難以得到產(chǎn)品 準確的失效數(shù)據(jù)和可靠性信息，這必然使可靠性的 研究從靜態(tài)可靠性向動態(tài)可靠性轉變。另外，多數(shù) 機械產(chǎn)品的特性數(shù)值隨時間而逐漸變化，如：因疲 勞、磨損、腐蝕等造成的機械強度降低等，使產(chǎn)品 的可靠性表現(xiàn)出了漸變的特征?？梢妼C械動力學 與機械可靠性有機地結合起來，研究動態(tài)可靠性設 計的基礎理論與方法具有重要意義。2可靠性優(yōu)化設計機械優(yōu)化設計是隨著電子計算機的廣泛使用而 迅速發(fā)展起來的一門學科，在現(xiàn)代機械設計中占有 重要的地位。機械產(chǎn)品優(yōu)化設計的目的是以最少的 材料，最

10、低的造價，最簡單的工藝，實現(xiàn)機械結構 的最優(yōu)性能，包括強度、剛度、穩(wěn)定性等目標。當 然設計時既要考慮各種載荷的隨機性，又要考慮結 構參數(shù)的隨機性，以及二者對產(chǎn)品性能的影響。機 械優(yōu)化設計追求最合理的利用材料的性能，使各個 部件或零件的幾何參數(shù)得到最好的協(xié)調(diào)，使設計者 從眾多的設計方案中獲得較為完善的或最為合適的 最優(yōu)設計方案。優(yōu)化設計數(shù)學模型的3個要素是目 標函數(shù)、約束條件和設計變量。雖然目前可靠性設計和優(yōu)化設計在理論和方法 上都達到了一定的水平，但是無論單方面進行可靠 性設計還是優(yōu)化設計，都不可能發(fā)揮可靠性設計與 優(yōu)化設計的巨大潛力。一方面是因為可靠性設計有 時并不等于優(yōu)化設計，例如機械產(chǎn)品

11、在經(jīng)過可靠性 設計后，并不能保證它的工作性能或參數(shù)就一定處 于最佳狀態(tài)；另一方面是因為優(yōu)化設計并不一定包 含可靠性設計，例如機械產(chǎn)品在沒有考慮可靠性的 狀態(tài)下進行優(yōu)化設計后，并不能保證它在規(guī)定的條 件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定的功能，甚至發(fā)生 故障和事故，造成損失。另外，由于機械產(chǎn)品有眾 多的設計參數(shù)，要同時確定多個設計參數(shù)，單純的 可靠性設計方法就顯得無能為力了。所以應該進行 可靠性優(yōu)化設計的研究，使機械產(chǎn)品既保證具有可 靠性要求，又保證具有最佳的工作性能和參數(shù)?？煽啃詢?yōu)化設計方法是在常規(guī)優(yōu)化設計方法的 基礎上，結合可靠性設計理論發(fā)展起來的一種有效 的優(yōu)化設計方法。它將可靠性分析理論與數(shù)學規(guī)

12、劃 方法有機地結合在一起，也就是說在優(yōu)化設計中將 設計參數(shù)作為隨機變量，以產(chǎn)品的可靠度作為目標 函數(shù)或約束條件，運用最優(yōu)化方法得到在概率意義 下的最佳設計的一種數(shù)值計算方法。由于它彌補了 單一可靠性設計或優(yōu)化設計的不足，使設計不僅符 合工況運行要求，而且得出最優(yōu)的設計參數(shù)，因而 更具有工程實用價值?？煽啃詢?yōu)化設計，一般包含 三方面的內(nèi)容：質(zhì)量、成本、可靠度，把產(chǎn)品的總 體可靠度作為性能約束的優(yōu)化，將會產(chǎn)生與合理安 全性相協(xié)調(diào)的平衡設計，也就是在給定結構布局和 給定產(chǎn)品質(zhì)量或成本之下，使產(chǎn)品有最大的可靠度。相對于常規(guī)的優(yōu)化設計，可靠性優(yōu)化設計的特 點在于將可靠性設計引入優(yōu)化設計當中。將可靠性 設

13、計理論與優(yōu)化技術結合起來通常有兩種方法：（1）要求結構或零部件在滿足一定性能的條件 下，使其可靠度達到最大。（2）在結構或零部件達到最佳性能指標時，要 求它的工作可靠度不低于某一規(guī)定水平。3機械可靠性試驗技術可靠性試驗是對產(chǎn)品的可靠性進行調(diào)查、分析 和評價的一種手段。其目的是發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設計、材 料和工藝方面的各種缺陷，為改善產(chǎn)品的戰(zhàn)備完好 性，提高任務成功率，減少維修費用及保障費用提 供信息，確認是否符合可靠性定量要求?？煽啃栽?驗可分為工程試驗和統(tǒng)計試驗兩大類，工程試驗的 目的在于暴露產(chǎn)品的可靠性缺陷，并采取糾正措施 加以排除。這種試驗由承制方進行，以研制樣機為 受試產(chǎn)品，包括環(huán)境應力篩選試

