何富其

（綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000）

我國(guó)工程機(jī)械之所以會(huì)缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，主要是因?yàn)榇笮迚勖鼤r(shí)間短且可靠性低，日前這一問(wèn)題也受到了社會(huì)行業(yè)內(nèi)的熱點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。針對(duì)這些問(wèn)題，我國(guó)提出了研究工程機(jī)械動(dòng)態(tài)性能的措施，這能夠從根本上解決可靠性問(wèn)題，并且有益于工程機(jī)械節(jié)能減排和作業(yè)品質(zhì)等問(wèn)題的解決，本文將對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與臺(tái)架模擬實(shí)驗(yàn)等對(duì)機(jī)械動(dòng)態(tài)性能的基本手段的研究，進(jìn)行舉例說(shuō)明。筆者經(jīng)歷了一番實(shí)踐與思考，認(rèn)為加強(qiáng)工程機(jī)械動(dòng)態(tài)性能研究，是解決問(wèn)題的根本途徑與出路。

1 工程機(jī)械可靠性的內(nèi)涵

工程機(jī)械的可靠性，其實(shí)是指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)及工作條件下，產(chǎn)品完成所規(guī)定功能用途的能力。但是產(chǎn)品可靠性的保障，仍是一個(gè)綜合性問(wèn)題，提高制造品質(zhì)以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)，是解決工程機(jī)械的可靠性的最為根本的方法。

通常情況下，可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)該采取袷度法加大關(guān)鍵性零部件的安全系數(shù)，并確保有些可靠性的儲(chǔ)備。從總的方面來(lái)看，提升工程機(jī)械可靠性，有利于保障產(chǎn)品的工作能力在比較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持不變。但由于故障的發(fā)生，在一定程度上可以說(shuō)是一種隨機(jī)發(fā)生的事情，因此無(wú)法避免故障的發(fā)生。在使用周期內(nèi)，產(chǎn)品要在規(guī)定的維修條件下，保證工作性能的能力稱(chēng)為產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)，其以提高產(chǎn)品的耐用性、持久性為重要內(nèi)容，以提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 我國(guó)工程機(jī)械可靠性的現(xiàn)狀

根據(jù)資料顯示，國(guó)際工程機(jī)械產(chǎn)品1 000 h可靠性試驗(yàn)和“二包”期內(nèi)的平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF）為500～800 h，而我國(guó)水平僅為150～300 h，遠(yuǎn)低于國(guó)際水平。

倘若不使用進(jìn)口的發(fā)動(dòng)機(jī)的話(huà)，我國(guó)產(chǎn)品的大修期壽命僅僅為4 000～5 000 h，而國(guó)際水平卻能達(dá)到8 000～10 000 h。由此可以看出，我國(guó)工程機(jī)械缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，主要與可靠性低和大修壽命時(shí)間短這兩種問(wèn)題有關(guān)。

此外，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我們可以看到，在我國(guó)工程機(jī)械發(fā)生率中，有30%的故障，屬于發(fā)動(dòng)機(jī)故障；而大約25%～35%的故障，是液壓系統(tǒng)故障；約20%的故障，是傳動(dòng)系統(tǒng)故障；剩下的則是結(jié)構(gòu)件焊縫開(kāi)裂及制動(dòng)系統(tǒng)故障等。

3 可靠性差的主要原因

對(duì)工程機(jī)械可靠性造成影響的因素有很多，比如說(shuō)設(shè)計(jì)、材料、制造及使用等諸多因素，但是唯獨(dú)缺乏機(jī)器動(dòng)態(tài)性能研究，這才是其根本性的研究。與其他機(jī)械所不同的是，由于大多數(shù)工程機(jī)械都是在野外作業(yè)并且負(fù)荷、工況及負(fù)荷變化都是多變的，而且也存在機(jī)械工程有連續(xù)施工之類(lèi)的許多苛刻要求。這些，都要求工程機(jī)械的可靠性與適應(yīng)性能夠取得進(jìn)一步發(fā)展與提高。而所謂的動(dòng)態(tài)性能，則是指在工作負(fù)荷不斷變化的動(dòng)態(tài)條件下，機(jī)器所顯示出來(lái)的燃料經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和作業(yè)性能。

