機(jī)械可靠性工程研究體系及發(fā)展方向探討

劉燕

（西部鉆探克拉瑪依鉆井公司，新疆 克拉瑪依 834000）

可靠性是評(píng)估現(xiàn)代產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一，可靠性工程在概率數(shù)據(jù)理論的支撐下，科學(xué)分析各種不確定因素對(duì)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量及性能產(chǎn)生的影響，采用“率”這一指標(biāo)去產(chǎn)品預(yù)設(shè)功能實(shí)現(xiàn)的可能性。自20世紀(jì)中葉開(kāi)始，人們給予了機(jī)械設(shè)備失效問(wèn)題一定的關(guān)注，并對(duì)其運(yùn)行可靠性展開(kāi)較深入性研究，這對(duì)可靠性工程學(xué)科發(fā)展起到良好的推動(dòng)作用，有利于將其提升至工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的日程中。

1 可靠性工程研究體系的基本原則

1.1 價(jià)值設(shè)計(jì)原理的原則

在對(duì)該體系相關(guān)指標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)參照機(jī)械設(shè)備的整體性能，實(shí)際構(gòu)造、原材料、工藝流程與技術(shù)水平、時(shí)間進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)投入、故障類型及成因分析等要素，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品全生命周期運(yùn)行可靠性的分析，同時(shí)參考國(guó)際上同類或功能相似機(jī)械產(chǎn)品可靠性維持現(xiàn)狀，遵照價(jià)值設(shè)計(jì)的規(guī)則，通過(guò)整體權(quán)衡后，明確產(chǎn)品的可靠性。

1.2 根據(jù)使用需求的原則

結(jié)合機(jī)械產(chǎn)品的種類、功能與使用特征（通常是機(jī)械的結(jié)構(gòu)特征、復(fù)雜性與運(yùn)行模式等），進(jìn)而選用具有可靠性屬性的指標(biāo)，全面迎合反映機(jī)械可靠性各方面的需求，結(jié)合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用與檢修需求，以及后勤保障計(jì)劃等確定相關(guān)參數(shù)。使用要求主要包括機(jī)械需完成的預(yù)設(shè)功能與任務(wù)、適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境并克服各種干擾因素等。

2 機(jī)械可靠性工程研究體系

2.1 學(xué)科體系

機(jī)械可靠性工程實(shí)質(zhì)是可靠性工程運(yùn)用于機(jī)械工程領(lǐng)域的具體表現(xiàn)形式，屬于可靠性理論與機(jī)械工程有關(guān)理論的交叉學(xué)科，邊緣性是該學(xué)科體系的典型特征。對(duì)該研究體系內(nèi)容與發(fā)展過(guò)程2大因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)可靠性工程和工程力學(xué)研究之間存在緊密相關(guān)性。

2.2 結(jié)構(gòu)及機(jī)構(gòu)的可靠性

從宏觀層面上分析，機(jī)械可靠性工程研究主要涉及結(jié)構(gòu)可靠性與機(jī)構(gòu)可靠性2大版塊內(nèi)容，前者研究?jī)?nèi)容以各種結(jié)構(gòu)因素對(duì)機(jī)械強(qiáng)度形成的影響、剛度與其承受載荷間的相關(guān)性、機(jī)械運(yùn)行期間的疲勞度、結(jié)構(gòu)裂痕與形體過(guò)度改變等失效形式的可靠性發(fā)展規(guī)則為主。在機(jī)械可靠性工程領(lǐng)域中，結(jié)構(gòu)可靠性問(wèn)題是研究的重點(diǎn)也是基礎(chǔ)，同時(shí)其研究歷程較為漫長(zhǎng)。在20世紀(jì)40年代末期，“結(jié)構(gòu)安全度”指標(biāo)的提出以及“應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型”的建設(shè)，為機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可靠性研究工作的開(kāi)展提供了有效支撐。因?yàn)樵擁?xiàng)結(jié)構(gòu)可靠性研究期間涉及工程力學(xué)中很多靜力學(xué)理論，因此與結(jié)構(gòu)可靠性相關(guān)的問(wèn)題被稱為靜力學(xué)可靠性問(wèn)題。

