機(jī)械可靠性工程研究體系及發(fā)展方向
本文關(guān)鍵詞:機(jī)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
HebeiJournalofIndustrialScienceandTechnolo 。纾
Vol.30,No.4Jul013y2
()10081534201304027204 文章編號:---
機(jī)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。常保=ㄊ∪魇邪l(fā)展和改革委員會工業(yè)發(fā)展科,65000;2.河北科技大學(xué)材料科學(xué)
)與工程學(xué)院,河北石家莊。埃担埃埃保刚∫嚎偨Y(jié)分析機(jī)械可靠性理論研究的特點(diǎn),系統(tǒng)闡述機(jī)械可靠性工程的學(xué)科體系及研究內(nèi)容,界定了機(jī)械可靠性工程研究的兩類主要問題。在此基礎(chǔ)上分析論述了機(jī)械可靠性工程研究的發(fā)展趨勢和方向。
關(guān)鍵詞:可靠性;機(jī)械可靠性;研究體系;發(fā)展方向
:/中圖分類號:TB114.3;TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 。洌铮椋保埃罚担常担瑁猓耄玻埃保常埃矗保玻纾辏
Researchanddevelomentofmechanicalreliabilitenineerin 。穑纾纭
12PANGZhifenYAOYunfen 。纾
(,,,;1.IndustrDevelomentSectionSanminCitDevelomentandReformCommissionSanminFuian365000China2.Schoolof ypgypgj
,H,)ScienceandEnineerinebeiUniversitofScienceandTechnoloShiiazhuanHebei050018ChinaMaterials 。纾纾纾,jg
:,AbstractThecharacteristicsofthemechanicalreliabilittheoraresummarizedandanalzedandthediscilinesstemand 。穑
itsresearchcontentsaresstematicallexamined.Thetwomainstudareasofmechanicalreliabilitenineerinaredefined. yyyygg 。颍澹螅澹幔颍悖瑁簦颍澹睿洌铮妫恚澹悖瑁幔睿椋悖幔欤颍澹欤椋幔猓椋欤椋簦澹睿椋睿澹澹颍椋睿椋螅幔欤螅铮洌椋螅悖酰螅螅澹洌裕瑁濉 。纾纭
:;m;Kewordsreliabilitechanicalreliabilitstudsstem;develomentdirection 。穑 】煽啃允枪J(rèn)的現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品四大質(zhì)量指標(biāo)(性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性)之一?煽啃怨こ汤酶怕蕯(shù)學(xué)理論分析各種不確定的實(shí)際因素對產(chǎn)品質(zhì)量及性能的影響,用概率來定量表述產(chǎn)品可以完成預(yù)定功能的可能性。第二次世界大戰(zhàn)中暴露的大量武器裝備失效問題促使二戰(zhàn)后歐美國家開始對軍用電子設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)深入的可靠性研究,從而使可靠性成為一門工程研究學(xué)科迅速發(fā)展起來。當(dāng)前,隨著機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、功能日益完善,對可靠性的要求不斷提高,可靠性成為衡量機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo),機(jī)械可靠性工程也成為機(jī)械工程和可靠性理論研究的重要方向
[1]
1 機(jī)械可靠性理論研究特點(diǎn)
哲學(xué)上講萬事無絕對,關(guān)于“絕對”唯一成立的。任何產(chǎn)品都受其設(shè)計、命題就是“絕對沒有絕對”生產(chǎn)、使用過程中各種不確定的實(shí)際因素影響,都無法保證絕對能夠完成預(yù)定的功能和任務(wù)。可靠性就是用概率的概念來度量產(chǎn)品可以完成預(yù)定功能的可
2]
。能性及可靠程度,此即為產(chǎn)品的可靠度[
在傳統(tǒng)的機(jī)械工程理論中用安全系數(shù)來保證產(chǎn)各種設(shè)計變量的隨機(jī)性得不到反品的安全可靠性,
映。雖然基于強(qiáng)度和應(yīng)力平均值的安全系數(shù)取值明但是由于強(qiáng)度和應(yīng)力數(shù)值的離散性,有時顯大于1,
候也會出現(xiàn)應(yīng)力大于強(qiáng)度的實(shí)際情況,從而造成產(chǎn)品失效。在設(shè)計過程中為了提高產(chǎn)品的安全可靠性選用優(yōu)質(zhì)材料或加大零件尺寸以獲取較大的安全系數(shù),這就必然造成不必要的浪費(fèi)。另外大量事實(shí)證明,一味地增大基于強(qiáng)度和應(yīng)力平均值的安全系數(shù),
。
;收稿日期:修回日期:2013032620130427----責(zé)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(jī)械可靠性理論及技術(shù)研究等方面的工作。
:E-mail63.comanzfmail@1pg
等:機(jī)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(chǎn)品安全可靠性的提高。
