劉婭菲，黃小梅，劉振偉

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

0 引言

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

1 可靠性設(shè)計(jì)

1.1 剛度理論設(shè)計(jì)

一般情況下，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)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(shí)施運(yùn)動(dòng)干涉檢查；再次，利用有限元軟件計(jì)算強(qiáng)度或應(yīng)力；最后，以計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)修改，直到滿足要求。

當(dāng)機(jī)械系統(tǒng)對(duì)精度有較高要求時(shí)，只靠對(duì)強(qiáng)度或應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要做好彈性變形分析。對(duì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。系統(tǒng)誤差是測(cè)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(duì)精度開展可靠性設(shè)計(jì)，機(jī)械部位變形對(duì)系統(tǒng)精度有直接影響[1]。

以搖擺臺(tái)為例，它是主要的軍工項(xiàng)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(yùn)動(dòng)，還能提供出搖擺的姿態(tài)角度，為相關(guān)試驗(yàn)提供可靠參數(shù)依據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)主要由機(jī)械臺(tái)體、液壓分系統(tǒng)、電控分系統(tǒng)、測(cè)量分系統(tǒng)和通信分系統(tǒng)等5 個(gè)部分構(gòu)成。

試驗(yàn)臺(tái)有兩個(gè)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(dòng)。對(duì)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(dòng)載6 t。對(duì)搖擺姿態(tài)角進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，RMS（角度綜合誤差）精度可以達(dá)到0.0067°以內(nèi)[2]。

臺(tái)體發(fā)生的搖擺，即按譜線對(duì)傳播在海中狀態(tài)進(jìn)行的模擬，主要依靠電液伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)，要對(duì)基準(zhǔn)面對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)姿態(tài)角進(jìn)行精確測(cè)量，將其作為對(duì)被試件進(jìn)行精度標(biāo)定的重要基準(zhǔn)。姿態(tài)角測(cè)量的傳感器安裝于臺(tái)體止推端，在這種情況下，如果臺(tái)體發(fā)生變形，將對(duì)系統(tǒng)精度造成直接影響。臺(tái)體所承受的載荷為16 t，負(fù)載時(shí)將出現(xiàn)彈性變形；臺(tái)體面積很大，夏季氣溫較高時(shí)，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(huì)使基準(zhǔn)面姿態(tài)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致測(cè)量出現(xiàn)隨機(jī)誤差。對(duì)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(chǎng)的分析，并以分析計(jì)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(chǎng)的溫度場(chǎng)等都處在允許范圍之內(nèi)[3]。

完成對(duì)總體設(shè)計(jì)精度進(jìn)行的分配計(jì)算后，為有效保證精度，臺(tái)體因變形產(chǎn)生的測(cè)量誤差需控制在20″以內(nèi)；系統(tǒng)測(cè)量端產(chǎn)生的軸向竄動(dòng)需控制在0.05 mm 以內(nèi)，徑向跳動(dòng)應(yīng)控制在0.01 mm 以內(nèi)?；诖耍_(tái)體應(yīng)進(jìn)行剛度理論設(shè)計(jì)，除了要求強(qiáng)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(cè)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(jì)算臺(tái)體不同受力情況下的應(yīng)力應(yīng)變。根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，臺(tái)體應(yīng)為封閉型結(jié)構(gòu)，并在應(yīng)力相對(duì)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(shí)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(tái)體完成整體焊接之后，還應(yīng)做好各項(xiàng)處理，如探傷處理、熱處理和對(duì)局部振動(dòng)進(jìn)行時(shí)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(jì)以后，系統(tǒng)內(nèi)臺(tái)體的極限應(yīng)力產(chǎn)生于臺(tái)體和橫搖液壓缸相連的位置；系統(tǒng)外臺(tái)體的極限應(yīng)力產(chǎn)生于臺(tái)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?？梢?，完成剛度理論設(shè)計(jì)后的臺(tái)體，其強(qiáng)度安全系數(shù)合格[4]。

1.2 抗沖擊與振動(dòng)保護(hù)

