机械产品可靠性设计方法评述

机械产品可靠性设计方法评述一个产品的可靠性是通过设计、制造直至使用的各个阶段的共同努力才得以保证的。“设计”奠定产品可靠性的基础，“制造”实现产品的可靠性设计目标，“使用”则是验证和维持产品可靠性目标。任一环节的疏忽都会影响产品的可靠性水平，尤其是设计阶段的可靠性保证更为重机械产品可靠性设计方法评述 一、前言 一个产品的可靠性是通过设计、制造直至使用的各个阶段的共同努力才得以保证的。“设计”奠定产品可靠性的基础，“制造”实现产品的可靠性设计目标，“使用”则是验证和维持产品可靠性目标。任一环节的疏忽都会影响产品的可靠性水平，尤其是设计阶段的可靠性保证更为重要。 二、应用可靠性工程理论指导产品可靠性设计 可靠性设计，实质上是指在设计开发阶段运用各种技术和方法，预测和预防产品在制造和使用过程中可能发生的各种偏差、隐患和故障，保证设计一次成功的过程。日本工业标准 JISZ8115-1981 可靠性术语将可靠性设计定义为“赋予产品可靠性为目的的设计技术”。这种设计要求设计者考虑一般的设计特性如应力、重量、外结构等方面外，还须正确评价在整个寿命周期内可能发生的环境条件和材料性能等变化对产品可靠性的影响，采取事前预防措施，保证定性或定量可靠性目标的实现。 为了实施产品可靠性设计，必须提高设计人员预测和预防故障的能力，除了传统的设计技术外，还要采用各种分析、预测和保证产品可靠性的方法和原则。 “可靠性工程”技术，就是应此需求发展起来的以解决可靠性为出发点的一门新兴学科，它提出了一套指导产品可靠性设计、试验、预测、分析和评估的方法和技术，这些方法和各产品的固有专业技术结合，能以较少的费用，设计出所要求的可靠性。 三、机械类产品可靠性特点 在应用可靠性工程技术的理论和方法时，应注意机械类和电子类产品的可靠性问题的差别（见表 1 ）。可靠性工程技术起源于电子领域，现已颁发的一些可靠性设计、试验和分析方法或标准，大都是根据电子产品故障多属随机性、寿命服从指数分布等特点制定的。这些方法或标准对机械类产品不完全适宜，因为机械产品的零部件大多是耗损性失效为主；零部件的故障和连接、维修、使用方式密切相关，可靠性建模很困难；而且，机械零部件一般都是为特定用途设计，通用性不强，不易积累共用数据。因此，在应用可靠性工程理论指导机械产品设计时，不能完全照搬电子类产品的办法，一定要注意其应用的前提条件，结合机械产品的特点合理选用方法。 表 1 机械类和电子类产品可靠性特点的比较 机械产品 电子产品 系统构成 机械结构 动力系统 操作系统 电气系统 液压系统 电源系统 指示系统 发送信号系统 接受信号系统 放大系统 可靠性指标 耐用寿命（时间、次数） 零件更换寿命 整机可用性 MTBF 元件故障率 整机可用性 故障机制 在定期维修条件下，复杂的整机设备故障呈现随机性 零部件以耗损性故障为主 元件和整机故障多属随机性 故障关联性 与联接、使用、维修方式有关 元件故障基本独立无关 使用环境 使用环境条件复杂，需掌握环境变化和极值条件，应力分析十分重要 使用环境一般良好，有密闭和保护，应力因素可预测 维修方式 一般以预防性维修为主 预防性维修意义不大 可靠性预计 困难 可能 数据准备 公用数据收集不易，积累尚未正规化 数据已广泛发布，已形成数据积累制度 系统构成 机械结构 动力系统 操作系统 电气系统 液压系统 电源系统 指示系统 发送信号系统 接受信号系统 放大系统 可靠性指标 耐用寿命（时间、次数） 零件更换寿命 整机可用性 MTBF 元件故障率 整机可用性 故障机制 在定期维修条件下，复杂的整机设备故障呈现随机性 零部件以耗损性故障为主 元件和整机故障多属随机性 故障关联性 与联接、使用、维修方式有关 元件故障基本独立无关 使用环境 使用环境条件复杂，需掌握环境变化和极值条件，应力分析十分重要 使用环境一般良好，有密闭和保护，应力因素可预测 维修方式 一般以预防性维修为主 预防性维修意义不大 可靠性预计 困难 可能 数据准备 公用数据收集不易，积累尚未正规化 数据已广泛发布，已形成数据积累制度 四、机械产品可靠性设计、分析中常用的一些原则和方法尽管目前对于机械类产品可靠性设计还没总结出一套成熟的经验和标准，但是实践证明，只要应用适当，以下一些方法和原则对保证产品可靠性设计是有益的。 