就以雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)為例來(lái)說(shuō)明，這是一種主要用來(lái)壓實(shí)路基材料的循環(huán)作業(yè)式機(jī)械。在振動(dòng)壓路機(jī)處于起步階段的時(shí)候，從靜止到恒速前進(jìn)時(shí)，整車(chē)需要克服機(jī)器本身的平動(dòng)慣性力。此外，無(wú)論鋼輪是高速旋轉(zhuǎn)振動(dòng)還是從靜止到勻速行駛，都需對(duì)慣性力矩進(jìn)行克服。然而屬于大慣性系統(tǒng)的鋼輪和壓路機(jī)機(jī)體平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，外負(fù)載變化大而且程度劇烈。一方面這必然會(huì)沖擊到振動(dòng)液壓系統(tǒng)以及行走驅(qū)動(dòng)，從而使液壓元件的使用壽命及其性能降低；另一方面，鋼輪對(duì)地面的力、力矩等作用變化大，致使相當(dāng)不均勻的地段實(shí)度的現(xiàn)象發(fā)生，更有甚者，還會(huì)形成一種材料推移的現(xiàn)象。但是，起步過(guò)程不能花費(fèi)太多的時(shí)間，不然，會(huì)使有效壓實(shí)時(shí)間降低，并造成鋼輪起振越過(guò)共振點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，而這些都會(huì)大大地?fù)p害機(jī)器與被壓材料，當(dāng)然這樣類(lèi)似的現(xiàn)象，在機(jī)器停止時(shí)也會(huì)存在。

與此同時(shí)，在起步階段以及停車(chē)階段急劇變化的外載荷，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)的功率及轉(zhuǎn)速的波動(dòng)變化，尤其是在停車(chē)時(shí)，機(jī)器所產(chǎn)生的巨大慣性致使反托制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性及使用壽命大大降低，除此之外，還會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能造成影響。

4 大力提升可靠性的策略

為了提升產(chǎn)品的自動(dòng)化程度，以及增加一些新的功能和作用，機(jī)電一體化被廣泛的應(yīng)用于工程機(jī)械中，并伴隨著機(jī)電一體化的發(fā)展，得到更大范圍的應(yīng)用。因此在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，憑借診斷技術(shù)和冗余技術(shù)，充分應(yīng)用發(fā)揮機(jī)電一體化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，調(diào)整并診斷自動(dòng)修復(fù)產(chǎn)品，使其與工作條件相適應(yīng)，完成規(guī)定任務(wù)的能力，以及長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)能夠保持水準(zhǔn)。

4.1 診斷技術(shù)

診斷技術(shù)的實(shí)施，主要是依靠暴露故障的手段，以使產(chǎn)品的可靠性得到提高。其中有一種方式是監(jiān)測(cè)故障，它是憑借對(duì)正處于工作狀態(tài)中的診斷對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，然后對(duì)產(chǎn)品中的相關(guān)器件所處的程度進(jìn)行確定，以查明產(chǎn)品品質(zhì)及能力不斷下降的因素，從而找到故障的種類(lèi)和具體的位置。比如柴油機(jī)上所配備的壓力表、風(fēng)冷柴油機(jī)的風(fēng)扇、燃油表、機(jī)油油溫表、水冷柴油機(jī)的水溫表、皮帶報(bào)警器、空濾器負(fù)壓顯示器等器件。

為了預(yù)測(cè)抑或是及時(shí)發(fā)現(xiàn)并且解決故障，應(yīng)該監(jiān)測(cè)柴油機(jī)的關(guān)鍵部位，以防發(fā)生永久性故障，比如說(shuō)產(chǎn)品失效故障。另外一種方式，則是故障發(fā)生之后，試驗(yàn)性測(cè)試診斷正處于非工作狀態(tài)的診斷對(duì)象，在不拆卸的前提下，對(duì)產(chǎn)品的工作能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，以對(duì)故障的位置及其種類(lèi)進(jìn)行迅速的確定，并對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)規(guī)定功能進(jìn)行進(jìn)一步恢復(fù)。

4.2 診斷技術(shù)的分類(lèi)

診斷技術(shù)可以分為工作冗余與備件冗余兩種。其應(yīng)用有利于充分利用冗余技術(shù)。并聯(lián)工程液壓系統(tǒng)中的兩個(gè)單元，讓其同步工作，以保障系統(tǒng)的可靠性，即不管任何一個(gè)單元失效，另一單元仍能進(jìn)行工作。但如此一來(lái)，會(huì)造成單元的升溫不符合系統(tǒng)的升溫，因此系統(tǒng)還應(yīng)設(shè)置冷卻器，但也有其可行性，有利于設(shè)計(jì)制造成本以及系統(tǒng)的可靠性的提高。

