1、机械设备运行可靠性评估的发展【摘要】针对某台具体的机械设备进行运行可靠性评估是个性问题，基于大样本条件并依赖概率统计数据得到的平均可靠性难以满足个体设备的运行可靠性评估需求。归纳传统可靠性理论应用于机械设备运行可靠性评估时面临的问题，回顾相应的改进方法。阐述以动态建模与故障机理分析、信号处理与故障特征提取为理论基础的机械设备运行可靠性的技术内涵，赋予运行可靠性新的含义，定义运行可靠度。提出基于机械设备状态信息的运行可靠性评估方法，通过建立设备运行状态信息与可靠性之间的映射模型，实现运行可靠度的计算。参考国际标准ISO3945，将评价回转机械运行状态的绝对振动量转换为量纲一的可靠度指标；对轴瓦松
2、动维修前后两种状态下的汽轮发电机组、连续运行退化至失效状态下的滚动轴承分别进行运行可靠性评估，取得了良好效果。引出机械设备运行可靠性评估有待解决的问题，为后续研究提供参考。 【关键词】机械设备，评估，改进 机械设备可靠性包括设计可靠性、制造可靠性、运行可靠性、维修可靠性和管理可靠性等。其中，设计可靠性和制造可靠性保证了产品生产过程中的可靠性水平，属于“先天因素” ；而运行可靠性与设备使用条件、所处环境、使用时间、零件退化失效等因素有关，具有时变性、动态性和特殊性，属于“后天因素” 。同一台设备，在不同的运行条件与环境下，其运行可靠性必然不同。重大机械设备的结构复杂、零部件众多且紧密耦合，增加了
3、发生故障的可能性，零部件故障会降低设备的运行可靠性甚至发生灾难性事故，此类事件不胜枚举。2010 年波兰总统专机失事事件，由于检修时没有更换面临失效的零部件，最终因机械故障导致重大空难。2011 年的日本福岛核电站泄漏事故，由于核电站抗震能力不足和设备老化，致使核电站的冷却系统全部被摧毁，造成巨大的生态和环境灾难。为了保证设备的运行安全可靠，避免重大事故发生，实现由“事后维修”到“预知维修”的转变，必须对机械设备在运行过程中的可靠性进行评估。 一、机械设备可靠性评估存在的问题 （1）传统可靠性评估方法的数学基础概率论与数理统计，决定可靠性评估过程中必须利用足够多的样本数据，大样本失效数据、可重
4、复的大样本寿命试验或加速寿命试验必不可少。然而在工程实际中，针对某台具体机械设备的运行可靠性评估，往往属于小样本问题，且对于如飞机失事等灾难性事故又不具有概率重复性，难以收集大样本统计数据。 （2）传统可靠性评估方法多依赖设备的失效分布，准确求解设备失效分布参数、解析设备的失效概率是传统可靠性评估的主要任务之一。设备失效分布是一种有限假设，即使在大样本情况下，准确的失效分布也难以估计。针对某台机械设备进行运行可靠性评估的小样本特性，进一步加剧了失效分布参数估计的难度。 （3）传统可靠性评估方法基于二值假设或有限状态假设，即假定设备只有正常和失效两种状态或有限个状态。然而在工程实际中，机械设备的
5、状态多是渐进连续退化的，具有很强的不确定性，表现为状态变化的模糊性和随机性。传统可靠性评估的二值假设和有限状态假设难以准确描述机械设备实际失效过程。 （4）机械设备内部结构复杂，各个零部件之间存在着复杂的运动关系和耦合作用，不同零部件的失效分布规律不同，基于概率的可靠性数学模型往往事后统计其失效分布规律，难以获得设备零部件失效前可靠性的变化规律，实现预知维修困难。 （5）对于正在服役的机械设备，关注的焦点是其运行过程中的可靠性。机械设备运行条件和环境多变，传统的可靠性评估缺乏分析设备运行过程中各种变工况、非平稳复杂状态，难以实时在线评估设备的运行可靠性。 二、现有改进方法 针对传统可靠性理论应
6、用于机械设备运行可靠性评估的局限性，国内外学者从以下几个方面进行了改进，取得了可观的研究成果。针对传统可靠性评估方法必须依赖于大量的具有概率重复性的样本的问题，诸多学者采用较少依赖概率分布的方法对传统的可靠性分析方法进行改进。针对传统可靠性的二值假设或有限状态假设不能有效描述机械设备渐进连续性能退化过程的问题，有学者提出监测设备的性能退化数据，通过假设产品失效退化路径或失效分布来评估设备的可靠性，拓展了传统可靠性理论和应用范围。 针对传统的可靠性分析方法难以在线评估设备的实时动态运行特性，有学者提出了实时、动态可靠性评估的概念。 机械设备运行可靠性下降“发于内而形于外” ，作为机械设备运行可靠
7、性下降的外在表现，动态信号能有效反映设备的动态运行内在特性，提供设备可靠性评估的重要信息。越来越多的学者开始将动态信号处理融入设备可靠性评估中。 综上所述，国内外学者针对传统可靠性评估所存在的问题，提出了许多改进方法以尽量减少对概率统计的依赖，如设计性能退化路径，提出动态可靠性分析，融入机械设备运行信息等，取得了可喜的进展。然而，这些方法在工程应用中仍有局限性。一方面，改进的可靠性评估模型大多基于概率论与数理统计基础的框架，不同程度地依赖大样本条件；另一方面，现有针对运行过程中的机械设备可靠性评估方法大多没有深入研究机械设备失效机理，也没有充分利用设备运行过程中的动态信息，难以解释可靠性下降的
8、本质原因并提出机械设备可靠性下降的特征指标。东北大学李常有等将产品失效机理引入产品设计可靠性中，通过仿真和试验建立产品失效概率与诱发失效物理参数之间的关系模型，以此分析产品的设计可靠性，为机械设备运行过程中的可靠性评估提供了有益的借鉴。 针对任何具体的机械设备在运行过程中的可靠性评估问题，在传统可靠性理论的基础上，阐述以动态建模与故障机理分析、信号处理与故障特征提取为理论基础的机械设备运行可靠性的技术内涵。赋予了运行可靠性新的含义：设备在规定的条件下和服役的时间内由其零部件的运行状态所决定的完成规定功能的能力。将运行可靠度定义为设备在规定的条件下和服役的时间内由其零部件的运行状态所决定的完成规定功能的归一化度量指标。提出了基于状态信息的运行可靠性评估方法，并应用于工程实践，验证了方法的有效性，为机械设备运行可靠性评估方法缺乏大样本和概率统计数据这一难题开辟了新途径。
