機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)若干關(guān)鍵問(wèn)題的研究

杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司 浙江省杭州市 311232

摘要：機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)以產(chǎn)品的不同種類(lèi)和組成的不同為依據(jù)，來(lái)選擇的可靠性設(shè)計(jì)具體方法。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)中用到的方法有很多種，不乏一些有代表性的設(shè)計(jì)方法，這些設(shè)計(jì)方式對(duì)產(chǎn)品的可靠性的提高是有利的。

關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品；可靠性：設(shè)計(jì)方法

1.概率設(shè)計(jì)

1.1概率設(shè)計(jì)的概念

概率設(shè)計(jì)法是運(yùn)用概率的統(tǒng)計(jì)進(jìn)行機(jī)械零件和構(gòu)件設(shè)計(jì)的方式。它將承載負(fù)荷、材料的性能與材料強(qiáng)度以及零件各部分的尺寸，都看作屬于某一種概率而分布的統(tǒng)計(jì)數(shù)量。

1.2概率設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

較為常見(jiàn)的安全系數(shù)法則通常都選取最小的強(qiáng)度高于最的大應(yīng)力，但機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)力與強(qiáng)度都是隨機(jī)改變的量值，按照概率的分布情況來(lái)表述零件的應(yīng)力以及強(qiáng)度的分散情況來(lái)判斷更加貼合實(shí)際。一般的安全系數(shù)法則沒(méi)有與定量之間的可靠程度相關(guān)聯(lián)。而概率的設(shè)計(jì)法則承認(rèn)所設(shè)計(jì)出的的零件會(huì)存在一些故障的可能，并且可以定量的回復(fù)故障的概率或者可靠程度。安全系數(shù)的確定性通常都沒(méi)有經(jīng)過(guò)科學(xué)的分析，而是僅僅以經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，比較隨意和盲目。以應(yīng)力的強(qiáng)度大小來(lái)干涉模型設(shè)計(jì)，可以最大程度的發(fā)揮出材料的本身的性能，能達(dá)到使零件的重量輕，能源的消耗節(jié)省很多，讓設(shè)計(jì)思路更準(zhǔn)確、更科學(xué)、更理性。比較大的安全系數(shù)一般遮蓋了對(duì)其它故障系統(tǒng)的考慮。所以，概率設(shè)計(jì)就有可能對(duì)不同種類(lèi)的的故障精細(xì)地加以考慮研究。概率設(shè)計(jì)的方是比較系統(tǒng)的、完善的，在發(fā)展程度上也是比較領(lǐng)先的，它化解了在機(jī)械設(shè)計(jì)中已經(jīng)運(yùn)用了幾個(gè)世紀(jì)的傳統(tǒng)安全系數(shù)設(shè)計(jì)法則中的很多缺陷，逐步受到廣大設(shè)計(jì)者的高度重視。該方法己成功運(yùn)用在一些高要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中，但是對(duì)于一般機(jī)械產(chǎn)品，因?yàn)榛A(chǔ)的數(shù)據(jù)和建立模型經(jīng)驗(yàn)的不足，運(yùn)用還是不太普遍。

2.穩(wěn)健性設(shè)計(jì)

2.1穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的含義

穩(wěn)健性設(shè)計(jì)指的是使產(chǎn)品的性能應(yīng)對(duì)在制造過(guò)程中的變異，對(duì)于環(huán)境的變異敏感度不高，并使產(chǎn)品在其自身的壽命內(nèi)，不論其參考數(shù)值、構(gòu)成發(fā)生移動(dòng)或老化，都能正常平穩(wěn)地工作的一種設(shè)計(jì)方式。

2.2穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的觀(guān)點(diǎn)

穩(wěn)健性設(shè)計(jì)是日本的田口玄一提出的一種統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)方式，其主要理論觀(guān)點(diǎn)就是產(chǎn)品的質(zhì)量可以應(yīng)用對(duì)用戶(hù)造成的損失來(lái)作為依據(jù)。這些損失通常與產(chǎn)品的實(shí)用功能特征成正比。與其目標(biāo)數(shù)值之間的的差距越大，給用戶(hù)造成的損失則越大，即質(zhì)量也就越差。所以，改進(jìn)質(zhì)量的最好方法就是一直減少差距。對(duì)于差距問(wèn)題，一般的做法是通過(guò)產(chǎn)品的檢測(cè)結(jié)果來(lái)切掉超差的部分，或是加強(qiáng)對(duì)材料以及工藝的控制來(lái)縮短差距。

