可靠性問題在機械系統(tǒng)設計中的研究

朱文杰　王左坤

【摘 要】隨著科學技術的發(fā)展，對產品的要求不斷提高，不僅要具有好的性能，更要具有高的可靠性水平。采用可靠性設計彌補了常規(guī)設計的不足，使得設計方案更加貼近生產實際。文章對機械可靠設計進行了概述，對其發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析，同時又介紹了機械可靠性設計的特點和原則。

【關鍵詞】可靠性設計；機械產品；設計原則

機械產品大多是眾多學科交叉的高新技術的載體。能否保證產品在運行過程中的安全可靠是機械產品競爭的焦點，這種競爭主要體現(xiàn)在產品可靠性的競爭，可見“物美、價廉”必須以可靠性工程作為后盾。我國機械產品的可靠性設計水平與國際先進水平相比還有相當大的差距，這已成為制約我國機械工業(yè)迅速發(fā)展的瓶頸，造成企業(yè)開發(fā)的產品質量的先天不足，使“質量第一、質量取勝”的經濟戰(zhàn)略方針在機械產品中難以充分體現(xiàn)。隨著我國加入世界貿易組織，機械產品強制認證制度的推行，企業(yè)應該保證投放市場產品的質量，這種激烈競爭的狀況將使政府部門和企業(yè)清醒地認識到可靠性工程在機械產品研發(fā)過程中的重要性。

1.機械可靠性簡述

1.1定義

可靠性的定義：所謂可靠性是指“產品在規(guī)定時間內，在規(guī)定的使用條件下，完成規(guī)定功能的能力或性質”?？煽啃缘母怕识攘糠Q為可靠度。

1.2發(fā)展

可靠性技術的研究開始于 20 世紀20 年代，在結構工程設計中的應用始于 20 世紀 40 年代?？煽啃约夹g最早應用在二戰(zhàn)末期德國 V- Ⅱ火箭的誘導裝置上。德國火箭研究機構參加人之一 R.Lusser 首先提出了利用概率乘積法則，把一個系統(tǒng)的可靠度看成該系統(tǒng)的子系統(tǒng)可靠度的乘積。自從 1946 年Freuenthal 在國際上發(fā)表“結構的安全度”一文以來，可靠性問題開始引起學術界和工程界的普遍關注與重視。

當前，在確定性有限元基礎上發(fā)展起來的隨機有限元法已成為對隨機參數(shù)結構進行不確定分析的十分有效的數(shù)值方法。張義民等應用隨機有限元法和一階可靠性技術對隨機結構可靠性問題進行了研究，開辟了以一次二階矩法、攝動技術、有限元理論和實用概率統(tǒng)計學為基礎的現(xiàn)代結構可靠性分析與設計理論的新途徑。

2.機械系統(tǒng)可靠性設計的特點

所謂機械系統(tǒng)可靠性設計指的是設計時就使機械產品具備于規(guī)定的時間中，在規(guī)定的使用條件下，完成所規(guī)定性能的能力與性質。

2.1機械系統(tǒng)可靠性設計預計困難

機械產品具有復雜且多變的失效機理和準確、完整的數(shù)據尺寸要求，這導致了機械系統(tǒng)的可靠性較難預計；由于建立機械系統(tǒng)的可靠性模型具有一定的難度，多數(shù)依據機械系統(tǒng)可靠性模型的預計手段也難以運用于機械系統(tǒng)可靠性的預計之中。

2.2機械系統(tǒng)故障模式多樣化與復雜化

機械制造的材料、具體的結構、載荷的性質與大小對機械系統(tǒng)的故障具有極大的影響，故障模式彼此之間還具有一定的關聯(lián)性。

為了實現(xiàn)一致的功能，機械結構常采用不同的形式，以達到改變機械產品中關聯(lián)零部件應力的目標，這就使機械系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障形式多樣化。機械故障可引起機械產品損壞、失調、泄漏、老化、堵塞等狀況。由此可見，機械的零部件可出現(xiàn)多種故障模式，同一種故障也有可能在不同的部位出現(xiàn)，這大大增加了機械系統(tǒng)故障模式分析的難度與復雜度。

