任瀚-----可靠設計論文.docx

國內(nèi)外機械可靠性研究領域的現(xiàn)狀和趨勢任 瀚（中國地質(zhì)大學（武漢）機械與電子信息學院，武漢）摘要： 本文通過對機械可靠性預測和機械可靠性設計兩方面，對國內(nèi)外機械可靠性的發(fā)展、現(xiàn)狀和趨勢進行了概述。關(guān)鍵詞 ：機械可靠性 預測 設計 優(yōu)化1.引言機械可靠性是指機械產(chǎn)品在規(guī)定的時間內(nèi)及工作條件下，完成它被要求的功能用途的能力，與其他可靠性一樣，機械可靠性由可靠性設計、可靠性預測、可靠性實驗、可靠性應用及可靠性維修等組成。機械可靠性的特點是不存在一個綜合性指標在來判定。由于設備在設計方案和機械工作的環(huán)境中涉及的因素很多，無法使用傳統(tǒng)的安全系數(shù)作為評價指標。下面在機械可靠性預測和機械可靠性設計方面對機械可靠性發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢進行綜述。2.機械可靠性的現(xiàn)狀 一、機械可靠性預測的現(xiàn)狀：可靠性預測，即是指一種預報方法，它根據(jù)已掌握的有關(guān)可靠性理論與數(shù)據(jù)來預報零件、部件、系統(tǒng)的可靠性，它為設計制造和使用提供了方便的數(shù)據(jù)?！?】可靠性的預測主要有零件的預測和整個系統(tǒng)的預測兩個方面，目前的機械零件可靠性預測主要集中在齒輪、軸承、彈簧以及鏈接器件的預測傷，在進行預測時，必須研究零件在規(guī)定工作條件下的主要的失效形式，然后在該失效形式下的研究失效的隨機規(guī)律，才能做出有效的零件可靠性預測。而研究失效形式的方式目前有兩種方法，其一，采取模擬現(xiàn)實的實驗方法，通過對零件在實驗中的表現(xiàn)規(guī)律，從而預測出零件在實際工作中的失效可能性，但這種方法應為實驗與實際存在狀態(tài)的偏差，所以可靠度還不是很準確。還有一種方式是通過現(xiàn)場大量調(diào)查來得到數(shù)據(jù)，然后運用統(tǒng)計學的方法進行計算預測，進而再對同類零件進行可靠性預測，這類方法雖得到的預測可能性較準確，但需要前人做大量的調(diào)查工作，在新出的零件或比較小眾的零件方面不能很好的進行可靠性預測。而在系統(tǒng)可靠性的預測中，雖然對零件進行了可靠性預測，但整體的可靠性并不等于所以零件可靠性簡單的綜合，所以對系統(tǒng)的可靠度計算，需要對在零件可靠度和系統(tǒng)中各零件之間的工作關(guān)系進行整合。機械可靠性預測的主要方法：目前使用得最多的便是數(shù)學模型法，它是根據(jù)系統(tǒng)的構(gòu)造建立相應的數(shù)學公式，從而計算出相應可靠度。一般先將整個系統(tǒng)解剖成不可劃分的小系統(tǒng)，先用簡潔的數(shù)學預測小系統(tǒng)的可靠度，然后在逐級而上，最后預測出整個系統(tǒng)的可靠性。除了數(shù)學模型法外，還有布爾真值表法、上下極限法等預測方法，它們是對無法用數(shù)學公式建模的系統(tǒng)進行可靠性預測。布爾真值表的方法是運用對所有種狀態(tài)進行逐一的分析，找個系統(tǒng)的工作狀態(tài)是所以可能之中的哪幾種并計算的概率，最后把所有正常工作狀態(tài)的概率相加，所得的便是系統(tǒng)的可靠度 。而上下限法是在系統(tǒng)特別復雜、無法建立數(shù)學模型的情況下時使用，它是通過預測整個系統(tǒng)的可靠度的上、下限從而預測出系統(tǒng)可靠度。