在機(jī)械可靠性理論中,將載荷、材料性能與強(qiáng)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(jī)變量,以概率論與數(shù)理統(tǒng)計理論為基礎(chǔ),綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、工程力學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、系可以定量地給出產(chǎn)品的可統(tǒng)工程學(xué)等多方面知識,
靠度指標(biāo),以保證產(chǎn)品的安全性和可靠性。機(jī)械設(shè)而制造、安計環(huán)節(jié)決定了產(chǎn)品的固有可靠性水平,
裝、使用和管理環(huán)節(jié)的任務(wù)則是保證產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的實(shí)現(xiàn),所以機(jī)械設(shè)計的可靠性是保證產(chǎn)品可靠性的最重要環(huán)節(jié)。將可靠性理論應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的以可靠度指標(biāo)的定量研究性能分析及開發(fā)設(shè)計中,
有利于提高機(jī)械設(shè)計水來保證產(chǎn)品的可靠性品質(zhì),
平,改善產(chǎn)品質(zhì)量,是現(xiàn)代機(jī)械工程技術(shù)的重要發(fā)展方向。
靠性問題是機(jī)械可靠性工程研究的基礎(chǔ)領(lǐng)域,研究起步較早。2結(jié)構(gòu)安全0世紀(jì)40年代末期提出的“及“應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型”為結(jié)構(gòu)可靠性的研究奠度”
定了理論基礎(chǔ)。由于主要涉及工程力學(xué)的靜力學(xué)理論,所以結(jié)構(gòu)可靠性問題又可以稱為靜力學(xué)可靠性問題。
機(jī)構(gòu)可靠性主要研究機(jī)構(gòu)及運(yùn)動副系統(tǒng)在構(gòu)件摩擦磨損、彈性變形等因素影響下,幾何尺寸誤差、
造成產(chǎn)品預(yù)定功能失效或故障的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)及彈塑性等方面問題的可靠性。機(jī)構(gòu)可靠性是可靠性工程研究中相對薄弱的環(huán)節(jié)。與結(jié)構(gòu)可靠性研究相機(jī)構(gòu)可靠性的研究起步比較晚,是可靠性技術(shù)在比,
前機(jī)械工程中應(yīng)用的新方向。20世紀(jì)70年代末,蘇聯(lián)學(xué)者關(guān)于機(jī)構(gòu)磨損可靠性和機(jī)構(gòu)運(yùn)動可靠性專著的出版為機(jī)構(gòu)可靠性研究奠定了重要基礎(chǔ),直到專20世紀(jì)80年代機(jī)構(gòu)可靠性才開始形成系統(tǒng)的、
3]
。門的研究方向[
2 機(jī)械可靠性工程研究體系
2.1 機(jī)械可靠性工程研究的學(xué)科體系
機(jī)械可靠性工程是可靠性工程在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用,是可靠性理論與機(jī)械工程相關(guān)理論的交叉機(jī)邊緣性學(xué)科。從研究內(nèi)容及其發(fā)展歷程上來看,械可靠性工程與工程力學(xué)的研究緊密相連,其學(xué)科體系的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。
2.3 可靠性分析與可靠性設(shè)計
如圖2所示,根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)參數(shù)對其可靠性相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)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(jù)產(chǎn)品的可靠性相關(guān)指標(biāo)驅(qū)動產(chǎn)品零部件及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計,從而獲得兼顧可靠性要求的機(jī)械設(shè)計結(jié)果,此即為可靠性設(shè)計問題?煽啃苑治雠c可靠性設(shè)計都是機(jī)械可靠性工程研究的主要問題,是可靠性理論與機(jī)械工程相結(jié)合進(jìn)行研究的著眼點(diǎn),其任務(wù)就是利用可靠性數(shù)學(xué)及其它相關(guān)理論、方法建立起機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)參數(shù)與可靠性指標(biāo)之
間的定量映射關(guān)系,從而為產(chǎn)品可靠性質(zhì)量的提高提供理論依據(jù)及現(xiàn)實(shí)途徑。
圖1 機(jī)械可靠性工程學(xué)科體系
Fi.1。模椋螅悖椋欤椋睿澹螅螅簦澹恚铮妫恚澹悖瑁幔睿椋悖幔臁 。纾穑
reliabilitenineerinygg
圖2 機(jī)械可靠性工程的兩類問題
2.2 結(jié)構(gòu)可靠性與機(jī)構(gòu)可靠性
如圖1所示,機(jī)械可靠性工程研究的領(lǐng)域大致即結(jié)構(gòu)可靠性和機(jī)構(gòu)可
靠性。可以歸結(jié)為2部分,
結(jié)構(gòu)可靠性主要研究受結(jié)構(gòu)因素影響的機(jī)械強(qiáng)度、剛度與其承受載荷之間的關(guān)系以及由此產(chǎn)生疲勞、斷裂、過度變形等失效行為的可靠性規(guī)律。結(jié)構(gòu)可
Fi.2。裕鳎铮恚幔椋睿螅簦酰洌妫椋澹欤洌螅铮妫恚澹悖瑁幔睿椋悖幔臁 。纾
reliabilitenineerinygg
3 機(jī)械可靠性工程研究發(fā)展方向
3.1 可靠度計算方法
