機(jī)械零件的可靠性設(shè)計(jì)

1、機(jī)械零件的可靠性設(shè)計(jì) 崔麗娟 (河北秦皇島燕山大學(xué)里仁學(xué)院 , 河北 秦皇島 066004【摘要】 以泥缸連接螺栓為例論證了機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)的優(yōu)越性 , 并分析了可靠性設(shè)計(jì)方法與傳 統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)思想 、 設(shè)計(jì)原理上的區(qū)別 。關(guān)鍵詞 :可靠性設(shè)計(jì) 拉伸載荷 可靠度 正態(tài)分布 概率 可靠性設(shè)計(jì) , 又稱機(jī)械概率設(shè)計(jì) , 是機(jī)械零件現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之一。 簡(jiǎn)單地講 , 是把載荷、 材料強(qiáng)度、 零部件尺寸等與設(shè)計(jì)有關(guān)的參數(shù)、 變量等要素視為符合某種概率分布的統(tǒng)計(jì)量 , 應(yīng)用概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論及強(qiáng)度理論 , 求出在給定設(shè)計(jì)條件下零部件產(chǎn)生破壞的概率公式 ; 并應(yīng)用這些公式 , 求出在給定可靠度下零部件

2、的尺寸、 壽命等。 目前 , 該設(shè)計(jì)方法廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、 汽車等重要產(chǎn)品以及其它機(jī)械產(chǎn)品內(nèi)重要部件的設(shè)計(jì)過程中。作為常見的建材機(jī)械 , 我們?cè)谠O(shè)計(jì)擠磚機(jī)及其輔助機(jī)組的結(jié)構(gòu)、 部件、 零件時(shí) , 仍主要使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。能不能把先進(jìn)、 科學(xué)的可靠性設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到擠磚機(jī)等機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中呢 , 還是讓我們來看一看例題吧。例題 :某雙級(jí)真空擠磚機(jī) , 其下級(jí)對(duì)開泥缸直徑為450mm , 設(shè)計(jì)擠出壓力為 2MPa , 沿泥缸周向均勻分布16根聯(lián)結(jié)螺栓 , 材料為 A3, 請(qǐng)計(jì)算螺栓直徑 (A3鋼屈服極限的平均值為 s =240MPa , 屈服極限的標(biāo)準(zhǔn)差為s=19. 2MPa ; 作用的拉伸載荷的平

3、均值為 p , 其標(biāo)準(zhǔn)差 p =0. 06p 。解 :1、 首先根據(jù)已知條件計(jì)算每根螺栓的受力大小 (設(shè)螺栓的螺紋小徑剖面面積為 A 。正常工作時(shí)泥缸受力 F = A =4×(0. 452 ×(2×106 =32×104N則每個(gè)螺栓受力為 p =416=2×104N同時(shí)根據(jù)已知條件可知拉伸載荷的標(biāo)準(zhǔn)差為 p =0. 06p =1200N2、 用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法求螺紋小徑許用應(yīng)力 = S=1. 5=160MPa小徑處剖面直徑面積 A = =160=125m m 2即剖面直徑 d =12. 62mm3、 按 S =1. 5, 可靠度 R =0. 99時(shí)

4、設(shè)計(jì) (此時(shí)產(chǎn)品 破壞概率為 1% 。根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)公式可知 , 螺栓中應(yīng)力的平均值 及標(biāo)準(zhǔn)差分別為 :L=p /A L =P /A按標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)隨機(jī)函數(shù)表 1(摘引 ,R =0. 99時(shí) , 其 對(duì)應(yīng)的分位數(shù) p =-2. 33, 于是按公式有-2. 33=-2S+2l=-240-1. 522+(A2解得 :桿的剖面面積 A =156. 4mm 2所以直徑 d =14. 1mm 表 1 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)隨機(jī)函數(shù)表 (摘引 查表 R =0. 9999時(shí) , 其對(duì)應(yīng)的分位數(shù) p =-3. 72, 于是按公式有-3. 72=-2S+2l=-240-1. 522+(A2解得 :桿的剖面面積 A =182mm 2

5、所以直徑 d =15. 2mm由表 1可以看出 , 在相同的外界條件下 , 傳統(tǒng)設(shè)計(jì) 方法與可靠性設(shè)計(jì)方法在不同可靠度時(shí)計(jì)算的結(jié)果是 有差別的 。 為什么會(huì)有這種區(qū)別 , 哪一種方法更貼近 實(shí)際 ? 我們可從以下幾個(gè)角度加以分析 。a. 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中 , 沒有考慮參數(shù) 、 數(shù)據(jù)的分散性 , 認(rèn) 磚瓦 2003年第 3期 技 術(shù) 經(jīng) 驗(yàn) 30© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.為動(dòng)載荷 、 靜載荷 、 強(qiáng)度極限 、 彈性模量 、 極限應(yīng)力 、 剖 面慣性矩 、 機(jī)加工尺寸 、 材

