1、機械設(shè)備可靠性分析摘要:機械的可靠性設(shè)計在機械設(shè)計中具有重要的作用，它對機械是否能夠穩(wěn)定 的工作起決定性的作用.本文主要介紹了機械可靠性設(shè)計的特點，機械可靠性設(shè) 計的流程,以及在機械可靠性設(shè)計中的常用的可靠性分析方法和設(shè)計技術(shù)，最后 結(jié)合最近的機械可靠性的發(fā)展，介紹了機械可靠性設(shè)計的發(fā)展趨勢，從而對可靠 性技術(shù)在機械領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展有一個全面的、客觀的認識.引言：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對產(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)計彌補了常規(guī)設(shè)計的不足，使得設(shè)計方案 更加貼近生產(chǎn)實際.所謂可靠性是指“產(chǎn)品在規(guī)定時間內(nèi)，在規(guī)定的使用條件下, 完成規(guī)定功能的能力或性

2、質(zhì)”。可靠性的概率度量稱為可靠度?？煽啃怨こ痰恼Q 生已近半個世紀(jì)的歷史,以電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計為先導(dǎo)的可靠性工程迄今發(fā)展 得比較成熟，已形成一門獨立的學(xué)科。相比之下，機械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計與研究 則起步較晚。所謂機械可靠性，是指機械產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下、規(guī)定的時間 內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。由于工程材料特性的離散性以及測量、加工、制造和安 裝誤差等因素的影響，使機械產(chǎn)品的系統(tǒng)參數(shù)具有固有的不確定性，因此考慮這 種固有隨機性的可靠性設(shè)計技術(shù)至關(guān)重要。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計，產(chǎn)品設(shè)計對產(chǎn)品質(zhì) 量的貢獻率可達70%80%，可見設(shè)計決定了產(chǎn)品的固有質(zhì)量特性（如：功能、 性能、壽命、安全性和可靠性等），賦予了產(chǎn)品“先

3、天優(yōu)劣”的本質(zhì)特性。上世 紀(jì)60年代，對機械可靠性問題引起了廣泛的重視并開始對其進行了系統(tǒng)研究. 雖然國內(nèi)外都投入了研究力量，取得了一定的進展,但終因機械產(chǎn)品可靠性涉及 的領(lǐng)域太多、可靠性研究的范圍大、基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)缺乏等原因，機械可靠性設(shè)計在 工程實際中應(yīng)用得并不廣泛。本文簡要介紹了可靠性技術(shù)在機械領(lǐng)域中的應(yīng)用， 主要介紹了一些在機械產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用的較為成熟的可靠性技術(shù)和可靠性設(shè)計 方法，并且結(jié)合當(dāng)今可靠性工程學(xué)科的發(fā)展，指出了可靠性技術(shù)在機械領(lǐng)域中的 發(fā)展和趨勢。正文:機械產(chǎn)品的可靠性要受到諸多因素的影響,從產(chǎn)品的設(shè)計、制造、試驗，到 產(chǎn)品使用和維護，都會涉及到可靠性間題，也就是說它貫穿于產(chǎn)品

4、的整個壽命周 期之內(nèi).如何使產(chǎn)品在整個壽命周期內(nèi)失效率最小，有效度高，維修性好，經(jīng)濟 效益大，經(jīng)濟壽命長，是我們對產(chǎn)品進行可靠性設(shè)計的根本目的.機械產(chǎn)品的可 靠性設(shè)計并不是一種嶄新的設(shè)計方法，而是在傳統(tǒng)機械設(shè)計的基礎(chǔ)上引入以概 率論和數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)的可靠性設(shè)計方法.這樣的設(shè)計可以更科學(xué)合理地獲得較 小的零件尺寸、體積和重量，同時也可使所設(shè)計的零件具有可預(yù)測的壽命和失效 率，從而使產(chǎn)品的設(shè)計更符合工程實際。目前在機械工程中可靠性設(shè)計主要應(yīng)用在產(chǎn)品的設(shè)計、制造、使用和維修等方面?，F(xiàn)代生產(chǎn)的經(jīng)驗表明，在設(shè)計、制造和使用的三個階段中，設(shè)計決定了產(chǎn) 品的可靠性水平，即產(chǎn)品的固有可靠性，而制造和使用的任務(wù)

