机械可靠性设计的内涵与递进

　　摘要：机械可靠性设计的基本任务是在故障物理学研究的基础上，结合可靠性试验以及故障数据的统计分析，提供实际计算的数学力学模型和方法及实践。这样就可以在机械产品的研制阶段，估计或预测产品在规定工作条件下的工作能力状态或寿命，保证产品具有所需的可靠性。结合现代数学力学理论，系统地阐明机械可靠性设计、机械动态可靠性设计、机械可靠性优化设计、机械可靠性灵敏度设计、机械可靠性稳健设计等系列可靠性设计理论与方法内涵与递进，力图为解决我国机械工程领域可靠性设计核心技术缺乏的问题指明路线与途径以及为形成产品自主研发能力提供技术服务和储备，对工程实际的机械可靠性设计提供系统成组的理论与方法，可以为机械行业提供可靠性分析与设计的技术服务。

　　关键词：机械产品 可靠性设计 动态可靠性设计 可靠性优化设计 可靠性灵敏度设计 可靠性稳健设计 任意分布参数中图分类号：

　　前言

　　机械产品大多是众多学科交叉的高新技术的载体。能否保证产品在运行过程中的安全可靠是机械产品竞争的焦点，这种竞争主要体现在产品可靠性的竞争，可见“物美、价廉”必须以可靠性工程长江学者和创新团队发展计划、国家高技术研究发展计划(863 计划，、国家自然科学基金(50875039)、“十一五”国家科技支撑计划(2009BAG12A02)和“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(2010BAG12A02)资助项目。20100227 收到初稿，收到修改稿作为后盾。

　　所谓机械可靠性，是指机械产品在规定的使用条件下、规定的时间内完成规定功能的能力。由于工程材料特性的离散性以及测量、加工、制造和安装误差等因素的影响，使机械产品的系统参数具有固有的不确定性，因此考虑这种固有随机性的可靠性设计技术至关重要。据有关方面统计，产品设计对产品质量的贡献率可达70%～80%，可见设计决定了产品的固有质量特性(如：功能、性能、寿命、安全性和可靠性等)，赋予了产品“先天优劣”的本质特性。

　　我国机械产品的可靠性设计水平与国际先进水平相比还有相当大的差距，这已成为制约我国机械工业迅速发展的瓶颈，造成企业开发的产品质量的先天不足，使“质量第一、质量取胜”的经济战略方针在机械产品中难以充分体现。随着我国加入世界贸易组织，机械产品强制认证制度的推行，企业应该保证投放市场产品的质量，这种激烈竞争的状况将使政府部门和企业清醒地认识到可靠性工程在机械产品研发过程中的重要性。

　　1.机械可靠性研究的发展

　　自可靠性的科学定义建立以来，在世界范围内，可靠性设计的新理论、新方法与新技术不断涌现，从而大大提高了设计水平与速度，并且广泛地应用于航空、航天、冶金、石油、化工、造船、铁路、医疗、交通运输、食品加工等各个工业部门之中，其发展之迅速、应用之广泛，远非一般应用科学所可以比拟。1981 年，美国的HENLEY 和日本的KUMAMOTO 指出：在过去的10 年内，没有其他应用科学像安全、风险和可靠性分析那样得到惊人的发展和推广，可能只有环境科学和计算机技术例外。1984 年，COPPOLA 甚至认为可靠性已经更强烈地反映出历史发展的趋势。就我国科学技术整体水平与世界先进国家的差距来看，现在应该清醒地认识到：可靠性技术必须要渗透到一切产品的设计、制造、安装与使用之中，产品性能与质量的竞争主要体现在可靠性的竞争。

