關(guān)于研究生課程“機(jī)械可靠性”的教學(xué)研究

周利東，展翼飛，袁 媛，孫曉霞，寧少慧

（太原科技大學(xué) 山西 太原 030024）

在遵循職業(yè)道德和工程倫理的前提下，工程創(chuàng)新能力和適應(yīng)變化能力逐漸成為新工科人才能力培養(yǎng)的重要方面之一[1]。隨著機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能的日益發(fā)展，用戶對(duì)可靠性要求也不斷提高，機(jī)械可靠性已然成為衡量機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，機(jī)械可靠性教學(xué)也成為機(jī)械工程不可忽略的重要組成部分[2]。所以本文針對(duì)機(jī)械可靠性這一學(xué)科，就如何培養(yǎng)研究生的工程創(chuàng)新力進(jìn)行詳細(xì)闡述分析。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

可靠性是現(xiàn)代公認(rèn)的工業(yè)產(chǎn)品四大質(zhì)量指標(biāo)之一，是在概率數(shù)據(jù)理論的支撐下，科學(xué)地分析各種不確定因素對(duì)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量及性能產(chǎn)生的影響，采用“概率”這一指標(biāo)去實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品預(yù)設(shè)功能的可能性[3]。此學(xué)科起源于20 世紀(jì)40年代的二戰(zhàn)期間，最早是由德國(guó)火箭制造的科技人員提出的火箭系統(tǒng)的可靠性等于所有元件可靠度乘積的理論。此理論在20 世紀(jì)50 年代廣泛運(yùn)用于航天領(lǐng)域，并大大降低了事故發(fā)生的頻率。我國(guó)在20 世紀(jì)70 年代為了解決國(guó)家重點(diǎn)工程元器件的可靠性問(wèn)題，相關(guān)部門開(kāi)始了對(duì)可靠性的研究。經(jīng)過(guò)之后二十多年的發(fā)展，機(jī)械可靠性在我國(guó)電子、軍事等領(lǐng)域起到了越來(lái)越重要的作用。目前機(jī)械可靠性理論廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)中，甚至成為工業(yè)企業(yè)招聘科研與設(shè)計(jì)人員的條件之一。

2 培養(yǎng)工程創(chuàng)新能力過(guò)程中的困境

2.1 理論教學(xué)盛行而導(dǎo)致的工程實(shí)踐缺乏

高等工程教育的根本目的是培養(yǎng)具有工程創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的現(xiàn)代化人才，其基本要求在于技術(shù)科學(xué)知識(shí)是其主要的學(xué)科基礎(chǔ)，應(yīng)用技術(shù)是其主要的專業(yè)內(nèi)容，工程應(yīng)用是其主要的服務(wù)對(duì)象[4]，而理論課程教學(xué)的盛行卻抑制了這一發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)階段，受傳統(tǒng)教學(xué)模式的影響，大多數(shù)高校的機(jī)械可靠性課程教學(xué)仍以普通的課堂教學(xué)為主，且反映先進(jìn)性和實(shí)踐性的內(nèi)容較少。機(jī)械可靠性課程涉及的理論公式較多、推理較為復(fù)雜，使得研究生在進(jìn)行前導(dǎo)課程復(fù)習(xí)的時(shí)候無(wú)從下手。很多工科研究生由于課程內(nèi)容枯燥、缺乏實(shí)踐環(huán)節(jié)，而失去了課程學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和興趣[5]。所以當(dāng)今教學(xué)改革的重點(diǎn)就是改善教學(xué)方式、調(diào)動(dòng)研究生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。

3 關(guān)于機(jī)械可靠性培養(yǎng)工程創(chuàng)新人才的具體實(shí)施方法

3.1 以創(chuàng)新為出發(fā)點(diǎn)、可靠性為載體進(jìn)行學(xué)科升華

為應(yīng)對(duì)當(dāng)前課程教學(xué)中工程實(shí)踐缺乏的問(wèn)題，本文給出的解決方案是突破傳統(tǒng)機(jī)械可靠性課堂教學(xué)，與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行有效創(chuàng)新，推出適合課程自身發(fā)展的新教育模式。本文以疲勞可靠性為例，結(jié)合工程案例的圖片，通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境和設(shè)疑探究，使研究生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力能夠得到較為明顯的鍛煉和培養(yǎng)，從而使教學(xué)內(nèi)容得到豐富和發(fā)展。

