机械零件的可靠性设计简介

1、文章编号:100522895(20030420005203机械零件的可靠性设计简介李彦文(燕山大学,河北秦皇岛066004摘要:分析了传统设计方法与可靠性设计方法在设计思想、设计原理上的区别,并根据实际例题详细分析了可靠性设计的注意事项。关键词:传统设计;可靠性设计;可靠度;正态分布;概率中图分类号:TH 122文献标识码:B1前言目前,我们仍主要使用传统的设计方法进行机械零件的设计。在设计过程中甚至产品的使用过程中,我们不难发现,传统的设计方法并不能预测零部件可靠运行的概率。那么,目前有没有更接近于实际情况的设计方法呢?答案是肯定的。这就是本文将要介绍的机械零件现代设计方法中的一种可靠性设计

2、(或称机械概率设计。所谓可靠性设计,我们可以理解为将载荷、材料性能、强度、零部件尺寸等与设计有关的参数、变量、数据都视为符合某种概率分布的统计量,应用概率与数理统计理论及强度理论,求出在给定设计条件下零部件产生破坏的概率公式。应用这些公式,就可以在给定可靠度下求出零部件尺寸、寿命等。还是先来看一看在相同条件下,采用传统设计方法与可靠性设计方法的不同设计结果吧。例题1设计一剖面为圆形的拉杆,已知其屈服极限的平均值为s =689M Pa ,屈服极限的标准差为s =34.5M Pa 。作用的拉伸载荷的平均值p =17800N ,其标准差p =445N 。试分别按(1安全系数S =3时常规设计法,(2

3、可靠度为0.9999时的可靠性设计法设计该杆的直径。解:(1按常规设计法计算杆的直径设:杆的剖面面积A (此时S =3,许用应力=s S =6893=229.67M Pa杆的剖面面积A =p =17800229.67=77.50mm 2杆的剖面直径d =4A=4×77.50=9.94mm(2按可靠度R =0.9999时设计杆的直径设:杆的剖面面积为A ,则杆中应力的平均值及标准差分别为:L =pAL =pA按标准正态随机函数表1(摘引,R =0.9999时,其对应的分位数u p =3.72,于是按公式有3.72=s -l 2s +2l=689-17800A34.52+(445A2解得

4、:杆的剖面面积A =32.385mm 2所以直径d =4A=4×32.385=6.4mm表1标准正态随机函数表(摘引u p -4.0-3.5-3-2.5-2-1.5-1.28-1.1-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20R0.977250.933190.90.5收稿日期:2003201209作者简介:李彦文(19682,男,河北平山人,燕山大学讲师,主要从事机械方面的教学工作.从计算结果看,可靠性设计的直径虽小,但破坏概率仅有0.01%。常规设计方法简便易行,但结果较大且不能判定破坏概率。如何看待这两种截然不同的设计结果呢?哪一个结果更贴近实际,按可靠性设计的拉5轻工机械2003

5、年第4期杆是否能用?我们可从以下几个角度加以分析。其一是传统设计中,没有考虑参数、数据的分散性。认为动载荷、静载荷、强度极限、弹性模量、极限应力、剖面惯性矩、机加工尺寸、材料性能等与设计有关的参数或变量,不随时间的变化而变化,设计中使用的是平均值。显然,这是一种理想状态下的设计和分析;而可靠性设计中,认为所有与设计有关的变量均随时间的变化而变化,并将它们视为属于某种概率分布的统计量。这样设计中就保证了载荷测定的准确性和材料性能的稳定性,从而保证了结构的可靠性。其二,在传统设计中,为了保证机械的可靠性,往往根据经验对影响计算结果的各个参数乘以相应的系数,例如载荷系数、温度系数、工作环境系数、时间

6、系数等,最后还要乘以安全系数。因此,在这种加入了主观的、人为因素的模式下进行设计,势必与实际情况存在差异。换句话说,传统的设计方法是由于人们对影响设计的随机变化的因素缺乏精确的计算,而不得不综合考虑各种因素的影响而进行估算。即便如此,对于某些重要的场合,该设计方法仍令人放心不下;而可靠性设计对结构的安全系数做了统计分析,这样求得的安全系数就更加贴近实际。总结一下,可靠性设计是以概率论和数理统计等作为工具,对产品的使用和失效进行分析、统计,从而得出一套科学的计算法则,并指导产品的设计和研究。为了评价产品的可靠性,人们制定了一系列指标,其中,可靠度是比较常用的指标之一,也是机械设计中经常使用的一个

7、指标。可靠度的定义为“产品在规定的时间内和规定的条件下完成规定功能的概率”。以“R”表示。就概率分布而言,它又叫做可靠度分布函数,并且是累计分布函数。由于它表示的是在规定的时间内和规定的使用条件下无故障的发挥功能而工作的产品占全部工作产品的百分率,因此其取值范围是0R1。通过以上叙述,弄明白了可靠性设计的原理、方法和可靠度的含义,下面介绍一下当应力和载荷为最简单的、最典型的正态分布时的计算方法,并举例分析一下诸如标准差等各种参数的变化对设计结果的影响。为求简短明晰,本文不再对其它如对数分布、指数分布情况下的分析方法以及各种公式的推导过程和各种假设的合理性进行分析,详细分析请参阅有关书籍。2基本

