機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)方法的研究

涂曉琴

（三川德青工程機(jī)械有限公司，湖北 宜昌 443005）

產(chǎn)品可靠性即是產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)就是在滿足性能、費(fèi)用、時(shí)間等條件下，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品達(dá)到滿意可靠性要求的過程。產(chǎn)品可靠性是設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中賦予產(chǎn)品的固有屬性，因產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)是產(chǎn)品可靠性的首要條件與有力保障。

可靠性設(shè)計(jì)起源于電子產(chǎn)品領(lǐng)域，現(xiàn)已滲透到機(jī)械產(chǎn)品及其他學(xué)科領(lǐng)域，并逐漸滲透到社會科學(xué)領(lǐng)域?，F(xiàn)代化機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)不僅涉及傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，還融合了系統(tǒng)工程、價(jià)值工程、環(huán)境工程和計(jì)算機(jī)技術(shù)等新興工程或技術(shù)的應(yīng)用。

1 機(jī)械產(chǎn)品可靠性的特點(diǎn)

機(jī)械產(chǎn)品可靠性有不同于電子產(chǎn)品可靠性的獨(dú)有特點(diǎn)，我們需要深刻認(rèn)識并認(rèn)真分析這些特點(diǎn)，然后，在機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)中做出科學(xué)決策。

1.1 失效模式的多樣性與復(fù)雜性

機(jī)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(jī)械產(chǎn)品要實(shí)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(yīng)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(gè)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(jī)理分析的復(fù)雜性。

1.2 零部件通用化、標(biāo)準(zhǔn)化程度低

機(jī)械產(chǎn)品的功能零部件多數(shù)是非標(biāo)準(zhǔn)件，只有少數(shù)零部件如軸承、密封件、閥、泵等實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，供設(shè)計(jì)人員選型設(shè)計(jì)。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(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)，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(jī)性，因而難以同電子產(chǎn)品那樣統(tǒng)計(jì)其失效率。

1.3 產(chǎn)品耐久性地位突出

機(jī)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(jī)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(diǎn)，通常用極限狀態(tài)準(zhǔn)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(xué)模型來描述漸變性失效就受到限制。機(jī)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(jī)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(jī)械產(chǎn)品數(shù)量少，價(jià)格昂貴，體積大，實(shí)驗(yàn)室獲取足夠容量的樣本比較困難；實(shí)驗(yàn)室臺架試驗(yàn)只能模擬主要的使用環(huán)境，現(xiàn)場試驗(yàn)有些影響因素又難以控制，獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)置信度較低；同時(shí)，損耗性失效試驗(yàn)周期較長，有時(shí)只能靠實(shí)際使用才能獲得，造成數(shù)據(jù)收集困難。

2 機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則

在機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)中，需遵循以下基本原則。

2.1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)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(yán)峻的挑戰(zhàn)，然而，它有直觀、簡單、易懂，設(shè)計(jì)人員工作量減小等優(yōu)點(diǎn)，且基本能滿足機(jī)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(fù)雜且難精確分析的情況，有豐富經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)的傳統(tǒng)安全系數(shù)法很有價(jià)值。目前，大多采用現(xiàn)代概率設(shè)計(jì)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(jìn)行可靠性概率設(shè)計(jì)。

2.2 定量設(shè)計(jì)與定性設(shè)計(jì)相結(jié)合原則

定量設(shè)計(jì)是根據(jù)應(yīng)力和強(qiáng)度分布，建立極限狀態(tài)函數(shù)關(guān)系，對可靠性進(jìn)行定量的分析和計(jì)算，設(shè)計(jì)出滿足規(guī)定可靠性要求的產(chǎn)品。定向設(shè)計(jì)是在進(jìn)行失效模式影響及危害性分析的基礎(chǔ)上，有針對性地應(yīng)用成功的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出達(dá)到規(guī)定可靠性要求的產(chǎn)品。但不是所有的性能指標(biāo)都能定量表達(dá)定量計(jì)算出來，僅實(shí)施定量設(shè)計(jì)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(dá)的可靠性要求，采用定性設(shè)計(jì)就尤為重要。定性設(shè)計(jì)可檢查設(shè)計(jì)人員是否考慮到潛在的故障模式，避免重復(fù)過去發(fā)生過的故障，以確保機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和可靠性。

2.3 可靠性設(shè)計(jì)與耐久性設(shè)計(jì)相結(jié)合原則

機(jī)械產(chǎn)品的失效包括偶發(fā)性和損耗性兩種，因其失效機(jī)理不同，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)中分別予以考慮?？煽啃栽O(shè)計(jì)主要針對偶發(fā)性失效，決定產(chǎn)品多長時(shí)間失效一次；耐久性設(shè)計(jì)主要針對損耗性失效，決定產(chǎn)品的可靠壽命。一般認(rèn)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(shí)間的函數(shù)。