　　可靠性问题最早是由美国军用航空部门提出的，他们首先认识到不可靠性的代价实在太大。例如，在第二次世界大战期间，美国空军由于飞行故障而损失的飞机达21 000 架，比被击落的多1.5 倍。随着现代工业技术的飞速发展，机械产品日趋复杂化、大型化、高参数化，对各种产品的要求越来越高，使产品发生故障的机会增多，其中灾难性的事故亦时有发生。如1985 年8 月，日航123 航班波音客机坠毁，使520 人丧生；1986 年1 月，美国“挑战者”号航天飞机，因为火箭助推器内的橡胶密封圈因温度低而失效，结果引起航天飞机爆炸，造成了7 名宇航员全部遇难和重大的经济损失。各种故障和失效不仅威胁着航空工业，也给造船、桥梁、交通运输、动力机械、化工机械、工程机械等造成威胁。至于机械中的曲轴、连杆、齿轮、轴承及焊铆接件等的损坏事故就更无法统计了。

　　可靠性技术现在越来越受到各行各业的重视，现在人们都强烈地关心所购买产品的质量和产品的可靠性，企业如果推行了可靠性技术，就可以制造出满足用户要求的产品，而畅销全球，从而获得巨大的经济效益和社会效益。而只有高可靠性的产品，企业才可以在市场竞争中取胜。1971 年，日本的坪内和夫写到：在美国，可靠性技术涉及范围极广，甚至连基层中小企业的产品也具有高可靠性，所以每个小零件均可以放心使用。可是日本中小企业的水平却很低，所以现在必须彻底解决可靠性设计问题。从那时以后，日本在民用产品上推广和应用可靠性工程技术取得了巨大的成功，日本的机电产品得以畅销全球，主要是因为其质量好、可靠性高。

　　因此诸多专家断言：今后产品竞争的焦点是可靠性。

　　众所周知，机械产品的安全可靠是机械设计的主要目的之一，可靠性与其他性能一样，都必须在产品研制设计过程中充分考虑，而由制造和管理来保证。有效地增强产品质量、降低产品成本、减轻整机质量、提高可靠性和作业效率是可靠性设计的主要目标。随着工业技术的发展，机械产品性能参数日益提高，结构日趋复杂，使用场所更加广泛，产品的性能和可靠性问题也就越来越突出，这种向高效率、复杂化和经济性方向发展的产品又总是对其可靠性提出更高的要求。因此，现代设计方法在机械产品设计中的广泛应用是有着十分重要的意义。

　　近50 年来，在机械设计领域中，出现了不少现代设计方法及相应的科学研究。现在，计算机辅助设计、优化设计和可靠性设计等在理论上和方法上都达到了一定的水平，并在应用中取得了一定的经济效益。它们的出现，对整个机械设计学科和机械设计实践都产生了十分深刻的影响，使过去许多难以解决的设计问题获得了重大突破。可以说它们正在引起机械设计领域里的一场重大变革，正在受到人们日益广泛的重视。随着世界科学技术的迅速发展，机械可靠性设计工作也出现了崭新的局面，大大提高了设计水平与速度。特别是对于结构复杂，使用条件要求高的产品，改变了设计难度大而不能设计或设计的质量低、周期长的状况。只有发挥可靠性设计方法的特长，才能提高设计水平，加强产品质量，降低产品成本，缩减设计周期。值得一提的是，美国1969 年7 月登月成功的APOLLO 飞船，有720 万个零(元、器)件，共有120 所大学、个单位的42 万人参加研制，这样的零(元、器)件具有高可靠性(上面标有可靠度为0.999 999 999)。有时，一个零件的失效，可导致整个系统的故障，造成灾难性的后果。在登月成功之后，美国国家航空航天局将可靠性工程技术列为三大技术成就之一，月2010 年7 月 张义民：机械可靠性设计的内涵与递进并认为可靠性技术是主要的，所以APOLLO 计划被称为可靠性的充分体现。

　　我国机械可靠性研究活动在机械行业学会和研究院所与高等学校中开展，一些科技研究人员和工程设计人员投入到可靠性工程的研究与实践之中，取得了相应的成果，撰写了相当数量的专著与教材(这里仅列举其中一些书籍[1-15])，还有一些成果散见于部分科技期刊与企业的技术报告。但总的来说，机械产品的可靠性设计水平仍然很低，与国外先进水平相距甚远，同国际机械可靠性先进水平比较，我国机械可靠性技术的研究仍处于初期探索阶段，可靠性管理体系基本上没有在企业中建立起来，可靠性设计技术基本上没有在设计部门推广使用。

