機械設(shè)備可靠性分析論文

設(shè)備可靠性選修課論文機械設(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)定功能的能力或性質(zhì)”?？煽啃缘母怕识攘糠Q為可靠度?？煽啃怨こ痰恼Q生已近半個世紀的歷史, 以電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計為先導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“先天優(yōu)劣”的本質(zhì)特性。上世紀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)合當今可靠性工程學科的發(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。現(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)是保證產(chǎn)品可靠性指標的實現(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)零部件的可靠性預測結(jié)果，計算產(chǎn)品系統(tǒng)的可靠性指標，這就是系統(tǒng)的可靠性預測，其結(jié)果滿足指標要求即可。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)指標分配到零部件上?？煽啃苑峙浞椒ㄖ饕械确峙浞ā⒃俜峙浞?、比例分配法和綜合評分分配法。零部件設(shè)計時，應(yīng)盡量采用標準件或質(zhì)量成熟穩(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, 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)、易檢查、易修復, 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), 使用標準的維修工具及設(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。圖3 研發(fā)可靠機械產(chǎn)品的前提完善、準確的可靠性基礎(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)驗與學術(shù)理論推斷而獲得數(shù)據(jù)。圖4 由經(jīng)驗學術(shù)理論獲取基本隨機參數(shù)機械產(chǎn)品的主要質(zhì)量標志是功能、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)品的常見失效形式圖6 機械產(chǎn)品的可靠性分類可靠性分析是指綜合運用概率論與數(shù)理統(tǒng)計學、材料和結(jié)構(gòu)學、故障物理學等科學知識, 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( 標準條件) 、試驗中( 試驗條件) 、試驗后( 標準條件) 的數(shù)據(jù), 以便進行比較。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測產(chǎn)品的預計安全與失效狀態(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)學規(guī)劃與現(xiàn)代計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。數(shù)學規(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，使之成為解決復雜設(shè)計問題的一種有效的工具?？煽啃詢?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)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。圖8 可靠性設(shè)計的內(nèi)容和方法圖9 可靠性優(yōu)化設(shè)計框圖8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，同樣可靠性設(shè)計技術(shù)也應(yīng)該是我國機械工程學科與行業(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科可靠性工程的優(yōu)秀研究成果，如：數(shù)學力學，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)展完善，必將促進我們的機械行業(yè)實現(xiàn)更好的發(fā)展。參考文獻：1 張義民. 機械可靠性設(shè)計的內(nèi)涵與遞