【正文】 1 緒 論 可靠性的概念 可靠性的定義：所謂可靠性是指“產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的使用條件下，完成規(guī)定功能的能力或性質(zhì)”。可靠性的概率度量稱為可靠度。 機(jī)械可靠性的特征量機(jī)械可靠性有很多特征量，在不同的場合，根據(jù)不同的需求，應(yīng)用不同的特征量，在這里，我們使用的是可靠度R【1】。 可靠度是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。一般記為R，由于它是時(shí)間的函數(shù)，故也記為R(t)，稱為可靠度函數(shù)。如果用隨機(jī)變量T表示產(chǎn)品從開始工作到發(fā)生失效或故障的時(shí)間，概率密度為f(t)，則該產(chǎn)品在某已指定時(shí)刻t的可靠度 () 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量的含義也在不斷地?cái)U(kuò)充。以前產(chǎn)品的質(zhì)量主要指產(chǎn)品的性能，即產(chǎn)品出廠時(shí)的質(zhì)量，而現(xiàn)在產(chǎn)品的質(zhì)量已不局限于產(chǎn)品性能這唯一的指標(biāo)。產(chǎn)品質(zhì)量的定義：滿足使用要求所具備的特性，即適用性。產(chǎn)品的質(zhì)量首先是指產(chǎn)品的某種特性，這種特性反映著用戶的需求。概括起來產(chǎn)品質(zhì)量特性包括：性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和安全性四個(gè)方面。其中，可靠性：產(chǎn)品出廠后（t0）所表現(xiàn)出來的一種質(zhì)量特性，是產(chǎn)品性能的延伸和擴(kuò)展。可靠性占主導(dǎo)地位。性能差，產(chǎn)品實(shí)際上是廢品；性能好，也并不能保證產(chǎn)品的可靠性水平高。反之，可靠性水平高的產(chǎn)品在使用中不但能保證其性能的實(shí)現(xiàn)，而且故障發(fā)生的次數(shù)少、維修費(fèi)用及因故障造成的損失也少、安全性也提高。由此可見，產(chǎn)品的可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的核心，是生產(chǎn)廠家和用戶努力追求的目標(biāo)。此外，研究產(chǎn)品可靠性的意義還在于產(chǎn)品責(zé)任法，在美國等技術(shù)發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)品責(zé)任法中規(guī)定：只要是因產(chǎn)品缺陷、故障對用戶造成的損失，制造者要承擔(dān)法律和經(jīng)濟(jì)責(zé)任。據(jù)1975年美國《質(zhì)量進(jìn)展》雜志預(yù)測，由于產(chǎn)品責(zé)任問題，當(dāng)年請求賠償金額達(dá)500億美元。在產(chǎn)品責(zé)任法中還規(guī)定：如果制造者能出示證明進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)和可靠性保證等活動的資料，可以排除責(zé)任。從這點(diǎn)也可看出研究產(chǎn)品可靠性的重要意義 ?？煽啃允菣C(jī)械零件設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要指標(biāo)?？煽啃允窃u價(jià)設(shè)備質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，貫穿在設(shè)備的開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、使用及維修保養(yǎng)等各個(gè)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的可靠性評估方法基于概率及數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，依賴歷史失效壽命數(shù)據(jù)得到一批設(shè)備的整體可靠性，但無法實(shí)現(xiàn)反映當(dāng)前運(yùn)行設(shè)備個(gè)體特性的可靠性評估。