基于机械结构产品的可靠性设计分析

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可靠性是衡量产品质量的重要指标之-，可靠性的重点是放在产品的设计与研制阶段，因此要提高产品的可靠性，需要从系统设计开始就同步进行可靠性的设计 ，可靠性的设计应贯穿设计的始终 ，从源头上保证实现系统的可靠性要求。目前国内外产品可靠性研究的现状表明：对于电子产品的可靠性设计在国内外早已开始 ，并已较为成熟了，有了较为完善的标准和手册[1]。而机械产品因为其载荷谱的多样性、复杂性和不确定性等重要因素，造成了对机械产品可靠性研究的难点，因此，其可靠性设计成为目前国内外研究的焦点，机械产品可靠性相关的标准和手册基本上没有，而在环境应力发生较大改变的情况下，机械故障较为突出，因此探索具有-定通用性的机械产品的可靠性设计准则是各研究单位关注的重点。目前，许多高新产品应用了新材料、新技术和新工艺，缺乏实用经验和试验数据，可靠性的设计主要通过可靠性试验、故障诊断和寿命预测等试验以及设计人员的经验来开展。本文在分析机械产品可靠性特点的基础上 ，结合实际的工程研制经验开展机械产品的可靠性设计要求 的应用分析 ，以期为工程设计人员提供-定的设计依据。

1 机械产 品的可靠性特点分析机械产品与电子产品不同，在可靠性方面有自己的特点：1)机械产品内部的各元件互相依存。在电子产品的可靠性研究中发现，电子产品中元器件可以完全独立，其故障模式也可以独立。例如：在 PCB板中某-个电子元件失效 ，则更换故障元件即可使系统恢复正常；但在机械产品中，各元件之间并不是完全独立的。元件之间相互依存 ，-个元件失效时与其相关的其它元件将受到-定影响。同时，机械产品往往存在最薄弱元件尚未失效前其它元件却已出现失效的情况 ，从而使系统可靠度实际低于最弱元的可靠度”]。而可靠性的研究实质是对故障的研究 ，因此 ，对于存在较多的关联性故障，对于机械产品故障率的统计也较为困难。

2)采用非标准结构件的产品较多。电子产品中许多元器件都是具有相同的规格型号，属于标准件 ，在不同的系统中可以采用同样型号的电子元器件；但机械产品的结构往往不具有通用性，其内部的元器件需要专门设计加工。这就造成机械产品的可靠性预计工作较为困难。电子产品的可靠性预计有专门的预计手册国军标 GJB/Z 299A-1991《电子设备可靠性预计手册》进行预计；对于标准的电子元器件不同质量等级对应不同的失效率，符合指数分布规律，在可靠性预计手册中可以查到；对于机械产品有时可以用相似产品法进行预计 ，而对于其零部件来说，尤其是非标的零部件，其失效率的规律难以明确。通过大量的实验和经验总结得出相关数据是获得机械产品零部件故障率的有效途径之-，但机械产品的磨损、耗损的规律变化大，在不同的应力环境下，其损耗规律是很难定量的研究。

3)环境试验是机械产品和电子产品的必要试验。两者的试验考核周期、试验项目、费用以及试验数据结果应用范围等都较大的区别。按照产品可靠性工作项 目的要求，机械产品结合环境适应性需要做如温度、振动、加速度、湿度等环境试验，对机械产品来说，寿命试验也经常是必不可少的。而电子产品其电磁兼容性试验则是必不可少 的。

4)电子产品的基本可靠性可以用 MTBF参数来表征，而机械产品的可靠性表征参数有自身的特点和性质 ，不能完全使用电子产品的可靠性研究方法。在实际使用过程中，可以注意到机械产品的零部件有突发的故障，也有经历-段时间后的机械疲劳故障，也称为耗损故障。研究机械产品的总的故障应该包括两部分：平均故障时间和耐久性，即可靠性的寿命时间。因此，与电子产品不同，机械产品的基本可靠性的参数经常是通过平均无故障时间和寿命时间来表征。

2 建立可靠性模型建立可靠性模型是分析计算产品可靠性设计和分析的前提∩靠性模型分为基本可靠性模型和任务可靠性模型。基本可靠性模型为串联模型，是把所有的组成单元都考虑进去，而任务可靠性模型则是根据在任务剖面中，主要考虑对任务的成败有着最终影响的组成部分，可以是串联和并联的混合模型。模型建立的过程是确定任务剖面，在分析系统组成的基础上，画出可靠性模型的框图，并最终得出数学模型。主体基于机械结构的产品多为串联结构的成败型产品，以此为例 ，该种产品的基本可靠性的评估主要是对机械零部件失效率的评估，主要是服从威布尔分布 ，尤其是三参数的威布尔分布。见式(1)：- ，t-t 、 -7(t) f -。I ( ≥ ) (1)11 ，其中，X(t)为故障率 ，m、 、lo为威布尔分布的形状参数、尺度参数、位置参数。

而任务可靠性的评估可以采用对成败型的产品常用二项分布的评估方法。见式(2)：F∑( ) ～(7- ) ：7 (2)X 0在上式 中：《工业控制计算机2013年第 26卷第 3期 125N-试验总次数 ；F-致命故障总数；R -任务可靠度的置信下限；y-置信度。

