工程机械可靠性工程技术体系及其关键技术.pdf

第21卷第4期2023年8月Vol.21 No.4Aug.2023中 国 工 程 机 械 学 报CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY工程机械可靠性工程技术体系及其关键技术郭宇，张海军，薛璐，张新元，冯国弟（江苏徐工国重实验室科技有限公司可靠性研究所，江苏 徐州 221004）摘要:阐述了工程机械高质量发展的形势下，整个产业发展中可靠性工程特点和面临的问题，并根据技术体系生成的原则和方法，构建了工程机械可靠性工程技术体系框架，介绍了各种可靠性工程技术方法。同时，面对未来工程机械的需求，提出了当前工程机械可靠性工程的关键技术和后续发展方向，为技术发展提供参考。关键词:工程机械；可靠性工程；技术体系；关键技术中图分类号:TH 17；TH 114 文献标志码:A 文章编号:1672-5581（2023）04-0298-05Technology system and its key technologies of construction machinery reliability engineeringGUO Yu，ZHANG Haijun，XUE Lu，ZHANG Xinyuan，FENG Guodi（Relialoility Technology Institute，Jiangsu XCMG State Key Laboratory Technology Co.，Ltd.，Xuzhou 221004，Jiangsu，China）Abstract：Under the situation of high quality development of construction machinery，the characteristics and problems of reliability engineering of construction machinery are summarized.According to the principles of construction machinery technology system，the framework of reliability engineering technology system of construction machinery is generated，and various reliability engineering technologies are expounded.In order to meet the demand of future construction machinery，the key technologies and subsequent development direction of current reliability engineering of construction machinery are preliminarily proposed，which can provide reference for the technical development.Key words：construction machinery；reliability engineering；technology system；key technology 经过近70年的发展，中国工程机械发展大致经历了起步、初步发展、技术引进、自主研发与合资合作及国际化发展5个主要阶段。现已成为世界上工程机械产品类别、产品品种最齐全的国家之一，在品牌影响力、国际化程度、科技和创新能力、规模与总量、企业管理水平、价值链和综合能力、承担社会责任等方面取得显著成效。但当前中国工程机械产品可靠性与世界先进水平还有一定差距，仅相当于世界中等偏上水平1。如想从工程机械制造大国向制造强国转变，急需在可靠性工程（含可靠性、维修性、安全性、舒适性等方面）上取得突破。只有如此，行业才能降低结构性产能过剩的风险，企业才能从日益严重的同质化竞争中脱颖而出。可靠性工程技术是为了发现、分析和解决可靠性问题而形成的一类工程技术，这些技术有机综合起来就构成了可靠性工程技术体系2-6。为能够系统、全面和有效解决产品技术及其可靠性工程问题，运载火箭技术研究院在航天技术体系2的基础上构建了航天可靠性工程的技术体系3，北京强度环境研究所（可靠性与环境工程技术重点实验室）和装甲兵工程学院分别建立了航天产品环境试验技术体系4和装备维修技术体系及交互式电子技术手册（interactive electronic technical manual，IETM）技术体系5-6。