可靠性基本概念.docx

可靠性理论是以产品寿命特征为主要研究对象的一门综合性和边缘性科学，它涉及到基础科学、技术科学和管理科学的许多领域。对于结构可靠性这一学科，从其诞生到现在已经有了长足的发展：从基于概率论的随机可靠性到基于模糊理论的模糊可靠性以及近年来提出的非概率可靠性，使得这一理论日臻丰富和完善，并深入渗透到各个学科和领域。它的应用完善了传统的设计理论，极大地提升了结构和产品的质量，因此一直受到国内外学者的关注。可靠性理论在其发展过程中主要经历了五个时期：
（1） 萌芽期
可靠性理论早在十九世纪30～40年代已发展起来了。十七世纪初期由伽利略、高斯、泊淞、拉普拉斯等人逐步建立了概率论，奠定了可靠性工程的主要理论基础。十九世纪初布尔尼可夫斯基主编出版了一本概率论教程，同时他的学生马尔可夫建立了随机过程理论和大数定律，成为了维修性的理论基础。1939年瑞典专家威布尔提出了描述材料疲劳强度的威布尔分布。可靠性研究萌芽于飞机失事事件，1939年美国航空委员会出版的《适航性统计学注释》中，提出飞机事故率不应超过105 ／h 。这里讲的事故率只是未能沿用可靠度的定义而已。
（2）摇篮期
50年代的电子管事件揭开了可靠性研究的序幕。50年代电子真空管的故障率增长迅速。使电子技术进步与失效间的矛盾十分突出。例如1941～1945年第二次世界大战期间，美国空军运往远东的机载电子设备在到达时就有60%已经失效，轰炸机的MTBF（无故障时间）不超过20小时。另外，1945年12月美国制成的第一台电子管计算机，整个计算机共有18000只电子管。但是，平均每33分钟就有一只失效。与此同时，1943年德国火箭专家R.Lusser第一次用概率乘法法则定量算出了V-2火箭诱导装置的可靠度R的值为0.75。第二次世界大战结束以后，美国国防部总结战争教训，提出了一个全新的问题——可靠性，并下令军队有关部门在今后的采购中只选择有可靠性指标的军需品。
（3）奠基期
60年代，美国成为可靠性发展最早的国家。1952年美国国防部成立AGREE电子设备可靠性顾问团。同年，可靠性顾问团第一次提出了科学的可靠性定义。AGREE组织于1957年写出了一份较为系统的《电子设备可靠性报告》，较完整地提出了电子产品的可靠性理论基础和方法。这份《电子设备可靠性报告》的发表，是可靠性工程成为一门独立学科的标志。1957年在美国国防部领导下，美国有关部门起草和陆续出版了空军、陆军、海军、航空、航天等一整套较完整的八大可靠性标准系列：MIL、EIA、AIC、ANSI、RTCA、IEEE，其中以MIL-STD最为重要。这些标准为世界各国所引证，为各国的可靠性标准体系奠定了基础。
（4）普及期
70年代，日本成为了可靠性技术发展最快的国家。60年代到70年代期间，美国形成可靠性热，可靠性技术成为了美国登月成功的关键，美国在50年代就提出了开发宇宙的阿波罗计划，当时失败了很多次，致使很多研究方面落后于原苏联，后引进了可靠性技术，并利用可靠性技术率先登月成功。登月成功后，NASA(美国航空航天局）将可靠性工程列为三大技术成就之一。可靠性技术是阿波罗计划成功之关键，这在很大程度上震撼了日本工程界。当时，日本众多媒体声称：“可靠性对国家、军事、社会和产业界均是一个划时代意义的大问题，本国对可靠性问题重要性的认识已为时过晚了”。1956年日本从美国引进可靠性技术，并使其迅速发展。例如日本的小松制作所，70年代此公司濒临倒闭，在日本引入可靠性技术以后全公司开展可靠性活动，经过数年的努力，使推土机MTBF的产量提高了三倍，维修费下降2／3，使出口贸易额由原来的小于20％上升到40—50％，可以说可靠性技术拯救了小松企业。现在日本此公司的汽车、家用电器等成为质量信得过产品，营销全球。美国认为：“对民用产品进行可靠性投资和美国直接效益不相结合，划不来”。而日本则认为可靠性技术将成为今后经济竞争的焦点，成为以后与各国产品竞争的有力武器，使日本民用产品的可靠性成为世界上发展最快的国家，其民用产品的质量和可靠性在全球也是遥遥领先。
（5）成熟期
70年代，实施产品质量法PL（Product Liability）的出台，从法律上规定可靠性成为质量保证QA（Quality Assurance）的重要坏节。1987年美国颁布可靠性和维修性（RM）2000年发展规划。至此，可靠性脱颖而出发展成为一门新兴学科——“可靠性工程学”。
