機(jī)械設(shè)計(jì)各個(gè)階段中可靠性包含的工作

賀 鑫，韓 旺，史世攀

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，湖北 武漢 430074）

機(jī)械設(shè)計(jì)是一個(gè)創(chuàng)造性的工作過(guò)程，這個(gè)過(guò)程主要包含了以下幾個(gè)階段：計(jì)劃階段，方案設(shè)計(jì)階段，技術(shù)設(shè)計(jì)階段，技術(shù)文件編制階段和后期維修保修階段。機(jī)械可靠性是指機(jī)械產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，它是衡量機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)方法是將概率統(tǒng)計(jì)理論、失效物理和機(jī)械學(xué)等結(jié)合起來(lái)的綜合性技術(shù)，它在機(jī)械設(shè)計(jì)的各個(gè)階段都包含了重要的工作。

1 設(shè)計(jì)計(jì)劃階段—產(chǎn)品的可靠性預(yù)測(cè)

在這個(gè)階段設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)任務(wù)，這是設(shè)計(jì)的前期工作。其根據(jù)是用戶訂貨、市場(chǎng)需要和新的科研成果。設(shè)計(jì)部門(mén)應(yīng)用各種技術(shù)和市場(chǎng)情報(bào)，擬列可能方案，比較其利弊，考慮到經(jīng)濟(jì)性、適用性、可靠性等指標(biāo)，制定合理的設(shè)計(jì)任務(wù)目標(biāo)。在這個(gè)階段，可靠性設(shè)計(jì)的工作就是對(duì)所要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行可靠性預(yù)測(cè)。

在這個(gè)階段所要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品只是一個(gè)模糊的概念，因此這個(gè)階段要對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行預(yù)測(cè)。這個(gè)工作主要有兩個(gè)目的，一是指出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，為后面的技術(shù)設(shè)計(jì)階段提供糾正指南；二是指出改進(jìn)的方向，為產(chǎn)品的二次開(kāi)發(fā)起到一定的指導(dǎo)作用。產(chǎn)品的可靠性預(yù)測(cè)要完成可靠性指標(biāo)的確定與分配，即根據(jù)產(chǎn)品功能和用戶需求，制定相應(yīng)的可靠性指標(biāo)數(shù)值（比如可靠度、失效率、壽命等），并依據(jù)一定的原則與方法，按照產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)逐級(jí)分配可靠性指標(biāo)。進(jìn)行可靠性預(yù)測(cè)時(shí)，必須要有可信的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的來(lái)源主要是過(guò)去積累的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

2 方案設(shè)計(jì)階段—產(chǎn)品的可靠性分析

本階段對(duì)設(shè)計(jì)的成敗起關(guān)鍵的作用。方案設(shè)計(jì)階段提出原理性的設(shè)計(jì)方案，確定原理圖或機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。在這個(gè)階段，要正確地處理好借鑒與創(chuàng)新的關(guān)系。這個(gè)階段的主要步驟是首先對(duì)機(jī)器進(jìn)行功能分析，然后設(shè)計(jì)者提出多個(gè)可能的解決方案，有時(shí)還要將這幾種可能的解決方案進(jìn)行分解、組合，最后綜合評(píng)價(jià)確定方案。

在方案設(shè)計(jì)階段是對(duì)機(jī)器的原理和整體上來(lái)進(jìn)行初設(shè)計(jì)的，因此在這個(gè)階段設(shè)計(jì)者必須對(duì)擬解決方案進(jìn)行可靠性的評(píng)價(jià)。此時(shí)的可靠性設(shè)計(jì)和可靠性指標(biāo)評(píng)價(jià)主要針對(duì)的是一個(gè)系統(tǒng)，由原理圖和擬定方案抽象出來(lái)簡(jiǎn)化之后的系統(tǒng)。從可靠性的觀點(diǎn)看，系統(tǒng)越復(fù)雜，系統(tǒng)的可靠度就越低。因?yàn)橄到y(tǒng)越復(fù)雜，組成系統(tǒng)的基本原件就會(huì)越多，系統(tǒng)的可靠性就會(huì)降低。如果要保證系統(tǒng)的可靠性，就必須增加并聯(lián)備用系統(tǒng)，這樣會(huì)增加成本。因此在這個(gè)階段，可靠性設(shè)計(jì)就要應(yīng)用可靠性設(shè)計(jì)方法對(duì)擬定系統(tǒng)進(jìn)行初步的分析，確定系統(tǒng)的總事件，以及各組成部分的關(guān)系（例如串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)）。

3 技術(shù)設(shè)計(jì)階段——產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)

技術(shù)設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)是產(chǎn)生總裝配草圖及部件裝配草圖。通過(guò)草圖設(shè)計(jì)確定出各部件及其零件的外形及基本尺寸，包括各部件之間的連接，零、部件的外形及基本尺寸。最后繪制零件的工作圖、部件裝配圖和總裝圖。這個(gè)階段首先要對(duì)機(jī)器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)之上開(kāi)始設(shè)計(jì)主要零部件，并對(duì)這些主要零部件進(jìn)行工作能力校核；接著設(shè)計(jì)部件裝配草圖和總裝配草圖，對(duì)一些重要零部件進(jìn)行精確校核，最后完成總裝配圖。

