針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)在運(yùn)行方面可靠性的研究

婁軻　劉書(shū)豪　李鑫

摘 要：對(duì)于一臺(tái)特定的機(jī)械研究其運(yùn)行過(guò)程中的可靠性問(wèn)題具有局限性，但選擇較多的研究對(duì)象同時(shí)采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)算法算出的可靠性對(duì)于單個(gè)研究對(duì)象又沒(méi)有針對(duì)性。傳統(tǒng)意義上的可靠性方面的理論在機(jī)械系統(tǒng)的可靠性研究過(guò)程中又存在著各種各樣的問(wèn)題，所以提出一種新的理論對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中的可靠性非常重要，將動(dòng)態(tài)建模、信號(hào)處理和故障機(jī)理作為其技術(shù)的內(nèi)涵，使得機(jī)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(píng)估手段。

關(guān)鍵詞：機(jī)械系統(tǒng)；可靠性；故障；可靠度

1 機(jī)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(dá)國(guó)家在二戰(zhàn)之后就開(kāi)始大力的研究機(jī)械設(shè)備的可靠性，可靠性研究的成果使得一些新的機(jī)械產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。中國(guó)是一個(gè)大國(guó)，機(jī)械系統(tǒng)的可靠性影響著中國(guó)的發(fā)展，目前我國(guó)與世界上的一些先進(jìn)技術(shù)仍然是有非常大的差距的，因此對(duì)于我國(guó)研究機(jī)械可靠性技術(shù)顯得尤為重要。

機(jī)械系統(tǒng)的可靠性包括很多方面，如設(shè)計(jì)方面的可靠性、制造方面的可靠性、管理方面的可靠性、運(yùn)行方面的可靠性和維修方面的可靠性等等。設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)備的可靠性的第一因素。運(yùn)行方面的可靠性則是聯(lián)系著機(jī)械在使用過(guò)程中的環(huán)境、使用的周期以及機(jī)械小部件的逐漸失效等，相當(dāng)于機(jī)械可靠性的第二因素。即使是同一臺(tái)機(jī)械設(shè)備，如果運(yùn)行的條件與所處的環(huán)境不同，機(jī)械設(shè)備的可靠性也是截然不同的。如果是重大的機(jī)械系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，組成的小部件個(gè)數(shù)多而且零部件間耦合緊密，提高了故障發(fā)生的幾率。小部件的損傷或失效使得機(jī)械設(shè)備的可靠性降低，因?yàn)榇嗽蛟斐傻臑?zāi)難事件也不勝枚舉了。為了使得重大事故發(fā)生的幾率降低，就必須要保證機(jī)械設(shè)備的可靠性，使機(jī)械設(shè)備的安全性提高，所以研究機(jī)械系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。

2 機(jī)械系統(tǒng)可靠性研究的發(fā)展

2.1 機(jī)械可靠性研究中的問(wèn)題

經(jīng)過(guò)科學(xué)家們的不斷研究，機(jī)械可靠性的研究已經(jīng)在理論方面與實(shí)踐方面都取得了重要的成果。傳統(tǒng)的機(jī)械可靠性的理論主要是依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)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(duì)象，研究對(duì)象是具有概率的重復(fù)性特征，從而獲取機(jī)械失效所分布的范圍，最后確定同類(lèi)機(jī)械設(shè)備的可靠性共性。但是，這種研究方法有其缺陷之處。因?yàn)闆](méi)有考慮到機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的條件和運(yùn)行的環(huán)境，以及機(jī)械系統(tǒng)中零部件失效的不同程度。特定的機(jī)械設(shè)備的可靠性研究是一個(gè)個(gè)性的問(wèn)題，然而大量的研究樣本又不能滿足特定機(jī)械設(shè)備可靠性的評(píng)估要求。科學(xué)家曾指出，傳統(tǒng)的機(jī)械可靠性的研究理論在處理工業(yè)中的具體問(wèn)題時(shí)很容易就會(huì)有誤導(dǎo)現(xiàn)象和無(wú)效現(xiàn)象，并闡述了產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因。

2.2 針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題的改進(jìn)技術(shù)

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

傳統(tǒng)的評(píng)估機(jī)械可靠性的技術(shù)方法是以大量的重復(fù)性樣本為研究對(duì)象，對(duì)此很多位學(xué)者專家提出了減少依賴數(shù)學(xué)概率分布的技術(shù)方法對(duì)傳統(tǒng)的可靠性的理論進(jìn)行改進(jìn)。例如，采用準(zhǔn)確性較高的仿真法、建立聚類(lèi)和模糊理論的計(jì)算模型等。雖然這些方法在某種程度上對(duì)小數(shù)量樣本可靠性的分析難度有所緩解，但是這些方法都沒(méi)有真正的從數(shù)理統(tǒng)計(jì)和概率論中脫離出來(lái)，因此也不可能從根本上解決數(shù)量較小的樣本機(jī)械可靠性的問(wèn)題。

