朱文杰　王左坤

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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(jì)彌補(bǔ)了常規(guī)設(shè)計(jì)的不足，使得設(shè)計(jì)方案更加貼近生產(chǎn)實(shí)際。文章對(duì)機(jī)械可靠設(shè)計(jì)進(jìn)行了概述，對(duì)其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，同時(shí)又介紹了機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和原則。

【關(guān)鍵詞】可靠性設(shè)計(jì)；機(jī)械產(chǎn)品；設(shè)計(jì)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(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，這種競(jìng)爭(zhēng)主要體現(xiàn)在產(chǎn)品可靠性的競(jìng)爭(zhēng)，可見“物美、價(jià)廉”必須以可靠性工程作為后盾。我國(guó)機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)水平與國(guó)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(guó)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(guó)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(chǎng)產(chǎn)品的質(zhì)量，這種激烈競(jìng)爭(zhēng)的狀況將使政府部門和企業(yè)清醒地認(rèn)識(shí)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(jiǎn)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(shí)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(jì)中的應(yīng)用始于 20 世紀(jì) 40 年代?？煽啃约夹g(shù)最早應(yīng)用在二戰(zhàn)末期德國(guó) V- Ⅱ火箭的誘導(dǎo)裝置上。德國(guó)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(gè)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(guó)際上發(fā)表“結(jié)構(gòu)的安全度”一文以來(lái)，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(lái)的隨機(jī)有限元法已成為對(duì)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(duì)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(dòng)技術(shù)、有限元理論和實(shí)用概率統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)可靠性分析與設(shè)計(jì)理論的新途徑。

2.機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

所謂機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)指的是設(shè)計(jì)時(shí)就使機(jī)械產(chǎn)品具備于規(guī)定的時(shí)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(jì)預(yù)計(jì)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(jì)；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(jì)手段也難以運(yùn)用于機(jī)械系統(tǒng)可靠性的預(yù)計(jì)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(duì)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(shí)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(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)。但機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)由于缺乏制造材料與載荷分布的準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，無(wú)法編制出具有實(shí)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(gè)漸變的過程。機(jī)械的故障率可以用時(shí)間的函數(shù)表達(dá)出來(lái)，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(duì)電子元器件進(jìn)行描述也受到了一定局限。所以為延長(zhǎng)機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)。

3.機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的原則

3.1傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)相結(jié)合

機(jī)械系統(tǒng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)具有安全系數(shù)直觀、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于掌握和設(shè)計(jì)的工作量較少等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)不可完全摒棄傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。目前，機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)較為實(shí)際的操作方式是先以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對(duì)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(duì)其可靠性進(jìn)行定量計(jì)算，倘若還不能滿足預(yù)計(jì)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(duì)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(jì)和定量設(shè)計(jì)相結(jié)合

由于定量設(shè)計(jì)無(wú)法完全解決機(jī)械系統(tǒng)可靠性的問題，故對(duì)那些難以定量計(jì)算的機(jī)械零部件要進(jìn)行可靠性的定性設(shè)計(jì)，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(jì)工作中，必須將定性設(shè)計(jì)和定量設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，先對(duì)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(duì)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(jì)。

3.3可靠性設(shè)計(jì)與耐久性設(shè)計(jì)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(jì)的同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)。可靠性設(shè)計(jì)主要解決的是機(jī)械的偶然性故障，而耐久性設(shè)計(jì)主要解決的是機(jī)械的漸變性故障。

4.結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)越來(lái)越受到各行各業(yè)的重視，同樣可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)也應(yīng)該是我國(guó)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(jì)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(duì)產(chǎn)品安全的影響，使產(chǎn)品的預(yù)測(cè)工作性能與實(shí)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(guó)在機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)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(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，可以節(jié)省大量的人力、物力和-財(cái)力，可以提高設(shè)計(jì)水平，縮短設(shè)計(jì)周期，對(duì)合理安排試驗(yàn)項(xiàng)目，驗(yàn)證可靠性設(shè)計(jì)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(huì)效益。我們團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用所提出的廣義隨機(jī)有限元法和廣義隨機(jī)攝動(dòng)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(jì)、動(dòng)態(tài)可靠性設(shè)計(jì)、可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性靈敏度設(shè)計(jì)和可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，并研制出了機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的實(shí)用軟件庫(kù)，可以為機(jī)械行業(yè)提供可靠性分析與設(shè)計(jì)的技術(shù)服務(wù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]可靠性設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與設(shè)備[J].電子科技文摘，2006，（12）.

[2]丁維揚(yáng)，嚴(yán)軍.軸的可靠性設(shè)計(jì)CAD方法[J].機(jī)電工程技術(shù)，1988，（01）.

[3]張愛群.淺談轎車流通領(lǐng)域如何參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)[J].汽車工業(yè)研究，2001，（05）.