3 可靠性设计要求对基于机械结构的产品来说，-个总的设计原则是遵循成熟设计、简化设计的原则 ，降低对使用人员的技能要求，系统设计时要充分考虑各组件和技术的继承性和成熟性。对于-旦发生故障易引起严重后果的零部件、不易接近检查的部件应进行高可靠性设计，同时提高环境适应性。以导弹为例，在导弹的整体机械结构中，大多是密封结构 ，许多类型的产品交付后是不能拆开检查的，否则就会破坏产品的性能。严格的说，军方对许多类的产品都提出了免维护的需求，而这种免维护则是建立在高可靠性的设计基础上的。

1)对产品来说，系统设计要遵循成熟设计原则，应充分考虑其继承性和成熟性 ，控制新技术采用比例 ，新技术采用必须有良好的预研基矗对于新技术的具体量值没有作专门规定 ，根据需求。但-般不超过 20%30%。

2)实施简化设计 ，结构力求简单，减少元器件 、零部件的品种、数量，将各 自独立组成部分的数量和复杂程度减至最少限度；简化设计应以系统满足技术指标为前提，在寿面剖面和任务剖面，不应超出零部件、元器件所能承受的各种应力值 ；在满足技术性能要求的前提下 ，应使简化设计 ，减少零部件、元器件的规格、数量，并满足标准化、通用化要求。例如：在产品批量生成时 ，批量产品可互换的部件应该设计成通用的、拈化的结构。

在简化设计的要求下，元器件、零部件的选择应不局限于-个厂家，且应有多个可替代的厂家。

3)结构设计要求：规定结构装配基准，满足装配精度要求；连接可靠，拆装快捷；检测、使用、维护方便；应防止当相邻结构有较大温差时，由于热变形产生的过应力而引起的故障◆固件应有防松动措施；结构装配应防止有不可接受的应力加到管道、电缆及其他支撑连接、或终端上；连接在活动零部件上的所有管道、电缆等，均须以应力最小的方式固定 ，均应定位以使其在任何情况下不与邻近结构和部件相互妨碍；保证管道、电缆等不会产生反向或交叉连接。

4)机械结构应进行应力-强度优化设计 ，找出应力与强度的最佳匹配 ]。承受动载的重要结构 ，应进行应力响应分析、动强度校核。应进行结构刚度设计和可靠性设计，提高抗弯和抗扭刚度，结构必须能够承受限制的峰值载荷而不产生有害形变。例如：在某产品的方案设计阶段，-个重要的部件设计为悬臂的结构，环境试验中的振动、冲击破坏了这种悬臂结构。在改进设计(上接第 123页)图2 程序流程图中，首先对从理论上分析破坏悬臂结构所需的最大冲击 ，然后根据计算处理的数值对结构进行应力-强度优化设计，第二次的冲击、振动环境试验表明 ：经过应力-强度优化设计后的悬臂结构具有 了较强 的环境适应 能力 。

5)安装维护设计：各零部件、元器件、组件(特别是易损件和常拆件)的安装简便 ，安装件周围要有足够的空间；应考虑安装对系统可靠性的影响，避免由于安装设计不当而引起的定位困难、安装差错等。例如：对接口处多个航空插头的设计，应该设计成防差错结构形式，通常采用不同颜色标记以及插孔位置不同的方法来设计，避免操作人员的失误而造成设备损坏。

6)环境适应性设计：抗振动设计 ，抗温度冲击设计 ：设备壳体应有足够的热容量；旧能采用膨胀系数相同的材料；避免虚焊的发生。产品整体上要具有环境适应性，就要求每-个单元器件具有环境适应性，在考核时，通常采用环境应力加严考核或理论分析后进行试验验证的方法。例如：在机载环境下，产品上的- 个真空排气的截止阀，如何进行环境适应性的设计通过分析产品上阀门在机载条件下的环境应力情况，有高、低温、低气压、冲击、振动、湿度等环境应力 ，从真空阀的材料结构特性分析可知，冲击、振动的应力是该器件所需主要考核的应力环境。为了防止阀门的阀芯在机载的振动、冲击下松动，造成真空泄漏，在结构设计时专门在阀芯处加了防松固定的装置。

7)以标准化等方法实现部件 、拈、分系统 、系统层次的互用性 ，可以有效地提高系统的可靠性；同时降低了部件、拈的品种数 目，对于维修性、保障性产生积极的影响，从而提高系统的整体作战效能。例如：设计成拈化结构便于拆卸的产品，在发生故障时，操作人员首先直接采用备用的拈化组件替代故障拈 ，使产品快速地恢复正常；然后 ，再通过对更换下来的故障拈查找定位故障元器件 ，进行更换或修理。

4 结束语基于机械产品的可靠性设计是 目前可靠性研究的热点和难点 ，概率设计分析方法已逐渐引入了当前的研究中，以解决机械产品零部件可靠性的定量研究问题。产品的可靠性是体现在设计中的，可靠性设计是提高产品可靠性的前提和基矗通过概率设计和传统设计的方法的计算分析，结合可靠性设计准则，通过可靠性的试验验证和评价，才是提高产品可靠性的最终技术途径。