嚴(yán)格來講,可靠度計算方法屬于可靠性數(shù)學(xué)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(chǔ)地位,在此特別予以強(qiáng)調(diào)?煽啃怨こ剃P(guān)注于產(chǎn)品具體的可靠度及失效概率值。多年來關(guān)于可靠度的定量分析計算已經(jīng)形成了一些比較成熟的方但是在當(dāng)前工程實(shí)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(tǒng)的應(yīng)力-強(qiáng)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(shù)學(xué)概率計算理論的精確概率分析方法,而由于實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)和隨機(jī)變量概率分布情況的復(fù)雜使完全精確的概率解析計算難以實(shí)現(xiàn)。近似概性,
率法包括基于極限狀態(tài)函數(shù)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(shù)泰勒展開的精度,
程過于繁瑣導(dǎo)致新的計算誤差,故計算精度受到限應(yīng)用較少。目前工程實(shí)際中應(yīng)用較多的是基于制,
包括極限狀態(tài)函數(shù)線性泰勒展開的一次二階矩法,矩分析法、變異系數(shù)法及J其中JC法,C法適用于基本隨機(jī)變量為任意分布的可靠度求解,并且運(yùn)算簡捷、計算精度較高,是廣泛應(yīng)用的一種可靠度計算方法;诖髷(shù)定律的蒙特卡羅隨機(jī)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(jié)合先進(jìn)的計算機(jī)0世紀(jì)90年代以后,技術(shù)逐漸發(fā)展出了具有不同特點(diǎn)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(yīng)面法[法[
目前,在材料疲勞強(qiáng)度及疲勞壽命理論發(fā)展的基礎(chǔ)上,將可靠性分析技術(shù)及理論與之有機(jī)結(jié)合,建立系統(tǒng)的無限壽命疲勞可靠性及有限壽命疲勞可靠性數(shù)學(xué)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(tǒng)可靠性研究
近年來,隨著機(jī)械系統(tǒng)日益復(fù)雜化,系統(tǒng)可靠性研究日益受到重視。但就目前水平而言,對系統(tǒng)可靠性的研究還很不充分,尤其是對復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性研究是最近十幾年才發(fā)展起來的,相關(guān)的數(shù)學(xué)建模理論及分析計算方法都處于基礎(chǔ)研究階段,有待進(jìn)一步發(fā)展。
傳統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性理論將系統(tǒng)中各組成單元的故障失效視為相互獨(dú)立,進(jìn)而基于串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等各種理想模型進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分析。但是事實(shí)上在一般現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中,各組成單元及元器件的故障失相互關(guān)聯(lián)的,只有考慮系統(tǒng)各組成效都是相互影響、
建立關(guān)聯(lián)系統(tǒng)可靠性單元及元器件的故障關(guān)聯(lián)性,
模型,才能更加準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)可靠性的真實(shí)情況。所以關(guān)聯(lián)系統(tǒng)可靠性問題便成為目前系統(tǒng)可靠性研究的主要方向之一。另外,考慮系統(tǒng)元件對應(yīng)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(tǒng)元件失效或性能衰退導(dǎo)致系統(tǒng)整體的性能下降且呈現(xiàn)出多個性能水平和多種失效模式,建立多狀態(tài)是研究復(fù)雜系統(tǒng)可靠性的現(xiàn)實(shí)要系統(tǒng)可靠性理論,
11]
。當(dāng)前多狀態(tài)系統(tǒng)可靠性研究的主要困難在求[
于多狀態(tài)系統(tǒng)的可靠性建模及狀態(tài)數(shù)目爆炸問題,簡化多狀態(tài)系統(tǒng)可靠性模型、減輕計算負(fù)擔(dān)是研究的重點(diǎn)。
3.4 模糊可靠性理論
最早有人提出了用模糊數(shù)學(xué)20世紀(jì)80年代,方法處理可靠性設(shè)計中存在的模糊性問題,國內(nèi)外
12]
。但研究人士就此進(jìn)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(jié)合應(yīng)用于可靠性分析的概率有限元法,對極限狀態(tài)函數(shù)難以用顯函式表達(dá)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析提供了有效途徑。
目前,隨著機(jī)械系統(tǒng)日益復(fù)雜化,系統(tǒng)可靠性成為機(jī)械可靠性研究發(fā)展的重要方向。但是目前針對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析的方法還很不完善,對復(fù)
]89-
。一般雜系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)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(kuò)展常規(guī)可靠性指標(biāo)獲得模糊可靠度、模糊失效概率、模糊故障率等指標(biāo);建立模糊可靠性對簡單系統(tǒng)的模糊可靠性指標(biāo)進(jìn)指標(biāo)的計算公式;
