娄轲　刘书豪　李鑫

摘 要：对于一台特定的机械研究其运行过程中的可靠性问题具有局限性，但选择较多的研究对象同时采用数学统计算法算出的可靠性对于单个研究对象又没有针对性。传统意义上的可靠性方面的理论在机械系统的可靠性研究过程中又存在着各种各样的问题，所以提出一种新的理论对于机械系统的运行过程中的可靠性非常重要，将动态建模、信号处理和故障机理作为其技术的内涵，使得机械可靠性和可靠度有了新的内涵，最后提出了可靠性的评估手段。

关键词：机械系统；可靠性；故障；可靠度

1 机械系统可靠性研究的背景

工业技术在不断的发展，一些欧洲的发达国家在二战之后就开始大力的研究机械设备的可靠性，可靠性研究的成果使得一些新的机械产品不断出现。中国是一个大国，机械系统的可靠性影响着中国的发展，目前我国与世界上的一些先进技术仍然是有非常大的差距的，因此对于我国研究机械可靠性技术显得尤为重要。

机械系统的可靠性包括很多方面，如设计方面的可靠性、制造方面的可靠性、管理方面的可靠性、运行方面的可靠性和维修方面的可靠性等等。设计和制造方面的可靠性是产品在生产阶段的可靠性，是机械设备的可靠性的第一因素。运行方面的可靠性则是联系着机械在使用过程中的环境、使用的周期以及机械小部件的逐渐失效等，相当于机械可靠性的第二因素。即使是同一台机械设备，如果运行的条件与所处的环境不同，机械设备的可靠性也是截然不同的。如果是重大的机械系统，其结构比较复杂，组成的小部件个数多而且零部件间耦合紧密，提高了故障发生的几率。小部件的损伤或失效使得机械设备的可靠性降低，因为此原因造成的灾难事件也不胜枚举了。为了使得重大事故发生的几率降低，就必须要保证机械设备的可靠性，使机械设备的安全性提高，所以研究机械系统的可靠性至关重要。

2 机械系统可靠性研究的发展

2.1 机械可靠性研究中的问题

经过科学家们的不断研究，机械可靠性的研究已经在理论方面与实践方面都取得了重要的成果。传统的机械可靠性的理论主要是依据数理统计与概率论相关的数学工具，以较多数量的样本为研究对象，研究对象是具有概率的重复性特征，从而获取机械失效所分布的范围，最后确定同类机械设备的可靠性共性。但是，这种研究方法有其缺陷之处。因为没有考虑到机械设备运行的条件和运行的环境，以及机械系统中零部件失效的不同程度。特定的机械设备的可靠性研究是一个个性的问题，然而大量的研究样本又不能满足特定机械设备可靠性的评估要求。科学家曾指出，传统的机械可靠性的研究理论在处理工业中的具体问题时很容易就会有误导现象和无效现象，并阐述了产生这些现象的原因。

2.2 针对现有问题的改进技术

传统的机械可靠性的理论具有一定的局限性，针对这些问题许多学者提出了改性方法，在机械可靠性的研究上取得了新的进展。

传统的评估机械可靠性的技术方法是以大量的重复性样本为研究对象，对此很多位学者专家提出了减少依赖数学概率分布的技术方法对传统的可靠性的理论进行改进。例如，采用准确性较高的仿真法、建立聚类和模糊理论的计算模型等。虽然这些方法在某种程度上对小数量样本可靠性的分析难度有所缓解，但是这些方法都没有真正的从数理统计和概率论中脱离出来，因此也不可能从根本上解决数量较小的样本机械可靠性的问题。

学者们对于传统的机械可靠性理论中的二值假设或者是有限状态的假设不可能充分地阐述机械系统的连续性能逐渐退化的现象，提出了监测机械设备的性能逐渐退化的数据，采用假设出机械产品的失效路径或者是机械产品的失效分布评估机械系统的可靠性，使得传统的机械可靠性的理论得以拓展。例如，布朗运动与伽马过程结合建立出一种全新的使性能退化加速的模型，在原有两个阶段退化分析的技术方法上改进进而提出了新的三个阶段机械设备退化的分析方法等。

