朱文杰　王左坤

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對產(chǎn)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(shè)計彌補(bǔ)了常規(guī)設(shè)計的不足，使得設(shè)計方案更加貼近生產(chǎn)實際。文章對機(jī)械可靠設(shè)計進(jìn)行了概述，對其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，同時又介紹了機(jī)械可靠性設(shè)計的特點和原則。

【關(guān)鍵詞】可靠性設(shè)計；機(jī)械產(chǎn)品；設(shè)計原則

機(jī)械產(chǎn)品大多是眾多學(xué)科交叉的高新技術(shù)的載體。能否保證產(chǎn)品在運(yùn)行過程中的安全可靠是機(jī)械產(chǎn)品競爭的焦點，這種競爭主要體現(xiàn)在產(chǎn)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(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計水平與國際先進(jìn)水平相比還有相當(dāng)大的差距，這已成為制約我國機(jī)械工業(yè)迅速發(fā)展的瓶頸，造成企業(yè)開發(fā)的產(chǎn)品質(zhì)量的先天不足，使“質(zhì)量第一、質(zhì)量取勝”的經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略方針在機(jī)械產(chǎn)品中難以充分體現(xiàn)。隨著我國加入世界貿(mào)易組織，機(jī)械產(chǎn)品強(qiáng)制認(rèn)證制度的推行，企業(yè)應(yīng)該保證投放市場產(chǎn)品的質(zhì)量，這種激烈競爭的狀況將使政府部門和企業(yè)清醒地認(rèn)識到可靠性工程在機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)過程中的重要性。

1.機(jī)械可靠性簡述

1.1定義

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

1.2發(fā)展

可靠性技術(shù)的研究開始于 20 世紀(jì)20 年代，在結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中的應(yīng)用始于 20 世紀(jì) 40 年代。可靠性技術(shù)最早應(yīng)用在二戰(zhàn)末期德國 V- Ⅱ火箭的誘導(dǎo)裝置上。德國火箭研究機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)的安全度”一文以來，可靠性問題開始引起學(xué)術(shù)界和工程界的普遍關(guān)注與重視。

當(dāng)前，在確定性有限元基礎(chǔ)上發(fā)展起來的隨機(jī)有限元法已成為對隨機(jī)參數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行不確定分析的十分有效的數(shù)值方法。張義民等應(yīng)用隨機(jī)有限元法和一階可靠性技術(shù)對隨機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性問題進(jìn)行了研究，開辟了以一次二階矩法、攝動技術(shù)、有限元理論和實用概率統(tǒng)計學(xué)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)可靠性分析與設(shè)計理論的新途徑。

2.機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計的特點

所謂機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計指的是設(shè)計時就使機(jī)械產(chǎn)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(zhì)。

2.1機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計預(yù)計困難

機(jī)械產(chǎn)品具有復(fù)雜且多變的失效機(jī)理和準(zhǔn)確、完整的數(shù)據(jù)尺寸要求，這導(dǎo)致了機(jī)械系統(tǒng)的可靠性較難預(yù)計；由于建立機(jī)械系統(tǒng)的可靠性模型具有一定的難度，多數(shù)依據(jù)機(jī)械系統(tǒng)可靠性模型的預(yù)計手段也難以運(yùn)用于機(jī)械系統(tǒng)可靠性的預(yù)計之中。

2.2機(jī)械系統(tǒng)故障模式多樣化與復(fù)雜化

機(jī)械制造的材料、具體的結(jié)構(gòu)、載荷的性質(zhì)與大小對機(jī)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(guān)聯(lián)性。

為了實現(xiàn)一致的功能，機(jī)械結(jié)構(gòu)常采用不同的形式，以達(dá)到改變機(jī)械產(chǎn)品中關(guān)聯(lián)零部件應(yīng)力的目標(biāo)，這就使機(jī)械系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障形式多樣化。機(jī)械故障可引起機(jī)械產(chǎn)品損壞、失調(diào)、泄漏、老化、堵塞等狀況。由此可見，機(jī)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(jī)械系統(tǒng)故障模式分析的難度與復(fù)雜度。

2.3機(jī)械零部件通用化與標(biāo)準(zhǔn)化程度低

多數(shù)零部件的非標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)致大部分零部件存在功能與結(jié)構(gòu)上的差別。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計人員在進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)依據(jù)其具體的結(jié)構(gòu)、負(fù)荷性質(zhì)及幾何尺寸等要求進(jìn)行零部件的設(shè)計。但機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計由于缺乏制造材料與載荷分布的準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，無法編制出具有實用性的機(jī)械零部件故障準(zhǔn)則。

2.4機(jī)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(jī)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(jī)械的磨損、疲勞以及侵蝕和老化等因素密切相關(guān)，是一個漸變的過程。機(jī)械的故障率可以用時間的函數(shù)表達(dá)出來，機(jī)械漸變性的失效一般是以極限狀態(tài)準(zhǔn)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(gòu)建數(shù)學(xué)建模，對電子元器件進(jìn)行描述也受到了一定局限。所以為延長機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命，應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行耐久性設(shè)計。

3.機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計的原則

3.1傳統(tǒng)設(shè)計和可靠性設(shè)計相結(jié)合

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

3.2定性設(shè)計和定量設(shè)計相結(jié)合

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

3.3可靠性設(shè)計與耐久性設(shè)計相結(jié)合

機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備可靠性與耐久性，所以在進(jìn)行可靠性設(shè)計的同時，也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行耐久性設(shè)計?？煽啃栽O(shè)計主要解決的是機(jī)械的偶然性故障，而耐久性設(shè)計主要解決的是機(jī)械的漸變性故障。

4.結(jié)語

現(xiàn)在可靠性設(shè)計技術(shù)越來越受到各行各業(yè)的重視，同樣可靠性設(shè)計技術(shù)也應(yīng)該是我國機(jī)械工程學(xué)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(shè)計人員合理地建立產(chǎn)品的安全容限和控制隨機(jī)參數(shù)對產(chǎn)品安全的影響，使產(chǎn)品的預(yù)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(dāng)經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化產(chǎn)品。我國在機(jī)械可靠性設(shè)計領(lǐng)域所取得的相關(guān)研究成果吸取了其他學(xué)科可靠性工程的優(yōu)秀研究成果，如：數(shù)學(xué)力學(xué)，土木建筑等。應(yīng)用這些研究成果對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行可靠性設(shè)計，可以節(jié)省大量的人力、物力和-財力，可以提高設(shè)計水平，縮短設(shè)計周期，對合理安排試驗項目，驗證可靠性設(shè)計的合理性，指出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)有著重要的作用，可以節(jié)省材料，加強(qiáng)質(zhì)量，減少能耗，降低成本，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。我們團(tuán)隊?wèi)?yīng)用所提出的廣義隨機(jī)有限元法和廣義隨機(jī)攝動法等方法，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)學(xué)力學(xué)理論，給出了機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計、動態(tài)可靠性設(shè)計、可靠性優(yōu)化設(shè)計、可靠性靈敏度設(shè)計和可靠性穩(wěn)健設(shè)計方法，并研制出了機(jī)械可靠性設(shè)計的實用軟件庫，可以為機(jī)械行業(yè)提供可靠性分析與設(shè)計的技術(shù)服務(wù)。

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