可靠性工程技术体系的研究和生成，无论对工程机械科学技术的全面性、完整作者简介：郭宇（1975），男，研究员，博士。E-mail：inner_第4期郭宇，等：工程机械可靠性工程技术体系及其关键技术性和有效性的认识，还是对工程机械科学技术研究的管理，以及对工程机械科学技术发展规律的掌握都十分有益。本文在总结军品可靠性工程技术体系的基础上，根据工程机械可靠性发展水平、面临问题和发展趋势，研究提出了工程可靠性工程技术体系框架，对各种可靠性技术进行了简要说明，并基于未来一段时期工程装备体系发展需求，提出了后续需要重点研究的工程机械可靠性工程关键技术。1 工程机械可靠性工程特点及问题 1.1工程机械可靠性的特点不同于其他类型的产品，工程机械产品的可靠性具有一些自己的特点：寿命周期剖面不确定。工程机械具有使用地点和场景不确定、作业时间和强度不确定、操作人员不确定等特点，使寿命周期内载荷剖面具有较大的不确定性。配套件质量不稳定。工程机械企业大多是“小核心、大协作”，配套件质量和可靠性往往受制于零部件供应商，由于质量、可靠性体系的要求延伸和传递不够，这些零部件质量和可靠性存在较大的分散性。产品维保条件不保证。工程机械采用现场维修和保障形式，备件使用质量水平、更换方式、检测手段、维修和保养水平都不易保证。可靠性数据来源不完整。工程机械产品的营销和售后方式，决定了企业收集到的可靠性数据有限，不可能获得完全样本的数据，且数据存在失真和污染风险。1.2工程机械可靠性工程存在问题随着客户对产品可靠性要求逐步提高，工程机械行业逐渐重视可靠性工程工作，虽然开展了诸多研究，但效果并不显著，主要问题及原因如下：顶层规划不系统。工程机械可靠性大多以问题为导向开展研究，但“头痛医头，脚痛医脚”，致使问题重复解决，能力始终存在缺失。事后补救未能转变为事前预防，这种“走到哪里算哪里”的工作状况主要原因是可靠性工作顶层规划不到位。技术手段欠成熟。从可靠性技术现状的分析看，现有的技术手段虽然不同程度地解决了一些可靠性问题。面对不断提高的可靠性要求和逐步复杂的可靠性问题，如何在资源和周期有限的条件下，解决可靠性问题存在技术难点。流程管理待完善。可靠性工作的落实需要技术和管理密切配合，目前可靠性工作以处理可靠性问题为主，正向工作项目不明确，工作流程不完善。规范标准未健全。限于上述问题，当前缺乏统一的可靠性工程标准和规范，缺乏足够的数据和模型积累，缺乏零部件可靠性遴选手段，缺乏整机可靠性试验验证手段，可靠性工作难以落地。可靠性投入不充裕。工程机械行业产品升级换代快，产品利润率不稳定。而可靠性工作投入多、见效慢，可靠性方向投入人力、物力和财力难以持续稳定。1.3工程机械发展的趋势及可靠性新要求除了上述可靠性特点，工程机械技术发展中提出新的可靠性要求：产品两级化。随着工程机械市场细分，产品向大型化和微小型化延伸。大型产品量少价高，可靠性验证难；微小型产品量多利少，可靠性设计难。高效低成本可靠性设计，小子样高精度可靠性验证仍然是工程机械可靠性老问题。操控智能化。随着产品智能化程度逐步提高，智能化元器件和软件配置比例不断增加，工程机械系统日益复杂，产品面临控制系统和软件方面的可靠性新问题。结构轻量化。工程机械轻量化主要采用新材料和新结构的使用。这对可靠性数据的积累、可靠性试验方法等方面都提出了新要求。动力非油化。越来越多的工程机械采用非燃油动力系统以满足不断严酷的环保要求，大型动力电池包安全性是非燃油化可靠性工作的难点技术之一。2 工程机械可靠性技术体系框架 2.1生成原则生成一个实用、好用的工程机械可靠性技术体系，应遵循如下原则7-8：系统性原则。工程机械可靠性工程技术自上向下系统梳理形成，应具有良好的系统性、逻辑性和层次性。全面性原则。可靠性工程技术体系应包含工程机械研发活动和产品开发设计中涉及的所有可靠性技术。专业性原则。可靠性工程技术体系不同于其他专业技术体系，要体现可靠性工程的专业性特点，特别是展现工程机械可靠性的特点。先进性原则。可靠性技术体系既要能体现当前可靠性的发展现状，更应能够反映可靠性技术的未来发展方向。2.2生成方法主要采用过程构建法9-11，将可靠性工程技术299第21卷中 国 工 程 机 械 学 报按其生命周期分成若干阶段，根据每一个阶段中使用的技术进行划分。共分为可靠性素养准备（简称“备”）、可靠性基因筛查（简称“生”）、可靠性能力培养（简称“育”）、可靠性水平测度（简称“考”）、可靠性能力保持（简称“用”）、可靠性问题诊断（简称“诊”）和可靠性余热发挥（简称“退”）7个阶段。各个阶段都涉及的可靠性技术，只在最前面阶段体现。2.3技术体系框架根据上述生成原则和方法，工程机械可靠性工程技术体系框架见表1。（1）备：可靠性素养准备。