機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)方法研究

楊泳超

摘 要：在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，可靠性一直是設(shè)計(jì)人員需要考慮的核心因素之一。而為了保證機(jī)械產(chǎn)品的可靠性，就需要對(duì)設(shè)計(jì)、制造階段的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面考慮，并采取合適的設(shè)計(jì)方法。基于此，本文首先對(duì)機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行概述，然后對(duì)現(xiàn)階段常見(jiàn)的幾種機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品;可靠性設(shè)計(jì);概率設(shè)計(jì)法;TTCP設(shè)計(jì)法;FMECA設(shè)計(jì)法

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）01-0035-02

Study on Reliability Design Method of Mechanical Products

YANG Yongchao

（Henan Vocational College of Agriculture， Zhengzhou Henan 471002）

Abstract： In the process of mechanical product design， reliability has always been one of the core factors that designers need to consider. In order to ensure the reliability of mechanical products， it is necessary to take all aspects of the design and manufacturing stages into consideration and adopt appropriate design methods. Based on this， this paper first summarized the reliability design of mechanical products， and then discussed several common reliability design methods of mechanical products at this stage.

Keywords： mechanical products;reliability design;probabilistic method;TTCP design method;FMECA design method

對(duì)機(jī)械產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，可靠性往往意味著產(chǎn)品投入使用后所能夠發(fā)揮出的價(jià)值。而要想保證機(jī)械產(chǎn)品的可靠性，則需要對(duì)設(shè)計(jì)、制造階段的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面考慮，并采取合適的設(shè)計(jì)方法。因此，加強(qiáng)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)方法的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)概述

1.1 可靠性設(shè)計(jì)的定義

可靠性設(shè)計(jì)是指以滿足產(chǎn)品可靠性需求為前提的設(shè)計(jì)，也指對(duì)不可靠問(wèn)題的解決。對(duì)機(jī)械產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，可靠性意味著其在既定條件下發(fā)揮自身功能的能力，可靠性越高，產(chǎn)品性能與配件質(zhì)量就越高;反之，如果可靠性過(guò)低，那么不可靠問(wèn)題自然也就會(huì)隨之出現(xiàn)，并對(duì)產(chǎn)品功能的發(fā)揮造成不同程度的影響[1，2]。

1.2 機(jī)械產(chǎn)品的可靠性要求

可靠性設(shè)計(jì)是基于產(chǎn)品可靠性特點(diǎn)展開(kāi)的，不同機(jī)械產(chǎn)品在具體的可靠性特點(diǎn)上雖然會(huì)存在一定差異，但從總體來(lái)看，仍然具有較多共同特征。首先，機(jī)械產(chǎn)品一般由多種零部件組成，很多零部件雖然在功能上十分類似甚至完全相同，但并不存在同一的標(biāo)準(zhǔn)，彼此之間也無(wú)法通用，因此會(huì)給設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的麻煩。其次，機(jī)械產(chǎn)品在使用過(guò)程中必然會(huì)對(duì)零部件造成不同程度的損耗，因而，隨著使用時(shí)間的增加，產(chǎn)品出現(xiàn)損耗性故障的概率也會(huì)變得越來(lái)越高。基于此，機(jī)械產(chǎn)品的可靠性要求并不局限在固有可靠性上，而是要引入耐用性情況，確定并保證產(chǎn)品使用的可靠性與環(huán)境適應(yīng)性。最后，設(shè)計(jì)雖然是影響產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵因素，但后續(xù)的產(chǎn)品加工、維修制度、維修方案、可靠性試驗(yàn)等也都會(huì)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的可靠性造成影響。因此，在進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)生產(chǎn)、維修等階段的實(shí)際情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和考慮。

1.3 機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)流程

可靠性設(shè)計(jì)實(shí)際上也可以看作是對(duì)產(chǎn)品、配件的不斷試驗(yàn)與改進(jìn)，并在這一過(guò)程中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性的提升，因此，其大體設(shè)計(jì)流程是相對(duì)固定的。一般來(lái)說(shuō)，雖然產(chǎn)品中所有零部件都會(huì)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的可靠性造成影響，但部分零部件的影響卻是最為關(guān)鍵的。因此，在機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)中，通常會(huì)先對(duì)重要零部件展開(kāi)試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)改進(jìn)。此外，當(dāng)新部件設(shè)計(jì)完畢后，也同樣需要進(jìn)行相應(yīng)的可靠性測(cè)試，以明確其是否能滿足可靠性要求[2]。在重要配件設(shè)計(jì)完畢后，設(shè)計(jì)者通常還會(huì)對(duì)實(shí)際使用的環(huán)境進(jìn)行模擬，并對(duì)組件的性能與可靠性展開(kāi)測(cè)試，從而找到單獨(dú)部件試驗(yàn)時(shí)無(wú)法暴露出來(lái)的可靠性缺陷。最后，要在各組件、配件組裝完畢后對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的可靠性、耐久性以及性能進(jìn)行測(cè)試，并完成整體優(yōu)化。