5、是保證產(chǎn)品可靠性 指標(biāo)的實現(xiàn)?？煽啃栽囼灁?shù)據(jù)是可靠性設(shè)計的基礎(chǔ)，但是試驗不能提高產(chǎn)品的可 靠性，只有設(shè)計才能決定產(chǎn)品的固有可靠性。圖1所示為三者的關(guān)系.圖1機械產(chǎn)品與可靠性關(guān)系框圖機械產(chǎn)品的設(shè)計，它包括整機產(chǎn)品的設(shè)計和零部件的設(shè)計。整機產(chǎn)品可將其 作為一個系統(tǒng)進行設(shè)計，設(shè)計的方式主要有兩種，第一種是根據(jù)零部件的可靠性 預(yù)測結(jié)果，計算產(chǎn)品系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，這就是系統(tǒng)的可靠性預(yù)測，其結(jié)果滿足 指標(biāo)要求即可。如果不能滿足要求，就要按第二種方式對零部件進行可靠性分配， 即把系統(tǒng)指標(biāo)分配到零部件上?？煽啃苑峙浞椒ㄖ饕械确峙浞?、再分配法、比 例分配法和綜合評分分配法。零部件設(shè)計時，應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件或質(zhì)量

6、成熟穩(wěn)定 的零件，一般零部件可按類比的原則設(shè)計，重要零件應(yīng)按概率法設(shè)計，對一些關(guān) 鍵零部件還應(yīng)進行可靠性試驗。對產(chǎn)品的可靠性應(yīng)進行評審、修改、再評審、再修改，直到滿足指標(biāo)要求為止。圖2所示機械產(chǎn)品研發(fā)與可靠性保障之間的關(guān)系。圖2機械產(chǎn)品研發(fā)與可靠性保障產(chǎn)品以可靠性為中心的維修，稱之為可靠性維修.它是以可靠性理論為基礎(chǔ), 通過對影響可靠性因素的具體分析和試驗，應(yīng)用邏輯分析決斷法，科學(xué)地制定 維修內(nèi)容，優(yōu)選維修方式，合理確定使用期，以控制和維持機械設(shè)備使用的可靠 性。機械產(chǎn)品的可維修性與可靠性一樣，是機械設(shè)備本身的一個可靠性指標(biāo)，在產(chǎn)品可靠性設(shè)計時,要進行維修性設(shè)計，使設(shè)計產(chǎn)品在使用中的故障易發(fā)現(xiàn)

7、、易檢 查、易修復(fù)，力求防患于未然.在對產(chǎn)品進行維修性設(shè)計時，要以最低的費用 來保持和恢復(fù)設(shè)備的固有可靠性水平，盡量減少排除故障所用的維修時間.因此, 要在可靠性理論的基礎(chǔ)上制定合理、經(jīng)濟的維修規(guī)程，采用先進的故障診斷技術(shù), 使用標(biāo)準(zhǔn)的維修工具及設(shè)備，提高維修人員的技術(shù)水平，采用合理的維修方式 （如視情維修方法、監(jiān)控事后維修方法），使機械維修工作進一步走向科學(xué)化、 現(xiàn)代化。由于可靠性技術(shù)貫穿于產(chǎn)品的設(shè)計、研制、制造、裝配、調(diào)試、試驗、使用、 運輸、保管、維修及保養(yǎng)等各個環(huán)節(jié)，因此應(yīng)該大力推廣建立在概率統(tǒng)計理論基 礎(chǔ)上的可靠性設(shè)計方法，這樣不僅能解決過去用傳統(tǒng)設(shè)計所不能處理的一些問題， 而且能有

8、效地提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低產(chǎn)品成本.研發(fā)可靠的機械產(chǎn)品的基本前提如圖3所示，在應(yīng)用所有的定性與定量的可 靠性理論方法之前通常使用這些實用的經(jīng)驗，以保證所研制的機械產(chǎn)品安全可靠.7.通過動力學(xué) 分析，搞清參 評的動態(tài)性能10.評估返 修統(tǒng)計9.加強質(zhì)量管一 理以保證質(zhì)量 指標(biāo)一致8.進行大量 的臺架和現(xiàn) 場試驗5.及早進行 零部件試驗2.盡量簡化產(chǎn)/ 品零部件的結(jié) 構(gòu)與數(shù)量/6.在計算機 上模擬產(chǎn)品 的實際狀況1.明確機械 產(chǎn)品的可 靠”要求圖3研發(fā)可靠機械產(chǎn)品的前提3.明確產(chǎn)品的 材料性能、外 載荷等4.零部件具 有良好的互 換性完善、準(zhǔn)確的可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫是可靠性設(shè)計與評價的基礎(chǔ)。對于產(chǎn)品 如

