關于研究生課程“機械可靠性”的教學研究

周利東，展翼飛，袁 媛，孫曉霞，寧少慧

（太原科技大學 山西 太原 030024）

在遵循職業道德和工程倫理的前提下，工程創新能力和適應變化能力逐漸成為新工科人才能力培養的重要方面之一[1]。隨著機械產品結構和功能的日益發展，用戶對可靠性要求也不斷提高，機械可靠性已然成為衡量機械產品質量的重要指標，機械可靠性教學也成為機械工程不可忽略的重要組成部分[2]。所以本文針對機械可靠性這一學科，就如何培養研究生的工程創新力進行詳細闡述分析。

1 國內外研究現狀

可靠性是現代公認的工業產品四大質量指標之一，是在概率數據理論的支撐下，科學地分析各種不確定因素對機械產品質量及性能產生的影響，采用“概率”這一指標去實現產品預設功能的可能性[3]。此學科起源于20 世紀40年代的二戰期間，最早是由德國火箭制造的科技人員提出的火箭系統的可靠性等于所有元件可靠度乘積的理論。此理論在20 世紀50 年代廣泛運用于航天領域，并大大降低了事故發生的頻率。我國在20 世紀70 年代為了解決國家重點工程元器件的可靠性問題，相關部門開始了對可靠性的研究。經過之后二十多年的發展，機械可靠性在我國電子、軍事等領域起到了越來越重要的作用。目前機械可靠性理論廣泛應用于各領域產品的開發與設計中，甚至成為工業企業招聘科研與設計人員的條件之一。

2 培養工程創新能力過程中的困境

2.1 理論教學盛行而導致的工程實踐缺乏

高等工程教育的根本目的是培養具有工程創新能力和實踐能力的現代化人才，其基本要求在于技術科學知識是其主要的學科基礎，應用技術是其主要的專業內容，工程應用是其主要的服務對象[4]，而理論課程教學的盛行卻抑制了這一發展趨勢。現階段，受傳統教學模式的影響，大多數高校的機械可靠性課程教學仍以普通的課堂教學為主，且反映先進性和實踐性的內容較少。機械可靠性課程涉及的理論公式較多、推理較為復雜，使得研究生在進行前導課程復習的時候無從下手。很多工科研究生由于課程內容枯燥、缺乏實踐環節，而失去了課程學習的主動性和興趣[5]。所以當今教學改革的重點就是改善教學方式、調動研究生對課程的學習興趣和主動性。

3 關于機械可靠性培養工程創新人才的具體實施方法

3.1 以創新為出發點、可靠性為載體進行學科升華

為應對當前課程教學中工程實踐缺乏的問題，本文給出的解決方案是突破傳統機械可靠性課堂教學，與現代信息技術相結合進行有效創新，推出適合課程自身發展的新教育模式。本文以疲勞可靠性為例，結合工程案例的圖片，通過創設情境和設疑探究，使研究生的主動學習能力能夠得到較為明顯的鍛煉和培養，從而使教學內容得到豐富和發展。

3.2 鞏固前導課程，培養研究生興趣

針對研究生前導課程學習不扎實的問題，本文給出的解決方法是，在學習可靠性課程時穿插復習前導課程的內容，新的知識和舊的內容相互融合，進而幫助研究生鞏固數學基礎知識。可靠性課程主要講授產品所涉及的可靠度、失效率、壽命等問題。大量結果都是需要數據來體現的，在講授可靠性課程中的數據分析時，可以簡化公式、使用形象圖表和動畫等方法復習數理統計中的相關知識點，以利于研究生理解和應用數據分析方法。培養研究生學習可靠性工程的興趣。興趣是最好的老師，是學習的動力。研究生有了興趣，學習就會由被動轉為主動，取得事半功倍的教學效果。