2 機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的常見(jiàn)方法

2.1 概率設(shè)計(jì)法

概率設(shè)計(jì)法是一種以基本變量作為隨機(jī)變量的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，在機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)方法中屬于最為常見(jiàn)也最為基本的一種方法。從具體來(lái)看，概率設(shè)計(jì)法會(huì)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的性能、材料強(qiáng)度、配件尺寸等基本數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，之后根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立應(yīng)力強(qiáng)度模型，最終從概率分布的角度確定失效概率。通過(guò)這種方法，能對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的耐熱度、強(qiáng)度、耐磨度、剛度、精確度等性能實(shí)現(xiàn)有效評(píng)測(cè)。而在明確機(jī)械產(chǎn)品或零配件性能的情況下，自然也就能準(zhǔn)確判斷出機(jī)械產(chǎn)品的可靠性是否符合相關(guān)要求，并針對(duì)存在的可靠性缺陷進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化。從整體上來(lái)看，由于是從概率分布的角度進(jìn)行分析和運(yùn)算的，因此，概率設(shè)計(jì)法能將機(jī)械產(chǎn)品的可靠度與各方面故障概率量化為具體數(shù)值，這一點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)方案比對(duì)與優(yōu)化來(lái)說(shuō)是非常重要的[3]。同時(shí)，精確的數(shù)值還能將產(chǎn)品材料的固定性能充分發(fā)揮出來(lái)，達(dá)到降低能耗、減輕零件質(zhì)量等效果，從而使機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)成本降低、性能提升。但是，需要注意的是，概率設(shè)計(jì)法所采集的數(shù)據(jù)都是當(dāng)下機(jī)械產(chǎn)品的參數(shù)，而這些數(shù)據(jù)在產(chǎn)品使用過(guò)程中是會(huì)不斷變化的，這樣一來(lái)，就會(huì)出現(xiàn)只考慮固定可靠度，而忽視使用可靠度的情況，從而影響設(shè)計(jì)的合理性。

2.2 TTCP設(shè)計(jì)法

TTCP設(shè)計(jì)法是一種專門針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品特性所研究出的設(shè)計(jì)方法，其能將機(jī)械產(chǎn)品的零配件細(xì)化分解為各種基礎(chǔ)零件。這樣一來(lái)，即便機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與功能不同，但在所使用的基礎(chǔ)零件上也同樣會(huì)存在很大的相似度。之后，再對(duì)這些基礎(chǔ)零件的故障模式、危害性等可靠性影響因素進(jìn)行分析，就能將基礎(chǔ)零件的各項(xiàng)參數(shù)與故障率聯(lián)系起來(lái)，而通過(guò)將各基礎(chǔ)零件的故障率相加，則可以得到機(jī)械產(chǎn)品的總故障率，并對(duì)產(chǎn)品可靠性進(jìn)行衡量。這樣的設(shè)計(jì)思路非常清晰，在具體執(zhí)行時(shí)也會(huì)比較簡(jiǎn)單，在面對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品時(shí)，也同樣可以計(jì)算出產(chǎn)品故障率。因此，在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)之前，其往往能起到非常大的作用。但是，由于機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)大多比較復(fù)雜，因而，在進(jìn)行基礎(chǔ)零件的可靠性數(shù)據(jù)收集與分析時(shí)十分煩瑣。

2.3 FMECA設(shè)計(jì)法

FMECA設(shè)計(jì)法是對(duì)機(jī)械產(chǎn)品故障模式、危害性及故障影響進(jìn)行分析的設(shè)計(jì)方法。其中，對(duì)故障模式的分析主要用于對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行分類;而對(duì)危害性與故障影響的分析則是為了準(zhǔn)確衡量不同的故障模式。按照該思路，設(shè)計(jì)者就能確定不同故障模式的危害程度與故障發(fā)生概率，并找出機(jī)械產(chǎn)品存在和可靠性缺陷;同時(shí)，根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行全面優(yōu)化，最終使產(chǎn)品的可靠性得到有效提升[4]。FMECA設(shè)計(jì)方法具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，其基于故障模式收集的數(shù)據(jù)與分析結(jié)果，既能夠應(yīng)用于可靠性缺陷判斷、維修性維系，也可以用于對(duì)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制，因此，在準(zhǔn)確性與合理性上具有較為突出的優(yōu)勢(shì)。但是，由于不同機(jī)械零件的功能與結(jié)構(gòu)差異較大，因而，要想明確每一種故障模式的危害性與故障影響，就必須要依靠長(zhǎng)期的積累，一旦設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，設(shè)計(jì)工作就很難進(jìn)行下去。此外，對(duì)這種單因素分析的設(shè)計(jì)方法來(lái)說(shuō)，一旦機(jī)械產(chǎn)品故障原因比較復(fù)雜，分析起來(lái)就會(huì)具有較大的難度。

2.4 故障樹(shù)分析法

故障樹(shù)實(shí)際上就是對(duì)機(jī)械產(chǎn)品所有故障影響因素的列舉與綜合分析。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者需要從機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)行環(huán)境、人為操作、零配件、軟件系統(tǒng)等多個(gè)角度來(lái)尋找故障隱患，并根據(jù)這些故障影響因素畫出故障樹(shù)，以準(zhǔn)確呈現(xiàn)各種情況下的故障發(fā)生概率、故障發(fā)生原因以及損害方式，構(gòu)建相應(yīng)的可靠性模型，最終完成對(duì)產(chǎn)品整體故障概率的計(jì)算。該設(shè)計(jì)方法考慮的因素較為全面，能準(zhǔn)確計(jì)算出常規(guī)設(shè)計(jì)方法不易發(fā)現(xiàn)的可靠性缺陷與故障隱患，但對(duì)設(shè)計(jì)人員的專業(yè)水平要求較高，設(shè)計(jì)人員只有在高度熟悉機(jī)械產(chǎn)品的情況下，才能準(zhǔn)確、全面地找到各種故障影響因素，否則就很容易出現(xiàn)疏漏，進(jìn)而影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，由于不同機(jī)械產(chǎn)品的故障影響因素并不確定，因此，一旦機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，可能存在的故障影響因素就會(huì)較多，進(jìn)而使工作量大大增加。

3 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械產(chǎn)品的可靠性分析方法還有很多，如平均累計(jì)故障率方法、穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法等。這些方法具有各自的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也都存在一定的不足。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，還要結(jié)合機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)際情況具體選擇設(shè)計(jì)方法。

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