　　可靠性水平提高速度较慢和可靠性设计能力较低，主要是限于可靠性工程理论的发展与传播和工程设计人员对可靠性设计方法的理解与掌握。长期以来，由于缺乏系统完整的自主开发能力，形成了我国多数机械产品企业出现可靠性核心技术“空心化”现象，以至成为机械制造大国而非强国，将直接影响到我国经济的迅速发展。

　　2.可靠性设计

　　可靠性设计的思想可以追溯到20 世纪40 年代，以结构安全度为题的研究奠定了结构可靠性理论的基础[16]，从此可靠性技术开始引起理论学术界和实际工程界的普遍关注与重视，相应的理论与方法不断出现[17-36]，如：Monte Carlo 模拟法、矩方法和以矩方法为基础的可靠性理论、响应面法、支持向量机法、最大熵方法、随机有限元法和非概率分析方法等，内容涉及静强度设计，疲劳强度设计，有限寿命设计等，对象关联结构系统、机构系统、振动系统等方面的可靠性技术的研究。

　　众所周知，可靠性作为产品质量的主要指标和最重要的技术指标之一，愈来愈受到工程界的特别重视。现代生产的经验表明，在设计、制造和使用的三个阶段中，设计决定了产品的可靠性水平，即产品的固有可靠性，而制造和使用的任务是保证产品可靠性指标的实现。可靠性试验数据是可靠性设计的基础，但是试验不能提高产品的可靠性，只有设计才能决定产品的固有可靠性。把概率统计意义上的分析与设计方法应用于实际产品的分析与设计，是当今我国机械行业应该引起高度重视和迅速发展的研究方向。

　　造、装配、调试、试验、使用、运输、保管、维修及保养等各个环节，因此应该大力推广建立在概率统计理论基础上的可靠性设计方法[37-68]，这样不仅能解决过去用传统设计所不能处理的一些问题，而且能有效地提高产品质量和降低产品成本。

　　多年来，随着可靠性技术的迅速发展，提出了很多机械可靠性分析与设计方法，但是实质上可以归于数学模型法与物理原因法两大类。数学模型法是指可靠性遵从由某种试验数据获得的概率统计规律，逐渐发展成为两个主要方向：① 将可靠性视为时间范畴的量，即可靠性随时间按某种规律变化，疲劳寿命与耗损失效是属于此范畴；② 将可靠性视为某些偶然因素发生的结果，失效是由于偶然因素的不期出现而引起的，因而以随机事件发生概率来计算可靠度。首次超限破坏是属于此范畴。物理原因法顾名思义是指考虑失效的物理原因的方法，逐渐发展成为两个主要方向：① 应力—强度干涉模型法以及相应的扩展方法，这种方法考虑到产品失效的原因是作用在产品上的应力大于产品本身的强度，因此可靠度是强度大于应力的概率；② 将可靠度定义为随机过程或随机场不超出规定任务水平的概率。可靠性设计的框图见图2。

　　众所周知，要计算可靠度或失效概率，需要知道概率密度函数或联合概率密度函数。但是由于工程实际的复杂性和统计数据的相对缺乏，很难精确地确定设计参数的分布规律，使得设计参数的分布概型难以确定，各种设计参数服从多种形式的概率分布，有些完全不服从正态分布，可见单纯使用正态分布的可靠性设计方法会带来一定的误差，甚至有时得不到理想的设计结果。而且在有些情况下，究竟采用何种分布，却仁者见仁智者见智。在机械结构件的可靠性设计实践中，只要没有充分的根据说明设计参数的分布是服从何种分布时，为了安全和简化计算的需要，通常第一个选择就是假设它为正态分布。对于无法确定分布概型的情况下，而有足够的资料来确定设计参数的前四阶矩(即均值、方差和协方差、三阶矩、四阶 矩)时，作为可供选择的实用方法，采用摄动法求得可靠性指标，然后应用四阶矩技术或Edgeworth 级数(及相应的经验修正公式[69])把未知的状态函数的概率分布展开成标准的正态分布的表达式，进而可以确定了机械结构系统的可靠度。非正态分布参数的可靠性设计流程图见图3。

