机械可靠性设计的内涵与递进（上篇）

　　【论文摘要】机械可靠性设计的基本任务是在故障物理学研究的基础上，结合可靠性试验以及故障数据的统计分析，提供实际计算的数学力学模型和方法及实践。这样就可以在机械产品的研制阶段，估计或预测产品在规定工作条件下的工作能力状态或寿命，保证产品具有所需的可靠性。结合现代数学力学理论，系统地阐明机械可靠性设计、机械动态可靠性设计、机械可靠性优化设计、机械可靠性灵敏度设计、机械可靠性稳健设计等系列可靠性设计理论与方法内涵与递进，力图为解决我国机械工程领域可靠性设计核心技术缺乏的问题指明路线与途径以及为形成产品自主研发能力提供技术服务和储备，对工程实际的机械可靠性设计提供系统成组的理论与方法，可以为机械行业提供可靠性分析与设计的技术服务。

　　【论文关键词】机械产品可靠性设计动态可靠性设计可靠性优化设计可靠性灵敏度设计可靠性稳健设计任意分布参数

　　前言

　　机械产品大多是众多学科交叉的高新技术的载体。能否保证产品在运行过程中的安全可靠是机械产品竞争的焦点，这种竞争主要体现在产品可靠性的竞争，可见“物美、价廉”必须以可靠性工程长江学者和创新团队发展计划、国家高技术研究发展计划(863 计划，、国家自然科学基金(50875039)、“十一五”国家科技支撑计划(2009BAG12A02)和“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(2010BAG12A02)资助项目。20100227 收到初稿，收到修改稿作为后盾。

　　所谓机械可靠性，是指机械产品在规定的使用条件下、规定的时间内完成规定功能的能力。由于工程材料特性的离散性以及测量、加工、制造和安装误差等因素的影响，使机械产品的系统参数具有固有的不确定性，因此考虑这种固有随机性的可靠性设计技术至关重要。据有关方面统计，产品设计对产品质量的贡献率可达70%～80%，可见设计决定了产品的固有质量特性(如：功能、性能、寿命、安全性和可靠性等)，赋予了产品“先天优劣”的本质特性。

　　我国机械产品的可靠性设计水平与国际先进水平相比还有相当大的差距，这已成为制约我国机械工业迅速发展的瓶颈，造成企业开发的产品质量的先天不足，使“质量第一、质量取胜”的经济战略方针在机械产品中难以充分体现。随着我国加入世界贸易组织，机械产品强制认证制度的推行，企业应该保证投放市场产品的质量，这种激烈竞争的状况将使政府部门和企业清醒地认识到可靠性工程在机械产品研发过程中的重要性。

　　1.机械可靠性研究的发展

　　自可靠性的科学定义建立以来，在世界范围内，可靠性设计的新理论、新方法与新技术不断涌现，从而大大提高了设计水平与速度，并且广泛地应用于航空、航天、冶金、石油、化工、造船、铁路、医疗、交通运输、食品加工等各个工业部门之中，其发展之迅速、应用之广泛，远非一般应用科学所可以比拟。1981 年，美国的HENLEY 和日本的KUMAMOTO 指出：在过去的10 年内，没有其他应用科学像安全、风险和可靠性分析那样得到惊人的发展和推广，可能只有环境科学和计算机技术例外。1984 年，COPPOLA 甚至认为可靠性已经更强烈地反映出历史发展的趋势。就我国科学技术整体水平与世界先进国家的差距来看，现在应该清醒地认识到：可靠性技术必须要渗透到一切产品的设计、制造、安装与使用之中，产品性能与质量的竞争主要体现在可靠性的竞争。

　　可靠性问题最早是由美国军用航空部门提出的，他们首先认识到不可靠性的代价实在太大。例如，在第二次世界大战期间，美国空军由于飞行故障而损失的飞机达21 000 架，比被击落的多1.5 倍。随着现代工业技术的飞速发展，机械产品日趋复杂化、大型化、高参数化，对各种产品的要求越来越高，使产品发生故障的机会增多，其中灾难性的事故亦时有发生。如1985 年8 月，日航123 航班波音客机坠毁，使520 人丧生；1986 年1 月，美国“挑战者”号航天飞机，因为火箭助推器内的橡胶密封圈因温度低而失效，结果引起航天飞机爆炸，造成了7 名宇航员全部遇难和重大的经济损失。各种故障和失效不仅威胁着航空工业，也给造船、桥梁、交通运输、动力机械、化工机械、工程机械等造成威胁。至于机械中的曲轴、连杆、齿轮、轴承及焊铆接件等的损坏事故就更无法统计了。

　　可靠性技术现在越来越受到各行各业的重视，现在人们都强烈地关心所购买产品的质量和产品的可靠性，企业如果推行了可靠性技术，就可以制造出满足用户要求的产品，而畅销全球，从而获得巨大的经济效益和社会效益。而只有高可靠性的产品，企业才可以在市场竞争中取胜。1971 年，日本的坪内和夫写到：在美国，可靠性技术涉及范围极广，甚至连基层中小企业的产品也具有高可靠性，所以每个小零件均可以放心使用。可是日本中小企业的水平却很低，所以现在必须彻底解决可靠性设计问题。从那时以后，日本在民用产品上推广和应用可靠性工程技术取得了巨大的成功，日本的机电产品得以畅销全球，主要是因为其质量好、可靠性高。

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