2.3機械零部件通用化與標準化程度低

多數(shù)零部件的非標準化導致大部分零部件存在功能與結構上的差別。機械系統(tǒng)設計人員在進行設計時，應當依據其具體的結構、負荷性質及幾何尺寸等要求進行零部件的設計。但機械系統(tǒng)可靠性設計由于缺乏制造材料與載荷分布的準備數(shù)據，無法編制出具有實用性的機械零部件故障準則。

2.4機械零部件的故障具有不確定性，既有偶然性故障 ，又有耗損性故障

機械零部件故障分為偶然性故障與耗損性故障 2 種類型。耗損性故障多與機械的磨損、疲勞以及侵蝕和老化等因素密切相關，是一個漸變的過程。機械的故障率可以用時間的函數(shù)表達出來，機械漸變性的失效一般是以極限狀態(tài)準則加以判斷的。電子元器件則以偶然性故障為主，與耗損性故障有著極大的不同，因此用故障率作為常數(shù)構建數(shù)學建模，對電子元器件進行描述也受到了一定局限。所以為延長機械產品的使用壽命，應當對其進行耐久性設計。

3.機械系統(tǒng)可靠性設計的原則

3.1傳統(tǒng)設計和可靠性設計相結合

機械系統(tǒng)傳統(tǒng)設計具有安全系數(shù)直觀、設計簡單、易于掌握和設計的工作量較少等優(yōu)點，且多數(shù)情況下能夠確保機械系統(tǒng)的可靠性。所以，在對機械系統(tǒng)進行可靠性設計時不可完全摒棄傳統(tǒng)設計方法。目前，機械系統(tǒng)可靠性設計較為實際的操作方式是先以傳統(tǒng)設計方法對機械的零部件材料、結構、尺寸等加以確定，然后依據與之相應的模型對其可靠性進行定量計算，倘若還不能滿足預計的可靠性需求，則可修改機械的結構、尺寸甚至是更換材料，最后再對其進行可靠性的校核，直到能夠滿足需求。

3.2定性設計和定量設計相結合

由于定量設計無法完全解決機械系統(tǒng)可靠性的問題，故對那些難以定量計算的機械零部件要進行可靠性的定性設計，以獲得更加合理與有效的解決方案。所以機械系統(tǒng)可靠性設計工作中，必須將定性設計和定量設計結合起來，先對其進行FMECA（FailureMode Effectand Criticality Analysis）和FTA（Fault Tree Analysis）等分析，找出機械系統(tǒng)當中的關鍵件與重要件，對產品和零部件存在的重要故障模式以及失效機理進行確定，而后根據不一樣的故障模式和失效機理進行定量抑或是定性設計。

3.3可靠性設計與耐久性設計相結合

機械系統(tǒng)應當具備可靠性與耐久性，所以在進行可靠性設計的同時，也應當進行耐久性設計?？煽啃栽O計主要解決的是機械的偶然性故障，而耐久性設計主要解決的是機械的漸變性故障。

4.結語

現(xiàn)在可靠性設計技術越來越受到各行各業(yè)的重視，同樣可靠性設計技術也應該是我國機械工程學科與行業(yè)迅速發(fā)展和十分重要的研究方向之一，這種研究可以幫助工程設計人員合理地建立產品的安全容限和控制隨機參數(shù)對產品安全的影響，使產品的預測工作性能與實際工作性能更加符合，得到既有足夠的安全可靠性，又有適當經濟性的優(yōu)化產品。我國在機械可靠性設計領域所取得的相關研究成果吸取了其他學科可靠性工程的優(yōu)秀研究成果，如：數(shù)學力學，土木建筑等。應用這些研究成果對機械產品進行可靠性設計，可以節(jié)省大量的人力、物力和-財力，可以提高設計水平，縮短設計周期，對合理安排試驗項目，驗證可靠性設計的合理性，指出產品的薄弱環(huán)節(jié)有著重要的作用，可以節(jié)省材料，加強質量，減少能耗，降低成本，有顯著的經濟效益和社會效益。我們團隊應用所提出的廣義隨機有限元法和廣義隨機攝動法等方法，結合現(xiàn)代數(shù)學力學理論，給出了機械產品的可靠性設計、動態(tài)可靠性設計、可靠性優(yōu)化設計、可靠性靈敏度設計和可靠性穩(wěn)健設計方法，并研制出了機械可靠性設計的實用軟件庫，可以為機械行業(yè)提供可靠性分析與設計的技術服務。

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