機械產品可靠性設計方法探討

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

關鍵詞：機械產品;可靠性設計;設計方法;失效模式;失效率

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

1機械產品可靠性的特點

機械產品可靠性有不同于電子產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，在機械產品可靠性設計中做出科學決策。

1.1失效模式的多樣性與復雜性

機械產品的失效模式與其材料、結構、載荷等密切相關，尤其是模式之間還存在一定的相關性。機械產品要實現(xiàn)同一功能，采取的結構形式不同，相關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，供設計人員選型設計。多數(shù)零部件因功能不同、結構各異，只是將其特征參數(shù)(如齒輪模數(shù)、液壓缸直徑等)標準化設計。設計人員在設計時，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，因而難以同電子產品那樣統(tǒng)計其失效率。

1.3產品耐久性地位突出

機械產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，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機械產品可靠性設計應遵循的原則

在機械產品可靠性設計中，需遵循以下基本原則。

2.1傳統(tǒng)設計與現(xiàn)代設計相結合原則

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，設計人員工作量減小等優(yōu)點，且基本能滿足機械產品的可靠性要求，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，有豐富經驗基礎的傳統(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鍵零部件進行可靠性概率設計。

2.2定量設計與定性設計相結合原則

定量設計是根據(jù)應力和強度分布，建立極限狀態(tài)函數(shù)關系，對可靠性進行定量的分析和計算，設計出滿足規(guī)定可靠性要求的產品。定向設計是在進行失效模式影響及危害性分析的基礎上，有針對性地應用成功的設計經驗，設計出達到規(guī)定可靠性要求的產品。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，采用定性設計就尤為重要。定性設計可檢查設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，以確保機械產品的設計質量和可靠性。

2.3可靠性設計與耐久性設計相結合原則

機械產品的失效包括偶發(fā)性和損耗性兩種，因其失效機理不同，應當在設計中分別予以考慮。可靠性設計主要針對偶發(fā)性失效，決定產品多長時間失效一次；耐久性設計主要針對損耗性失效，決定產品的可靠壽命。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機械產品可靠性設計的方法

機械產品處于正常還是失效狀態(tài)，與所承受荷載密切相關，產品結構一旦確定，結構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構臨界荷載時，產品可以正常工作；外在荷載大于于結構臨界荷載時，產品可能失效發(fā)生故障。現(xiàn)代可靠性設計利用相關軟件完成三維模型設計，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，一般只在關鍵零部件的設計中使用。機械產品所承受的荷載不同，所設計的功能結構也就不同，且其可靠性又有系統(tǒng)可靠性和零部件可靠性之分，這就需要對機械產品的結構、損耗以及故障等情況進行全面綜合考慮，然后，針對性地進行產品設計，提高整機的可靠性。

3.1系統(tǒng)故障的預防設計

在運行屬性上，大多數(shù)機械產品都屬于串聯(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。因而為確保機械產品整機的可靠性，設計者就需要關注產品設計細節(jié)，從小小零部件就得嚴格控制設計質量：優(yōu)先選用符合要求的標準件和通用件，嚴格按設計標準進行設計選型；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，對成熟的設計經驗或驗證后的設計方案進行優(yōu)化設計。

3.2功能結構的簡化設計

機械產品大多是串聯(lián)系統(tǒng)，越簡單越可靠是機械產品的基本設計原則，也是機械產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)先采用結構簡單的機械設計。設計者若能簡化結構設計，減少零部件數(shù)量，就能提高機械產品的可靠性。需要指出的是，簡化設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計

降額設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構強度。實踐證明，在低于額定應力條件下，大多數(shù)機械產品故障失效率較低，可靠性較高。當機械零部件在某一范圍內，其荷載應力、荷載狀態(tài)下的結構強度呈不確定時，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，以減少結構強度變化。對于關鍵零部件，可采用極限狀態(tài)設計法，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計

余度設計就是對完成規(guī)定功能的零部件，設置重復功能機構的一種設計方法，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)設備不喪失規(guī)定功能，以確保機械產品的運行穩(wěn)定性。當機械產品局部零部件可靠性要求很高，通過傳統(tǒng)的設計方法又無法實現(xiàn)，或者提高可靠性的優(yōu)化費用比重復設置還高時，余度設計就成為一種較好的設計選擇，例如，采用雙泵或雙機配置的機械系統(tǒng)。余度設計設有重復結構，其重量、體積、成本均相應增加。需要指出的是，余度設計提高了機械系統(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，設計時應慎重選擇。

4結語

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

參考文獻：

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作者：涂曉琴 單位：三川德青工程機械有限公司