机械设备可靠性分析论文

机械设备可靠性分析

摘要：机械的可靠性设计在机械设计中具有重要的作用，它对机械是否能够稳定的工作起决定性的作用。本文主要介绍了机械可靠性设计的特点，机械可靠性设计的流程，以及在机械可靠性设计中的常用的可靠性分析方法和设计技术，最后结合最近的机械可靠性的发展，介绍了机械可靠性设计的发展趋势，从而对可靠性技术在机械领域的应用和发展有一个全面的、客观的认识。

引言：随着科学技术的发展，对产品的要求不断提高，不仅要具有好的性能，更要具有高的可靠性水平。采用可靠性设计弥补了常规设计的不足，使得设计方案更加贴近生产实际。所谓可靠性是指“产品在规定时间内，在规定的使用条件下，完成规定功能的能力或性质”。可靠性的概率度量称为可靠度。可靠性工程的诞生已近半个世纪的历史, 以电子产品可靠性设计为先导的可靠性工程迄今发展得比较成熟, 已形成一门独立的学科。相比之下, 机械产品的可靠性设计与研究则起步较晚。所谓机械可靠性，是指机械产品在规定的使用条件下、规定的时间内完成规定功能的能力。由于工程材料特性的离散性以及测量、加工、制造和安装误差等因素的影响，使机械产品的系统参数具有固有的不确定性，因此考虑这种固有随机性的可靠性设计技术至关重要。据有关方面统计，产品设计对产品质量的贡献率可达70%～80%，可见设计决定了产品的固有质量特性(如：功能、性能、寿命、安全性和可靠性等)，赋予了产品“先天优劣”的本质特性。上世纪60年代, 对机械可靠性问题引起了广泛的重视并开始对其进行了系统研究。虽然国内外都投入了研究力量, 取得了一定的进展，但终因机械产品可靠性涉及的领域太多、可靠性研究的范围大、基础性数据缺乏等原因，机械可靠性设计在工程实际中应用得并不广泛。本文简要介绍了可靠性技术在机械领域中的应用，主要介绍了一些在机械产品设计中应用的较为成熟的可靠性技术和可靠性设计方法，并且结合当今可靠性工程学科的发展，指出了可靠性技术在机械领域中的发展和趋势。

正文：机械产品的可靠性要受到诸多因素的影响，从产品的设计、制造、试验，到产品使用和维护，都会涉及到可靠性间题，也就是说它贯穿于产品的整个寿命周期之内。如何使产品在整个寿命周期内失效率最小，有效度高，维修性好，经济效益大，经济寿命长，是我们对产品进行可靠性设计的根本目的。机械产品的可靠性设计并不是一种崭新的设计方法, 而是在传统机械设计的基础上引入以概率论和数理统计为基础的可靠性设计方法。这样的设计可以更科学合理地获得较小的零件尺寸、体积和重量, 同时也可使所设计的零件具有可预测的寿命和失效率, 从而使产品的设计更符合工程实际。

目前在机械工程中可靠性设计主要应用在产品的设计、制造、使用和维修等

方面。现代生产的经验表明，在设计、制造和使用的三个阶段中，设计决定了产品的可靠性水平，即产品的固有可靠性，而制造和使用的任务是保证产品可靠性指标的实现。可靠性试验数据是可靠性设计的基础，但是试验不能提高产品的可靠性，只有设计才能决定产品的固有可靠性。图1所示为三者的关系。

图1 机械产品与可靠性关系框图

机械产品的设计，它包括整机产品的设计和零部件的设计。整机产品可将其作为一个系统进行设计，设计的方式主要有两种，第一种是根据零部件的可靠性预测结果，计算产品系统的可靠性指标，这就是系统的可靠性预测，其结果满足指标要求即可。如果不能满足要求，就要按第二种方式对零部件进行可靠性分配，即把系统指标分配到零部件上。可靠性分配方法主要有等分配法、再分配法、比例分配法和综合评分分配法。零部件设计时，应尽量采用标准件或质量成熟稳定的零件，一般零部件可按类比的原则设计，重要零件应按概率法设计，对一些关键零部件还应进行可靠性试验。对产品的可靠性应进行评审、修改、再评审、再修改，直到满足指标要求为止。图2所示机械产品研发与可靠性保障之间的关系。

图2 机械产品研发与可靠性保障

产品以可靠性为中心的维修, 称之为可靠性维修。它是以可靠性理论为基础, 通过对影响可靠性因素的具体分析和试验, 应用逻辑分析决断法, 科学地制定维修内容, 优选维修方式, 合理确定使用期, 以控制和维持机械设备使用的可靠性。机械产品的可维修性与可靠性一样, 是机械设备本身的一个可靠性指标, 在产品

可靠性设计时,要进行维修性设计, 使设计产品在使用中的故障易发现、易检查、易修复, 力求防患于未然。在对产品进行维修性设计时, 要以最低的费用来保持和恢复设备的固有可靠性水平, 尽量减少排除故障所用的维修时间。因此, 要在可靠性理论的基础上制定合理、经济的维修规程，采用先进的故障诊断技术, 使用标准的维修工具及设备, 提高维修人员的技术水平, 采用合理的维修方式（如视情维修方法、监控事后维修方法）, 使机械维修工作进一步走向科学化、现代化。