傳統(tǒng)的基于樣本壽命統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的可靠性分析方法得到的是設(shè)備的整體可靠性估計(jì)，但對于正在運(yùn)行的單臺或小批量設(shè)備，這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的意義則不大，人們更關(guān)心的是當(dāng)前所用設(shè)備的壽命裕度和可靠性．設(shè)備運(yùn)行過程的狀態(tài)信息能夠?qū)崟r(shí)反映設(shè)備的運(yùn)行性能、精度，準(zhǔn)確判定設(shè)備的時(shí)間、動態(tài)特性，揭示產(chǎn)品失效與性能退化之間的關(guān)系。因此， 基于狀態(tài)信息的可靠性預(yù)測方法研究是我們現(xiàn)在正在努力的方向。本課題通過對滾動軸承的狀態(tài)信息的研究，對其進(jìn)行強(qiáng)度應(yīng)力干涉模型的可靠性分析，建立可靠度評估模型，結(jié)合Bayes方法和KM評估器思想，求出其瞬時(shí)可靠度，建立已知峭度求可靠度的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型，來預(yù)測可靠度。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 機(jī)械可靠性分析的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展 國外機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)發(fā)展及現(xiàn)狀第二次世界大戰(zhàn)期間，美國空軍由于飛行故障而損失的飛機(jī)為21000架，；運(yùn)往遠(yuǎn)東的作戰(zhàn)飛機(jī)上的電子設(shè)備60％在運(yùn)輸中失效，在儲存期間有50％發(fā)生失效；海軍艦艇上的電子設(shè)備70％因“意外” 事故而失效。這些事實(shí)引起美國軍方的高度重視，開始研究這些“意外”事故發(fā)生的規(guī)律，提出了可靠性的概念。上世紀(jì)60年代，對機(jī)械可靠性問題引起了各國廣泛重視并開始對其進(jìn)行了系統(tǒng)研究，其中美國、前蘇聯(lián)、日本、英國等國家對機(jī)械產(chǎn)品可靠性進(jìn)行了深入研究，并在機(jī)械產(chǎn)品可靠性理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面取得了相當(dāng)進(jìn)展。NASA 在六十年代中期便開始了機(jī)械部件的應(yīng)力驗(yàn)證和利用應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型進(jìn)行可靠性概率設(shè)計(jì)的研究。1974年美國和日本成立了結(jié)構(gòu)可靠性分析方法研究組，澳大利亞、瑞典航空研究院的一些學(xué)者也都在專門研究結(jié)構(gòu)可靠性問題。目前在國外，機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)已廣泛用于人造衛(wèi)星、宇宙飛船、飛機(jī)、艦船、土木工程、核電站、壓力容器、汽車、齒輪和軸承等產(chǎn)品中。 美國作為可靠性研究起步較早的國家之一，其在機(jī)械產(chǎn)品可靠性理論研究方面也處于領(lǐng)先的地位。在機(jī)械故障預(yù)防和檢測方面，機(jī)械故障預(yù)防小組(MFPG)對設(shè)計(jì)、診斷、監(jiān)測、故障等進(jìn)行研究，在可靠性數(shù)據(jù)的收集和分析方面取得了很大的進(jìn)步，編制了一些可靠性設(shè)計(jì)手冊和指南、可靠性數(shù)據(jù)手冊。如：NPRD一3非電子零部件可靠性數(shù)據(jù)(1985)；NPs一1機(jī)械可靠性分析技術(shù)手冊(1985)；ADA163900非電產(chǎn)品可靠性手冊等。 日本的可靠性設(shè)計(jì)體系來源于美國，但與美國機(jī)械可靠性研究不完全相同。日本的機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)著重于實(shí)用化，對于機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)，主要依靠其現(xiàn)有技術(shù)，通過可靠性實(shí)驗(yàn)及使用信息反饋，不斷改進(jìn)，達(dá)到可靠性增長?？