機(jī)構(gòu)可靠性研究的主要內(nèi)容有機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)副系統(tǒng)在構(gòu)件幾何規(guī)格上產(chǎn)生的偏差、摩擦過(guò)程形成的磨損度、彈性變形等多種因素對(duì)機(jī)械產(chǎn)品可靠性形成的影響，并對(duì)產(chǎn)品功能效力喪失及運(yùn)行故障的，運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及彈塑性等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究分析。目前我國(guó)可靠性工程研究領(lǐng)域中，與機(jī)構(gòu)可靠性研究相關(guān)的工作缺乏全面性、深度性，且和結(jié)構(gòu)可靠性研究相比較，其起步時(shí)間較晚，發(fā)展過(guò)程體現(xiàn)出明顯的遲緩性。在20世紀(jì)70年代末，有學(xué)者針對(duì)機(jī)構(gòu)磨損及運(yùn)動(dòng)可靠性進(jìn)行較深刻研究，并出版相應(yīng)專著，這對(duì)機(jī)械產(chǎn)品機(jī)構(gòu)可靠性研究形成了很大的推動(dòng)力，時(shí)隔10余年后，機(jī)構(gòu)可靠性研究方向才體現(xiàn)出系統(tǒng)性、專門性特征。

2.3 可靠性分析與可靠性規(guī)劃

結(jié)合機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、機(jī)構(gòu)參數(shù)等，對(duì)其運(yùn)行可靠性有關(guān)儀表進(jìn)行預(yù)估、分析與測(cè)算一系列問(wèn)題，均被統(tǒng)稱為可靠性工程第I類問(wèn)題，即可靠性分析問(wèn)題。參照機(jī)械產(chǎn)品自身可靠性的相關(guān)指標(biāo)，更合理規(guī)劃產(chǎn)品零部件與系統(tǒng)構(gòu)造、機(jī)構(gòu)參數(shù)等，進(jìn)而取得融合機(jī)械可靠性相關(guān)要求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果，被納入可靠性工程第II類問(wèn)題范疇中，其屬于可靠性設(shè)計(jì)問(wèn)題。在機(jī)械可靠性工程研究領(lǐng)域中，可靠性分析與可靠性設(shè)計(jì)均是重點(diǎn)內(nèi)容。故此在現(xiàn)實(shí)研究中，建議有機(jī)結(jié)合可靠性理論與機(jī)械工程，并將其設(shè)為研究的入手點(diǎn)，其主要“職責(zé)”是在數(shù)學(xué)相關(guān)理論、方法的支撐下，建設(shè)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)參數(shù)和可靠性指標(biāo)間模型，反映出三者間的定量映射關(guān)系，這為機(jī)械產(chǎn)品可靠性能整體提升提出了堅(jiān)實(shí)的理論支持與可行渠徑。

加強(qiáng)鉆探機(jī)機(jī)械可靠性功能的設(shè)計(jì)，是促進(jìn)其功能性特征有效發(fā)揮的重要舉措之一。鉆探機(jī)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用期間，通常會(huì)維持其可靠性處于承載能力區(qū)間內(nèi)，故此設(shè)備運(yùn)行期間出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。在對(duì)鉆探機(jī)可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，可采用降額法實(shí)現(xiàn)，降額法也是實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件設(shè)計(jì)方法管理的重要手段，若應(yīng)用中小于應(yīng)力設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品可靠性分布模式不確定情況下，可把零部件的載荷應(yīng)力控制在一定范疇中，技術(shù)人員可通過(guò)增強(qiáng)鉆探機(jī)平均強(qiáng)度值或降低應(yīng)力與強(qiáng)度波動(dòng)幅度等方式，以提升鉆探機(jī)功能設(shè)計(jì)的可靠性。目前人機(jī)工程設(shè)計(jì)法在鉆探機(jī)可靠性設(shè)計(jì)領(lǐng)域有廣泛性應(yīng)用，其能將機(jī)械運(yùn)行過(guò)程中形成的誤差降至最低水平，該種設(shè)計(jì)方法加強(qiáng)人員與機(jī)械自身兩方面的設(shè)計(jì)，在人機(jī)工程學(xué)內(nèi)有關(guān)方法的支撐下，可選設(shè)計(jì)各種操作按鈕，若機(jī)械出現(xiàn)某種故障，則可結(jié)合人機(jī)操作現(xiàn)狀對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)估，在設(shè)計(jì)中結(jié)合實(shí)況設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥，若水量回流對(duì)調(diào)節(jié)閥造成返堵，會(huì)導(dǎo)致泥漿泵泵壓值驟然變化，采用以上方式預(yù)示鉆探機(jī)操作人員井下出現(xiàn)堵水情況，促使其立即做出提鉆行為，以防誘發(fā)避免燒鉆井事故。