中国可靠性研究始于60年代中期的宇航电子产品的研究，陆续从美国引进了可靠性标准和资料。1981年成立电子元器件数据交换和质量认证中心。1985年10月科工委也颁发“航空技术装置寿命和可靠性工作暂行规定”。1988年全国相继成立了七个全国性可靠性技术学术组织：中国电子产品可靠性与质量管理学会、中国数学可靠性学会、中国现代设计法可靠性学会、机电部可靠性委员会等组织。1985年至1986年期间颁发了多种可靠性国家学会、机电部可靠性国家标准GB。1988年国产电子元器件可靠性已达到了世界的先进水平。1989年原机电部提出了设计、制造、测试、可靠性四项共性技术，其中可靠性就是其中之一。原机电部也指出：“可靠性技术是振兴机械工业目标的主要途径之一。机电产品的形象不好，很大程度上是因为可靠性的好坏，用户反映最强烈的是可靠性问题，质量的首位也是可靠性。”
半个世纪以来，可靠性工程经历了50年代的起步阶段，60年代的发展阶段，70年代的成熟阶段和80年代的更深更广的发展阶段，以及90年代以来进入向综合化、自动化、智能化和实用化发展的阶段，使可靠性工程成为一门提高产品质量的重要的工程技术学科。可靠性工程已从电子产品可靠性发展到机械和非电子产品的可靠性，其研究范围不断扩展，已经从电子、航空、宇航、核能等尖端工业部门扩展到电机与电力系统、机械设备、动力、土木建筑、冶金、化工等部门。
1.2 机械可靠性的研究概况
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。由于工程材料的离散特性以及在测量、加工、制造和安装过程中的误差等因素的影响，使机械产品的系统参数具有固有的不确定性。因此，对这种不确定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。
众所周知，机械产品的安全可靠性是机械设计和机械生产的主要目的之一。可靠性与其他性能一样，都必须在产品研制设计过程中给予充分的考虑。机械产品的可靠性是由制造和管理来保证的。有效地增强产品的质量、降低产品的成本、减轻整机的质量、提高产品可靠性和机械作业的效率是可靠性设计的主要目标。随着工业技术的不断发展，机械产品性能的参数也日益提高，结构也日趋复杂，使用场所更加广泛，产品的性能和可靠性问题也就越来越突出。这种向高效率、复杂化和经济性方向发展的产品的设计和生产又总是对其可靠性提出更高的要求。因此，现代的可靠性技术在机械产品设计中的广泛应用是有着十分重要的意义。
结构、机构等机械可靠性的研究晚于电子可靠性[6]，它始于上世纪六十年代初期，在发展的初期也与美国的航天计划有关，当时由于机械故障而引起的事故很多，损失巨大。例如1963年同步通讯卫星SYNCOMI由于高压容器断裂引起故障，卫星在空中坠毁；1964年人造卫星Ⅲ号也因机械故障而损坏，因此从1965年起，美国宇航局NASA开始进行了包括用过载试验方法进行可靠性验证、随机动载荷下结构和零件的可靠性以及把规定的可靠性指标值直接设计到应力分布和强度分布都随时间变化的机械零件中等内容在内的机械可靠性研究。
结构可靠性理论是一门涉及多学科并与工程应用有着密切关系的学科，对结构设计能否符合安全可靠、耐久适用、经济合理、技术先进、确保质量的要求,起着重要的作用[7]。传统的结构可靠性理论从上世纪60年代起步,到80年代已较为成熟。它运用概率论、数理统计和随机过程等数学方法用来处理工程结构中的随机性问题，以应力—强度分布干涉理论为基础，涉及结构随机可靠度的基本概念、原理和有关的基本算法。在这方面做出贡献的有美国的A.H.SAng和FredMoses[8]、丹麦的Ditlevesen[9]和我国的冯元生[10][11]及赵国藩等。在可靠度的基本算法中，一次二阶矩方法由于物理意义直观和计算简便而得到广泛应用。但有些情况上述方法并不适用。