煽啃岳碚摰膽?yīng)用，主要應(yīng)針對有問題的設(shè)計(jì)部分進(jìn)行分析和改進(jìn)。另外由于大量新技術(shù)、新材料、新工藝的應(yīng)用，缺乏實(shí)用經(jīng)驗(yàn)，需要用可靠性技術(shù)幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行分析和評估。在可靠性工程應(yīng)用方面，比較重視可靠性實(shí)驗(yàn)、故障診斷和壽命預(yù)測技術(shù)的研究與應(yīng)用，以及產(chǎn)品失效分析、現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)的收集和反饋。日本成功的可靠性活動經(jīng)驗(yàn)指出：“日本高可靠性指標(biāo)產(chǎn)品的完成，并不是出自掌握了數(shù)理深奧的純可靠性理論專家，而是出自一些具有豐富設(shè)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、又掌握了可靠性理論的第一線總師之手。” 前蘇聯(lián)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)注意吸收了美軍標(biāo)的先進(jìn)部分及優(yōu)點(diǎn)，盡管前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)沒有美軍標(biāo)可靠性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)那么全面及詳細(xì)，但也有一些內(nèi)容可以補(bǔ)美軍標(biāo)的不足。前蘇聯(lián)對機(jī)械可靠性的研究十分重視，將提高機(jī)械產(chǎn)品可靠性和壽命作為其科技發(fā)展規(guī)劃的重點(diǎn)任務(wù)之一。其可靠性技術(shù)應(yīng)用主要靠國家標(biāo)準(zhǔn)推動，發(fā)布了一系列可靠性國家標(biāo)準(zhǔn)。他們認(rèn)為可靠性技術(shù)的主要內(nèi)容是預(yù)測，即在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)階段，預(yù)測和評估在規(guī)定的條件下的使用可靠性，研究各項(xiàng)指標(biāo)隨時(shí)間變化的過程。他們認(rèn)為可靠性研究方向主要有兩個(gè)：一是可靠數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法和使用信息的統(tǒng)計(jì)處理技術(shù)，以及保證復(fù)雜系統(tǒng)可靠性的技術(shù)；二是適于機(jī)械制造行業(yè)，包括物理故障學(xué)(疲勞、磨損、腐蝕)機(jī)械零件的耐磨、耐熱、耐蝕等設(shè)計(jì)方法，以及保證可靠性的工藝方法的研究。 英國國家可靠性分析中心(NCRS)成立了機(jī)械可靠性研究小組，匯編出版了《機(jī)械系統(tǒng)可靠性》一書，從失效模式、使用環(huán)境、故障性質(zhì)、篩選效果、實(shí)驗(yàn)難度、維修方式和數(shù)據(jù)積累等7 個(gè)方面闡明了機(jī)械可靠性應(yīng)用的重點(diǎn)，提出了幾種機(jī)械系統(tǒng)可靠性的評估方法，并強(qiáng)調(diào)重視數(shù)據(jù)積累。由歐共體委員會支持的歐洲可靠性數(shù)據(jù)庫協(xié)會成立于1979 年，其可靠性數(shù)據(jù)庫交換、協(xié)作網(wǎng)遍布?xì)W洲各國，收集的大量機(jī)械設(shè)備和零部件的可靠性數(shù)據(jù)，為進(jìn)行重大工程規(guī)劃和設(shè)備的研發(fā)、風(fēng)險(xiǎn)評估提供了依據(jù)。 我國機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)發(fā)展及現(xiàn)狀在我國可靠性研究開始于上世紀(jì)60年代，對于機(jī)械產(chǎn)品的可靠性研究則起步更晚，20世紀(jì)80年代才得到較快的發(fā)展，機(jī)械行業(yè)相繼成立了可靠性研究的相關(guān)協(xié)會，各有關(guān)院所和高校也開展了機(jī)械產(chǎn)品的可靠性研究，制定了一批可靠性標(biāo)準(zhǔn)，取得了較大的成果。陳立周等提出了一種基于概率密度函數(shù)矩不等式的契貝雪夫點(diǎn)法。