行計算。為了處理實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)中大量存在的模糊問題,對工程實(shí)踐起到實(shí)際的指導(dǎo)意義,應(yīng)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(shè)計
將傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)與可靠性設(shè)計理論相結(jié)合,考慮系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的概率分布特性及產(chǎn)品可靠性指標(biāo)對系統(tǒng)設(shè)計的約束指導(dǎo)作用,將可靠性指標(biāo)集成到優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)或約束條件中,運(yùn)用最
簡單的系統(tǒng)可靠性分析主要應(yīng)用傳統(tǒng)的可靠性框圖,模型(串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)、表決系統(tǒng)等)復(fù)雜系統(tǒng)可靠性分析主要應(yīng)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(wǎng)絡(luò)分析法等。CA)
3.2 疲勞強(qiáng)度及疲勞壽命可靠性
隨著可靠性技術(shù)研究的深入,單純的靜強(qiáng)度可靠性已經(jīng)不能滿足工程實(shí)踐的需要?紤]產(chǎn)品的循環(huán)交變應(yīng)力工況及零部件疲勞壽命、持久極限特性的疲勞強(qiáng)度及疲勞壽命可靠性問題更符合工程實(shí)際
10]
,要求[成為強(qiáng)度可靠性研究的重要發(fā)展方向。
等:機(jī)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(chǎn)品最優(yōu)設(shè)計方案,這就是可靠性優(yōu)化設(shè)計。機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計問題主要可分為3類:一是將可靠性指標(biāo)作為約束條件;二是將可靠性指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo);三是對系統(tǒng)可靠度進(jìn)行最優(yōu)化分配。可靠性優(yōu)化設(shè)計比傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計模式更為合理,有利于提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量、保證設(shè)計安全可靠并且提高產(chǎn)品的設(shè)計效益,在倡導(dǎo)提高產(chǎn)品安全可靠性及降低資源消耗的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展背景下,可靠性優(yōu)化設(shè)計將成為機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的基本要求和必然趨勢,相關(guān)的理論研究發(fā)展便顯得尤為重要。
3.6 可靠性試驗(yàn)及數(shù)據(jù)積累
產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)及失效數(shù)據(jù)的積累是深入研究機(jī)械可靠性的重要條件。但是由于機(jī)械產(chǎn)品壽命試時間周期長,并且驗(yàn)及失效破壞試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)成本高、
現(xiàn)場設(shè)備可靠性及失效數(shù)據(jù)的采集和積累難以實(shí)所以產(chǎn)品壽命及失效數(shù)據(jù)缺乏往往成為制約機(jī)現(xiàn),
是中國機(jī)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(jī)械可靠性研究工作者應(yīng)該樹立可靠性數(shù)據(jù)積累的長期意識,通過科學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和長期積累,促進(jìn)機(jī)械可靠性研究水平的切實(shí)提高。
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4 結(jié) 語
可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo),也是未來產(chǎn)品競爭的關(guān)鍵所在。機(jī)械可靠性工程的研究是提高機(jī)也是機(jī)械工程技術(shù)及可靠械產(chǎn)品質(zhì)量的必然要求,
性理論發(fā)展的內(nèi)在要求。本文總結(jié)分析了機(jī)械可靠闡述了機(jī)械可靠性工程研究的性理論研究的特點(diǎn),
學(xué)科體系及研究內(nèi)容,在此基礎(chǔ)上分析論述了機(jī)械可靠性工程研究的發(fā)展趨勢和方向,為提高機(jī)械可對機(jī)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(xiàn)/References
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PANGZhifen.StudonReliabilitandRelatedIssuesofIn 。纾
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