關于振動機械的可靠性設計分析

杜佩明+何尚文

摘 要：隨著科學技術的發展，我們對產品的設計要求越來越高，不僅要具有良好的性能，還要有更高的可靠性水平，這就需要我們采用可靠性設計。所謂可靠性是指產品在規定時間和規定使用條件下，可以完成規定功能的能力或性質。由于工程材料的離散性以及測量、加工、制造和安裝誤差等因素的影響，機械產品的系統參數具有不確定性，因此，我們對振動機械的可靠性設計必須進行優化設計分析。文章結合當今可靠性工程學科，對振動機械的可靠性設計分析做出相關探討。

關鍵詞：振動機械；可靠性設計；設計分析

1 振動機械中的振動

振動機械是通過彈性介質來傳送機械振動。機械振動是指物體或者質點在其平衡位置附近所作的往復運動。機械振動有下面幾種分類：圓或橢圓振動，即振動體的振動軌跡在水平面上的投影是一條直線，而在垂直面上的投影為一圓或者橢圓。通常將一臺振動電機安裝在振動機械機體上，便可產生這種運動。直線振動：振動體的振動軌跡在水平面及垂直面上的投影都是直線；復合振動：振動體的振動是由兩組激振系統產生的；旋振動：振動體的振動軌跡在水平面上的投影是一圓或橢圓，而旋振動又可以分為：平旋型振動、渦旋型振動、復旋型振動三種形式。振動機械經過了不斷地更新和發展，目前我國的振動機械新產品有以下技術特點：能夠預防長距離振動輸送機產生彈性彎曲，保持振動機械振動穩定；可以消除構件焊接內應力，有效防止螺釘和螺帽松動，也防止了塞孔堵塞，減小二次隔振傳給基礎振動等。

2 振動機械的可靠性設計

振動機械產品的可靠性設計包括整機產品和零部件的設計。設計的方式有兩種，一種是根據零部件的可靠性預測結果，計算產品的可靠性指標，對一些關鍵性零部件進行可靠性試驗，對其進行評審、修改、直到滿足指標為止；另一種是對零部件進行可靠性分析，按照比例分配，盡量采用標準件或者質量成熟穩定的零件，按照類比的選擇設計。機械的可靠性設計在機械設計中具有重要作用，它對機械是否能夠穩定的工作起決定性作用。由于機械產品可靠性涉及的領域太多、太廣，以及基礎性數據獲取的困難性，機械的可靠性在實際操作中并不能廣泛應用。所以，近年來國內外對其投入了大量精力進行系統研究，并取得了一定的進展。例如，我們以傳統的選煤機械為基礎，結合生產實際，提出了如何提高振動零件可靠性的方法：通過把機械固有的頻率、激振力頻率、振動響應按照實際處理為隨機變量，確定了振動機械零件的可靠度。此外，我們在進行研究的同時，對零件容易損壞關鍵部件進行可靠性分析計算，進而對整個系統進行分析計算。這些例子可作為以后的可靠性設計的參考。日益激烈的市場競爭，對振動機械產品和振動控制系統提出了更高的要求，要能夠不斷提高結構的性能周期、降低原材料消耗和制造成本，進一步優化產品設計技術，但為了保證產品的質量，必須在對原材料進行篩選的時候，嚴格把控。盡管如此，振動機械產品經常發生失效的情況。機械產品常見的失效形式有以下幾種：突然失效、漸變失效、早期失效、偶然失效、耗損失效。面對這些情況，我們必須對其進行可靠性維修，所謂可靠性維修是以可靠性理論為基礎，通過對影響可靠性的因素具體分析和試驗，應用邏輯分析決斷法，科學制定維修內容，優選維修方式，合理確定使用期，來控制和維持機械設備使用的可靠性的一種方法。機械產品的可靠性和可維修性是一樣的，在產品進行可靠性設計的同時，也要進行維修性的設計，使得產品在使用中存在的問題容易發現，避免產生重大事故。另外，我們在對產品進行維修性的設計時，盡量要以最低的費用來保持和恢復設備的固有可靠性水平，盡量減少排除故障所用的維修時間。這便要求我們要在可靠的理論基礎上制定合理的維修規程，使用標準的維修工具及設備，提高維修人員的技術水平，使機械維修的工作面向科學化、現代化。

3 振動機械的設計分析

我們對一個振動機械產品進行設計時，首先對產品進行規劃，在方案設計階段，對產品進行產品定義、功能分析、對求解變量、初始變量、變量設計，以及工程經濟方面進行評價。然后繪制草圖，確定比例，進而擬訂計劃，進行造型和零部件優化，整理變量。隨后估計載荷，進行構件試驗，部件仿真和計算數據，最后定性，執行開發，進行弱點分析。產品設計好以后并不能立即投入使用，在使用之前還要多次進行反復試驗，確定固有的可靠性，以保證產品的制造是安全的。

振動機械的可靠性設計最初是可靠性設計量的分布參數，由于材質，制造、安裝、維修工藝的離散性以及載荷和運行參數的隨機性，機械零件的激振力頻率、固有頻率、振動響應、失穩轉速、流體彈性激振的臨界流速、聲學駐波頻率等振動設計量是非定值，即隨機變量，所以設計起來極為復雜。但考慮到我們設計一個產品，都希望其壽命周期長，經濟效益高。所以，我們便在原來的可靠性設計方法上進行了創新，在傳統的振動體設計的基礎上引入概率論和數量統計為基礎的可靠性設計方法，這樣便使所設計的零件具有可預測性，使產品的設計符合工程實際。在生產實踐中，許多振動零件的損壞與振動有關，我們在傳統的方法上進行振動設計，把零件的振動設計量取為定值，雖然在理論基礎上可以判斷設計是否安全，但是我們在實際操作中，無法預知結果。這也是振動問題的復雜之處，仍需要進一步地研究和探索。

4 結束語

科學技術的快速發展，對振動機械產品提出了更高的要求。所以我們要采用可靠性的設計，設計出貼近實際的方案，來降低原材料的消耗和制造成本，提高產品的設計技術。便其能夠在傳統的方法上進行創新，學習國外先進技術，取其精華，去其糟粕，從而研發出可靠性的振動機械設備，并結合當今可靠性工程學科研發，使振動機械技術在機械領域的應用和發展有一個全面的、客觀的認識，成為一種以智力為依托的高新技術。

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作者簡介：杜佩明（1996，11-），男，河南省新鄉市，本科，鄭州大學力學與工程科學學院工程力學專業。