劉婭菲，黃小梅，劉振偉

（中國航發(fā)貴州紅林航空動力控制科技有限公司，貴州貴陽 550009）

0 引言

工程機械非標(biāo)產(chǎn)品的可靠性設(shè)計十分重要。在實際設(shè)計與試驗過程中，需要根據(jù)產(chǎn)品類型，結(jié)合工作經(jīng)驗，采取合理可行的設(shè)計及試驗方法。

1 可靠性設(shè)計

1.1 剛度理論設(shè)計

一般情況下，機械系統(tǒng)設(shè)計計算都采用以下思路：首先，借助三維CAD 構(gòu)建系統(tǒng)模型；其次，借助CAE 實施運動干涉檢查；再次，利用有限元軟件計算強度或應(yīng)力；最后，以計算結(jié)果為依據(jù)，對設(shè)計進行適當(dāng)修改，直到滿足要求。

當(dāng)機械系統(tǒng)對精度有較高要求時，只靠對強度或應(yīng)力進行計算還是遠遠不夠，還需要做好彈性變形分析。對于剛度理論，即根據(jù)最大應(yīng)變或撓度，保證變形量處于精度要求范圍，由此對系統(tǒng)進行可靠性設(shè)計。系統(tǒng)誤差是測量系統(tǒng)自身誤差，需要從總體角度充分考慮來找到誤差源，針對精度開展可靠性設(shè)計，機械部位變形對系統(tǒng)精度有直接影響[1]。

以搖擺臺為例，它是主要的軍工項目，也是將不同技術(shù)集于一體的具有極高精度的系統(tǒng)。除了可以在承載情況下發(fā)生與海上搖擺相似的運動，還能提供出搖擺的姿態(tài)角度，為相關(guān)試驗提供可靠參數(shù)依據(jù)。整個系統(tǒng)主要由機械臺體、液壓分系統(tǒng)、電控分系統(tǒng)、測量分系統(tǒng)和通信分系統(tǒng)等5 個部分構(gòu)成。

試驗臺有兩個自由度：①縱搖，指艦船首尾仰俯；②橫搖，指艦船在中軸線上左右滾動。對于搖擺角的幅值，橫、縱搖分別為±15°與±7°，承載能力為靜載10 t 和動載6 t。對搖擺姿態(tài)角進行動態(tài)測量時，RMS（角度綜合誤差）精度可以達到0.0067°以內(nèi)[2]。

臺體發(fā)生的搖擺，即按譜線對傳播在海中狀態(tài)進行的模擬，主要依靠電液伺服系統(tǒng)實現(xiàn)。對于測量系統(tǒng)，要對基準(zhǔn)面對應(yīng)的瞬時姿態(tài)角進行精確測量，將其作為對被試件進行精度標(biāo)定的重要基準(zhǔn)。姿態(tài)角測量的傳感器安裝于臺體止推端，在這種情況下，如果臺體發(fā)生變形，將對系統(tǒng)精度造成直接影響。臺體所承受的載荷為16 t，負(fù)載時將出現(xiàn)彈性變形；臺體面積很大，夏季氣溫較高時，由于受熱面與背陰面之間的溫差增大，將產(chǎn)生熱變形。以上都會使基準(zhǔn)面姿態(tài)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致測量出現(xiàn)隨機誤差。對此，前者要采用有限元軟件做好應(yīng)變分析，后者則要采用有限元軟件做好溫度場的分析，并以分析計算為基礎(chǔ)，選擇適宜的結(jié)構(gòu)尺寸及材料，保證應(yīng)力場的溫度場等都處在允許范圍之內(nèi)[3]。

完成對總體設(shè)計精度進行的分配計算后，為有效保證精度，臺體因變形產(chǎn)生的測量誤差需控制在20″以內(nèi)；系統(tǒng)測量端產(chǎn)生的軸向竄動需控制在0.05 mm 以內(nèi)，徑向跳動應(yīng)控制在0.01 mm 以內(nèi)?；诖?，臺體應(yīng)進行剛度理論設(shè)計，除了要求強度合格，還要求彈性變形處于允許范圍內(nèi)，否則，輕則導(dǎo)致傳感元件檢測結(jié)果不準(zhǔn)確、不可靠，重則導(dǎo)致傳感元件損壞。

