機(jī)械設(shè)備可靠性分析論文

設(shè)備可靠性選修課論文機(jī)械設(shè)備可靠性分析摘要：機(jī)械的可靠性設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中具有重要的作用，它對(duì)機(jī)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(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的流程，以及在機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)中的常用的可靠性分析方法和設(shè)計(jì)技術(shù)，最后結(jié)合最近的機(jī)械可靠性的發(fā)展，介紹了機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，從而對(duì)可靠性技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展有一個(gè)全面的、客觀的認(rèn)識(shí)。引言：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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(jì)彌補(bǔ)了常規(guī)設(shè)計(jì)的不足，使得設(shè)計(jì)方案更加貼近生產(chǎn)實(shí)際。所謂可靠性是指“產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)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(chēng)為可靠度。可靠性工程的誕生已近半個(gè)世紀(jì)的歷史, 以電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)為先導(dǎo)的可靠性工程迄今發(fā)展得比較成熟, 已形成一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科。相比之下, 機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)與研究則起步較晚。所謂機(jī)械可靠性，是指機(jī)械產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下、規(guī)定的時(shí)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(cè)量、加工、制造和安裝誤差等因素的影響，使機(jī)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(jī)性的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)至關(guān)重要。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的貢獻(xiàn)率可達(dá)70%80%，可見(jiàn)設(shè)計(jì)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(jì)60年代, 對(duì)機(jī)械可靠性問(wèn)題引起了廣泛的重視并開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)研究。雖然國(guó)內(nèi)外都投入了研究力量, 取得了一定的進(jìn)展，但終因機(jī)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(jī)械可靠性設(shè)計(jì)在工程實(shí)際中應(yīng)用得并不廣泛。本文簡(jiǎn)要介紹了可靠性技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用，主要介紹了一些在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用的較為成熟的可靠性技術(shù)和可靠性設(shè)計(jì)方法，并且結(jié)合當(dāng)今可靠性工程學(xué)科的發(fā)展，指出了可靠性技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域中的發(fā)展和趨勢(shì)。正文：機(jī)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(jì)、制造、試驗(yàn)，到產(chǎn)品使用和維護(hù)，都會(huì)涉及到可靠性間題，也就是說(shuō)它貫穿于產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期之內(nèi)。如何使產(chǎn)品在整個(gè)壽命周期內(nèi)失效率最小，有效度高，維修性好，經(jīng)濟(jì)效益大，經(jīng)濟(jì)壽命長(zhǎng)，是我們對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)的根本目的。機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)并不是一種嶄新的設(shè)計(jì)方法, 而是在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上引入以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的可靠性設(shè)計(jì)方法。這樣的設(shè)計(jì)可以更科學(xué)合理地獲得較小的零件尺寸、體積和重量, 同時(shí)也可使所設(shè)計(jì)的零件具有可預(yù)測(cè)的壽命和失效率, 從而使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更符合工程實(shí)際。目前在機(jī)械工程中可靠性設(shè)計(jì)主要應(yīng)用在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、使用和維修等方面。現(xiàn)代生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)表明，在設(shè)計(jì)、制造和使用的三個(gè)階段中，設(shè)計(jì)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(biāo)的實(shí)現(xiàn)。可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)是可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但是試驗(yàn)不能提高產(chǎn)品的可靠性，只有設(shè)計(jì)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(jī)械產(chǎn)品與可靠性關(guān)系框圖機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，它包括整機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和零部件的設(shè)計(jì)。