　　机械振动严重影响机械结构与系统的工作精度、运行可靠性和服役寿命，研究机械动态可靠性的理论与方法、解释机械结构系统中的各种复杂运动现象、实现大型复杂装备安全可靠运行是提升我国机械装备性能的重要手段，因此紧密结合国家重大战略需求的动态可靠性设计的研究至关重要。经典的可靠性设计理论未能考虑结构系统的动力学行为，为了弥补这种缺失必须开展动态可靠性研究。

　　动态可靠性是为了概括动态系统的可靠性理论而产生的术语，即动态可靠性是指产品在运动或振动状况下的可靠性，“动态”强调结构系统中所包含的动态特性(如：振动频率、输出响应、能量传递等)。

　　由于机械产品的特性及参数(如：强度、应力、物理变量、几何尺寸等)具有固有的随机性，同时机械产品运行是典型的动态过程，载荷、工况、应力等运行环境及参数都是时间的变量，必须将其处理为随机过程。如果可靠性定义为结构系统在规定的条件下、规定的时间内完成规定功能的能力，那么动态可靠性则强调这样的事实：① 结构系统的演变是动态的行为；② 损伤(包括维修)会影响结构系统的动力学特性；③ 动力学行为必然影响结构系统的可靠性或失效率(包括维修率)。基于以上事实的动态可靠性应该明晰地在概率动力学的基础上加以研究。

　　可见不考虑动态特性将难以得到产品准确的失效数据和可靠性信息，这必然迫使可靠性的研究从静态可靠性向动态可靠性转变。另外，多数机械产品的特性数值随时间而逐渐变化，如：因疲劳、磨损、腐蚀等造成的机械强度降低等，使产品的可靠性表现出了渐变(时变)的特征。这种产品特性参数的变化是一个随时间渐变的过程，当然产品可靠性也必然是时间的函数。显然，动态和渐变可靠性理论是传统可靠性理论的演化和升华[69-98]，它的理论与应用研究无疑将促进复杂机械产品的研究开发与保障机械产品的安全运行。可见将机械动力学与机械可靠性有机地结合起来，充分研究动态可靠性设计的基础理论与方法，以便为我国重大机械装备的安全可靠地运行提供技术保障。摆脱用固定的、静止的观点进行设计的陈旧框框，使设计工作更加深入、更加精确、更能符合实际、更能适应于机械产品日益提高的要求。　　月2010 年7 

　　3.可靠性优化设计

　　任何一种机械产品，从建立初始方案到实施生产制造，均必须经过一个设计过程。随着科学技术的发展，新知识、新材料、新方法、新工艺、新技术不断涌现，机械产品的更新换代周期也日益缩短，知识成为技术、技术成为产品的时间越来越来短、结构越来越复杂，顾客对产品功能、性能、质量、服务要求也越来越高。这就要求加快设计过程、缩短设计周期、提升设计质量。再者，设计的完善与否，对产品的力学性能、使用价值、制造成本等都有决定性的影响，同时也必然影响使用产品企业的工作质量和经济效果。因此，如何提高设计质量、发展设计理论、改进设计技术、加快设计过程，已经成为当今机械设计必然的发展方向之一。机械优化设计是在60 年代迅速发展起来的设计方法，是数学规划与现代计算机技术相结合的产物。数学规划理论与方法的日趋成熟，计算机技术的高速发展与广泛应用，提供了在工程设计中普遍使用的优化设计理论与方法，使之成为解决复杂设计问题的一种有效的工具[99-108]。

　　产品的最佳可靠性问题直接影响到国家资源与能源的合理利用，因为最佳可靠性设计可以得到体积小、质量轻、降低材料消耗和加工工时，并具有合理可靠性的产品。机械产品优化设计的目的是根据一组预定的要求或安全需要，以一种最优的形式实现产品。当然设计时既要考虑各种载荷的随机性，又要考虑结构参数的随机性，以及二者对产品性能的影响。