機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計方法探討

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摘要：在機械產(chǎn)品設(shè)計中，設(shè)計人員的首要工作就是產(chǎn)品可靠性的設(shè)計。為了提高機械產(chǎn)品設(shè)計中的可靠性，設(shè)計者需要從多方面入手，深刻認識并認真分析機械產(chǎn)品特點，遵循一定的可靠性設(shè)計原則，將現(xiàn)代可靠性設(shè)計方法與傳統(tǒng)可靠性設(shè)計方法有效結(jié)合，選擇最適合的可靠性設(shè)計方法，努力提高機械產(chǎn)品的可靠性。

關(guān)鍵詞：機械產(chǎn)品;可靠性設(shè)計;設(shè)計方法;失效模式;失效率

產(chǎn)品可靠性即是產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。產(chǎn)品可靠性設(shè)計就是在滿足性能、費用、時間等條件下，使設(shè)計的產(chǎn)品達到滿意可靠性要求的過程。產(chǎn)品可靠性是設(shè)計人員在設(shè)計過程中賦予產(chǎn)品的固有屬性，因產(chǎn)品的可靠性設(shè)計是產(chǎn)品可靠性的首要條件與有力保障?？煽啃栽O(shè)計起源于電子產(chǎn)品領(lǐng)域，現(xiàn)已滲透到機械產(chǎn)品及其他學科領(lǐng)域，并逐漸滲透到社會科學領(lǐng)域?，F(xiàn)代化機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計不僅涉及傳統(tǒng)的機械設(shè)計技術(shù)的應用，還融合了系統(tǒng)工程、價值工程、環(huán)境工程和計算機技術(shù)等新興工程或技術(shù)的應用。

1機械產(chǎn)品可靠性的特點

機械產(chǎn)品可靠性有不同于電子產(chǎn)品可靠性的獨有特點，我們需要深刻認識并認真分析這些特點，然后，在機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計中做出科學決策。

1.1失效模式的多樣性與復雜性

機械產(chǎn)品的失效模式與其材料、結(jié)構(gòu)、載荷等密切相關(guān)，尤其是模式之間還存在一定的相關(guān)性。機械產(chǎn)品要實現(xiàn)同一功能，采取的結(jié)構(gòu)形式不同，相關(guān)零部件所處的應力狀態(tài)就不同；規(guī)定功能的失效模式可以是疲勞、老化、堵塞、滲漏、松脫等或它們的諸多組合；一個零部件可能有多種失效模式，同一失效模式可能發(fā)生在不同部位。失效模式的多樣性增加了失效機理分析的復雜性。

1.2零部件通用化、標準化程度低

機械產(chǎn)品的功能零部件多數(shù)是非標準件，只有少數(shù)零部件如軸承、密封件、閥、泵等實現(xiàn)標準化、通用化，供設(shè)計人員選型設(shè)計。多數(shù)零部件因功能不同、結(jié)構(gòu)各異，只是將其特征參數(shù)(如齒輪模數(shù)、液壓缸直徑等)標準化設(shè)計。設(shè)計人員在設(shè)計時，要考慮的載荷、幾何尺寸、材料性能等因素具有分散性和隨機性，因而難以同電子產(chǎn)品那樣統(tǒng)計其失效率。

1.3產(chǎn)品耐久性地位突出

機械產(chǎn)品的零部件失效既有偶發(fā)性失效，也有損耗性失效。后者失效機理多數(shù)與磨損、腐蝕、老化等損耗過程相關(guān)，有漸變性特點，通常用極限狀態(tài)準則來判斷漸變性失效。電子產(chǎn)品以偶發(fā)性失效為主，用失效率為常數(shù)的數(shù)學模型來描述漸變性失效就受到限制。機械產(chǎn)品除可靠性參數(shù)外，還要反映耐久性參數(shù)、來回的機械產(chǎn)品及其功能零部件的可靠壽命。

1.4可靠性數(shù)據(jù)收集困難

機械產(chǎn)品數(shù)量少，價格昂貴，體積大，實驗室獲取足夠容量的樣本比較困難；實驗室臺架試驗只能模擬主要的使用環(huán)境，現(xiàn)場試驗有些影響因素又難以控制，獲得的試驗數(shù)據(jù)置信度較低；同時，損耗性失效試驗周期較長，有時只能靠實際使用才能獲得，造成數(shù)據(jù)收集困難。

