可靠性設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

周銀曉+++楊建江

摘 要：現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中，可靠性是非常重要的內(nèi)容，可作為機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量以及產(chǎn)品使用壽命的重要指標(biāo)，因此可靠性設(shè)計(jì)受到越來(lái)越多企業(yè)的重視。該文主要通過(guò)分析可靠性設(shè)計(jì)原則，探討可靠性設(shè)計(jì)在當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用，希望為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供一些有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：可靠性 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 機(jī)械設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）03（b）-0115-02

可靠性指的是機(jī)械產(chǎn)品在規(guī)定條件與規(guī)定時(shí)間的基礎(chǔ)下完成規(guī)定功能的能力。機(jī)械產(chǎn)品的可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是機(jī)械產(chǎn)品使用壽命的關(guān)鍵，當(dāng)前已經(jīng)逐漸成為買(mǎi)家購(gòu)買(mǎi)機(jī)械產(chǎn)品的重要參考，因此受到越來(lái)越多企業(yè)的重視。

1 可靠性設(shè)計(jì)原則

1.1 選用經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證并且技術(shù)較成熟的設(shè)計(jì)方案

在新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)上，往往有80%以上的內(nèi)容設(shè)計(jì)采用的是相似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)方法，而其余的20%則是創(chuàng)新與優(yōu)化的部分，這主要是為了滿(mǎn)足產(chǎn)品功能及性能變化的要求。比如設(shè)計(jì)一個(gè)新型的電器產(chǎn)品，如果產(chǎn)品的功能與性能沒(méi)有發(fā)生實(shí)質(zhì)性的變化，而在密封性上進(jìn)行了設(shè)計(jì)，將原先的兩道O環(huán)密封改為一道O環(huán)密封，在產(chǎn)品完成后就發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品檢驗(yàn)存在不合格的情況，而恢復(fù)到兩道O環(huán)后，不合格問(wèn)題解決，可靠性提高。因此如果性能與功能沒(méi)有發(fā)生太大改變，產(chǎn)品并不能成為新產(chǎn)品，在相應(yīng)的設(shè)計(jì)上也不用做太大的更改。

1.2 滿(mǎn)足強(qiáng)度、重量、體積的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

產(chǎn)品在達(dá)到預(yù)定的功能情況下，機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化，完成相同操作所需要的零件應(yīng)該盡可能減少，這一方面是保證后續(xù)控制的可靠性，另一方面降低生產(chǎn)成本。但是零件的減少不應(yīng)將零件置于高應(yīng)力的條件下，否則，機(jī)械產(chǎn)品就不能成為優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.3 耐環(huán)境設(shè)計(jì)

某些機(jī)械產(chǎn)品往往在非常規(guī)環(huán)境中運(yùn)作，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上還應(yīng)增加耐環(huán)境設(shè)計(jì)。潛油電泵就是一種對(duì)環(huán)境比較敏感的產(chǎn)品，相同的機(jī)械設(shè)備在不同的區(qū)域表現(xiàn)出不同的運(yùn)行結(jié)果，比如在印尼和我國(guó)大慶區(qū)域使用，就會(huì)因?yàn)榈刭|(zhì)條件產(chǎn)生巨大的差異。因此在具體設(shè)計(jì)上，應(yīng)根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品的使用環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣才能確保產(chǎn)品可靠性。

2 可靠性設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

可靠性設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要用于機(jī)械產(chǎn)品總體方案的論證及確定。產(chǎn)品總體方案論證與確定的先進(jìn)及可行性很大程度上決定產(chǎn)品的成敗以及產(chǎn)品的可靠性，在論證及確定產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)的階段，要求設(shè)計(jì)人員深入分析顧客需求，確定總體設(shè)計(jì)方案，完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及零部件設(shè)計(jì)與加工工藝，使產(chǎn)品可靠性與市場(chǎng)潛力不斷提升。

在各種機(jī)械產(chǎn)品中，發(fā)動(dòng)機(jī)往往是最為關(guān)鍵的設(shè)計(jì)內(nèi)容，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率如果較高，往往無(wú)法通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的底座對(duì)振動(dòng)進(jìn)行隔離，使一些汽車(chē)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的共振，這必然會(huì)影響駕駛的舒適度，使汽車(chē)故障率明顯提升，并且還增加車(chē)輛的保養(yǎng)費(fèi)用。此外，還有汽車(chē)駕駛桿的共振問(wèn)題，在汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，駕駛桿的固有頻率相當(dāng)于汽車(chē)空擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的二階振動(dòng)，這樣在空擋的情況下駕駛桿會(huì)發(fā)生劇烈振動(dòng)，即便在駕駛桿上裝有減震器，減震效果也不是很明顯，為了解決發(fā)動(dòng)機(jī)以及駕駛桿的振動(dòng)問(wèn)題，考慮從車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)與駕駛桿的系統(tǒng)設(shè)計(jì)上出發(fā)，將設(shè)計(jì)的重點(diǎn)放在如何避免發(fā)動(dòng)機(jī)與駕駛桿發(fā)生劇烈振動(dòng)上，針對(duì)抖動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行有針對(duì)性地處理。在可靠性設(shè)計(jì)上，在不改變?cè)性O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增加減震器的重量能夠降低駕駛桿的振動(dòng)頻率，并且駕駛桿的性能不會(huì)發(fā)生改變，順利解決駕駛桿振動(dòng)問(wèn)題，使駕駛員獲得優(yōu)越的駕駛感受。