利用CAD/CAE 軟件計算臺體不同受力情況下的應(yīng)力應(yīng)變。根據(jù)分析計算結(jié)果，臺體應(yīng)為封閉型結(jié)構(gòu)，并在應(yīng)力相對較大的部位焊接立向筋板，用于防止產(chǎn)生很大的彎曲變形。在應(yīng)力最為集中的部位，需使用鑄鋼工藝實現(xiàn)一次性成型，在它的受光與背光面之間均勻布置通風(fēng)孔，以此避免溫差變形。臺體完成整體焊接之后，還應(yīng)做好各項處理，如探傷處理、熱處理和對局部振動進行時效處理等，以此消除所有殘余應(yīng)力，保證系統(tǒng)精度。

完成剛度設(shè)計以后，系統(tǒng)內(nèi)臺體的極限應(yīng)力產(chǎn)生于臺體和橫搖液壓缸相連的位置；系統(tǒng)外臺體的極限應(yīng)力產(chǎn)生于臺體和縱搖液壓缸相連的位置，數(shù)值比材料自身屈服極限小。可見，完成剛度理論設(shè)計后的臺體，其強度安全系數(shù)合格[4]。

1.2 抗沖擊與振動保護

設(shè)備正常使用時難免受到外力激振與沖擊，某些產(chǎn)品還會受到交變荷載。如果交變荷載頻率接近產(chǎn)品固有振動頻率，則會使設(shè)備發(fā)生明顯共振，導(dǎo)致設(shè)備或構(gòu)件被破壞。借助CAE 技術(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計過程中做好剛體動力學(xué)及振動模態(tài)分析，確定它的固有頻率。然后根據(jù)產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)避共振，這是有效的設(shè)計方法。

根據(jù)力學(xué)理論，當(dāng)機械結(jié)構(gòu)自身剛度變大時，它的固有頻率將明顯升高，而機械結(jié)構(gòu)質(zhì)量變大時，它的固有頻率將明顯降低?；诖?，可通過對結(jié)構(gòu)形式的適當(dāng)改變，調(diào)整剛度與固有頻率，以實現(xiàn)對共振的有效控制。設(shè)計臺體結(jié)構(gòu)時，實際上就是通過筋板的焊接對系統(tǒng)固有頻率進行調(diào)整[5]。

仍以搖擺臺為例進行分析，該設(shè)備可看成有兩個自由度的振動系統(tǒng)。系統(tǒng)工作過程中，要承受6 t 的動荷載。為防止系統(tǒng)受到外擾力作用出現(xiàn)共振，應(yīng)掌握它的動態(tài)特性，盡可能規(guī)避共振區(qū)。通過對系統(tǒng)實施剛體動力學(xué)分析與有限元模態(tài)研究，它的固有頻率與振型如下：第一階主頻率在7.7 Hz 左右，第二階主頻率在12.7 Hz 左右。由于臺體自身姿態(tài)有所不同，因此主頻率會產(chǎn)生明顯變化。以上主頻都能遠離外擾頻率，進而有效避免共振。

2 測量系統(tǒng)與電子裝置的可靠性設(shè)計及適應(yīng)性試驗

2.1 簡單化設(shè)計

按照一般邏輯，復(fù)雜度越高的系統(tǒng)，其可靠性往往越低，進行簡單化設(shè)計能有效提高系統(tǒng)可靠性。以電子監(jiān)控器為例，其硬件系統(tǒng)充分引入了嵌入式技術(shù)，它是以具體性能要求為依據(jù)設(shè)計制作的小系統(tǒng)。監(jiān)控器電路只包含1 個處理器芯片與7 個標(biāo)準(zhǔn)化接口，無數(shù)據(jù)存儲器與外加程序，所有功能均由處理器芯片實現(xiàn)。通過長期應(yīng)用考核以及上述簡化設(shè)計，可以最大限度保證系統(tǒng)的可靠性。

2.2 降額設(shè)計

它是使系統(tǒng)的所有組件都在比額定載荷低的情況下工作。實踐過程中，最常用且有效的方法為使用高強度組件，即合理使用大馬拉小車方法。例如，對電容器而言，其降額方法是將所加電壓控制在比額定值小的條件下，而芯片降額則是將功率耗散控制在比額定值小的情況下。在搖擺臺上，測量系統(tǒng)為封閉水冷軍用加固計算機，其接口板元件為軍用54 系列元器件，同時事先進行篩選老化，以上均屬于降額設(shè)計，保證系統(tǒng)的可靠性。