3.2 鞏固前導(dǎo)課程，培養(yǎng)研究生興趣

針對(duì)研究生前導(dǎo)課程學(xué)習(xí)不扎實(shí)的問(wèn)題，本文給出的解決方法是，在學(xué)習(xí)可靠性課程時(shí)穿插復(fù)習(xí)前導(dǎo)課程的內(nèi)容，新的知識(shí)和舊的內(nèi)容相互融合，進(jìn)而幫助研究生鞏固數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)?？煽啃哉n程主要講授產(chǎn)品所涉及的可靠度、失效率、壽命等問(wèn)題。大量結(jié)果都是需要數(shù)據(jù)來(lái)體現(xiàn)的，在講授可靠性課程中的數(shù)據(jù)分析時(shí)，可以簡(jiǎn)化公式、使用形象圖表和動(dòng)畫(huà)等方法復(fù)習(xí)數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，以利于研究生理解和應(yīng)用數(shù)據(jù)分析方法。培養(yǎng)研究生學(xué)習(xí)可靠性工程的興趣。興趣是最好的老師，是學(xué)習(xí)的動(dòng)力。研究生有了興趣，學(xué)習(xí)就會(huì)由被動(dòng)轉(zhuǎn)為主動(dòng)，取得事半功倍的教學(xué)效果。

3.3 優(yōu)化課程框架，提高學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力

本學(xué)科研究生的培養(yǎng)目標(biāo)是從事重型機(jī)械行業(yè)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員和科研工作者，如何讓研究生具備解決工程問(wèn)題的能力和培養(yǎng)其工程創(chuàng)新力，掌握可靠性理論和提高工程分析精度都是很有必要的。首先，形成可視化、啟發(fā)性的基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)內(nèi)容，包括概率分析、統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)以及編程軟件MATLAB 的學(xué)習(xí)，在理解公式的基礎(chǔ)上運(yùn)用軟件對(duì)可靠性與疲勞問(wèn)題進(jìn)行快速分析；其次，整理科研中典型的具有創(chuàng)新性的工程案例，將其制作成多媒體動(dòng)畫(huà)進(jìn)行教學(xué)演示，結(jié)合本課題的研究?jī)?nèi)容實(shí)現(xiàn)研究生主動(dòng)參與的教學(xué)。最后，在體現(xiàn)重型機(jī)械特色的可靠性和故障分析的講義中，把數(shù)據(jù)分析常用知識(shí)點(diǎn)和實(shí)際案例相結(jié)合，既要有一定的理論深度，又要具有一定的實(shí)用價(jià)值。

4 工程案例教學(xué)

4.1 工程案例一

工程背景：如圖所示的輸送機(jī)，以5#滾筒為例，滾筒中心軸發(fā)生斷裂，致使輸送機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)和工作，如下圖1所示。

圖1 原滾筒軸斷裂軸面

故障機(jī)理分析：軸有各種破壞形式，如疲勞、腐蝕、磨損、撞擊、微動(dòng)和蠕變等，但軸的破壞大多屬于疲勞破壞。根據(jù)輸送系統(tǒng)工況的不斷變化，滾筒軸的工作狀態(tài)也在不斷變化當(dāng)中。因此，在每次工況變化的過(guò)程中，滾筒軸也承受著許多周期性及非周期變化的載荷作用。在交變應(yīng)力的作用下，材料表面發(fā)生循環(huán)滑移，產(chǎn)生裂紋形核。隨后裂紋以裂紋形核為中心，逐漸向四周擴(kuò)展，最終使得裂紋剖面被不斷削弱，當(dāng)剖面殘余部分的抵抗力不足時(shí)突然發(fā)生破壞。疲勞壽命的材料疲勞斷裂斷口與現(xiàn)場(chǎng)原滾筒的事故照片對(duì)比如圖2 所示（p83）。滾筒軸的結(jié)構(gòu)的分析：滾筒軸的材料是40Cr，作為滾筒結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵件，其通過(guò)和周圍的零部件相結(jié)合來(lái)獲得穩(wěn)定的工作環(huán)境及傳遞工作載荷。因此，滾筒軸整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，軸上一般包含有軸肩、鍵槽和環(huán)槽等復(fù)雜的幾何形狀。同時(shí)，這些部位往往使得軸截面形狀更容易發(fā)生突變，產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，進(jìn)而造成某些局部因較大的循環(huán)應(yīng)力發(fā)生疲勞破壞。