在這個(gè)階段，可靠性設(shè)計(jì)的工作量就比較重了。在零部件設(shè)計(jì)時(shí)，通常已知主要零件所受的公稱載荷的大小和特性，依據(jù)強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)穩(wěn)定性、壽命等準(zhǔn)則，通過(guò)計(jì)算或類比，決定零部件的基本尺寸。在可靠性設(shè)計(jì)的范疇，往往通過(guò)建立各種可靠性模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣可以保證零部件的可靠性高，同時(shí)又滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。目前應(yīng)用最為廣泛的是應(yīng)力—強(qiáng)度干涉模型。通過(guò)這模型可以嚴(yán)格控制失效概率，以滿足設(shè)計(jì)要求。在進(jìn)行機(jī)械零部件的可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)在第一步設(shè)計(jì)計(jì)劃階段時(shí)對(duì)每一組成元件分配下來(lái)的可靠性指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣才能給整個(gè)系統(tǒng)滿足最終可靠性要求提供必要的條件。

在裝配總圖的設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)橐呀?jīng)確定了方案和零部件，因此機(jī)器的各組成部分都已經(jīng)明確，此時(shí)可以進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)了。機(jī)械系統(tǒng)的可靠性不僅取決于組成系統(tǒng)元件的可靠性，還取決于組成元件的相互組合方式。在進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，要在方案設(shè)計(jì)階段中系統(tǒng)可靠性分析中確定出來(lái)的系統(tǒng)模型，再根據(jù)本設(shè)計(jì)階段所確定下來(lái)的各組成元件進(jìn)行修正，然后求出系統(tǒng)可靠度。

這時(shí)會(huì)得出兩種結(jié)果：一是設(shè)計(jì)結(jié)果能滿足第一步設(shè)計(jì)計(jì)劃階段時(shí)所確定的可靠性指標(biāo)，二是不能滿足。當(dāng)滿足預(yù)定要求時(shí)，可以直接完成后續(xù)工作，進(jìn)行裝配總圖以及各零件圖的繪制和編制。當(dāng)不能滿足預(yù)定要求時(shí)，通常有兩種辦法解決。一是進(jìn)行系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)。增加多余的零部件或設(shè)備數(shù)，這樣即使一部分發(fā)生故障，也不會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)故障。二是返回上一步的設(shè)計(jì)，重新對(duì)個(gè)別零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高其可靠性，或者重新進(jìn)行系統(tǒng)元件的組合，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

4 技術(shù)文件編制階段——產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)上述幾個(gè)階段的工作，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程已經(jīng)接近尾聲。這時(shí)需要對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)文件進(jìn)行編制。這個(gè)階段有關(guān)可靠性的主要工作是進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，即通過(guò)規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可靠性水平，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在上一階段中，可靠性設(shè)計(jì)主要是通過(guò)以往的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)為依據(jù)，依靠可靠性設(shè)計(jì)理論在理論上得到整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。然而在實(shí)際應(yīng)用上，必須通過(guò)可靠性試驗(yàn)來(lái)得到機(jī)械系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，并以此對(duì)整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)，并將相關(guān)重要的指標(biāo)和數(shù)據(jù)規(guī)律編制到產(chǎn)品的技術(shù)文件中，為使用者對(duì)產(chǎn)品的正確使用和維護(hù)提供一定的依據(jù)。

5 后期維修保養(yǎng)階段——質(zhì)量與可靠性信息管理

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最后一個(gè)階段就是后期維修保養(yǎng)階段。這個(gè)階段看似沒(méi)有上面的幾個(gè)階段重要，但在實(shí)際過(guò)程中，尤其是在一些大型制造企業(yè)當(dāng)中，這一階段的工作都是相當(dāng)繁重的，而成本也是相當(dāng)高的。在這個(gè)階段中，可靠性設(shè)計(jì)的主要工作包含以下幾個(gè)方面：確定技術(shù)保養(yǎng)周期，確定維修周期，確定機(jī)械產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)使用期等。

在使用過(guò)程中，機(jī)械及其零部件的使用狀況將會(huì)逐漸退化，從而導(dǎo)致可靠性下降，工作能力喪失。為了保持機(jī)械良好的技術(shù)性能和較高的可靠性水平，就應(yīng)當(dāng)建立起質(zhì)量與可靠性信息管理系統(tǒng)。這可以對(duì)產(chǎn)品的維修和保養(yǎng)提供非常寶貴的數(shù)據(jù)，也可以為產(chǎn)品的再次開(kāi)發(fā)和新創(chuàng)造提供改進(jìn)和發(fā)展的方向。

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