由于可靠性技术贯穿于产品的设计、研制、制造、装配、调试、试验、使用、运输、保管、维修及保养等各个环节，因此应该大力推广建立在概率统计理论基础上的可靠性设计方法，这样不仅能解决过去用传统设计所不能处理的一些问题，而且能有效地提高产品质量和降低产品成本。

研发可靠的机械产品的基本前提如图3所示, 在应用所有的定性与定量的可靠性理论方法之前通常使用这些实用的经验, 以保证所研制的机械产品安全可靠。

图3 研发可靠机械产品的前提

完善、准确的可靠性基础数据库是可靠性设计与评价的基础。对于产品, 如果缺少系统、定量的失效数据记录、返修统计评价、试验检测评价、用户使用评价等档案数据而谈可靠性分析与估计, 势必是无源之水、无根之木企业应该通过深度不同的产品试验、检修、返修、公开发表的文献和研究报告等途径获取机械产品故障的各种信息,建立数据收集的基本要求和规章制度,将可靠性统计基本内容进行数据收集, 将获得的数据在企业内部汇总, 集中管理和使用。

要进行机械产品的可靠性设计, 就需要拥有机械产品及其零部件的可靠性基础数据库。但是在工程实际中往往很难有足够的资料来确定基本数据的概率特征。如图4 所示, 如果没有足够的实验数据或数据积累, 可以根据工程实际经验与学术理论推断而获得数据。

图4 由经验学术理论获取基本随机参数

机械产品的主要质量标志是功能、寿命、重量/容量比、经济、安全和外观, 其中功能是首要的, 产品丧失规定的功能( 这里不仅指完全丧失,亦包括功能的降低) 称为失效( 对于可修复的产品通常称为故障)。机械产品常见的失效形式如图5所示。

图5 机械产品的常见失效形式

图6 机械产品的可靠性分类

可靠性分析是指综合运用概率论与数理统计学、材料和结构学、故障物理学等科学知识, 研究和度量机械产品在规定时间内和规定条件下完成规定功能的能力的整个过程。通过可靠性分析可以预测机械产品期望的可靠性, 可以进行比较研究, 找出并排除薄弱环节。按照本质属性, 可靠性可分为固有可靠性和使用可靠性两类；在机械产品研发过程中, 也可针对具体的极限状态和失效模式（图6)进行可靠性分类, 并考虑失效模式间的相关性, 综合进行可靠性分析与设计。

一个复杂的机械产品( 如汽车) 通常由零件( 如齿轮) 、部件组( 如带轴承支架) 、子系统( 如带主动轮) 、设计组( 如变速箱) 和功能载体( 如传动总成) 等功能单元逐步组装而成。通过可靠性试验可以发现产品的设计、零部件、原材料、安装与工艺等方面的缺陷, 可以提供改善产品的完整性、提高任务完成率、减少保障与维修费用的信息, 可以确认产品是否符合可靠性设计的定量要求。如图7所示，根据具体问题, 可靠性试验可分为破坏性试验和非破坏性试验。无论进行破坏性试验还是非破坏性试验, 都要忠实地记录试验前( 标准条件) 、试验中( 试验条件) 、试验后( 标准条件) 的数据, 以便进行比较。

图7 可靠性试验的主要步骤和分类

可靠性设计工作的主要目的是尽早地估计或预测产品的预计安全与失效状态，以便能及时地发现和排除机械设计的薄弱环节。为了能够尽量放弃大规模的和耗费时间、人力、物力、财力的可靠性试验，需要建立基于现有概率统计理论的可靠性计算与设计方法。当然，只有在明确了解产品元素失效状态的情况下，才能得到极有把握的预测。图8为可靠性设计的内容和方法。

机械优化设计是在60 年代迅速发展起来的设计方法，是数学规划与现代计算机技术相结合的产物。数学规划理论与方法的日趋成熟，计算机技术的高速发展与广泛应用，提供了在工程设计中普遍使用的优化设计理论与方法，使之成为解决复杂设计问题的一种有效的工具。可靠性优化设计，一般包含三方面的内容：质量、成本、可靠度，把产品的总体可靠度作为性能约束的优化，将会产生与合理安全性相协调的平衡设计，也就是在给定结构布局和给定产品质量或成本之下，使产品有最大的可靠度。可靠性优化设计的框图见图9。

图8 可靠性设计的内容和方法

图9 可靠性优化设计框图

结论与展望：现在可靠性设计技术越来越受到各行各业的重视，同样可靠性设计技术也应该是我国机械工程学科与行业迅速发展和十分重要的研究方向之一，这种研究可以帮助工程设计人员合理地建立产品的安全容限和控制随机参数对产品安全的影响，使产品的预测工作性能与实际工作性能更加符合，得到既有足够的安全可靠性，又有适当经济性的优化产品。我国在机械可靠性设计领域所取得的相关研究成果吸取了其他学科可靠性工程的优秀研究成果，如：数学力学，土木建筑等。应用这些研究成果对机械产品进行可靠性设计，可以节省大量的人力、物力和财力，可以提高设计水平，缩短设计周期，对合理安排试验项目，验证可靠性设计的合理性，指出产品的薄弱环节有着重要的作用，可以节省材料，加强质量，减少能耗，降低成本，有显著的经济效益和社会效益。因此，可靠性技术在机械领域的应用和不断发展完善，必将促进我们的机械行业实现更好的发展。

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