3.3 優化課程框架，提高學生解決工程問題的能力

本學科研究生的培養目標是從事重型機械行業的開發設計人員和科研工作者，如何讓研究生具備解決工程問題的能力和培養其工程創新力，掌握可靠性理論和提高工程分析精度都是很有必要的。首先，形成可視化、啟發性的基礎知識教學內容，包括概率分析、統計的基礎知識以及編程軟件MATLAB 的學習，在理解公式的基礎上運用軟件對可靠性與疲勞問題進行快速分析；其次，整理科研中典型的具有創新性的工程案例，將其制作成多媒體動畫進行教學演示，結合本課題的研究內容實現研究生主動參與的教學。最后，在體現重型機械特色的可靠性和故障分析的講義中，把數據分析常用知識點和實際案例相結合，既要有一定的理論深度，又要具有一定的實用價值。

4 工程案例教學

4.1 工程案例一

工程背景：如圖所示的輸送機，以5#滾筒為例，滾筒中心軸發生斷裂，致使輸送機不能正常運轉和工作，如下圖1所示。

圖1 原滾筒軸斷裂軸面

故障機理分析：軸有各種破壞形式，如疲勞、腐蝕、磨損、撞擊、微動和蠕變等，但軸的破壞大多屬于疲勞破壞。根據輸送系統工況的不斷變化，滾筒軸的工作狀態也在不斷變化當中。因此，在每次工況變化的過程中，滾筒軸也承受著許多周期性及非周期變化的載荷作用。在交變應力的作用下，材料表面發生循環滑移，產生裂紋形核。隨后裂紋以裂紋形核為中心，逐漸向四周擴展，最終使得裂紋剖面被不斷削弱，當剖面殘余部分的抵抗力不足時突然發生破壞。疲勞壽命的材料疲勞斷裂斷口與現場原滾筒的事故照片對比如圖2 所示（p83）。滾筒軸的結構的分析：滾筒軸的材料是40Cr，作為滾筒結構的關鍵件，其通過和周圍的零部件相結合來獲得穩定的工作環境及傳遞工作載荷。因此，滾筒軸整體結構的設計比較復雜，軸上一般包含有軸肩、鍵槽和環槽等復雜的幾何形狀。同時，這些部位往往使得軸截面形狀更容易發生突變，產生較大的應力集中，進而造成某些局部因較大的循環應力發生疲勞破壞。

圖2 材料疲勞斷裂斷口與現場原滾筒事故實物對比

載荷分析在實際輸送過程中，滾筒工作狀態會隨工況的不同而不同。因此，滾筒軸所承受的載荷大小及類型也會不斷發生變化。為完成滾筒軸的應力應變及疲勞壽命分析，需要分別從正常輸送工況以及逆止器逆止工況這兩種工況進行分析。

工況一（正常輸送工況）：

滾筒軸左端徑向方向和軸向方向約束，轉動自由；右端徑向方向和軸向方向約束，轉動自由。在滾筒包角表面積上施加一個輸送機張力。

工況二（逆止器逆止工況）：

滾筒軸左端徑向方向和軸向方向約束，轉動約束；右端徑向方向和軸向方向約束，轉動約束。在滾筒包角表面積上施加一個輸送機張力，在軸上施加一個扭矩。

教學環節呼應：通過具體的工程問題，引入裂紋的分類和失效的模式。通過分析，給出了疲勞斷裂破壞的概念。通過工程的具體圖片，說明裂紋擴展的歷程，為下一步的應力疲勞、疲勞斷裂、裂紋拓展等教學章節奠定基礎。

工程問題的解決方案：作為滾筒的重要組成部分，滾筒軸整體結構、裝配情況及外部載荷十分復雜。因此，如果直接對滾筒軸建立相關力學模型，并運用解析法確定其整體應力應變分布情況會十分復雜。故采用有限元分析方法，并利用ANSYS Workbench 軟件對滾筒軸進行有限元計算，分析得到滾筒軸及其危險部位的應力。

應變情況，如圖3 所示。根據有限元分析結果，最大應力小于滾筒軸許用應力585.82MPa，可知材料滿足強度要求，又結合軸斷口事故照片分析，故初步判定事故原因為疲勞斷裂。綜上可得：在最大工作條件下，滾筒軸的最大等效應力均發生在軸的截面變化處（如軸肩、鍵槽和環槽等），會產生應力集中，疲勞破壞往往在這些地方發生。

圖3 滾筒軸應力云圖

呼應教學過程：針對具體的工程問題，提出了具體的可靠性分析手段和方法，明確了疲勞可靠性中交變載荷和疲勞斷裂力學的具體工程背景和故障特點，為后續疲勞失效判據的教學奠定了基礎。