2機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計應遵循的原則

在機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計中，需遵循以下基本原則。

2.1傳統(tǒng)設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計相結(jié)合原則

雖然傳統(tǒng)的安全系數(shù)法存在不足，受到了嚴峻的挑戰(zhàn)，然而，它有直觀、簡單、易懂，設(shè)計人員工作量減小等優(yōu)點，且基本能滿足機械產(chǎn)品的可靠性要求，尤其是不重要的情況或影響因素復雜且難精確分析的情況，有豐富經(jīng)驗基礎(chǔ)的傳統(tǒng)安全系數(shù)法很有價值。目前，大多采用現(xiàn)代概率設(shè)計的理念優(yōu)化完善傳統(tǒng)的安全系數(shù)法，對一些條件成熟或精度要求高的關(guān)鍵零部件進行可靠性概率設(shè)計。

2.2定量設(shè)計與定性設(shè)計相結(jié)合原則

定量設(shè)計是根據(jù)應力和強度分布，建立極限狀態(tài)函數(shù)關(guān)系，對可靠性進行定量的分析和計算，設(shè)計出滿足規(guī)定可靠性要求的產(chǎn)品。定向設(shè)計是在進行失效模式影響及危害性分析的基礎(chǔ)上，有針對性地應用成功的設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計出達到規(guī)定可靠性要求的產(chǎn)品。但不是所有的性能指標都能定量表達定量計算出來，僅實施定量設(shè)計無法解決全部的可靠性問題。對于一些不宜或無法采用定量表達的可靠性要求，采用定性設(shè)計就尤為重要。定性設(shè)計可檢查設(shè)計人員是否考慮到潛在的故障模式，避免重復過去發(fā)生過的故障，以確保機械產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和可靠性。

2.3可靠性設(shè)計與耐久性設(shè)計相結(jié)合原則

機械產(chǎn)品的失效包括偶發(fā)性和損耗性兩種，因其失效機理不同，應當在設(shè)計中分別予以考慮。可靠性設(shè)計主要針對偶發(fā)性失效，決定產(chǎn)品多長時間失效一次；耐久性設(shè)計主要針對損耗性失效，決定產(chǎn)品的可靠壽命。一般認為，偶發(fā)性失效服從指數(shù)分布，失效率為常數(shù)；而損耗性失效多服從威布爾分布，失效率為時間的函數(shù)。

3機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計的方法

機械產(chǎn)品處于正常還是失效狀態(tài)，與所承受荷載密切相關(guān)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)一旦確定，結(jié)構(gòu)所承受的極限荷載就確定了，這個極限荷載我們一般稱為臨界荷載。當外在荷載遠小于結(jié)構(gòu)臨界荷載時，產(chǎn)品可以正常工作；外在荷載大于于結(jié)構(gòu)臨界荷載時，產(chǎn)品可能失效發(fā)生故障?，F(xiàn)代可靠性設(shè)計利用相關(guān)軟件完成三維模型設(shè)計，然后，約束條件施加規(guī)定荷載，進行應力、強度分析與計算。但是，材料強度和載荷分布的數(shù)據(jù)缺乏實際依據(jù)，再加上模型受力分析所考慮的影響因素往往少于使用中的實際因素，其推廣應用受到了一定限制，一般只在關(guān)鍵零部件的設(shè)計中使用。機械產(chǎn)品所承受的荷載不同，所設(shè)計的功能結(jié)構(gòu)也就不同，且其可靠性又有系統(tǒng)可靠性和零部件可靠性之分，這就需要對機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、損耗以及故障等情況進行全面綜合考慮，然后，針對性地進行產(chǎn)品設(shè)計，提高整機的可靠性。