2.3 適應(yīng)性試驗

工程機械所處工作環(huán)境往往十分惡劣，如潮濕、振動、沖擊與粉塵，這就要求監(jiān)控器必須在不同環(huán)境下可以正常運行，因此除了可靠性，對環(huán)境的適應(yīng)能力也十分重要。根據(jù)粗略統(tǒng)計可知，我國自主研發(fā)生產(chǎn)的監(jiān)控器，其可靠性只有國外產(chǎn)品1/3～1/2，壽命也只有1/2。依然以監(jiān)控器為例進行分析，它需要進行的適應(yīng)性試驗內(nèi)容包括以下幾種。

2.3.1 振動試驗

按照相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)，對國產(chǎn)型號為D-150-1 的振動系統(tǒng)進行如下試驗。

（1）耐頻掃描試驗。試驗時的振頻在10～300 Hz；振幅比交越頻率對應(yīng)的位移幅值小0.7 mm，比交越頻率對應(yīng)的加速度幅值高5 g。電子監(jiān)視器主要進行上下往復(fù)振動，振動持續(xù)時間按10±0.5 min 控制。完成一次循環(huán)掃描需要的時間在4 min 左右，在試驗過程中，需對共振點進行檢測，用于完成后續(xù)耐共振頻率試驗[6]。

（2）耐共振頻率試驗?；诠舱耦l率，以規(guī)定振幅為依據(jù)實施振動試驗。試驗的主要目的是對設(shè)備在相對較短的時間范圍內(nèi)，對共振響應(yīng)具有的適應(yīng)能力進行考驗，并非破壞性試驗。其振頻與共振點周圍頻率相同，加速度幅值確定為5 g，持續(xù)時間為10 min。

2.3.2 高低溫濕熱循環(huán)試驗

按照相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)與總則，對試驗箱進行控制，試驗步驟如下。

（1）低溫試驗。樣品通電后，對試驗箱進行設(shè)定，5 min 內(nèi)需要達到-15 ℃；然后開啟制冷，40 min 內(nèi)達到-25 ℃，并在這一溫度條件下保持16 h。

（2）高溫試驗。樣品通電后，對試驗箱進行設(shè)定，5 min 內(nèi)需要達到40 ℃；然后開啟制熱，使40 min 內(nèi)都達到55 ℃，并在這一溫度條件下保持16 h。

（3）交變濕熱。將試驗箱的溫濕度分別設(shè)定為25 ℃、60%，在之后的1 h 內(nèi)，使?jié)穸壬仙?5%。升溫過程中，需在3 h 內(nèi)使空間溫度升高至55 ℃。高溫高濕持續(xù)過程中，使空間溫度保持在允許范圍內(nèi)，到12 h 為止。在這一階段中，除了最初與最終的15 min 濕度要達到90%以上，其他時間需要保持在95%；降溫過程中，空間溫度需要在3～6 h 內(nèi)降低到25 ℃；在低溫高濕保持過程中，使空間溫度保持在25 ℃，濕度達到95%以上，24 h后停止。

3 結(jié)束語

對于任意類型的整機產(chǎn)品，其可靠性模型均以串聯(lián)性框架為主，只有它的關(guān)鍵重要件才支持冗余設(shè)計，進而在串聯(lián)回路中產(chǎn)生并聯(lián)分支?；诖?，整體可靠性和系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)息息相關(guān)。針對非標(biāo)產(chǎn)品，在設(shè)計過程中，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，需要做好可靠性分析，通過分析找到薄弱環(huán)節(jié)，將其作為后續(xù)攻關(guān)重點。如果缺乏試驗數(shù)據(jù)，則可通過適應(yīng)性試驗找到系統(tǒng)中存在的薄弱環(huán)節(jié)。在壽命試驗過程中，需對關(guān)鍵部件采用臺架進行試驗，以此縮短試驗周期。通過分析找到薄弱環(huán)節(jié)后，即可利用適宜方法改進設(shè)計。需要注意的是，以上方法并非定式，可依照實際情況調(diào)整。