9、果缺少系統(tǒng)、定量的失效數(shù)據(jù)記錄、返修統(tǒng)計評價、試驗檢測評價、用戶使用評 價等檔案數(shù)據(jù)而談可靠性分析與估計，勢必是無源之水、無根之木企業(yè)應(yīng)該通 過深度不同的產(chǎn)品試驗、檢修、返修、公開發(fā)表的文獻和研究報告等途徑獲取機 械產(chǎn)品故障的各種信息，建立數(shù)據(jù)收集的基本要求和規(guī)章制度，將可靠性統(tǒng)計基 本內(nèi)容進行數(shù)據(jù)收集，將獲得的數(shù)據(jù)在企業(yè)內(nèi)部匯總，集中管理和使用。要進行機械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計，就需要擁有機械產(chǎn)品及其零部件的可靠性 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。但是在工程實際中往往很難有足夠的資料來確定基本數(shù)據(jù)的概率特 征。如圖4所示，如果沒有足夠的實驗數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)積累，可以根據(jù)工程實際經(jīng) 驗與學(xué)術(shù)理論推斷而獲得數(shù)據(jù)。圖4由經(jīng)驗學(xué)術(shù)

10、理論獲取基本隨機參數(shù)機械產(chǎn)品的主要質(zhì)量標(biāo)志是功能、壽命、重量/容量比、經(jīng)濟、安全和外觀， 其中功能是首要的，產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能（這里不僅指完全喪失，亦包括功能的 降低）稱為失效（對于可修復(fù)的產(chǎn)品通常稱為故障）.機械產(chǎn)品常見的失效形式 如圖5所示。圖5機械產(chǎn)品的常見失效形式可靠性分析是指綜合運用概率論與數(shù)理統(tǒng)計學(xué)、材料和結(jié)構(gòu)學(xué)、故障物理學(xué) 等科學(xué)知識，研究和度量機械產(chǎn)品在規(guī)定時間內(nèi)和規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的 能力的整個過程.通過可靠性分析可以預(yù)測機械產(chǎn)品期望的可靠性，可以進行比 較研究，找出并排除薄弱環(huán)節(jié).按照本質(zhì)屬性，可靠性可分為固有可靠性和使 用可靠性兩類；在機械產(chǎn)品研發(fā)過程中，也可針對具體

11、的極限狀態(tài)和失效模式（圖6）進行可靠性分類，并考慮失效模式間的相關(guān)性，綜合進行可靠性分析與設(shè)計。一個復(fù)雜的機械產(chǎn)品（如汽車）通常由零件（如齒輪）、部件組（如帶 軸承支架）、子系統(tǒng)（如帶主動輪）、設(shè)計組（如變速箱）和功能載體（如傳 動總成）等功能單元逐步組裝而成。通過可靠性試驗可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計、零部 件、原材料、安裝與工藝等方面的缺陷，可以提供改善產(chǎn)品的完整性、提高任務(wù) 完成率、減少保障與維修費用的信息，可以確認產(chǎn)品是否符合可靠性設(shè)計的定量要求。如圖7所示，根據(jù)具體問題，可靠性試驗可分為破壞性試驗和非破壞性 試驗。無論進行破壞性試驗還是非破壞性試驗，都要忠實地記錄試驗前（標(biāo)準(zhǔn) 條件）、試驗中（

12、試驗條件）、試驗后（標(biāo)準(zhǔn)條件）的數(shù)據(jù)，以便進行比較。I械定產(chǎn)亂的可掌性要煢II 規(guī)適可靠性試強的條杵II 楸可靠性試驗誑度|I、計劃M鼎性試騷方案匚明聽可靠性誠酸程序ifl甄整1壞可收可t性廣試奪可虢ft XV計性叫可定心 7試驗 71燧|；J非4I： tt：1%曰環(huán)/然試性全4i命放夠如產(chǎn)品性置豎測蛭 I ，明斷可韋性試驗設(shè)備利Jfel 棚伉器表使用章程I（-*可靠性快臆記思 I孰散據(jù)的處理片法 | ,榷寫可那性試弱恨告試驗管此圖7可靠性試驗的主要步驟和分類可靠性設(shè)計工作的主要目的是盡早地估計或預(yù)測產(chǎn)品的預(yù)計安全與失效狀 態(tài)，以便能及時地發(fā)現(xiàn)和排除機械設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)。為了能夠盡量放棄大規(guī)模的

