針對機械系統(tǒng)可靠性運行的研究

趙興 于雙菲

摘 要：對單臺特定的機械研究其運行過程中的可靠性問題具有局限性，但同時選擇較多的研究對象，采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計算法算出的可靠性對于單個研究對象又沒有針對性。傳統(tǒng)意義上的可靠性方面的理論在機械系統(tǒng)的可靠性研究過程中又存在著各種各樣的問題，所以提出一種新的理論對于機械系統(tǒng)的運行過程中的可靠性非常重要，將動態(tài)建模、信號處理和故障機理作為其技術(shù)的內(nèi)涵，使得機械可靠性和可靠度有了新的內(nèi)涵，最后提出了可靠性的評估手段。

關(guān)鍵詞：機械系統(tǒng)；可靠性；故障；可靠度

1 機械系統(tǒng)可靠性研究的背景

工業(yè)技術(shù)在不斷的發(fā)展，一些歐洲的發(fā)達國家在二戰(zhàn)之后就開始大力的研究機械設(shè)備的可靠性，可靠性研究的成果使得一些新的機械產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。中國是一個大國，機械系統(tǒng)的可靠性影響著中國的發(fā)展，目前我國與世界上的一些先進技術(shù)仍然是有非常大的差距的，因此對于我國研究機械可靠性技術(shù)顯得尤為重要。

機械系統(tǒng)的可靠性包括很多方面，如設(shè)計方面、制造方面、管理方面、運行方面和維修方面等。設(shè)計和制造方面的可靠性是產(chǎn)品在生產(chǎn)階段的可靠性，是機械設(shè)備的可靠性的第一因素。運行方面的可靠性則是聯(lián)系著機械在使用過程中的環(huán)境、使用的周期以及機械小部件的逐漸失效等，相當(dāng)于機械可靠性的第二因素。即使是同一臺機械設(shè)備，如果運行的條件與所處的環(huán)境不同，機械設(shè)備的可靠性也是截然不同的。如果是重大的機械系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，組成的小部件個數(shù)多而且零部件間耦合緊密，提高了故障發(fā)生的幾率。為降低重大事故的發(fā)生，就必須要保證機械設(shè)備的可靠性，使機械設(shè)備的安全性提高，所以研究機械系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。

2 機械系統(tǒng)可靠性研究的發(fā)展

2.1 機械可靠性研究中的問題

經(jīng)過科學(xué)家們的不斷研究，機械可靠性的研究已經(jīng)在理論方面與實踐方面都取得了重要的成果。傳統(tǒng)的機械可靠性的理論主要是依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計與概率論相關(guān)的數(shù)學(xué)工具，以較多數(shù)量的樣本為研究對象，研究對象是具有概率的重復(fù)性特征，從而獲取機械失效所分布的范圍，最后確定同類機械設(shè)備的可靠性共性。但沒有考慮到機械設(shè)備運行的條件和運行的環(huán)境，以及機械系統(tǒng)中零部件失效的不同程度。特定的機械設(shè)備的可靠性研究是一個個性的問題，然而大量的研究樣本又不能滿足特定機械設(shè)備可靠性的評估要求。

2.2 針對現(xiàn)有問題的改進技術(shù)

傳統(tǒng)的機械可靠性的理論具有一定的局限性，針對這些問題許多學(xué)者提出了改性方法，在機械可靠性的研究上取得了新的進展。

學(xué)者們對于傳統(tǒng)的機械可靠性理論中的二值假設(shè)或者是有限狀態(tài)的假設(shè)不可能充分地闡述機械系統(tǒng)的連續(xù)性能逐漸退化的現(xiàn)象，提出了監(jiān)測機械設(shè)備的性能逐漸退化的數(shù)據(jù)，采用假設(shè)出機械產(chǎn)品的失效路徑或者是機械產(chǎn)品的失效分布評估機械系統(tǒng)的可靠性，使得傳統(tǒng)的機械可靠性的理論得以拓展。例如，布朗運動與伽馬過程結(jié)合建立出一種全新的使性能退化加速的模型，在原有兩個階段退化分析的技術(shù)方法上改進進而提出了新的三個階段機械設(shè)備退化的分析方法等。