可靠性素养准备是开展可靠性工作而应该具备的基本知识，是可靠性人员需要具备的基础知识和基本素养。可靠性素养准备主要包括数据获取技术、数据处理技术、数据统计技术、谱编制技术和可靠性建模技术。（2）生：可靠性基因筛查。可靠性基因筛查技术是贯彻“预防为主”的可靠性理念，提前获得设计、工艺的可靠性水平，尽量排除材料、零部件的缺陷和故障，为可靠性设计提供数据和参考。可靠性基因筛查技术包括可靠性分配技术、可靠性分析技术和可靠性强化试验技术、环境应力筛选试验技术。（3）育：可靠性能力培养。可靠性能力培养技术是通过可靠性设计和控制等技术手段提升和实现产品固有可靠性的一系列活动。可靠性能力培养技术包含产品“六性”综合设计、功能/性能/可靠性一体化设计技术和质量设计与控制技术。（4）考：可靠性水平测度。可靠性水平测度是指对现有产品及其零部件可靠性进行测试和度量，以分析和确认的可靠性水平的过程。可靠性水平测度技术包括加速试验技术、环境试验技术、安全试验技术和可靠性评价技术。（5）用：可靠性能力维持。可靠性能力维持是指产品交付使用后，维持或提高其可靠性水平的一系列技术活动。可靠性能力维持技术主要包括维修保障技术、安全防护技术和辅助耐环境技术。（6）诊：可靠性问题定位。可靠性问题定位是指发现产品性能下降、故障、失效等问题时，能快速对其原因进行准确定位的方法和手段。可靠性问题定位技术包括在线监测技术、无损检测技术、远程诊断技术等。（7）退：可靠性余热发挥。可靠性余热发挥是为了充分发挥寿命终结产品的剩余价值，而进行的一系列再利用技术工作。可靠性余热发挥相关技术主要包括产品/结构的再评价、再制造技术和材料的绿色回收技术。3 工程机械可靠性技术关键技术 为确定技术发展的优先程度，按照技术成熟度、技术重要度和技术紧迫度对各项可靠性技术进行评价。综合评价后的关键技术见表 2。其中，技术成熟度是技术满足工程机械可靠性应用目标的程度，评价共 9 个等级，评价标准参考GJB 76882012（装备技术成熟度等级划分及定义）12。表1工程机械可靠性工程技术体系框架Tab.1Reliability engineering technology system framework of construction machinery一级技术备：可靠性素养准备生：可靠性基因筛查育：可靠性能力培养考：可靠性水平测度用：可靠性能力保持诊：可靠性问题定位退：可靠性余热发挥二级技术数据获取技术数据预处理技术数据统计和分析技术谱编制技术可靠性建模技术可靠性分配技术可靠性分析技术可靠性强化试验技术环境应力筛选试验技术“六性”综合设计技术功能/性能/可靠性一体化设计技术质量设计与控制技术加速试验技术可靠性评价技术环境试验技术安全试验与评价技术维修保障技术安全防护技术辅助耐环境技术在线监测技术无损检测技术远程诊断技术结构/产品再制造技术材料绿色回收技术300第4期郭宇，等：工程机械可靠性工程技术体系及其关键技术技术重要度是指某项技术对工程机械产品可靠性实现的重要程度13，技术紧迫度是某项技术在工程机械产品可靠性实现中需求的强烈程度14，技术紧迫度和技术重要度的评价都分 10 个等级，见表3。（1）复杂系统可靠性建模技术。合理有效地建立可靠性模型，是进行可靠性设计、寿命评价、维修策略选择和降低全寿命周期成本的基础。随着科技水平的不断提高，现代工程机械是集机械、液压、电气于一体的复杂系统，系统性能/可靠性会随时间不断衰退，特别在工程机械智能化过程中电子系统和软件系统的增加，会使系统可靠性建模更加复杂。同时，这些退化过程存在诸多相关性，当前以可靠性框图（reliability block diagram，RBD）模型为主建立的工程机械可靠性模型，已经不能满足工程实践的需要。因此，复杂系统可靠性建模具有重要的理论和实际意义。（2）性能/可靠性一体化设计技术。产品的性能是设计出来的，产品的可靠性也是设计出来的，只有将性能和可靠性一体化设计才能彻底解决可靠性工作中的“两张皮”问题，从本质上提供产品设计水平。机械产品性能和可靠性指标密切相关，如何将性能和可靠性协同设计一直是机械可靠性工作的难题。特别是工程机械使用环境、工作载荷和制造质量存在很大不确定性，在此条件下开展性能/可靠性一体化设计更具有难度和挑战性。当前机械设计以性能设计为主，只开展可靠性定性设计或只进行校核工作，已经不能满足工程机械产品高质量设计要求。因此，性能/可靠性一体化设计开展具有紧迫性。（3）多应力加速退化试验技术。加速试验是为了尽快或提前获取产品可靠性信息而开展的试验，是产品可靠性预估、寿命评价的最重要手段。如何在失效机理不变的情况下，在提高加速效率的同时也保证合理的试验精度，是当前加速试验技术的重点和难点。