13、 和耗費時間、人力、物力、財力的可靠性試驗，需要建立基于現(xiàn)有概率統(tǒng)計理論 的可靠性計算與設(shè)計方法.當(dāng)然，只有在明確了解產(chǎn)品元素失效狀態(tài)的情況下， 才能得到極有把握的預(yù)測.圖8為可靠性設(shè)計的內(nèi)容和方法。機械優(yōu)化設(shè)計是在60年代迅速發(fā)展起來的設(shè)計方法，是數(shù)學(xué)規(guī)劃與現(xiàn)代計 算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。數(shù)學(xué)規(guī)劃理論與方法的日趨成熟，計算機技術(shù)的高速發(fā) 展與廣泛應(yīng)用，提供了在工程設(shè)計中普遍使用的優(yōu)化設(shè)計理論與方法，使之成為 解決復(fù)雜設(shè)計問題的一種有效的工具。可靠性優(yōu)化設(shè)計，一般包含三方面的內(nèi)容： 質(zhì)量、成本、可靠度，把產(chǎn)品的總體可靠度作為性能約束的優(yōu)化，將會產(chǎn)生與合 理安全性相協(xié)調(diào)的平衡設(shè)計，也就是在給定結(jié)構(gòu)

14、布局和給定產(chǎn)品質(zhì)量或成本之下， 使產(chǎn)品有最大的可靠度?？煽啃詢?yōu)化設(shè)計的框圖見圖9。可靠性 設(shè)計方法邊緣，可靠4可靠4性能設(shè)計穩(wěn)健設(shè)計性設(shè)計可靠性優(yōu)化設(shè)計 隹靈敏度設(shè)計可靠性穩(wěn)健設(shè)計圖8可靠性設(shè)計的內(nèi)容和方法零部件設(shè)計式標(biāo) 和驗要 單 模指求析析單計計驗試必 設(shè) 效能要分分清設(shè)設(shè)法試種行性行 失性性與與性行改方命各進靠進 的術(shù)靠模算靠進更驗壽把，可性 件技可建計可法和試的并較的裁 部件件性性件方性性件，比件可 型部部定靠部準(zhǔn)靠靠部驗相部的查 典零零確可零標(biāo)可可零試標(biāo)改零件審 析定定行行出用測定行性指更查軟和 分規(guī)規(guī)進進列采預(yù)確進壞和計審對驗 破果設(shè)試可靠性優(yōu)化設(shè)計 （質(zhì)量、成本、可靠性）/體積小

15、、IS*材知消耗低 加工工時少 合理可靠度國家資源 與能源的合 理利用大量設(shè)計參數(shù)時 構(gòu)件以及由大量元 件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)J無論單方面進行可靠性設(shè)計還是優(yōu)化設(shè)計，都不可能發(fā)揮可靠 性設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計的巨大潛力。一方面是因為可靠性設(shè)計有時并 不等于優(yōu)化設(shè)計，如：產(chǎn)品在經(jīng)過可靠性設(shè)計后，并不能保證它 的工作性能或參數(shù)就一定處于最佳狀態(tài);另一方面是因為優(yōu)化設(shè) 計并不一定包含可靠性設(shè)計，如：產(chǎn)品在沒有考慮可靠性的狀態(tài) 下進行優(yōu)化設(shè)計后，并不能保證它在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間 頊亶完成規(guī)定的功能，甚至發(fā)生故障和事故，造成損失圖9可靠性優(yōu)化設(shè)計框圖 結(jié)論與展望：現(xiàn)在可靠性設(shè)計技術(shù)越來越受到各行各業(yè)的重視，同樣

16、可靠性設(shè)計 技術(shù)也應(yīng)該是我國機械工程學(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)計人員合理地建立產(chǎn)品的安全容限和控制隨機參數(shù)對產(chǎn) 品安全的影響，使產(chǎn)品的預(yù)測工作性能與實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)濟性的優(yōu)化產(chǎn)品.我國在機械可靠性設(shè)計領(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)用這些研究成果對機械產(chǎn)品進行可靠性設(shè)計，可以節(jié)省大量的人力、 物力和財力，可以提高設(shè)計水平，縮短設(shè)計周期，對合理安排試驗項目，驗證可 靠性設(shè)計的合理性，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 質(zhì)量，減少能耗，降低成本，有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益.因此，可靠性技術(shù)在 機械領(lǐng)域的應(yīng)用和不斷發(fā)展