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

參數(shù)設(shè)計(jì)常常在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行，設(shè)計(jì)的基本思路是實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件的最佳組合，減少各個(gè)機(jī)械運(yùn)作的相互干擾，使產(chǎn)品質(zhì)量在較小的范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)，具有較高的可靠性。此外，在參數(shù)設(shè)計(jì)階段，還應(yīng)選用性?xún)r(jià)比高以及環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的機(jī)械元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣能夠保證機(jī)械產(chǎn)品在質(zhì)量及價(jià)格上都得到相應(yīng)的優(yōu)化及改善。

對(duì)于材料參數(shù)的設(shè)計(jì)，以鈦合金為例，由于其具有良好抗腐蝕性能、高強(qiáng)度以及重量輕等優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代航空、航天以及造船等行業(yè)都得到了廣泛使用，但是由于鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)小、抗氧化能力低。因此其耐磨損能力較差，因此參數(shù)的優(yōu)化主要是優(yōu)化鈦合金磨削工藝相關(guān)參數(shù)。根據(jù)鈦合金材料生產(chǎn)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，選擇對(duì)表面粗糙度影響較大的因子作為磨削工藝參數(shù)可控因子，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，進(jìn)而能夠獲得更高可靠性。

2.3 容差設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

當(dāng)完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及參數(shù)設(shè)計(jì)后，確定了產(chǎn)品的可控因素，然后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行容差設(shè)計(jì)，此時(shí)各個(gè)零部件的質(zhì)量水平往往較低，參數(shù)的波動(dòng)范圍也較寬。

進(jìn)行容差設(shè)計(jì)時(shí)，需要遵循以下設(shè)計(jì)思路：應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品各個(gè)參數(shù)的具體波動(dòng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量特性影響大小，并從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮是否有必要對(duì)影響較大的參數(shù)給予較小的容差范圍，這樣做的目的是減少產(chǎn)品質(zhì)量特性的波動(dòng)范圍，提升產(chǎn)品的可靠性，減少生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量損失，并且還能夠提高各個(gè)零部件的質(zhì)量水平，使產(chǎn)品的成本收益不斷提升。所以在進(jìn)行容差設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)考慮如何減少參數(shù)設(shè)計(jì)，增加容差成本進(jìn)行設(shè)計(jì)，權(quán)衡利弊，選擇最佳的設(shè)計(jì)決策。

容差計(jì)算主要借助質(zhì)量損失函數(shù)進(jìn)行。質(zhì)量損失函數(shù)通過(guò)計(jì)算產(chǎn)品質(zhì)量損失，根據(jù)“使質(zhì)量損失與成本之和最小”原則，并且在保證產(chǎn)品可靠性的基礎(chǔ)上來(lái)確定合適的容差范圍。

2.4 降額設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，降額設(shè)計(jì)主要是使機(jī)械產(chǎn)品中各個(gè)零部件的應(yīng)力低于額定應(yīng)力，這樣能夠延長(zhǎng)機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命，并且保證機(jī)械產(chǎn)品在日常工作中少出現(xiàn)因應(yīng)力增加造成的機(jī)械損壞的情況。相關(guān)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)案例也證明，如果機(jī)械產(chǎn)品中各個(gè)零部件在運(yùn)行過(guò)程中所承受的應(yīng)力小于額定應(yīng)力，在運(yùn)行過(guò)程中故障率將明顯下降，可靠性也將不斷提升。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，就應(yīng)該重視機(jī)械產(chǎn)品的降額設(shè)計(jì)，并且可以采取提高平均強(qiáng)度、降低平均應(yīng)力以及減少?gòu)?qiáng)度變化等方法來(lái)減少各個(gè)零部件的應(yīng)力，從而提升機(jī)械產(chǎn)品的可靠性，這樣能夠確保機(jī)械產(chǎn)品在惡劣的狀態(tài)下正常運(yùn)作。

2.5 耐環(huán)境設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

耐環(huán)境設(shè)計(jì)關(guān)注的是產(chǎn)品的使用效率與產(chǎn)品整體壽命，比如機(jī)械產(chǎn)品在裝配及運(yùn)輸過(guò)程中往往會(huì)受到巨大的沖擊，并且機(jī)械設(shè)備受不同的溫度、濕度等影響，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)損壞的情況，因此必須慎重并合理進(jìn)行耐環(huán)境設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)上，可以從認(rèn)識(shí)環(huán)境、控制環(huán)境以及適應(yīng)環(huán)境3個(gè)方面進(jìn)行考慮，其中認(rèn)識(shí)環(huán)境主要是了解產(chǎn)品生產(chǎn)、工作、維修、安裝、存儲(chǔ)以及運(yùn)輸環(huán)境；控制環(huán)境則在條件允許范圍下，創(chuàng)造出機(jī)械零部件良好的工作環(huán)境條件，并且還可以通過(guò)認(rèn)識(shí)環(huán)境改造提高產(chǎn)品可靠性；適應(yīng)環(huán)境主要是為機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案、材料選擇、表面處理等措施，從而不斷提高機(jī)械零部件本身耐環(huán)境能力。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性受生產(chǎn)環(huán)境的影響，在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)高度重視產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，保證以及提高產(chǎn)品的可靠性，使機(jī)械產(chǎn)品的使用效率與競(jìng)爭(zhēng)力不斷提升。

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