二、機械可靠性設計的現(xiàn)狀：機械可靠性的設計是指機械可靠性設計通過相關(guān)的物理運算，分析出機械產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)無故障運行的時間和頻率，準確的計算出維修機械產(chǎn)品具體時間?！?】機械可靠性設計是一門邊緣性學科，涉及的科目比較多，運用的知識非常廣，但由于發(fā)展起步得比較晚，現(xiàn)在還沒有形成專門的科目體系。有記錄的最開始的可靠性設計是載二次世界大戰(zhàn)期間，德國科學家在對V2導彈研制過程使用了概率性的可靠性設計。隨著戰(zhàn)爭結(jié)束經(jīng)濟的發(fā)展，一些工業(yè)發(fā)達的國家對可靠性開始了有組織的研究工作，可靠性技術(shù)在這段時期進一步完善，理論研究不斷深入，為可靠性設計技術(shù)的進一步國際化奠定了基礎。到了現(xiàn)在人們逐漸發(fā)現(xiàn)可靠性設計對于傳統(tǒng)設計的優(yōu)勢越來越明顯，受到世界各國人民的高度關(guān)注和發(fā)揚光大，機械可靠性設計進入了現(xiàn)在國際化的時代?？煽啃栽O計的方法現(xiàn)在主要分為定性和定量兩種，定性設計方法是把成功的設計經(jīng)驗或失敗的經(jīng)驗教訓，有目標性地應用到機械設計中，避免故障或設計缺陷?？煽啃缘亩ㄐ栽O計方法，在分析故障及其影響的基礎上，不斷改進設計、消除故障并提出質(zhì)量控制、使用限制及防救措施的方案，來保證對機械可靠性的定性要求。定量設計方法是概率設計法以應力強度干涉模型和功能失效極限的狀態(tài)函數(shù)理論為基礎，將應力、強度視為隨機變量，利用概率方法計算出給定設計條件下產(chǎn)品的失效概率或可靠度，以符合給定的可靠性要求。現(xiàn)在廣為認知的可靠性設計方法具體有應力強度干涉模型法、中心點一次二階矩法、當量正態(tài)法、統(tǒng)計模擬實驗法、Fuzzy法等，在此就不再做詳細介紹。3.機械可靠性的發(fā)展趨勢隨著機械可靠性發(fā)展國際化，更多的人認識到了機械可靠性設計帶來的優(yōu)勢與優(yōu)點，生產(chǎn)中對機械可靠性的依靠也越來越大，現(xiàn)有的設計與預測方法早已滿足不了日益壯大的需求，許多新方法、新技術(shù)如雨后春筍般頻頻出現(xiàn)：一、在大型機械設備的機械可靠性設計中通過無失效模型對可靠性進行預測：針對大型機械在已有數(shù)據(jù)為無失效數(shù)據(jù)，壽命服從三參數(shù)Weibull分布的情況下，提出了一種全新的可靠度評估方法此種方法是在三參數(shù)Weibull分布的形狀參數(shù)下限為已知的情形下，將所有的無失效數(shù)據(jù)進行疊加，以此在已知大型機械設備壽命下限和置信度時，建立模型并得到大型機械設備在使用時的可靠度估計的單側(cè)置信下限，并據(jù)此判斷可靠度是否滿足一定條件和工程上的要求結(jié)果表明，該方法在工程應用中適用度高【3】二、將混合理論引入至機械系統(tǒng)可靠度計算理論中：基于混合理論建立多狀態(tài)多模式機械系統(tǒng)可靠性分析模型方法。首先按照不同失效機理特征和同一失效機理不同失效等級的特征，把機械系統(tǒng)單元分為不同狀態(tài)和不同模式，構(gòu)建多狀態(tài)多模式機械系統(tǒng)；其次，以混合圖表述單元多狀態(tài)多模式與單元綜合多狀態(tài)的邏輯關(guān)系，用混合算子給出由單元多狀態(tài)多模式分布推導單元綜合多狀態(tài)分布的算法；第三，推導多狀態(tài)多模式串聯(lián)單元、多狀態(tài)多模式并聯(lián)單元的混合形式；第四，建立混合多狀態(tài)系統(tǒng)可靠性分析模型，獲得多級系統(tǒng)可靠度，避免兩狀態(tài)系統(tǒng)因忽略故障隱患和功能退化狀態(tài)可能導致的重大危害，避免部件很多時采用獨立算法可能出現(xiàn)系統(tǒng)可靠度趨于零的不合理現(xiàn)象?！?】