4.2 工程案例二

工程背景：焊接工藝：成品滾筒直徑1400，長度1800。筒皮是由Q345 鋼板卷彎焊接而成，輪轂（包括輪轂、輪輻、部分筒皮）材質為鑄鋼35，鑄件筒皮厚度40mm 大于鋼板筒皮厚度。鑄件筒皮開坡口，但有臺階，臺階外徑等于鋼板筒皮內徑，同樣鋼板筒皮開坡口，達到“V 型”焊接條件，外部采用埋弧焊，筒皮內側臺階處采用二氧化碳保護焊，埋弧焊前筒皮預加熱。下圖4 為焊接實例圖片，總共轉7―8圈，完成一次焊接，最后一圈焊接電流650A，前面幾圈焊接電流500A。焊接好后直接退火處理（而不是保溫24小時）。

圖4 焊機焊接筒皮

采用以前的焊接工藝，但是采用無損探測，發現鑄件有裂紋。裂紋描述：鑄件筒皮近焊縫處，周向斷續裂紋，長度約600―700mm，深度5mm。制造廠家認為工藝沒問題，可能是鑄造件材質有問題，故做了6 組材質檢驗，如表1。

表1 材質元素檢測表（單位：%）

故障機理分析：經過分析，裂紋的產生與材料的材質關系不大，Mn 含量低反而會更好一些。一般來說，Mn 元素含量越高，強度就越高，而韌性和塑性越低，也即脆性增強。根據裂紋的描述：鑄件筒皮近焊縫處，周向斷續裂紋，長度約600―700mm，深度5mm。應該定性為熱應力裂紋，兩次鑄鋼輪轂材料成分的差異，導致原來的焊接工藝保證不了產生的熱應力及時消除，所以應改變焊接工藝。焊接之前應預熱，減小焊點溫差，一般這類工藝焊接點的溫度較高，筒皮旋轉離開焊槍后，溫度迅速降低，具有很高的溫度差，兩種材質的收縮率不同，鑄鋼的收縮率大于Q345，產生的熱應力就較大，導致產生裂紋。

教學環節呼應：疲勞問題與材料有很大關系，裂紋拓展與加工工藝有很大關系。針對故障問題，提出分析的機理，進行機理分析，提出解決方案。

工程問題的解決方案：①焊接時，在焊接點旋轉離開焊槍以后，在焊縫靠近鑄造件處加熱，保證溫度降低不要太快，達到階梯降溫的效果。②擴大焊縫受熱區域。③若已產生裂紋，建議切除裂紋部分，然后按照新工藝補充焊接。④若不做處理直接交貨，需退火處理后，每隔一段時間檢測裂紋是否繼續擴展，并且在投入使用前，明確受力狀況，采用斷裂力學計算現有裂紋是否會繼續擴展，是否低于應力強度因子門檻值，若低于門檻值，裂紋不會繼續擴展。

呼應教學過程：針對具體疲勞裂紋拓展的工程案例，在講解過程中，讓學生深刻理解了疲勞的分類、疲勞裂紋的拓展過程和疲勞可靠性分析的手段。為后續課程做好鋪墊，激發學生的學習興趣，讓學生主動尋求解決方案。

4.3 課后反響及總結

教師對工程實例進行詳細的講解，這樣新穎的上課模式讓學生感到格外有趣和好奇，課堂氣氛很活躍。對于這些案例，表現出積極的興趣，在教師講解過程中紛紛舉手提問，教師一一解答，在這樣一問一答的交流中，學生對于上課內容的理解更深刻，課后復習也更容易，教學效果明顯，因此在未來的教學中也要牢牢把握這一教學模式。

5 結論

可靠性是衡量產品質量的重要指標，也是未來產品競爭的關鍵，應用機械可靠性培養研究生工程創新力是提高機械產品質量的必然要求。本文分析了在培養研究生工程創新力過程中存在的問題，根據這些問題給出相應的解決方案，為進一步研究機械可靠性和工程創新力兩者之間的關系提供了思路和方向，對機械可靠性工程的研究發展具有重要意義。