机械产品可靠性设计方法探讨

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摘要：在机械产品设计中，设计人员的首要工作就是产品可靠性的设计。为了提高机械产品设计中的可靠性，设计者需要从多方面入手，深刻认识并认真分析机械产品特点，遵循一定的可靠性设计原则，将现代可靠性设计方法与传统可靠性设计方法有效结合，选择最适合的可靠性设计方法，努力提高机械产品的可靠性。

关键词：机械产品;可靠性设计;设计方法;失效模式;失效率

产品可靠性即是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。产品可靠性设计就是在满足性能、费用、时间等条件下，使设计的产品达到满意可靠性要求的过程。产品可靠性是设计人员在设计过程中赋予产品的固有属性，因产品的可靠性设计是产品可靠性的首要条件与有力保障。可靠性设计起源于电子产品领域，现已渗透到机械产品及其他学科领域，并逐渐渗透到社会科学领域。现代化机械产品可靠性设计不仅涉及传统的机械设计技术的应用，还融合了系统工程、价值工程、环境工程和计算机技术等新兴工程或技术的应用。

1机械产品可靠性的特点

机械产品可靠性有不同于电子产品可靠性的独有特点，我们需要深刻认识并认真分析这些特点，然后，在机械产品可靠性设计中做出科学决策。

1.1失效模式的多样性与复杂性

机械产品的失效模式与其材料、结构、载荷等密切相关，尤其是模式之间还存在一定的相关性。机械产品要实现同一功能，采取的结构形式不同，相关零部件所处的应力状态就不同；规定功能的失效模式可以是疲劳、老化、堵塞、渗漏、松脱等或它们的诸多组合；一个零部件可能有多种失效模式，同一失效模式可能发生在不同部位。失效模式的多样性增加了失效机理分析的复杂性。

1.2零部件通用化、标准化程度低

机械产品的功能零部件多数是非标准件，只有少数零部件如轴承、密封件、阀、泵等实现标准化、通用化，供设计人员选型设计。多数零部件因功能不同、结构各异，只是将其特征参数(如齿轮模数、液压缸直径等)标准化设计。设计人员在设计时，要考虑的载荷、几何尺寸、材料性能等因素具有分散性和随机性，因而难以同电子产品那样统计其失效率。

1.3产品耐久性地位突出

机械产品的零部件失效既有偶发性失效，也有损耗性失效。后者失效机理多数与磨损、腐蚀、老化等损耗过程相关，有渐变性特点，通常用极限状态准则来判断渐变性失效。电子产品以偶发性失效为主，用失效率为常数的数学模型来描述渐变性失效就受到限制。机械产品除可靠性参数外，还要反映耐久性参数、来回的机械产品及其功能零部件的可靠寿命。

1.4可靠性数据收集困难

机械产品数量少，价格昂贵，体积大，实验室获取足够容量的样本比较困难；实验室台架试验只能模拟主要的使用环境，现场试验有些影响因素又难以控制，获得的试验数据置信度较低；同时，损耗性失效试验周期较长，有时只能靠实际使用才能获得，造成数据收集困难。

2机械产品可靠性设计应遵循的原则

在机械产品可靠性设计中，需遵循以下基本原则。

2.1传统设计与现代设计相结合原则

虽然传统的安全系数法存在不足，受到了严峻的挑战，然而，它有直观、简单、易懂，设计人员工作量减小等优点，且基本能满足机械产品的可靠性要求，尤其是不重要的情况或影响因素复杂且难精确分析的情况，有丰富经验基础的传统安全系数法很有价值。目前，大多采用现代概率设计的理念优化完善传统的安全系数法，对一些条件成熟或精度要求高的关键零部件进行可靠性概率设计。

2.2定量设计与定性设计相结合原则

定量设计是根据应力和强度分布，建立极限状态函数关系，对可靠性进行定量的分析和计算，设计出满足规定可靠性要求的产品。定向设计是在进行失效模式影响及危害性分析的基础上，有针对性地应用成功的设计经验，设计出达到规定可靠性要求的产品。但不是所有的性能指标都能定量表达定量计算出来，仅实施定量设计无法解决全部的可靠性问题。对于一些不宜或无法采用定量表达的可靠性要求，采用定性设计就尤为重要。定性设计可检查设计人员是否考虑到潜在的故障模式，避免重复过去发生过的故障，以确保机械产品的设计质量和可靠性。

2.3可靠性设计与耐久性设计相结合原则

机械产品的失效包括偶发性和损耗性两种，因其失效机理不同，应当在设计中分别予以考虑。可靠性设计主要针对偶发性失效，决定产品多长时间失效一次；耐久性设计主要针对损耗性失效，决定产品的可靠寿命。一般认为，偶发性失效服从指数分布，失效率为常数；而损耗性失效多服从威布尔分布，失效率为时间的函数。