6、料性能等與設(shè)計(jì)有關(guān)的參數(shù) 或變量 , 不隨時(shí)間的變化而變化 , 設(shè)計(jì)中使用的是平均 值 。 顯然 , 這是一種理想狀態(tài)下的設(shè)計(jì)和分析 , 而可靠 性設(shè)計(jì)中 , 認(rèn)為所有與設(shè)計(jì)有關(guān)的變量均隨時(shí)間的變 化而變化 , 并將它們視為屬于某種概率分布的統(tǒng)計(jì)量 。 這樣 , 設(shè)計(jì)中就保證了載荷測(cè)定的準(zhǔn)確性和材料性能 的穩(wěn)定性 , 從而保證了結(jié)構(gòu)的可靠性 。b. 在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中 , 為了保證機(jī)械的可靠性 , 往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn) , 對(duì)影響計(jì)算結(jié)果的各個(gè)參數(shù)乘以相應(yīng)的系數(shù) , 例如載荷系數(shù) 、 溫度系數(shù) 、 工作環(huán)境系數(shù) 、 時(shí)間系數(shù)等 , 最后還要乘以安全系數(shù) 。 因此 , 在這種加入了主觀的 、 人為因素的模式下

7、進(jìn)行設(shè)計(jì) , 勢(shì)必與實(shí)際情況存在差 異 。 換句話說 , 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是由于人們對(duì)影響設(shè) 計(jì)的隨機(jī)變化的因素缺乏精確的計(jì)算 , 而不得不綜合 考慮各種因素的影響而進(jìn)行估算 。 即便如此 , 對(duì)于某 些重要的場(chǎng)合 , 該設(shè)計(jì)方法仍令人放心不下 ; 而可靠性 設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)做了統(tǒng)計(jì)分析 , 這樣求得的安 全系數(shù)就更加貼近實(shí)際 。從例題的計(jì)算過程也可以看出 , 可靠性設(shè)計(jì)方法 是在確定了產(chǎn)品破壞概率的前提下進(jìn)行的準(zhǔn)確計(jì)算 。因此 , 以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等作為工具的可靠性 設(shè)計(jì)方法 , 是在對(duì)產(chǎn)品的使用和時(shí)效進(jìn)行分析 、 統(tǒng)計(jì)的 基礎(chǔ)上 , 得出的一套指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研究的科學(xué)的計(jì) 算法則 。

8、與常規(guī)設(shè)計(jì)方法相比 , 去除了主觀的人為因 素在設(shè)計(jì)過程中的影響 , 綜合考慮了外界條件變化 , 設(shè)計(jì)結(jié)果更貼近實(shí)際 。 因此 , 應(yīng)該得到更為廣泛的應(yīng)用 。作為一種科學(xué)的計(jì)算方法 , 可靠度計(jì)算公式有其 詳細(xì)的推導(dǎo)過程 。 作為介紹性的文章 , 本文不再贅述 。 在此僅將可靠性設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)特點(diǎn)強(qiáng)調(diào)如下 。a. 基本條件 。 機(jī)械設(shè)計(jì)中 , 我們常根據(jù)材料的強(qiáng)度 、 剛度 、 壽命等來設(shè)計(jì)符合要求的產(chǎn)品或結(jié)構(gòu) , 此時(shí) 應(yīng)用的各種方程 、 數(shù)據(jù)中明顯地或隱含地包括諸如動(dòng) 載荷 、 靜載荷 、 強(qiáng)度極限 、 彈性模量 、 極限應(yīng)力 、 剖面慣 性矩 、 機(jī)加工尺寸等與機(jī)械設(shè)計(jì)有關(guān)的參數(shù)和變量

9、。 大量統(tǒng)計(jì)資料表明 , 在一般情況下 , 這些參數(shù)多呈正態(tài) 分布 , 均可用正態(tài)分布來描述 。 因此 , 在機(jī)械零件的可 靠性設(shè)計(jì)中的大部分計(jì)算方法中自然引入正態(tài)分布的 有關(guān)理論 。 當(dāng)然 , 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況 , 有的計(jì)算方法中 也引入對(duì)數(shù)分布 、 指數(shù)分布等理論 。b. 各種參數(shù)的變化對(duì)可靠度設(shè)計(jì)結(jié)果影響的分析 。 從計(jì)算公式可以看出 , 強(qiáng)度值和應(yīng)力的分散性增 加 , 將導(dǎo)致可靠度迅速下降 。 因此 , 只有保證標(biāo)準(zhǔn)差恒 定 , 才能保證可靠性設(shè)計(jì)的結(jié)果付諸應(yīng)用 。 或者說 , 可 靠性設(shè)計(jì)的先進(jìn)性是要以材料制造工藝的穩(wěn)定性和對(duì) 載荷測(cè)定的準(zhǔn)確性為前提條件的 。 這一點(diǎn)必須引起設(shè) 計(jì)者的注意 。c. 作為一門應(yīng)用科學(xué) , 可靠性設(shè)計(jì)還廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)的各種問題中 , 如受彎扭等聯(lián)合作用的軸的 設(shè)計(jì) 、 機(jī)械疲勞強(qiáng)度的可靠性