通過將混合理論引入多狀態(tài)多模式機械系統(tǒng)，解決了系統(tǒng)多狀態(tài)多模式下統(tǒng)一劃分的難題。多狀態(tài)多模式系統(tǒng)的機械可靠性分析模型在機械可靠性評估方面有很大效性和優(yōu)越性。三、FMEA在工程機械系統(tǒng)可靠性設計越來越被我國的工程師重視：FMEA即故障模式及影響分析方法(Failure Mode andEfects Analysis)是一種“自下而上”的定性分析方法，是一種行之有效的系統(tǒng)分析方法。相應的國際標準有IEC 60812，QS 9000被汽車行業(yè)采用，我國也有一些相關(guān)標準如GB 782687、GJB 139192?！?】該方法目前在國際上已經(jīng)被廣泛認可和普遍的采用。許多歐諾個也大國都將此方法列為機械設備生產(chǎn)設計中的強制標準，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和工業(yè)的進步，對機械可靠性的需求逐漸提高，我國開始將此方法逐步應用到機械可靠性設計中去，并建立相應的國標對其進行完善和規(guī)范，通過將此方法引入實際生產(chǎn)設計，能夠發(fā)現(xiàn)機械系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，專門針對薄弱環(huán)節(jié)進行優(yōu)化設計和維護保養(yǎng)，大大提高機械產(chǎn)品的可靠性。四、機械可靠性設計與優(yōu)化設計相結(jié)合：常規(guī)的可靠性設計，通常是容易在零件和整體可靠性設計中產(chǎn)生矛盾，一是零件的可靠性設計過高造成系統(tǒng)冗雜和機械產(chǎn)品的不吻合與過度使用材料，還有事機械整體的可靠性設計過高部分零件設計中達不到要求或很難反映零件的實際情況，在這時可靠設計和優(yōu)化設計的結(jié)合就顯得相當重要，通常采用可靠性設計和優(yōu)化設計同時并行設計的方法，在考慮整體可靠性的同時考慮零件的可靠性以及體積、總質(zhì)量和成本等因素，優(yōu)化分配工程機械的可靠度，使得整個設計達到最優(yōu)化最省材料的狀態(tài)，有利于產(chǎn)品合理可靠，技術(shù)性能指標優(yōu)良，價格成本低廉。五、將各種新的算法運用到機械可靠性設計中去：例如近年來很熱門的神經(jīng)網(wǎng)絡與遺傳算法，伴隨著這幾年神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法的研究的迅速發(fā)展和日趨成熟，國內(nèi)外已有一些學者開始嘗試將神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法應用到機械可靠性優(yōu)化設計中。國內(nèi)也開始了對這些新算法的嘗試，如余建星等采用神經(jīng)網(wǎng)絡方法，較好地解決了含有混合設計變量的可靠性優(yōu)化設計問題。4.結(jié)束語 機械可靠性在材料節(jié)省和使用壽命結(jié)果優(yōu)化中的優(yōu)勢，使得它在機械相關(guān)的生產(chǎn)制造設計中愈來愈被國家和人們重視，相信不久的將來機械可靠性能形成獨特的科目體系，并在國內(nèi)日益發(fā)展壯大?！?】華中工學院機械