學(xué)者們對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)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(jī)械系統(tǒng)的連續(xù)性能逐漸退化的現(xiàn)象，提出了監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備的性能逐漸退化的數(shù)據(jù)，采用假設(shè)出機(jī)械產(chǎn)品的失效路徑或者是機(jī)械產(chǎn)品的失效分布評(píng)估機(jī)械系統(tǒng)的可靠性，使得傳統(tǒng)的機(jī)械可靠性的理論得以拓展。例如，布朗運(yùn)動(dòng)與伽馬過(guò)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(gè)階段退化分析的技術(shù)方法上改進(jìn)進(jìn)而提出了新的三個(gè)階段機(jī)械設(shè)備退化的分析方法等。

由于機(jī)械設(shè)備是在不斷運(yùn)行的，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種故障。傳統(tǒng)的機(jī)械可靠性的分析技術(shù)方法很難評(píng)估機(jī)械在線動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中的性能，因此諸多學(xué)者就開(kāi)始提出了動(dòng)態(tài)可靠性和實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)的反映到機(jī)械設(shè)備的可靠性的模型中，根據(jù)飛機(jī)飛行時(shí)的參數(shù)評(píng)估飛機(jī)的結(jié)構(gòu)損傷和可靠性等。機(jī)械動(dòng)態(tài)的可靠性與實(shí)時(shí)的可靠性兩個(gè)概念的提出，打破了傳統(tǒng)意義上的靜態(tài)的機(jī)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(gè)概念真正的應(yīng)用在動(dòng)態(tài)運(yùn)行的機(jī)械可靠性的評(píng)估中還需要更深入的研究和探討。

3 機(jī)械系統(tǒng)可靠性基礎(chǔ)和內(nèi)涵

3.1 機(jī)械運(yùn)行過(guò)程中的可靠性和可靠度

機(jī)械系統(tǒng)是一個(gè)整體，這個(gè)整體是由大量的小部件一個(gè)個(gè)組合而成，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械所提供的功能，大量的小部件類(lèi)似于木桶的每塊小木板。機(jī)械系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的可靠性就如同這個(gè)木桶所能承受的存水功能，其在于構(gòu)成木桶的長(zhǎng)度最短的那個(gè)小木板，簡(jiǎn)言之就是短板效應(yīng)。

在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的期間，組成機(jī)械系統(tǒng)的各個(gè)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(jī)械性能的不斷退化，在初期小部件的損傷由萌生到擴(kuò)展，變?yōu)楣收?，最終使得機(jī)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(yùn)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(lái)衡量出來(lái)。由此，運(yùn)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(jī)械設(shè)備的小部件的狀態(tài)決定的機(jī)械設(shè)備的能力。

可靠度是機(jī)械可靠性的分析過(guò)程中非常重要的一個(gè)指標(biāo)。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，可靠度的定義是在規(guī)定的條件與和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，機(jī)械設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)其功能的數(shù)學(xué)概率。機(jī)械運(yùn)行的可靠度可以如下定義：在特定的環(huán)境條件和服役周期內(nèi)，機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中小部件的狀態(tài)能夠決定的實(shí)現(xiàn)所要功能的度量性指標(biāo)。機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行的可靠度是關(guān)于時(shí)間參數(shù)的函數(shù)，它的值是一個(gè)正實(shí)數(shù)，且在0和1之間。

3.2 運(yùn)行過(guò)程中可靠性的評(píng)估

在機(jī)械運(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)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(dòng)態(tài)建模和故障機(jī)理的分析、信號(hào)的處理和故障具體表現(xiàn)的提取聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行研究。動(dòng)態(tài)建模和故障機(jī)理的分析主要是針對(duì)機(jī)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(dòng)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(shí)間域、頻率域或者時(shí)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(hào)的處理和故障具體表現(xiàn)的提取是通過(guò)測(cè)量設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)物理量的信號(hào)，采用高科技技術(shù)處理信號(hào)，提取出能夠反映產(chǎn)生故障的表征，可用在小部件的及時(shí)定位與受損傷程度的定量分析，為機(jī)械系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了技術(shù)保證。動(dòng)態(tài)建模和故障機(jī)理的分析、信號(hào)的處理和故障具體表現(xiàn)的提取兩部分為機(jī)械運(yùn)行的可靠性提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論與展望

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