1 简单化和标准化 对于机械产品，根据可靠性模型分析，大部分属于串联系统，因此提高整机可靠性的最基本原则是从选用可靠的零部件、减少零部件数目和简化结构做起。尽量采用结构简单、具有成熟使用经验或标准化的零件和技术，尽量减少不必要的和可有可无的零件，目的是减少零部件故障的可能性，保证整机系统可靠性目标的实现。 2 失效经验的反馈应用 这是保证产品可靠性的最直接的经验方法。所谓可靠性设计，就是要求在设计阶段预测和预防产品可能发生的故障。要做到这一点，一是借助于一定的理论分析和试验手段，二是凭借个人和前人成功和失败的经验。成功经验多半总结在设计规范和手册中，对于失败的经验往往得不到重视，对于可靠性设计来说，这是极为重要的信息。国外企业十分重视对产品的失效分析和失效事例的收集工作，汇编成册，供设计参考，避免同类或相似失效再次发生，提高设计人员的故障预测和预防能力。 3. FMECA （故障模式影响和危害度分析）、 FTA （故障树分析） 和设计评审这些方法无论对电子或机械产品都适合，可帮助设计者及早有效地找出设计中的故障和隐患。尤其是 FMECA 和设计评审方法，被认为是目前非电子产品可靠性分析中具有最高效益比的方法，在国外普遍应用，并规定为设计阶段必须进行的工作。 FTA （故障树分析）方法主要适用于复杂构成的机组或系统，对于一般串联构成的机械设备意义不是很大。 4.安全裕度设计 在电子产品中使元器件工作应力低于额定值，从而降低元件故障率，保证整机目标实现，称作降额设计。对于机械零件则是加大安全系数，提高承载能力。对于涉及安全性的零件，则可采用极限设计方法，保证在最严酷状态下使用也不发生故障或破坏。 5.失效安全和损伤容限设计 当设备或系统的一部分发生故障时，依靠产品自身结构可确保系统或设备安全的设计，称作失效安全设计。在机械结构中，一部分结构发生裂纹或损伤时，能使这种损伤限制在一定范围内，直到下一个检测或维修周期前，整个结构不会发生致命破坏或影响整机功能的正常发挥，称作损伤容限设计，这在航空、船舶及压力容器等涉及安全性的重要结构中经常使用。 6.冗余设计 为完成规定功能，增加多余的零部件或设备数，即使其中一部分发生故障，也不会引起整机或系统的故障称作冗余设计。这种方法将可靠性水平不高的零部件设计组成较高可靠性的整机系统，一般用于电子产品中，但是随着机械设备复杂化以及使用可靠性要求的提高，在成本、重量和可靠性的权衡下，也可采用此方法，例如，双泵、双发动机配置的工程机械设备的出现。 7.机械零件、结构的概率设计 这是在考虑载荷、环境条件变化和材料、工艺波动等因素对可靠性影响的基础上预计和设计可靠性的一种方法，相对传统的安全系数设计方法更为科学合理。该方法论已成功应用于一些高可靠性要求的结构设计中，对于一般机械产品，由于缺乏基础数据和建模经验，应用尚不普遍。8.健壮设计日本田口玄一提出的一种统计分析设计方法，在国外较为流行。其主要观点是产品的质量可用对用户造成的损失来衡量，此损失一般正比于产品功能特性与其目标值之间的偏差。偏差越大，给用户造成的损失越大，也即质量越差，因此，改进质量的途径就是不断减少偏差。对待偏差问题，传统的做法是通过产品检测剔除超差部分，或是加严对材料、工艺的控制以缩小偏差。这些方法很不经济，有时技术上也难以实现。田口方法是调整设计参数，使产品的功能、性能对偏差的起因不敏感，提高产品自身的抗干扰（引起偏差的内、外条件）能力，这种方法称作健壮设计。9.系统可靠性分析和预计对由许多零部件组成的机械系统，尽管零件是耗损性故障为主，如果采用定时维修或保养，系统的故障率也可视作恒定形式，因此，一般也可应用可靠性建模技术进行预计和分析。据资料介绍，只要有足够的零部件数据，预计和评估的精度可不低于电子系统。10.维修性设计 从保证设备可用性目的出发，缩短设备的维修时间和提高设备的寿命同等重要。当前发展起来的以可靠性为中心的维修性工程技术，正是为此目的从定性和定量角度分析和提高设备的维修性而采取的方法。维修性设计就是在设计时就要考虑维修的可能性和应采取的维修策略和措施。 11.可靠性试验 目前，适用于机械可靠性预测、评估的理论和方法还很不成熟。目前保证设计可靠性，主要依靠可靠性验证试验和故障暴露试验。而可靠性试验是花钱和花时间的工作，因此制订高效、合理的试验计划十分重要。机械和电子故障机制不同，不能完全照搬电子产品的试验方案。对于机械产品试验应因地制宜，采用能描述疲劳、磨损等耗损性失效模式特点为主的方法。