該方法既保證了概率計(jì)算的精度，同時(shí)又克服了一次二階矩法的不精確性和廣義模擬優(yōu)化方法計(jì)算量過大的缺點(diǎn)。王光遠(yuǎn)和譚東耀建立了基于隨機(jī)模糊性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念和方法，并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)之中。趙國藩等建立了廣義隨機(jī)空間內(nèi)考慮隨機(jī)變量相關(guān)性的結(jié)構(gòu)可靠度實(shí)用分析方法，擴(kuò)大了現(xiàn)有可靠度計(jì)算方法的適用范圍。貢金鑫和趙國藩還研究了原始空間內(nèi)的可靠性分析方法，這種方法不需要將非正態(tài)隨機(jī)變量映射或當(dāng)量正態(tài)化為正態(tài)隨機(jī)變量，因而特別適合于當(dāng)隨機(jī)變量的概率分布函數(shù)不存在顯式時(shí)可靠度的計(jì)算。李云貴和趙國藩提出了計(jì)算可靠度的4次高階矩法，提高了可靠度的計(jì)算精度。胡云昌等在分析現(xiàn)有可靠性計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，給出了較全面的評價(jià)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性的標(biāo)準(zhǔn)，從而為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的最優(yōu)可靠性設(shè)計(jì)提供了可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)?？偟膩砜矗谟嘘P(guān)院所和高校中機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)理論研究多，但實(shí)際工程中運(yùn)用少，尤其是在數(shù)據(jù)采集方面與西方發(fā)達(dá)國家相比差距不小，有些成果尚不能完整地、成熟地應(yīng)用在不同的機(jī)械系統(tǒng)中。 可靠性預(yù)測方法及應(yīng)用目前，工程設(shè)計(jì)中機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性評估方法有應(yīng)力 強(qiáng)度干涉模型評估法、一次二階矩法、Monte Carlo 法、Bayes 法進(jìn)行可靠度評估。目前從大的方面考慮可靠性預(yù)測方法有如下： (1) 精確解析求解法 這是指用概率論的公式直接計(jì)算可靠性精確解。 (2) 蒙特卡洛法 蒙特卡洛法的基本思想是：當(dāng)已知極限狀態(tài)方程中各基本隨機(jī)變量的分布時(shí)，利用隨機(jī)抽樣法產(chǎn)生一組相應(yīng)的隨機(jī)樣本，將其代入后可得到一個(gè)y的隨機(jī)樣本，如此反復(fù)進(jìn)行多次后，就得到y(tǒng)的一組隨機(jī)樣本。當(dāng)對Y的隨機(jī)樣本統(tǒng)計(jì)分析后，可得到隨機(jī)數(shù)y大于零的概率，即可靠度R=P(rs0)=P[y(x1,x2......xn)]。蒙特卡洛法屬于可靠性分析中的純概率分析法，回避了求極限狀態(tài)函數(shù)分布的問題，不必對分析問題進(jìn)行概率假設(shè)。其分析精度較高，并可隨著模擬次數(shù)的增加，可靠性精度會不斷提高。但是計(jì)算量大，并且當(dāng)精度提高到一定值以后，欲再提高其精度，計(jì)算量會以極大的梯度增加。 (3) 一次二階矩法 在一次二階矩法相應(yīng)的計(jì)算中，假設(shè)基本隨機(jī)變量和極限狀態(tài)函數(shù)均服從正態(tài)分布；考慮隨機(jī)變量的一階矩(均值)和二階矩(方差)；僅利用極限狀態(tài)函數(shù)式的常數(shù)項(xiàng)和一次項(xiàng)。具體的計(jì)算方法又可分為中心點(diǎn)法、演算點(diǎn)法和JC法3種。 (4) 二次三階矩法 二次三階矩法在計(jì)算工作量增加不太大的情況下，其精度比一次二階矩法明顯提高。原因在于函數(shù)泰勒展開時(shí)考慮了非線性項(xiàng)的影響，并且多采用一個(gè)數(shù)字特征—— 偏度，較多地保留了隨機(jī)變量的分布特征，能夠反映非對稱分布函數(shù)形狀。按推理，可靠性分析法的近似概率法還可有三次四階矩、四次三階矩等高次高階矩的方法，在文獻(xiàn)中也提到了高次高階矩法，但這樣