整機(jī)產(chǎn)品可將其作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的方式主要有兩種，第一種是根據(jù)零部件的可靠性預(yù)測(cè)結(jié)果，計(jì)算產(chǎn)品系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，這就是系統(tǒng)的可靠性預(yù)測(cè)，其結(jié)果滿(mǎn)足指標(biāo)要求即可。如果不能滿(mǎn)足要求，就要按第二種方式對(duì)零部件進(jìn)行可靠性分配，即把系統(tǒng)指標(biāo)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(píng)分分配法。零部件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件或質(zhì)量成熟穩(wěn)定的零件，一般零部件可按類(lèi)比的原則設(shè)計(jì)，重要零件應(yīng)按概率法設(shè)計(jì)，對(duì)一些關(guān)鍵零部件還應(yīng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。對(duì)產(chǎn)品的可靠性應(yīng)進(jìn)行評(píng)審、修改、再評(píng)審、再修改，直到滿(mǎn)足指標(biāo)要求為止。圖2所示機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)與可靠性保障之間的關(guān)系。圖2 機(jī)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(chēng)之為可靠性維修。它是以可靠性理論為基礎(chǔ), 通過(guò)對(duì)影響可靠性因素的具體分析和試驗(yàn), 應(yīng)用邏輯分析決斷法, 科學(xué)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(jī)械設(shè)備使用的可靠性。機(jī)械產(chǎn)品的可維修性與可靠性一樣, 是機(jī)械設(shè)備本身的一個(gè)可靠性指標(biāo), 在產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)時(shí),要進(jìn)行維修性設(shè)計(jì), 使設(shè)計(jì)產(chǎn)品在使用中的故障易發(fā)現(xiàn)、易檢查、易修復(fù), 力求防患于未然。在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行維修性設(shè)計(jì)時(shí), 要以最低的費(fèi)用來(lái)保持和恢復(fù)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(shí)間。因此, 要在可靠性理論的基礎(chǔ)上制定合理、經(jīng)濟(jì)的維修規(guī)程，采用先進(jìn)的故障診斷技術(shù), 使用標(biāo)準(zhǔn)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(jī)械維修工作進(jìn)一步走向科學(xué)化、現(xiàn)代化。由于可靠性技術(shù)貫穿于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研制、制造、裝配、調(diào)試、試驗(yàn)、使用、運(yùn)輸、保管、維修及保養(yǎng)等各個(gè)環(huán)節(jié)，因此應(yīng)該大力推廣建立在概率統(tǒng)計(jì)理論基礎(chǔ)上的可靠性設(shè)計(jì)方法，這樣不僅能解決過(guò)去用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所不能處理的一些問(wèn)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(jī)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(shí)用的經(jīng)驗(yàn), 以保證所研制的機(jī)械產(chǎn)品安全可靠。圖3 研發(fā)可靠機(jī)械產(chǎn)品的前提完善、準(zhǔn)確的可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)是可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。對(duì)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(jì)評(píng)價(jià)、試驗(yàn)檢測(cè)評(píng)價(jià)、用戶(hù)使用評(píng)價(jià)等檔案數(shù)據(jù)而談可靠性分析與估計(jì), 勢(shì)必是無(wú)源之水、無(wú)根之木企業(yè)應(yīng)該通過(guò)深度不同的產(chǎn)品試驗(yàn)、檢修、返修、公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)和研究報(bào)告等途徑獲取機(jī)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(jì)基本內(nèi)容進(jìn)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(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì), 就需要擁有機(jī)械產(chǎn)品及其零部件的可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。但是在工程實(shí)際中往往很難有足夠的資料來(lái)確定基本數(shù)據(jù)的概率特征。如圖4 所示, 如果沒(méi)有足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)積累, 可以根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與學(xué)術(shù)理論推斷而獲得數(shù)據(jù)。圖4 由經(jīng)驗(yàn)學(xué)術(shù)理論獲取基本隨機(jī)參數(shù)機(jī)械產(chǎn)品的主要質(zhì)量標(biāo)志是功能、壽命、重量/容量比、經(jīng)濟(jì)、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(chēng)為失效( 對(duì)于可修復(fù)的產(chǎn)品通常稱(chēng)為故障)。機(jī)械產(chǎn)品常見(jiàn)的失效形式如圖5所示。圖5 機(jī)械產(chǎn)品的常見(jiàn)失效形式圖6 機(jī)械產(chǎn)品的可靠性分類(lèi)可靠性分析是指綜合運(yùn)用概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)、材料和結(jié)構(gòu)學(xué)、故障物理學(xué)等科學(xué)知識(shí), 研究和度量機(jī)械產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)和規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力的整個(gè)過(guò)程。