2.3穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法選擇了可以控制的設(shè)計(jì)參考數(shù)值的最優(yōu)組合。使得產(chǎn)品的功能性對(duì)差距的起因不會(huì)過(guò)于敏感，提高產(chǎn)品本身的抗擾能力。它是一套追尋低成本、高功能的產(chǎn)品的優(yōu)化方式。它不是一種單獨(dú)的方法，而是為了完成共同目標(biāo)而形成的多種方式的聚集體，是一個(gè)系統(tǒng)。其中心思想是以用戶(hù)的訴求為引導(dǎo)，運(yùn)用三次設(shè)計(jì)等方法打造的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，把問(wèn)題在設(shè)計(jì)的階段就全部解決，以最小的付出獲得最高的功能性，即就是至高的可靠性以及最高的產(chǎn)品質(zhì)量。

3.降額設(shè)計(jì)

3.1降額設(shè)計(jì)的概念

降額設(shè)計(jì)指的是使零部件的使用力度小于其額定力度的一種設(shè)計(jì)方式。降額設(shè)計(jì)可以用降低零件的承受力或者提高零件的強(qiáng)度等方式來(lái)辦法來(lái)促成。

3.2降額設(shè)計(jì)的具體方法

許多工程的經(jīng)驗(yàn)表明，一部分的機(jī)械零件在小于額度規(guī)定的承載應(yīng)力之下作業(yè)時(shí)，其發(fā)生故障的概率比較低，可靠程度比較高。為了找到最佳的降額數(shù)值，需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)分析。當(dāng)機(jī)械的零部件載荷力以及負(fù)荷這些應(yīng)力的負(fù)責(zé)零部件的強(qiáng)度大小在某一個(gè)范圍內(nèi)呈現(xiàn)不確定的分布情況時(shí)，可以運(yùn)用提升平均強(qiáng)度、下降平均應(yīng)力，減低應(yīng)力的變化和削減強(qiáng)度變化等方式來(lái)提高其可靠程度。而在應(yīng)對(duì)涉及安全的組成零部件時(shí)，還可運(yùn)用極限設(shè)計(jì)法，來(lái)保障其在最嚴(yán)酷的極限情形下也不會(huì)出現(xiàn)故障。

4.預(yù)防故障設(shè)計(jì)

4.1預(yù)防故障設(shè)計(jì)的概念

預(yù)防故障的設(shè)計(jì)含義主要是根據(jù)往常的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)和各類(lèi)信息，采用各種有效方式，防止產(chǎn)品故障的發(fā)生，或控制故障發(fā)生的概率不超出規(guī)定的范圍。

4.2預(yù)防故障設(shè)計(jì)的措施

機(jī)械產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展中，累積了許多的設(shè)計(jì)以及使用經(jīng)驗(yàn)。所以，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)主要運(yùn)用傳統(tǒng)的技藝以及豐富的經(jīng)驗(yàn)來(lái)規(guī)范設(shè)計(jì)的制度，并運(yùn)用較為可靠的分析技術(shù)來(lái)保障產(chǎn)品的可靠性能，這是產(chǎn)品可靠性得到保障的最有效的方法。主要的技術(shù)有可靠性設(shè)計(jì)規(guī)則以及可靠性設(shè)計(jì)監(jiān)控表，如要加強(qiáng)機(jī)械產(chǎn)品的可靠性，那么要做的是從零部件的選擇上嚴(yán)格把關(guān)，利用以往的經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)的實(shí)驗(yàn)成果，優(yōu)先選取標(biāo)準(zhǔn)零件和通用零件。

5.簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

就機(jī)械產(chǎn)品而言，以可靠性模型的分析為依據(jù)。大部分都屬于關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，所以提高可靠性最基礎(chǔ)的原則就是在達(dá)到預(yù)定功能的前提下，設(shè)計(jì)應(yīng)該從簡(jiǎn)。從選擇安全實(shí)用的零部件、降低零部件數(shù)量和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約做起，零部件的數(shù)量應(yīng)該盡量減少，越簡(jiǎn)約可靠性越強(qiáng)，這是可靠性設(shè)計(jì)的基本原則，是降低故障率提高可靠性的最好方法。所以，要最大程度的采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約、有成熟的使用經(jīng)驗(yàn)的零件和技能，盡可能的減少不必要的零件，降低零部件發(fā)生故障的概率，保證整機(jī)系統(tǒng)可靠性最優(yōu)的實(shí)現(xiàn)。但不能因?yàn)榱慵臏p少而使其它零件執(zhí)行超額的工作量。否則，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)將不可能達(dá)不到提高可靠性的最終目的。