14、驗及可靠性增長試 驗。環(huán)境應力篩選是施加環(huán)境應力到產(chǎn)品，以發(fā)現(xiàn) 和排除不良零件、元器件、工藝缺陷等潛在缺陷為 目的試驗方法?？煽啃栽鲩L試驗是為了暴露產(chǎn)品的 可靠性薄弱環(huán)節(jié)，并證明改進措施能防止可靠性薄 弱環(huán)節(jié)再現(xiàn)而進行的一系列可靠性試驗方法。3.1可靠性增長試驗產(chǎn)品研制初期，必須經(jīng)過反復試驗一改進一再 試驗的過程，在這個過程中，產(chǎn)品不斷暴露出各種 缺陷，而經(jīng)過分析和改進之后，產(chǎn)品的可靠性能不 斷提高，這就是可靠性增長試驗。一直以來可靠性 增長試驗是電子類產(chǎn)品的專利，為提高機械產(chǎn)品的 可靠性，可靠性增長也逐漸應用在機械產(chǎn)品上。3.2加速試驗（強化試驗）如今許多產(chǎn)品（特別機械產(chǎn)品）都能在極端嚴 酷

15、的環(huán)境應力下無故障地運轉上千小時，為了暴露 設計缺陷或者驗證預計的壽命，傳統(tǒng)的試驗方法已 經(jīng)不再勝任。以往，傳統(tǒng)的可靠性試驗（包括環(huán)境 應力篩選、可靠性增長試驗和可靠性鑒定試驗等） 大多是在模擬環(huán)境下進行的試驗，具有下列幾個缺 點，即，試驗周期長；試驗費用高，需要大量的人 力物力；后期維修費用高。加速壽命試驗技術則是 通過物理原因統(tǒng)計模型外推獲得正常應力水平下的 產(chǎn)品壽命。3.3機械可靠性試驗特點隨著電子技術的發(fā)展和電子產(chǎn)品可靠性理論的 成熟，電子產(chǎn)品的可靠性試驗技術已經(jīng)發(fā)展的相對 成熟；機械可靠性試驗技術則由于存在理論難題而 發(fā)展相對較慢。機械可靠性試驗的特點是：（1）很難得到較大子樣容量，

16、并且費資、費力， 備件費用大，試驗周期長。（2）機械失效機制的多樣性和對“環(huán)境因素” 的依賴性。機械系統(tǒng)中決定機械壽命和性能劣化的 因素，不僅與應力因素有關，還取決于環(huán)境因素。（3）機械可靠性理論難度大，機械產(chǎn)品的零部 件大多是耗損性失效為主，已頒發(fā)的一些可靠性設 計、試驗和分析方法或標準，是根據(jù)電子產(chǎn)品失效 制定的，缺乏一個完善的針對機械產(chǎn)品的可實施的 可靠性試驗方案。（4）機械零部件一般都是為特定用途設計，通 用性不強，不易積累共用數(shù)據(jù)。所以缺少數(shù)據(jù)導致 非電產(chǎn)品的可靠性評估遇到困難。（5）由于沒有標準的可靠性篩選試驗，機械產(chǎn) 品的早期故障不能應用像電子產(chǎn)品經(jīng)過環(huán)境應力篩 選試驗排除，這增

17、加了可靠性增長模型描述的困難。因而機械可靠性試驗技術問題的解決還存在大 量具有挑戰(zhàn)性的問題需要研究，只有把宏觀上的可 靠性統(tǒng)計、試驗技術等問題和微觀上材料的失效機 理及其老化過程等問題研究聯(lián)合起來、共同解決， 才會更有助于推進機械可靠性技術的發(fā)展。4 結論可靠性優(yōu)化設計是在常規(guī)優(yōu)化設計的基礎上， 結合可靠性設計理論發(fā)展起來的一種有效的優(yōu)化設 計方法。本文在總結現(xiàn)有文獻的基礎上對機械可靠 性優(yōu)化設計進行綜述，系統(tǒng)闡述了機械可靠性、可 靠性設計、可靠性優(yōu)化設計及可靠性試驗的理論及 方法。參考文獻張義民.機械可靠性設計的內(nèi)涵與遞進J.機械工程 學報，2010, 46 （14）: 167-188.（Zhang Yi-min. Connotation and development of mechanical reliability-based designJ. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2010, 46 （14）: 167-188.）陳靜，郝少祥，邵鳳翔.機械可靠性優(yōu)化設計的應用 J,中國煤炭,2010, 36(10): 76-81.(Chen Jing, Hao Shao-xiang, Shao Feng-xiang. Optimal design of mechanical reliability and software applic