通過(guò)可靠性分析可以預(yù)測(cè)機(jī)械產(chǎn)品期望的可靠性, 可以進(jìn)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?xún)深?lèi)； 在機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中, 也可針對(duì)具體的極限狀態(tài)和失效模式（圖6)進(jìn)行可靠性分類(lèi), 并考慮失效模式間的相關(guān)性, 綜合進(jìn)行可靠性分析與設(shè)計(jì)。一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品( 如汽車(chē)) 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(dòng)輪) 、設(shè)計(jì)組( 如變速箱) 和功能載體( 如傳動(dòng)總成) 等功能單元逐步組裝而成。通過(guò)可靠性試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、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(fèi)用的信息, 可以確認(rèn)產(chǎn)品是否符合可靠性設(shè)計(jì)的定量要求。如圖7所示，根據(jù)具體問(wèn)題, 可靠性試驗(yàn)可分為破壞性試驗(yàn)和非破壞性試驗(yàn)。無(wú)論進(jìn)行破壞性試驗(yàn)還是非破壞性試驗(yàn), 都要忠實(shí)地記錄試驗(yàn)前( 標(biāo)準(zhǔn)條件) 、試驗(yàn)中( 試驗(yàn)條件) 、試驗(yàn)后( 標(biāo)準(zhǔn)條件) 的數(shù)據(jù), 以便進(jìn)行比較。圖7 可靠性試驗(yàn)的主要步驟和分類(lèi)可靠性設(shè)計(jì)工作的主要目的是盡早地估計(jì)或預(yù)測(cè)產(chǎn)品的預(yù)計(jì)安全與失效狀態(tài)，以便能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和排除機(jī)械設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)。為了能夠盡量放棄大規(guī)模的和耗費(fèi)時(shí)間、人力、物力、財(cái)力的可靠性試驗(yàn)，需要建立基于現(xiàn)有概率統(tǒng)計(jì)理論的可靠性計(jì)算與設(shè)計(jì)方法。當(dāng)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(yù)測(cè)。圖8為可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)容和方法。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是在60 年代迅速發(fā)展起來(lái)的設(shè)計(jì)方法，是數(shù)學(xué)規(guī)劃與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。數(shù)學(xué)規(guī)劃理論與方法的日趨成熟，計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，提供了在工程設(shè)計(jì)中普遍使用的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法，使之成為解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問(wèn)題的一種有效的工具?？煽啃?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)，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(huì)產(chǎn)生與合理安全性相協(xié)調(diào)的平衡設(shè)計(jì)，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?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的框圖見(jiàn)圖9。圖8 可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)容和方法圖9 可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)框圖8結(jié)論與展望：現(xiàn)在可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)越來(lái)越受到各行各業(yè)的重視，同樣可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)也應(yīng)該是我國(guó)機(jī)械工程學(xué)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(jì)人員合理地建立產(chǎn)品的安全容限和控制隨機(jī)參數(shù)對(duì)產(chǎn)品安全的影響，使產(chǎn)品的預(yù)測(cè)工作性能與實(shí)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(dāng)經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化產(chǎn)品。我國(guó)在機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)領(lǐng)域所取得的相關(guān)研究成果吸取了其他學(xué)科可靠性工程的優(yōu)秀研究成果，如：數(shù)學(xué)力學(xué)，土木建筑等。應(yīng)用這些研究成果對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，可以節(jié)省大量的人力、物力和財(cái)力，可以提高設(shè)計(jì)水平，縮短設(shè)計(jì)周期，對(duì)合理安排試驗(yàn)項(xiàng)目，驗(yàn)證可靠性設(shè)計(jì)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(qiáng)質(zhì)量，減少能耗，降低成本，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，可靠性技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用和不斷發(fā)展完善，必將促進(jìn)我們的機(jī)械行業(yè)實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展。參考文獻(xiàn)：1 張義民. 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)涵與遞