工程机械许多失效模式具有关联的特点，识别敏感应力及其组合，开展多应力组合条件下的加速试验是解决该温度的突破口。当前，工作机械以单应力为主的加速寿命试验方法，存在试验效率低下、试验精度不高的缺陷。因此，开展多应力加速退化试验技术势在必行。（4）多源数据可靠性评价技术。可靠性评价就是利用可靠性模型处理和分析掌握的可靠性数据，对产品可靠性实际水平进行度量。如何在小样本情况下对可靠性给出合理、可信的评价一直是可靠性研究中的热点问题。工程机械存在大量不同来源的小样本或模糊可靠性信息，可靠性评价需综合利用多源可靠性信息，是可靠性工程中的难题。当前，工程机械可靠性评价还是以成败性数据的概率统计方法为主，难以满足工程实践的要求。因此，开展多源可靠性数据的融合，是解决工程机械可靠性评价的必由之路。（5）产品在线健康监测技术。监测就是通过传感器测量产品的运行环境、承担载荷，以及工作状态和性能，进而推断产品的状态，是最直接、最可信的一项可靠性技术。作为一项使能技术，监测一直是可靠性领域研究的热点，可为工程机械的安全预警和维修方案制定提供技术支持。但工程机械健康监测面临对象多样、条件苛刻、技术成熟度低等问题。当前，监测技术应用还停留在实验室级的试件状态监测。因此，开展产品健康监测是大型工程机械的发展方向。4 结论 本文首次以过程构建法生成了工程机械可靠性技术体系，其作用如下：（1）规划工程机械可靠性工程发展路径。技术体系可直观展现可靠性工程所涉及的技术，以及技术的需求情况、掌握情况等，以便于对不同类型的技术采取不同的技术开发策略，实现资源向核心技术倾斜。表2工程机械可靠性工程关键技术Tab.2Reliability engineering key technologies of construction machinery技术复杂系统可靠性建模技术性能/可靠性一体化设计技术多应力加速退化试验技术多源数据可靠性评价技术产品在线健康监测技术技术成熟度45455技术重要度78877技术紧迫度78887表3技术重要度和技术紧迫度评分等级标准Tab.3The rating standard of technology importance and urgency degree等级技术重要度技术紧迫度（0，4不重要不迫切（4，6一般一般（6，8重要迫切（8，10关键急需301第21卷中 国 工 程 机 械 学 报（2）指导工程机械可靠性工程专业建设。通过技术体系分析，可明晰技术发展水平，确定可靠性关键、重要技术目录，为技术发展、人才梯队、软硬件条件建设提供参考，以进行重点攻关和资源整合。（3）固化工程机械可靠性工程知识积累。对一些成熟度比较高的可靠性技术，形成相应的标准、规范、模型和软件，并纳入知识管理系统，以实现知识的共享，推动工程机械技术进步。参考文献：1那忠辉.工程机械技术发展趋势探究 J 黑龙江科学，2017，8（6）：152-153.NA Z H.Research on the development trend of construction machinery technologyJ.Heilongjiang Science，2017，8（6）：152-153.2蒋先旺，白志富，魏唯一，等.航天技术体系建设若干问题的探讨 J.航天工业管理，2013（10）：28-30.JIANG X W，BAI Z F，WEI W Y，et al.Discussion on several issues of aerospace technology system construction J.Aerospace Industry Management，2013（10）：28-30.3王国辉，李文钊，刘轻骑，等.航天可靠性工程技术体系及关键技术研究 J.宇航总体技术，2020，4（4）：1-6.WANG G H，LI W Z，LIU Q Q，et al.Research on aerospace reliability engineering technology system and key technologies J.Astronautical Systems Engineering Technology，2020，4（4）：1-6.4向树红，荣克林，黄迅，等.航天产品环境试验技术体系现状分析与发展建议 J.航天器环境工程，2013，30（3）：269-274.XIANG S H，RONG K L，HUANG X，et al.The technical system of environmental tests for spacecraft products J.Spacecraft Environment Engineering，2013，30（3）：269-274.5李长青，马世宁.