圖2 材料疲勞斷裂斷口與現(xiàn)場(chǎng)原滾筒事故實(shí)物對(duì)比

載荷分析在實(shí)際輸送過(guò)程中，滾筒工作狀態(tài)會(huì)隨工況的不同而不同。因此，滾筒軸所承受的載荷大小及類型也會(huì)不斷發(fā)生變化。為完成滾筒軸的應(yīng)力應(yīng)變及疲勞壽命分析，需要分別從正常輸送工況以及逆止器逆止工況這兩種工況進(jìn)行分析。

工況一（正常輸送工況）：

滾筒軸左端徑向方向和軸向方向約束，轉(zhuǎn)動(dòng)自由；右端徑向方向和軸向方向約束，轉(zhuǎn)動(dòng)自由。在滾筒包角表面積上施加一個(gè)輸送機(jī)張力。

工況二（逆止器逆止工況）：

滾筒軸左端徑向方向和軸向方向約束，轉(zhuǎn)動(dòng)約束；右端徑向方向和軸向方向約束，轉(zhuǎn)動(dòng)約束。在滾筒包角表面積上施加一個(gè)輸送機(jī)張力，在軸上施加一個(gè)扭矩。

教學(xué)環(huán)節(jié)呼應(yīng)：通過(guò)具體的工程問(wèn)題，引入裂紋的分類和失效的模式。通過(guò)分析，給出了疲勞斷裂破壞的概念。通過(guò)工程的具體圖片，說(shuō)明裂紋擴(kuò)展的歷程，為下一步的應(yīng)力疲勞、疲勞斷裂、裂紋拓展等教學(xué)章節(jié)奠定基礎(chǔ)。

工程問(wèn)題的解決方案：作為滾筒的重要組成部分，滾筒軸整體結(jié)構(gòu)、裝配情況及外部載荷十分復(fù)雜。因此，如果直接對(duì)滾筒軸建立相關(guān)力學(xué)模型，并運(yùn)用解析法確定其整體應(yīng)力應(yīng)變分布情況會(huì)十分復(fù)雜。故采用有限元分析方法，并利用ANSYS Workbench 軟件對(duì)滾筒軸進(jìn)行有限元計(jì)算，分析得到滾筒軸及其危險(xiǎn)部位的應(yīng)力。

應(yīng)變情況，如圖3 所示。根據(jù)有限元分析結(jié)果，最大應(yīng)力小于滾筒軸許用應(yīng)力585.82MPa，可知材料滿足強(qiáng)度要求，又結(jié)合軸斷口事故照片分析，故初步判定事故原因?yàn)槠跀嗔?。綜上可得：在最大工作條件下，滾筒軸的最大等效應(yīng)力均發(fā)生在軸的截面變化處（如軸肩、鍵槽和環(huán)槽等），會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，疲勞破壞往往在這些地方發(fā)生。

圖3 滾筒軸應(yīng)力云圖

呼應(yīng)教學(xué)過(guò)程：針對(duì)具體的工程問(wèn)題，提出了具體的可靠性分析手段和方法，明確了疲勞可靠性中交變載荷和疲勞斷裂力學(xué)的具體工程背景和故障特點(diǎn)，為后續(xù)疲勞失效判據(jù)的教學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

4.2 工程案例二

工程背景：焊接工藝：成品滾筒直徑1400，長(zhǎng)度1800。筒皮是由Q345 鋼板卷彎焊接而成，輪轂（包括輪轂、輪輻、部分筒皮）材質(zhì)為鑄鋼35，鑄件筒皮厚度40mm 大于鋼板筒皮厚度。鑄件筒皮開(kāi)坡口，但有臺(tái)階，臺(tái)階外徑等于鋼板筒皮內(nèi)徑，同樣鋼板筒皮開(kāi)坡口，達(dá)到“V 型”焊接條件，外部采用埋弧焊，筒皮內(nèi)側(cè)臺(tái)階處采用二氧化碳保護(hù)焊，埋弧焊前筒皮預(yù)加熱。下圖4 為焊接實(shí)例圖片，總共轉(zhuǎn)7―8圈，完成一次焊接，最后一圈焊接電流650A，前面幾圈焊接電流500A。焊接好后直接退火處理（而不是保溫24小時(shí)）。