由于机械设备是在不断运行的，运行过程中会出现各种故障。传统的机械可靠性的分析技术方法很难评估机械在线动态运行过程中的性能，因此诸多学者就开始提出了动态可靠性和实时可靠性的概念。例如，基于历史数据采用了贝叶斯法使得数据实时的反映到机械设备的可靠性的模型中，根据飞机飞行时的参数评估飞机的结构损伤和可靠性等。机械动态的可靠性与实时的可靠性两个概念的提出，打破了传统意义上的静态的机械可靠性的理论，由于该概念的研究仍然处在起始阶段，仅仅停留在仿真方面和理论方面的研究，所以要想将这两个概念真正的应用在动态运行的机械可靠性的评估中还需要更深入的研究和探讨。

3 机械系统可靠性基础和内涵

3.1 机械运行过程中的可靠性和可靠度

机械系统是一个整体，这个整体是由大量的小部件一个个组合而成，最终实现机械所提供的功能，大量的小部件类似于木桶的每块小木板。机械系统在运行过程中的可靠性就如同这个木桶所能承受的存水功能，其在于构成木桶的长度最短的那个小木板，简言之就是短板效应。

在机械设备运行的期间，组成机械系统的各个小部件都在经受着应力、电流、溫度和腐蚀等等各种不同因素的影响，从而造成机械性能的不断退化，在初期小部件的损伤由萌生到扩展，变为故障，最终使得机械设备彻底失效。这些变化都是小部件性能逐渐退化的最直接反映。所以设备在运行中的可靠性可以根据受损伤的程度最为严重的小部件来衡量出来。由此，运行的可靠性的新定义是在指定的环境条件下以及服役的周期内，机械设备的小部件的状态决定的机械设备的能力。

可靠度是机械可靠性的分析过程中非常重要的一个指标。在国际标准中，可靠度的定义是在规定的条件与和规定的时间内，机械设备能够实现其功能的数学概率。机械运行的可靠度可以如下定义：在特定的环境条件和服役周期内，机械设备运行过程中小部件的状态能够决定的实现所要功能的度量性指标。机械设备的运行的可靠度是关于时间参数的函数，它的值是一个正实数，且在0和1之间。

3.2 运行过程中可靠性的评估

在机械运行的过程中，会制造出一些如噪声、位移、电量等信息，基于这些信息，可以将动态建模和故障机理的分析、信号的处理和故障具体表现的提取联系起来进行研究。动态建模和故障机理的分析主要是针对机械设备中的基本的小部件如齿轮或者轴承等等，这些小部件在各种受约束的环境条件中受到的温度等作用，构建出动态的模型，根据模型分析找到此故障形成的原理以及它在时间域、频率域或者时间频率域的具体表征，这就为故障的诊断提供了重要的理论上的依据。信号的处理和故障具体表现的提取是通过测量设备在运转过程中的实时物理量的信号，采用高科技技术处理信号，提取出能够反映产生故障的表征，可用在小部件的及时定位与受损伤程度的定量分析，为机械系统的正常运行提供了技术保证。动态建模和故障机理的分析、信号的处理和故障具体表现的提取两部分为机械运行的可靠性提供了坚实的理论基础。

4 结论与展望

针对传统的可靠性研究中存在的问题，重新定义了机械运行的可靠性含义和可靠度含义，建立了动态建模和故障机理的分析理论、信号的处理和故障具体表现的提取理论，提出了机械运行的可靠性的评估方法，为机械运行的可靠性提供了理论基础。本文中机械运行的可靠性研究只是一个开始，还有许多等待着解答，最终使得机械运行的可靠性理论能在工业界起到重要的作用。