根据不同问题的特点和要求，我国学者提出了广义随机空间的概念，建立了广义随机空间内考虑随机变量相关性的结构可靠度实用分析方法[12]，从而扩大了现有可靠度分析方法的适用范围；针对极限状态方程的高度非线性，提出了基于拉普拉斯逼近原理的渐近可靠性分析方法[13]，提高了计算精度；基于信息论中的最大熵原理，提出了结构可靠度分析的四阶矩方法[14]，该法在考虑极限状态方程非线性影响的同时，也考虑了随机变量高阶矩的影响，同时提出用改进罗森布鲁斯(Rosenblueth)方法[15]解决极限状态方程不易求导的问题；提出了原始随机空间内可靠度分析的一次和二次方法[16]，这一方法无须用随机变量的概率分布函数而只使用概率密度函数，降低了对初始条件的要求，避免了传统的结构可靠度分析方法遇到的困难；应用响应面的概念，提出与结构可靠度几何法相结合的响应面方法[17]，给出新的计算迭代格式。进行了随机结构的静态分析和动态响应分析以及对蒙特卡罗模拟法进行了改进。随机可靠性、模糊可靠性、非概率可靠性均用来处理工程中的不确定现象，它们有着各自的适用条件和应用范围。模糊可靠性理论包含了传统可靠性理论，后者是前者的基础。模糊可靠性理论应用在系统中有不容忽视的模糊现象(信息)时，是对传统可靠性理论的丰富和发展。而非概率可靠性理论为小样本、贫信息情况下进行结构的可靠度分析提供了可能，是对可靠性理论的有益补充。
与结构可靠性相比，机构可靠性的研究要晚些，从上世纪70年代末期才开始研究，到80年代才有了一些基础，至90年代才有了一些成果。机构磨损可以说是机构中最为突出的问题。在飞机构造及一般机械中，机构运动副零件的磨损失效占总失效中相当大的比例，约为30％～80％。电机操纵机构，起落架收放机构，直升机升力螺旋桨中的铰链接头等都有因磨损失效而引起事故的实例。这种情况促使前苏联的学者们对机构磨损可靠性进行研究；飞机起落架不能按要求完成其收放功能的事故、卫星通讯设备的可收放天线不能按要求完成其收放功能的事故、军用及民用各种阀门的控制功能的失效事故等导致了对运动机构运动功能可靠性的研究；美国C5A大型军用运输机前缘襟翼的卡住事故，以及各种阀门的卡滞故障，促使人们对机构防卡可靠性的研究；起落架意外开锁放下事故以及波音747旅客机飞行中舱门自动打开的事故，促使人们对锁系统可靠性的研究。目前，航空机构出现较多的故障也迫切需要解决机构可靠性问题。[18] [19]
机械可靠性的分析计算方法的发展也经历了许多阶段。在结构方面，1951年前苏联的学者提出了应力－强度结构可靠性设计的正态模型，并推导了用正态分布二阶矩表述的可靠性系数的一般形式，这些研究还局限于古典可靠度理论。1969年Cornell提出了用与结构失效概率相关联的可靠性指标作为衡量结构安全性的一种统一数量指标[20]，并建立了结构安全度的二阶矩模式。虽然Cornell解决了非线性程度较小的极限状态方程的失效概率计算问题，但却缺乏对等效极限状态方程求解结果的不变性。1974年，Hasofer和Lind[21]提出FOSM方法，后来Lind又对此方法进行了发展[22][23]，改进的FOSM方法概念明确，方法简单，尽管还存在不少的缺点，但仍在结构可靠性分析计算中得到广泛的应用。1977年Rackwite和Fiessler提出了一种有效的算法[24]，使得任何非正态随机变量都能够在设计点(Design Point)处转化为正态随机变量，从而使计算由非正态随机变量和非线性极限状态方程得到推广。Moses提出的增量载荷法[25][2][27]是最早用以确定结构强度可靠性极限状态方程的方法，这种方法在大型工程结构件上得到了发展和应用。现在，在结构可靠性分析中最具通用性的方法是数值方法，数值方法又分数值积分法和模拟法(或Monte-Carlo模拟)。随着计算机技术及计算数学的发展，人们又提出了各种各样的改进的数值模拟方法[28] [29]，其中以重要抽样法的研究最为广泛。在机构方面，可靠性分析计算方法也比较多。有许多文献[30] [31] [32]对机构防卡可靠性、机构可靠性的破坏模式、机构磨损可靠性等方面作了深入的研究。在机构运动精度方面， Sandler[33]对齿轮机构和凸轮机构等的运动精度和动力精度作了深入的研究；前苏联H.Г.勃鲁也维奇[34]对机构运动误差进行较为全面的分析，提出了分析运动副间隙所引起的机构输出误差的转换机构法；徐卫良等用微小位移合成法对空间机构进行了运动误差的确定性分析进行了研究[35]；刘深厚等用环路增量法对空间机构中的位置误差进行了确定性分析。