装备维修技术体系初探 J.中国表面工程，2013，26（5）：111-116.LI C Q，MA S N.Research on the technology system of equipments maintenance J.China Surface Engineering，2013，26（5）：111-116.6朱宁，杜晓明，田书超，等.IETM技术体系构建研究 J.装甲兵工程学院学报，2013，27（5）：66-69.ZHU N，DU X M，TIAN S C，et al.Research on the technology system construction for IETM J.Journal of Academy of Armored Force Engineering，2013，27（5）：66-69.7常雷雷.装备技术体系成熟度与满足度评估方法研究 D.长沙：国防科技大学，2014.CHANG L L.Readiness and satisfaction assessment approaches for technology system of systemsD.Changsha；National University of Defense Technology，2014.8CHANG L L，LI M J，BEN C，et al.Multi-view and network modeling for technology system of systems C/Proc of the 2012 international Conference on System Science and Engineering.2012：297-3019CHANG L L，LU Y J，ZHAO Q S，et al.Technology system of systems；concepts and hierarchical structureC/Proc of the 2012 7th International Conference on System of Systems Engineering.2012，269-27410WU J，SHEN X S.On the complexity of technology system of systemsC/2012 International Conference on System Science and Engineering.2012：282-28711卜广志.武器装备体系的技术成熟度评估方法 J.系统工程理论与实践，2011，31（10）：1994-2000.BU G Z.An approach to technology readiness assessment of armament system of systems J.Systems Engineering：Theory&Practice，2011，31（10）；1994-2000.12丁茹，何剑彬，彭灏.大型武器系统的技术成熟度评估方法 J.装甲兵工程学院学报，2011，25（4）：19-21.DING R，HE J B，PENG H.Technology readiness assessment method for large-scale weapon systemJ.Journal of Academy of Armored Force Engineering，2011，25（4）：19-21.13冉超，李文强，熊宜光.武器装备系统技术重要度的综合评估 J.机械设计与制造，2017（10）：256-259.RAN C，LI W Q，XIONG Y G.The synthetical evaluation of weapon equipment system s technological importance value J.Machinery Design&Manufacture，2017（10）；256-259.14高慧，黄春艳，周鑫，等.基于紧迫度的城中村台区改造优先级评估方法 J.电力科学与技术学报，2019，34（4）；158-165.GAO H，HUANG C Y，ZHOU X，et al.Priority evaluation method of urban village transformer district reconstruction based on urgency degree J.Journal of Electric Power Science and Technology，2019，34（4）：158-165.302