圖4 焊機(jī)焊接筒皮

采用以前的焊接工藝，但是采用無(wú)損探測(cè)，發(fā)現(xiàn)鑄件有裂紋。裂紋描述：鑄件筒皮近焊縫處，周向斷續(xù)裂紋，長(zhǎng)度約600―700mm，深度5mm。制造廠家認(rèn)為工藝沒(méi)問(wèn)題，可能是鑄造件材質(zhì)有問(wèn)題，故做了6 組材質(zhì)檢驗(yàn)，如表1。

表1 材質(zhì)元素檢測(cè)表（單位：%）

故障機(jī)理分析：經(jīng)過(guò)分析，裂紋的產(chǎn)生與材料的材質(zhì)關(guān)系不大，Mn 含量低反而會(huì)更好一些。一般來(lái)說(shuō)，Mn 元素含量越高，強(qiáng)度就越高，而韌性和塑性越低，也即脆性增強(qiáng)。根據(jù)裂紋的描述：鑄件筒皮近焊縫處，周向斷續(xù)裂紋，長(zhǎng)度約600―700mm，深度5mm。應(yīng)該定性為熱應(yīng)力裂紋，兩次鑄鋼輪轂材料成分的差異，導(dǎo)致原來(lái)的焊接工藝保證不了產(chǎn)生的熱應(yīng)力及時(shí)消除，所以應(yīng)改變焊接工藝。焊接之前應(yīng)預(yù)熱，減小焊點(diǎn)溫差，一般這類工藝焊接點(diǎn)的溫度較高，筒皮旋轉(zhuǎn)離開(kāi)焊槍后，溫度迅速降低，具有很高的溫度差，兩種材質(zhì)的收縮率不同，鑄鋼的收縮率大于Q345，產(chǎn)生的熱應(yīng)力就較大，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。

教學(xué)環(huán)節(jié)呼應(yīng)：疲勞問(wèn)題與材料有很大關(guān)系，裂紋拓展與加工工藝有很大關(guān)系。針對(duì)故障問(wèn)題，提出分析的機(jī)理，進(jìn)行機(jī)理分析，提出解決方案。

工程問(wèn)題的解決方案：①焊接時(shí)，在焊接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)離開(kāi)焊槍以后，在焊縫靠近鑄造件處加熱，保證溫度降低不要太快，達(dá)到階梯降溫的效果。②擴(kuò)大焊縫受熱區(qū)域。③若已產(chǎn)生裂紋，建議切除裂紋部分，然后按照新工藝補(bǔ)充焊接。④若不做處理直接交貨，需退火處理后，每隔一段時(shí)間檢測(cè)裂紋是否繼續(xù)擴(kuò)展，并且在投入使用前，明確受力狀況，采用斷裂力學(xué)計(jì)算現(xiàn)有裂紋是否會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，是否低于應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值，若低于門檻值，裂紋不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展。

呼應(yīng)教學(xué)過(guò)程：針對(duì)具體疲勞裂紋拓展的工程案例，在講解過(guò)程中，讓學(xué)生深刻理解了疲勞的分類、疲勞裂紋的拓展過(guò)程和疲勞可靠性分析的手段。為后續(xù)課程做好鋪墊，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生主動(dòng)尋求解決方案。

4.3 課后反響及總結(jié)

教師對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)的講解，這樣新穎的上課模式讓學(xué)生感到格外有趣和好奇，課堂氣氛很活躍。對(duì)于這些案例，表現(xiàn)出積極的興趣，在教師講解過(guò)程中紛紛舉手提問(wèn)，教師一一解答，在這樣一問(wèn)一答的交流中，學(xué)生對(duì)于上課內(nèi)容的理解更深刻，課后復(fù)習(xí)也更容易，教學(xué)效果明顯，因此在未來(lái)的教學(xué)中也要牢牢把握這一教學(xué)模式。

5 結(jié)論

可靠性是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是未來(lái)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵，應(yīng)用機(jī)械可靠性培養(yǎng)研究生工程創(chuàng)新力是提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的必然要求。本文分析了在培養(yǎng)研究生工程創(chuàng)新力過(guò)程中存在的問(wèn)題，根據(jù)這些問(wèn)題給出相應(yīng)的解決方案，為進(jìn)一步研究機(jī)械可靠性和工程創(chuàng)新力兩者之間的關(guān)系提供了思路和方向，對(duì)機(jī)械可靠性工程的研究發(fā)展具有重要意義。