8、条件机械设计中,我们常根据材料的强度、刚度、寿命等来设计符合要求的产品或结构,此时应用的各种方程、判据中明显地或隐含地包括诸如动载荷、静载荷、强度极限、弹性模量、极限应力、剖面惯性矩、机加工尺寸等与机械设计有关的参数和变量。大量统计表明,在一般情况下,这些参数多呈正态分布,均可用正态分布来描述。因此,在机械零件的可靠性设计中大部分计算方法里自然引入正态分布的有关理论。3强度和应力均为正态分布时的可靠度计算公式作为一种科学的计算方法,可靠度计算公式有其详细的推导过程。本文作为介绍性的文章,在此不在赘述,仅将受拉零件的可靠度设计公式给出:u p=s-l2s+2l;L=pA;l=pA式中:s、l分别

9、为强度和应力的数学期望;s、l分别为强度和应力的标准差;p、p分别为载荷的数学期望和标准差;u p为可靠度为R时对应的分位数。4各种参数的变化对可靠度设计结果影响的分析仍以例1为例,假设拉杆直径、载荷的平均值和标准差、材料屈服极限的平均值不变,仅改变屈服极限的标准差s,通过计算,我们可以看出以下变化结果。表2可靠度R与s的关系材料强度标准差s(M Pa可靠度R材料强度标准差s(M Pa可靠度R材料强度标准差s(M Pa可靠度R从本例可以看出,由于强度值分散性的增加,可靠度迅速下降。因此,只有保证标准差恒定,才能保证可靠性设计的结果付诸应用。或者说,可靠性设计的先进性是要以材料制造工艺的稳定性和

10、对载荷测定的准确性为前提条件的。这一点必需引起设计者的注意。本文是从最简单的受拉零件的可靠性设计入手,简单介绍了可靠性设计在机械设计中的应用。做为一门应用科学,可靠性设计还广泛应用于机械设计的各种问题中,如梁的可靠性设计、受弯扭联合作用的轴的设计、机械疲劳强度的可靠性设计、摩擦零件的可靠性设计、系统可靠性设计等,有兴趣的同志可参阅有关书籍。6L igh t Industry M ach inery收稿日期:2003208205作者简介:贺炜(19572,男,河南省洛宁人,工学博士,教授,陕西科技大学特聘教授,硕士生导师,现任陕西科技大学机电工程学院机械设计与制造教研室副主任,机电工程学院第一综

11、合实验室主任,机设机电党支部书记,中国机械工程学会高级会员,承担并完成了十余项科研项目,获陕西省科技进步二等奖一项,主编CA XA 电子图版与A u toL ISP 参数化绘图等专著3部,参编自动机械设计等专著2部,在机械工程学报等学术期刊上发表论文26篇,E I 收录论文1篇,获专利3项.参考文献:1王步瀛,陈庾梅,吴琦.现代机械设计方法综述M .北京:高等教育出版社,1985.2凌树森.可靠性在机械强度设计和寿命估计中的应用M .北京:宇航出版社,1988.2濮良贵.机械设计M .北京:高等教育出版社,1991.Rel i ab il ity D esign about M ach i n

12、e PartsL I Yan 2w en(Yan shan U n iversity ,Q in H uang 2dao H ebei P rovince 066004,Ch ina Abstract :T hc differnce betw een traditi on and reliab ility design in design idea and design p rinci p le is analyzed in th is p ap er .A nd the no tice item s are analyzed in detail by exam p le .Key words

13、 :traditi on design ;reliab ility design ;credib ility ;no rm al schoo l ;p robab ility贺炜等弧面分度凸轮机构研究的回顾与展望研究设计制造文章编号:100522895(20030420007204弧面分度凸轮机构研究的回顾与展望贺炜,刘言松,王涛,王建勇(陕西科技大学机电工程学院,陕西咸阳712081摘要:由于弧面分度凸轮机构具有传动平稳、分度准确、结构简单紧凑等优点,它已被广泛用于高速高精度的自动机械中,同时凭借自己的独特优势吸引了国内外许多学者对它进行详细地研究。近年来在弧面凸轮机构研究领域出现了许多新思

14、想和新方法,本文对近期这一领域的研究成果作一回顾,并对有关资料作一整理,指出今后应该研究的重点方向。关键词:弧面分度凸轮机构;回顾;展望中图分类号:TH 112.2文献标识码:A1引言图1弧面分度凸轮机构弧面分度凸轮机构是由美国人C .N .N ek lu tin 在20世纪20年代发明的,又称滚子齿形凸轮分度机构、蜗杆式凸轮机构、球面凸轮步进机构,如图1所示。弧面分度凸轮机构一问世就吸引了世界各国技术人员的目光并相继对其展开研究。我国对弧面分度凸轮机构的研究始于20世纪70年代末,上海工业大学,天津大学、合肥工业大学、吉林工业大学、山东工业大学、陕西科技大学(原西北轻工业学院、大连轻工业学院、上海工程技术大学等高校以及山东诸城锻压机床厂、西安钟表机械厂、芜湖电工机械厂等