因此，可以采取備件冗余的方法，去對(duì)失效檢測(cè)與轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行設(shè)置。但倘若有一個(gè)工作單元失效，譬如說(shuō)柴油機(jī)不能啟動(dòng)低溫，可以并聯(lián)另外一套低溫預(yù)熱起動(dòng)裝置，依靠這去代替失效單元，從而在根本上提升柴油機(jī)在冬季使用時(shí)的可靠性。經(jīng)過(guò)以上一系列的分析，工程機(jī)械應(yīng)在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可靠性時(shí)，充分考慮到安全系數(shù)法，即裕度法，大力應(yīng)用機(jī)電一體化的優(yōu)點(diǎn)，大力宣傳冗余技術(shù)和診斷技術(shù)的應(yīng)用，站在更換器件、診斷故障及修復(fù)的角度上，進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。

隨著全液壓工程機(jī)械液壓系統(tǒng)日趨復(fù)雜化及液壓元件與日劇增的精密化，液壓油的要求也變得越來(lái)越高。設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，采取編制產(chǎn)品維修手冊(cè)的方式，設(shè)置液壓油油溫和濾清器的負(fù)壓的工作狀態(tài)的元件進(jìn)行檢測(cè)，并且設(shè)置測(cè)壓口在液壓系統(tǒng)中，以快捷地排除故障和隱患，為用戶(hù)提供了方便，從而提高產(chǎn)品的可靠性使永久性故障得到減少；除此之外，還有利于產(chǎn)品使用壽命的延長(zhǎng)。

4.3 機(jī)械可靠性的優(yōu)化

采用常規(guī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，之所以很難反映產(chǎn)品運(yùn)行的真實(shí)狀況，是因?yàn)榭煽啃灾笜?biāo)以及體積、總質(zhì)量和成本等因素未能被考慮。但是在設(shè)計(jì)時(shí)，如若僅僅采取可靠性設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，是很難得到理想化的結(jié)果的；而如果使優(yōu)化技術(shù)與可靠性設(shè)計(jì)理論相結(jié)合，就可以彌補(bǔ)前兩者的不足之處，從而達(dá)到目標(biāo)。

除此之外，為了使機(jī)器的各種零件的可靠性水平達(dá)到最佳，以及整機(jī)及其部件的最佳設(shè)計(jì)方案得到確定，就應(yīng)該優(yōu)化分配工程機(jī)械的可靠度。同時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)工程機(jī)械產(chǎn)品參數(shù)，有利于產(chǎn)品合理可靠，技術(shù)性能指標(biāo)優(yōu)良，價(jià)格成本低廉。在工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)，也隨著日趨大型化、復(fù)雜化的工程機(jī)械產(chǎn)品的發(fā)展，而逐漸被廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)工程機(jī)械缺乏競(jìng)爭(zhēng)力的主要問(wèn)題，就是可靠性低與大修時(shí)間壽命短。而通過(guò)一系列的實(shí)踐也表明，研究工程機(jī)械動(dòng)態(tài)性能，是我國(guó)機(jī)械可靠性問(wèn)題得到解決的根本途徑之一，同時(shí)也有利于工程機(jī)械作業(yè)品質(zhì)與節(jié)能減排等問(wèn)題的解決，而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與臺(tái)架模擬試驗(yàn)，是研究工程機(jī)械動(dòng)態(tài)性能的基本手段。

[1]吳 暐，張伶俐.機(jī)械零件的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)[J].新余高專(zhuān)學(xué)報(bào)，2007，(1)：23.

[2]葉秉良.MATLAB在機(jī)械可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2006，(11)：11-12.

[3]喻天翔，宋筆鋒，萬(wàn)方義，馮蘊(yùn)雯.機(jī)械可靠性試驗(yàn)技術(shù)研究現(xiàn)狀和展望[J].機(jī)械強(qiáng)度，2007，(2)：26-27.

[4]陳 連，鄒廣萍.機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的最優(yōu)化方法及其應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006，(2)：32-33.

[5]封士彩，林聚華，張新民.工程設(shè)計(jì)中機(jī)械可靠性應(yīng)用方法的研究[J].煤礦機(jī)械，2002，(10)：29-30.

[6]王東育.工程機(jī)械零件的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2005，（20）：請(qǐng) 17-18.