浅析机械装备可靠性研究及展望

    1 前言

    随着我国制造业的飞速发展，机械设备日益精密，迈向了与传统制造强国竞争的时刻。对于重大或尖端机械设备如高速铁路列车，大型客机，大型航空器等，其质量和性能的竞争越来越多地取决于可靠性的竞争,更有甚者，美国有关部门曾将可靠性技术列为世界三大工程技术成就之一，可见其地位的重要性。我国虽已成为制造业全球第一的制造大国，但制造出的机械装备即使精度和性能与发达国家如德国等无异，但可靠性参数如平均使用寿命等远低于发达国家设备，设备的首发故障时间也低于发达国家，尤其在农业机械，工程机械等领域，群众宁愿多大价钱买国外进口的水稻插秧机，就是因为我国产机械设备可靠性太低。可见可靠性技术已成为我国成为制造强国，实现中国制造2025 的关键所在。

    2 可靠性的定义与内涵

    机械装备可靠性的定义是产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。其基本内涵是规定的时间，规定的条件，规定的对象，规定的功能，即四规定，这也是可靠性这一概念的核心。

    细细分来，机械装备的可靠性又可分为机械装备的设计可靠性，制造可靠性，运行可靠性，维修可靠性，管理可靠性等。其中设计和制造的可靠性体现了设备在设计制造或者说是前期管理中的水平。而运行可靠性体现了设备在使用过程中的安全可靠状态，也是我们最为关注的。维修可靠性和管理可靠性则体现了设备在维修过程的状态(难易等)和设备管理的管理水平。

    3 机械设备的故障曲线及其启示

    与可靠性最为相关的因素是故障。产品不能完成规定功能的事件或状态称为故障，机械装备的可靠性是产品随时间完成规定功能的保持能力，换名话说，要长时间的保持性能就是不要出故障，不出故障或出了故障能很快维修是装备可靠性的特性。因此，研究可靠性有必要研究机械设备的故障曲线，即浴盆曲线，并从中获得启示。

    机械装备有突发故障与渐进性故障之分，大部分为渐进性故障。对其，据长期以来的理论研究和数据统计，发现多数设备失效率曲线，它明显地分为三段，分别对应设备的三个不同阶段或时期。即早期故障期，偶发故障期，磨损故障期。

    第一阶段是早期故障期;表明设备在刚投入使用时，故障率很高，但随着产品工作时间的增加，故障率迅速降低，这一阶段失效的原因大多是由于设计,制造过程中的缺陷而造成的。

    第二阶段是偶发故障期，这一阶段的特点是故障率较低，且较稳定，往往可近似看作一条水平直线，出现故障的原因往往由于维修操作不当引起，这一时期是产品的正常使用阶段。

    第三阶段是磨损故障期;该阶段的失效率随时间的延长而急速增加，主要原因往往对应于元器件已进入剧烈磨损阶段，正常工作表面被破坏，磨损剧烈，如不及时维修，设备将停机或出现严重后果。

    对于一阶段加强设备的前期管理，在产品出厂前试验，在投入使用前调试验收;提高操作人员的操作、维护水平，按照操作规章行事可延长设备的正常使用寿命;对于进入第三阶段的设备，及时进行更新改造可避免出现重大故障。上述即从浴盆曲线中获得提高设备运行可靠性的措施。

    4 我国对于机械装备可靠性技术研究中出现问题

    4.1 传统可靠性研究是基于概率论与数理统计，即基于大数据的研究，而很多重大事故如日本福岛核电站爆炸，美国航天飞机爆炸等都是偶发事件，案例很少，很难获得切实可行的大数据进行统计分析。而若采取一般的机械设备的可靠性试验的方法,则要费资、费力,备件费用大周期长，而且不能大容量。

    4.2 大多数可靠性研究如机械产品可靠性实验等忽略了机械失效机制的多样性和其与机械产品实际运行环境的关系。只在理想条件下实验出的实验结果，即使拥有大数据，也与实际存在较大的差距，因为机械产品的实际工作环境与试验环境相比更为复杂、更为恶劣。

    4.3 前已分析，对于正在运转使用中的机械设备，我们更加关注其运转过程中的可靠性。而我们现行的可靠性研究则只能分析设备整个寿命周期内的可靠性怎样，进而获得设备在今后的设计制造中的改进或进行计划维修。这种传统可靠性评估无法根据现行运行设备的工况状态及时作出当前运行可靠性评估，而这恰恰对于重大设备来说更为关键。

    4.4 很多机械可靠性理论，包括借鉴西方国家的设备管理理论并未真正应用到机械设备的设计制造当中，即理论研究与实际脱节。

    5 对可靠性分析及提高机械设备可靠性的展望

    5.1 采用状态监测技术

    采用状态监测技术，及时获取运行中的机械设备的相关信息，此信息是机械设备的运行状态的真实反映。

    5.2 建立专家系统

    建立基于计算机网络的专家诊断系统，专家系统可以将全网机械设备整理分析，得出切实的相对绝对判断标准，进而根据状态监测所获信息及时获得机械设备的运行可靠性参数，进而采取下步行动。

    5.3 机械设备可靠性提升方法

    根据水桶理论，最弱子系统的水平限制着总系统的水平，因此我们应对可靠性最低的零部件重新设计，提升设备总可靠性。

    此外，变串联系统为并联系统，将显著提升设备的总可靠性。这将是之后机械设备设计制造的新方向。

    6 结束语

    本文详细介绍了机械设备可靠性的概念及研究中出现的问题，后又对机械领域可靠性研究及设备制造提出了展望。希望我国的制造业能够克服可靠性这一瓶颈，大步迈向前方。