3 機(jī)械可靠性工程研究發(fā)展方向

3.1 可靠度計(jì)算方法

可靠度計(jì)算方法列屬于可靠性數(shù)學(xué)理論的范疇。以往機(jī)械應(yīng)力強(qiáng)度模型可靠度的計(jì)算方法，包括概率解析法與近似概率法兩大類。前者是以數(shù)學(xué)概率計(jì)算理論為基礎(chǔ)對(duì)概率精確性進(jìn)行分析的方法，在現(xiàn)實(shí)中，機(jī)械結(jié)構(gòu)與隨機(jī)變量概率分布模式均有較明顯的復(fù)雜性，這增加了概率解析計(jì)算預(yù)設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)難度。近似概率法通常是以極限狀態(tài)函數(shù)近似泰勒為支撐，而進(jìn)行的一次二階矩、高次高階矩計(jì)算過(guò)程，氣候后一種計(jì)算過(guò)程有利于提升狀態(tài)函數(shù)泰勒展開(kāi)的精度，但過(guò)程過(guò)于煩瑣故而可能出現(xiàn)新的誤差，影響結(jié)果的精確度，應(yīng)用受限。

3.2 疲勞強(qiáng)度及疲勞壽命

國(guó)內(nèi)外針對(duì)機(jī)械可靠性技術(shù)研究的推進(jìn)，單純進(jìn)行靜強(qiáng)度可靠性已經(jīng)難以迎合機(jī)械功能實(shí)踐的多樣化需求。分析產(chǎn)品循環(huán)交變應(yīng)力工況、零部件疲勞壽命、持久極限屬性的疲勞強(qiáng)度及壽命可靠性，發(fā)現(xiàn)其與工程現(xiàn)實(shí)發(fā)展需求更具匹配性，將會(huì)逐漸演變成后續(xù)幾年中，機(jī)械工程強(qiáng)度可靠性研究的重要趨向之一。

3.3 可靠性數(shù)據(jù)處理與評(píng)價(jià)方案研究

在軟件編程系統(tǒng)的協(xié)助下，建設(shè)機(jī)械可靠性研究的數(shù)據(jù)庫(kù)，具有數(shù)套軟件能實(shí)現(xiàn)對(duì)可靠性相關(guān)數(shù)據(jù)的有效處理。汽車行業(yè)可靠性數(shù)據(jù)處理軟件和工程機(jī)械行業(yè)相比較，更具成熟性，在具體實(shí)踐中，可照搬其軟件平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)的有效處理、分離與整合。對(duì)于現(xiàn)代企業(yè)而言，當(dāng)其生產(chǎn)的產(chǎn)品出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)將故障信息整體納入數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，以便后續(xù)故障檢修等工作中隨時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)，同時(shí)其也能對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案制定提供良好的支撐作用。

針對(duì)機(jī)械可靠性數(shù)據(jù)處理與評(píng)估方案的研究，技術(shù)人員可以在首次處理機(jī)械故障時(shí)，應(yīng)預(yù)見(jiàn)性評(píng)估其故障后的使用年限、整機(jī)同類故障的發(fā)生率、故障時(shí)間等，繼而建設(shè)相應(yīng)圖表。這些圖表是“三包期”故障處理工作結(jié)束后，能為設(shè)計(jì)部門、決策機(jī)構(gòu)等提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，例如，其可促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)部門結(jié)合產(chǎn)品的使用環(huán)境與現(xiàn)實(shí)技術(shù)操作水平等因素，采用更先進(jìn)的方法設(shè)計(jì)機(jī)械的主要功能，進(jìn)而確保其在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中更具優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

可靠性是評(píng)估產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵性指標(biāo)，也是后續(xù)幾年中功能相同或相似產(chǎn)品提升競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的重要依托。加強(qiáng)機(jī)械可靠性工程的研究，是提升機(jī)械質(zhì)量的理論基礎(chǔ)，同時(shí)也迎合了機(jī)械工程技術(shù)持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在需求。本文對(duì)機(jī)械可靠性工程研究體系的設(shè)計(jì)原則、體系內(nèi)容做出較詳細(xì)論述，在此基礎(chǔ)上對(duì)其發(fā)展趨向做出科學(xué)預(yù)測(cè)。