3机械产品可靠性设计的方法

机械产品处于正常还是失效状态，与所承受荷载密切相关，产品结构一旦确定，结构所承受的极限荷载就确定了，这个极限荷载我们一般称为临界荷载。当外在荷载远小于结构临界荷载时，产品可以正常工作；外在荷载大于于结构临界荷载时，产品可能失效发生故障。现代可靠性设计利用相关软件完成三维模型设计，然后，约束条件施加规定荷载，进行应力、强度分析与计算。但是，材料强度和载荷分布的数据缺乏实际依据，再加上模型受力分析所考虑的影响因素往往少于使用中的实际因素，其推广应用受到了一定限制，一般只在关键零部件的设计中使用。机械产品所承受的荷载不同，所设计的功能结构也就不同，且其可靠性又有系统可靠性和零部件可靠性之分，这就需要对机械产品的结构、损耗以及故障等情况进行全面综合考虑，然后，针对性地进行产品设计，提高整机的可靠性。

3.1系统故障的预防设计

在运行属性上，大多数机械产品都属于串联系统，其中任一单元发生故障而失效时，系统就丧失规定的功能而失效。因而为确保机械产品整机的可靠性，设计者就需要关注产品设计细节，从小小零部件就得严格控制设计质量：优先选用符合要求的标准件和通用件，严格按设计标准进行设计选型；其次，选用得到应用或试验验证的零部件，充分利用已有的故障分析成果，对成熟的设计经验或验证后的设计方案进行优化设计。

3.2功能结构的简化设计

机械产品大多是串联系统，越简单越可靠是机械产品的基本设计原则，也是机械产品提高可靠性降低失效率最行之有效的方法。因此，在满足规定功能的前提下，应优先采用结构简单的机械设计。设计者若能简化结构设计，减少零部件数量，就能提高机械产品的可靠性。需要指出的是，简化设计不能因为零部件数量的减少，而使其他零部件执行超常功能或在超常荷载条件下工作，否则，将实现不了提高可靠性的简化目的。

3.3零部件的降额设计

降额设计就是让零部件的实际承受应力低于其额定应力的一种设计方法，实施路径有二，一是降低零部件所承受的荷载应力，二是提高零部件的结构强度。实践证明，在低于额定应力条件下，大多数机械产品故障失效率较低，可靠性较高。当机械零部件在某一范围内，其荷载应力、荷载状态下的结构强度呈不确定时，可通过加大安全系数来实现平均强度的提高，以降低平均承受应力；通过限制使用条件来实现应力变化的减少，以减少结构强度变化。对于关键零部件，可采用极限状态设计法，以确保零部件在最恶劣的极限状态下也不发生故障。

3.4零部件的余度设计

余度设计就是对完成规定功能的零部件，设置重复功能机构的一种设计方法，其目的在于当局部零部件发生故障而失效时，整机或系统设备不丧失规定功能，以确保机械产品的运行稳定性。当机械产品局部零部件可靠性要求很高，通过传统的设计方法又无法实现，或者提高可靠性的优化费用比重复设置还高时，余度设计就成为一种较好的设计选择，例如，采用双泵或双机配置的机械系统。余度设计设有重复结构，其重量、体积、成本均相应增加。需要指出的是，余度设计提高了机械系统整机的可靠性，但基本可靠性会相应降低，制造成本会相应增加，因此，设计时应慎重选择。

4结语

综上所述，机械可靠性设计是将概率论、数理统计、失效物理和机械学相互结合而形成的一种设计方法。其主要特点是将传统设计方法中视为单值而实际上具有多值性的设计变量，如载荷、应力、强度、寿命等看成某种分布规律的随机变量，用概率统计方法设计出符合机械产品可靠性指标要求的零部件和整机的主要参数及结构尺寸。随着计算机技术的发展，模拟结构力学分析模型日趋完善，计算机辅助设计、有限元分析等新技术将得到广泛应用，但不管如何发展进步，现代可靠性设计方法绝离不开传统的可靠性设计方法，其二者的有效结合才是设计者的最优选择。

参考文献：

[1]李偲，梅晓雄.机械产品可靠性设计理论及方法研究[J].南方农机，2019，50(04):37+41。

[2]师文栋.机械产品的可靠性设计方法研究[J].科学技术创新，2019(06):194-195.

[3]杨泳超.机械产品的可靠性设计方法研究[J].河南科技，2019(01):35-36.

作者：涂晓琴 单位：三川德青工程机械有限公司