3 機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的方法

機(jī)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(gè)極限荷載我們一般稱為臨界荷載。當(dāng)外在荷載遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)臨界荷載時(shí)，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(shí)，產(chǎn)品可能失效發(fā)生故障?，F(xiàn)代可靠性設(shè)計(jì)利用相關(guān)軟件完成三維模型設(shè)計(jì)，然后，約束條件施加規(guī)定荷載，進(jìn)行應(yīng)力、強(qiáng)度分析與計(jì)算。但是，材料強(qiáng)度和載荷分布的數(shù)據(jù)缺乏實(shí)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(shí)際因素，其推廣應(yīng)用受到了一定限制，一般只在關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)中使用。機(jī)械產(chǎn)品所承受的荷載不同，所設(shè)計(jì)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(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、損耗以及故障等情況進(jìn)行全面綜合考慮，然后，針對性地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高整機(jī)的可靠性。

3.1 系統(tǒng)故障的預(yù)防設(shè)計(jì)

在運(yùn)行屬性上，大多數(shù)機(jī)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(shí)，系統(tǒng)就喪失規(guī)定的功能而失效。因而為確保機(jī)械產(chǎn)品整機(jī)的可靠性，設(shè)計(jì)者就需要關(guān)注產(chǎn)品設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，從小小零部件就得嚴(yán)格控制設(shè)計(jì)質(zhì)量：優(yōu)先選用符合要求的標(biāo)準(zhǔn)件和通用件，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型；其次，選用得到應(yīng)用或試驗(yàn)驗(yàn)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(jì)經(jīng)驗(yàn)或驗(yàn)證后的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 功能結(jié)構(gòu)的簡化設(shè)計(jì)

機(jī)械產(chǎn)品大多是串聯(lián)系統(tǒng)，越簡單越可靠是機(jī)械產(chǎn)品的基本設(shè)計(jì)原則，也是機(jī)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(yīng)優(yōu)先采用結(jié)構(gòu)簡單的機(jī)械設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者若能簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少零部件數(shù)量，就能提高機(jī)械產(chǎn)品的可靠性。需要指出的是，簡化設(shè)計(jì)不能因?yàn)榱悴考?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(shí)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(jì)

降額設(shè)計(jì)就是讓零部件的實(shí)際承受應(yīng)力低于其額定應(yīng)力的一種設(shè)計(jì)方法，實(shí)施路徑有二，一是降低零部件所承受的荷載應(yīng)力，二是提高零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。實(shí)踐證明，在低于額定應(yīng)力條件下，大多數(shù)機(jī)械產(chǎn)品故障失效率較低，可靠性較高。當(dāng)機(jī)械零部件在某一范圍內(nèi)，其荷載應(yīng)力、荷載狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度呈不確定發(fā)布時(shí)，可通過加大安全系數(shù)來實(shí)現(xiàn)平均強(qiáng)度的提高，以降低平均承受應(yīng)力；通過限制使用條件來實(shí)現(xiàn)應(yīng)力變化的減少，以減少結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化。對于關(guān)鍵零部件，可采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)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(jì)

余度設(shè)計(jì)就是對完成規(guī)定功能的零部件，設(shè)置重復(fù)功能機(jī)構(gòu)的一種設(shè)計(jì)方法，其目的在于當(dāng)局部零部件發(fā)生故障而失效時(shí)，整機(jī)或系統(tǒng)設(shè)備不喪失規(guī)定功能，以確保機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)行穩(wěn)定性。當(dāng)機(jī)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(jì)方法又無法實(shí)現(xiàn)，或者提高可靠性的優(yōu)化費(fèi)用比重復(fù)設(shè)置還高時(shí)，余度設(shè)計(jì)就成為一種較好的設(shè)計(jì)選擇，例如，采用雙泵或雙機(jī)配置的機(jī)械系統(tǒng)。余度設(shè)計(jì)設(shè)有重復(fù)結(jié)構(gòu)，其重量、體積、成本均相應(yīng)增加。需要指出的是，余度設(shè)計(jì)提高了機(jī)械系統(tǒng)整機(jī)的可靠性，但基本可靠性會相應(yīng)降低，制造成本會相應(yīng)增加，因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)慎重選擇。

4 結(jié)語

綜上所述，機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)是將概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、失效物理和機(jī)械學(xué)相互結(jié)合而形成的一種設(shè)計(jì)方法。其主要特點(diǎn)是將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中視為單值而實(shí)際上具有多值性的設(shè)計(jì)變量，如載荷、應(yīng)力、強(qiáng)度、壽命等看成某種分布規(guī)律的隨機(jī)變量，用概率統(tǒng)計(jì)方法設(shè)計(jì)出符合機(jī)械產(chǎn)品可靠性指標(biāo)要求的零部件和整機(jī)的主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，模擬結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型日趨完善，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、有限元分析等新技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用，但不管如何發(fā)展進(jìn)步，現(xiàn)代可靠性設(shè)計(jì)方法絕離不開傳統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)方法，其二者的有效結(jié)合才是設(shè)計(jì)者的最優(yōu)選擇。