6.余度設(shè)計(jì)

因此余度設(shè)計(jì)這種方法是將可靠性水平較低的零件設(shè)計(jì)組成水平較高的可靠性的整體機(jī)械系統(tǒng)，一般運(yùn)用在電子產(chǎn)品之中，但是隨著機(jī)械系統(tǒng)趨向復(fù)雜化以及使用可靠性需求的提高。在成本以及重量還有可靠性的制約權(quán)衡下，也可采用這個(gè)方法。

7.安全設(shè)計(jì)

7.1安全設(shè)計(jì)的主要措施

安全設(shè)計(jì)的主要措施有：報(bào)警異常、安全裝置的設(shè)計(jì)、故障監(jiān)視的裝置等。異常報(bào)警設(shè)計(jì)法指的是在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候，把一套感應(yīng)報(bào)警的裝置與系統(tǒng)結(jié)合組裝起來(lái)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)能自動(dòng)報(bào)警，報(bào)警可運(yùn)用聲音、電光、振動(dòng)等方式。安全裝置的設(shè)計(jì)就是把最為重要的分系統(tǒng)以及部件安置在具有保護(hù)功能的設(shè)備之中，把與整套系統(tǒng)發(fā)揮的分系統(tǒng)有關(guān)的部件都保護(hù)起來(lái)，來(lái)增強(qiáng)其抗損壞能力。

8.損傷容限設(shè)計(jì)

8.1損傷容限設(shè)計(jì)的概念

損傷容限設(shè)計(jì)是在斷裂力學(xué)及破損安全設(shè)計(jì)的原理作為基礎(chǔ)，提出的一種新式的疲勞設(shè)計(jì)方式。

8.1損傷容限設(shè)計(jì)的措施

常規(guī)的疲勞設(shè)計(jì)方式與局部應(yīng)力的應(yīng)變法則都是以原材料的完整度為基礎(chǔ)的。但是，實(shí)際的零構(gòu)件在加工過(guò)程中，因?yàn)楦鞣N元素的干擾，一般都會(huì)有著這樣那樣的不足或裂痕。損傷容限設(shè)計(jì)是在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，一部分結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞時(shí)，能使這種損壞限制到最低。一直持續(xù)到下一個(gè)檢測(cè)或者維修前，保護(hù)整個(gè)結(jié)構(gòu)不會(huì)演變成致命破壞，以至于對(duì)整個(gè)機(jī)器功能的正常操作產(chǎn)生影響的設(shè)計(jì)，這種方在航空、船只等涉及安全的重要構(gòu)成中經(jīng)常被運(yùn)用。

9.可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)

9.1可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的必要性

一個(gè)產(chǎn)品或是零件在可靠性設(shè)計(jì)之后，并不能就保證它的工作能力一定達(dá)到了最優(yōu)狀態(tài)。所以，要使產(chǎn)品以及零件既能保障其一定的可靠性，又保證有最優(yōu)的工作能力能以及優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)將可靠性設(shè)計(jì)與和最優(yōu)化有效地科學(xué)地結(jié)合起來(lái)，形成可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)?？煽啃?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)，是在可靠性的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

9.2可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的原則

以概率論為原理，以計(jì)算機(jī)為操作手段。將可靠性設(shè)計(jì)和最優(yōu)化設(shè)計(jì)完美的結(jié)合，在保證了合理的可靠程度的基礎(chǔ)下，尋求最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)的方案。即把對(duì)可靠度的具體要求，結(jié)合在優(yōu)化問(wèn)題的條件之內(nèi)，結(jié)合到優(yōu)化的函數(shù)內(nèi)，采用優(yōu)化方法，來(lái)獲得產(chǎn)品參數(shù)的解。

結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性是設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及嚴(yán)格的監(jiān)管出來(lái)的。任何一個(gè)環(huán)節(jié)的疏忽都會(huì)影響可靠性的水平，所以說(shuō)，設(shè)計(jì)是奠定產(chǎn)品可靠性的重要保障，設(shè)計(jì)階段的可靠性更為重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳濤、李德杰，虛擬裝配技術(shù)[J]，彭城職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2014，16（2）：99-102.