設(shè)備正常使用時(shí)難免受到外力激振與沖擊，某些產(chǎn)品還會(huì)受到交變荷載。如果交變荷載頻率接近產(chǎn)品固有振動(dòng)頻率，則會(huì)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(jì)過程中做好剛體動(dòng)力學(xué)及振動(dòng)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(jì)規(guī)避共振，這是有效的設(shè)計(jì)方法。

根據(jù)力學(xué)理論，當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)自身剛度變大時(shí)，它的固有頻率將明顯升高，而機(jī)械結(jié)構(gòu)質(zhì)量變大時(shí)，它的固有頻率將明顯降低?；诖?，可通過對(duì)結(jié)構(gòu)形式的適當(dāng)改變，調(diào)整剛度與固有頻率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)共振的有效控制。設(shè)計(jì)臺(tái)體結(jié)構(gòu)時(shí)，實(shí)際上就是通過筋板的焊接對(duì)系統(tǒng)固有頻率進(jìn)行調(diào)整[5]。

仍以搖擺臺(tái)為例進(jìn)行分析，該設(shè)備可看成有兩個(gè)自由度的振動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)工作過程中，要承受6 t 的動(dòng)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(dòng)態(tài)特性，盡可能規(guī)避共振區(qū)。通過對(duì)系統(tǒng)實(shí)施剛體動(dòng)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(tái)體自身姿態(tài)有所不同，因此主頻率會(huì)產(chǎn)生明顯變化。以上主頻都能遠(yuǎn)離外擾頻率，進(jìn)而有效避免共振。

2 測(cè)量系統(tǒng)與電子裝置的可靠性設(shè)計(jì)及適應(yīng)性試驗(yàn)

2.1 簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)

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(jìn)行簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)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(jì)制作的小系統(tǒng)。監(jiān)控器電路只包含1 個(gè)處理器芯片與7 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化接口，無數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與外加程序，所有功能均由處理器芯片實(shí)現(xiàn)。通過長(zhǎng)期應(yīng)用考核以及上述簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，可以最大限度保證系統(tǒng)的可靠性。

2.2 降額設(shè)計(jì)

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(shí)踐過程中，最常用且有效的方法為使用高強(qiáng)度組件，即合理使用大馬拉小車方法。例如，對(duì)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(tái)上，測(cè)量系統(tǒng)為封閉水冷軍用加固計(jì)算機(jī)，其接口板元件為軍用54 系列元器件，同時(shí)事先進(jìn)行篩選老化，以上均屬于降額設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的可靠性。

2.3 適應(yīng)性試驗(yàn)

工程機(jī)械所處工作環(huán)境往往十分惡劣，如潮濕、振動(dòng)、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(yùn)行，因此除了可靠性，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力也十分重要。根據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)可知，我國(guó)自主研發(fā)生產(chǎn)的監(jiān)控器，其可靠性只有國(guó)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(jìn)行分析，它需要進(jìn)行的適應(yīng)性試驗(yàn)內(nèi)容包括以下幾種。

2.3.1 振動(dòng)試驗(yàn)

按照相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)國(guó)產(chǎn)型號(hào)為D-150-1 的振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行如下試驗(yàn)。

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

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

2.3.2 高低溫濕熱循環(huán)試驗(yàn)

按照相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與總則，對(duì)試驗(yàn)箱進(jìn)行控制，試驗(yàn)步驟如下。

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

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

（3）交變濕熱。將試驗(yàn)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(dá)到90%以上，其他時(shí)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(dá)到95%以上，24 h后停止。

3 結(jié)束語

對(duì)于任意類型的整機(jī)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(jì)，進(jìn)而在串聯(lián)回路中產(chǎn)生并聯(lián)分支?；诖耍w可靠性和系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)息息相關(guān)。針對(duì)非標(biāo)產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)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(diǎn)。如果缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)，則可通過適應(yīng)性試驗(yàn)找到系統(tǒng)中存在的薄弱環(huán)節(jié)。在壽命試驗(yàn)過程中，需對(duì)關(guān)鍵部件采用臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)，以此縮短試驗(yàn)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(jìn)設(shè)計(jì)。需要注意的是，以上方法并非定式，可依照實(shí)際情況調(diào)整。