3.1系統(tǒng)故障的預防設(shè)計

在運行屬性上，大多數(shù)機械產(chǎn)品都屬于串聯(lián)系統(tǒng)，其中任一單元發(fā)生故障而失效時，系統(tǒng)就喪失規(guī)定的功能而失效。因而為確保機械產(chǎn)品整機的可靠性，設(shè)計者就需要關(guān)注產(chǎn)品設(shè)計細節(jié)，從小小零部件就得嚴格控制設(shè)計質(zhì)量：優(yōu)先選用符合要求的標準件和通用件，嚴格按設(shè)計標準進行設(shè)計選型；其次，選用得到應用或試驗驗證的零部件，充分利用已有的故障分析成果，對成熟的設(shè)計經(jīng)驗或驗證后的設(shè)計方案進行優(yōu)化設(shè)計。

3.2功能結(jié)構(gòu)的簡化設(shè)計

機械產(chǎn)品大多是串聯(lián)系統(tǒng)，越簡單越可靠是機械產(chǎn)品的基本設(shè)計原則，也是機械產(chǎn)品提高可靠性降低失效率最行之有效的方法。因此，在滿足規(guī)定功能的前提下，應優(yōu)先采用結(jié)構(gòu)簡單的機械設(shè)計。設(shè)計者若能簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少零部件數(shù)量，就能提高機械產(chǎn)品的可靠性。需要指出的是，簡化設(shè)計不能因為零部件數(shù)量的減少，而使其他零部件執(zhí)行超常功能或在超常荷載條件下工作，否則，將實現(xiàn)不了提高可靠性的簡化目的。

3.3零部件的降額設(shè)計

降額設(shè)計就是讓零部件的實際承受應力低于其額定應力的一種設(shè)計方法，實施路徑有二，一是降低零部件所承受的荷載應力，二是提高零部件的結(jié)構(gòu)強度。實踐證明，在低于額定應力條件下，大多數(shù)機械產(chǎn)品故障失效率較低，可靠性較高。當機械零部件在某一范圍內(nèi)，其荷載應力、荷載狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強度呈不確定時，可通過加大安全系數(shù)來實現(xiàn)平均強度的提高，以降低平均承受應力；通過限制使用條件來實現(xiàn)應力變化的減少，以減少結(jié)構(gòu)強度變化。對于關(guān)鍵零部件，可采用極限狀態(tài)設(shè)計法，以確保零部件在最惡劣的極限狀態(tài)下也不發(fā)生故障。

3.4零部件的余度設(shè)計

余度設(shè)計就是對完成規(guī)定功能的零部件，設(shè)置重復功能機構(gòu)的一種設(shè)計方法，其目的在于當局部零部件發(fā)生故障而失效時，整機或系統(tǒng)設(shè)備不喪失規(guī)定功能，以確保機械產(chǎn)品的運行穩(wěn)定性。當機械產(chǎn)品局部零部件可靠性要求很高，通過傳統(tǒng)的設(shè)計方法又無法實現(xiàn)，或者提高可靠性的優(yōu)化費用比重復設(shè)置還高時，余度設(shè)計就成為一種較好的設(shè)計選擇，例如，采用雙泵或雙機配置的機械系統(tǒng)。余度設(shè)計設(shè)有重復結(jié)構(gòu)，其重量、體積、成本均相應增加。需要指出的是，余度設(shè)計提高了機械系統(tǒng)整機的可靠性，但基本可靠性會相應降低，制造成本會相應增加，因此，設(shè)計時應慎重選擇。

4結(jié)語

綜上所述，機械可靠性設(shè)計是將概率論、數(shù)理統(tǒng)計、失效物理和機械學相互結(jié)合而形成的一種設(shè)計方法。其主要特點是將傳統(tǒng)設(shè)計方法中視為單值而實際上具有多值性的設(shè)計變量，如載荷、應力、強度、壽命等看成某種分布規(guī)律的隨機變量，用概率統(tǒng)計方法設(shè)計出符合機械產(chǎn)品可靠性指標要求的零部件和整機的主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，模擬結(jié)構(gòu)力學分析模型日趨完善，計算機輔助設(shè)計、有限元分析等新技術(shù)將得到廣泛應用，但不管如何發(fā)展進步，現(xiàn)代可靠性設(shè)計方法絕離不開傳統(tǒng)的可靠性設(shè)計方法，其二者的有效結(jié)合才是設(shè)計者的最優(yōu)選擇。

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作者：涂曉琴 單位：三川德青工程機械有限公司