由于機械設(shè)備是在不斷運行的，運行過程中會出現(xiàn)各種故障。傳統(tǒng)的機械可靠性的分析技術(shù)方法很難評估機械在線動態(tài)運行過程中的性能，因此諸多學(xué)者就開始提出了動態(tài)可靠性和實時可靠性的概念。例如，基于歷史數(shù)據(jù)采用了貝葉斯法使得數(shù)據(jù)實時的反映到機械設(shè)備的可靠性的模型中，根據(jù)飛機飛行時的參數(shù)評估飛機的結(jié)構(gòu)損傷和可靠性等。機械動態(tài)的可靠性與實時的可靠性兩個概念的提出，打破了傳統(tǒng)意義上的靜態(tài)的機械可靠性的理論，由于該概念的研究仍然處在起始階段，僅僅停留在仿真方面和理論方面的研究，所以要想將這兩個概念真正的應(yīng)用在動態(tài)運行的機械可靠性的評估中還需要更深入的研究和探討。

3 機械系統(tǒng)可靠性基礎(chǔ)和內(nèi)涵

3.1 機械運行過程中的可靠性和可靠度

機械系統(tǒng)是一個整體，這個整體是由大量的小部件一個個組合而成，最終實現(xiàn)機械所提供的功能，大量的小部件類似于木桶的每塊小木板。機械系統(tǒng)在運行過程中的可靠性就如同這個木桶所能承受的存水功能，其在于構(gòu)成木桶的長度最短的那個小木板，簡言之就是短板效應(yīng)。

在機械設(shè)備運行的期間，組成機械系統(tǒng)的各個小部件都在經(jīng)受著應(yīng)力、電流、溫度和腐蝕等等各種不同因素的影響，從而造成機械性能的不斷退化，在初期小部件的損傷由萌生到擴展，變?yōu)楣收?，最終使得機械設(shè)備徹底失效。這些變化都是小部件性能逐漸退化的最直接反映。所以設(shè)備在運行中的可靠性可以根據(jù)受損傷的程度最為嚴(yán)重的小部件來衡量出來。由此，運行的可靠性的新定義是在指定的環(huán)境條件下以及服役的周期內(nèi)，機械設(shè)備的小部件的狀態(tài)決定的機械設(shè)備的能力。

可靠度是機械可靠性的分析過程中非常重要的一個指標(biāo)?？煽慷鹊亩x是在規(guī)定的條件與和規(guī)定的時間內(nèi)，機械設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)其功能的數(shù)學(xué)概率。機械設(shè)備的運行的可靠度是關(guān)于時間參數(shù)的函數(shù)，它的值是一個正實數(shù)，且在0和1之間。

3.2 運行過程中可靠性的評估

在機械運行的過程中，會制造出一些如噪聲、位移、電量等信息，基于這些信息，可以將動態(tài)建模和故障機理的分析、信號的處理和故障具體表現(xiàn)的提取聯(lián)系起來進行研究。動態(tài)建模和故障機理的分析主要是針對機械設(shè)備中的基本的小部件如齒輪或者軸承等等，這些小部件在各種受約束的環(huán)境條件中受到的溫度等作用，構(gòu)建出動態(tài)的模型，根據(jù)模型分析找到此故障形成的原理以及它在時間域、頻率域或者時間頻率域的具體表征，這就為故障的診斷提供了重要的理論上的依據(jù)。信號的處理和故障具體表現(xiàn)的提取是通過測量設(shè)備在運轉(zhuǎn)過程中的實時物理量的信號，采用高科技技術(shù)處理信號，提取出能夠反映產(chǎn)生故障的表征，可用在小部件的及時定位與受損傷程度的定量分析，為機械系統(tǒng)的正常運行提供了技術(shù)保證。動態(tài)建模和故障機理的分析、信號的處理和故障具體表現(xiàn)的提取兩部分為機械運行的可靠性提供了堅實的理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論與展望

針對傳統(tǒng)的可靠性研究中存在的問題，重新定義了機械運行的可靠性含義和可靠度含義，建立了動態(tài)建模和故障機理的分析理論、信號的處理和故障具體表現(xiàn)的提取理論，提出了機械運行的可靠性的評估方法，為機械運行的可靠性提供了理論基礎(chǔ)。本文中機械運行的可靠性研究只是一個開始，還有許多等待著解答，最終使得機械運行的可靠性理論能在工業(yè)界起到重要的作用。

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