可靠性设计在机械工程领域的应用

1、题目:可靠性设计在机械工程领域的应用班级:11级工程 X 班姓名:XX学号:XXXXXXXXXX可靠性设计在机械工程领域的应用随着现代社会科学技术的飞速发展,人们不仅需要多功能的产品,而且还需 要产品能够可靠地实现其所具有的功能。因此,以产品可靠性为目的的可靠性设 计应运而生,并得到迅速发展和广泛应用。由于各种历史原因, 我国机械制造业相对西方国家相对落后, 而在可靠性方 面的研究更是相对滞后。直到上个世纪 80年代,我国在可靠性方面的研究才有 了一些成效, 个别行业还有了专门研究可靠性的组织机构, 并培养了一批可靠性 方面的技术性人才, 制定了一系列的可靠性标准。 但从整体上来看, 这些可靠

2、性 的研究都偏向理论, 在实际生产中运用较少, 与制造业发达的西方国家相比还存 在很多的不足之处。随着科学技术的高速发展,制造出来的产品结构也往越来越复杂的方向发 展, 由于高新技术不断运用在产品制造当中及产品复杂性的逐渐提高, 产品更新 换代速度也大大超越以往。 我们在设计一种产品的时候, 需要有一个不断深化认 识、 逐步改进和完善的过程。 刚开始生产出来的产品在投入使用中有一个试验的 前提, 也就是说初始产品必须经过初试后才能投入市场, 这是因为初始产品很多 存在不可靠性, 存在许多设计和工艺方面的缺陷。 因此, 一个生产产商在某种产 品生产初期必须通过对产品设计和工艺规程进行有计划的改进

3、设计, 以达到把故 障问题根除在萌芽状态的目的, 从而提高产品的可靠性水平, 逐步达到预期的目 标,于是一种可靠性设计研究便应运而生了。为了了解可靠性设计技术,我们必须首先了解什么是产品的可靠性。可靠性 的经典定义是:“产品在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力。 ”定义 中的“产品”是作为单位研究和分别试验对象的任何元件、器件、设备或系统, 甚至可以把人的作用也包括进去。可靠性设计即根据可靠性理论与方法确定产品零部件以及整机的结构方案 和有关参数的过程。设计水平是保证产品可靠性的基础。可靠性设计的一个重要内容是可靠性预测,即利用所得的资料预报一个零 件、 部件或系统实际可能达到的可性,

4、 预报这些零部件或系统在规定的条件下和 在规定时间内完成规定功能的概率。 在产品设计的初期阶段, 及时完成可靠性预 测工作, 可以了解产品各零部件之间可靠性的相互关系, 找出提高产品可靠性的 有效途径。在产品设计中,应用可靠性的理论和技术、根据需要和可能、优先考虑可靠 性要求。在满足性能、费用、时间等条件下,使设计的产品具有满意的可靠性要 求,这就是产品的可靠性设计。 可靠性设计不仅涉及传统设计技术,而且还与系统 工程、价值工程、环境工程、工程心理学、质量控制技术和计算机技术等密切相 关。因此,它是一个多学科、多技术相融合的新兴技术。它不但应用于产品的设 计过程,而且还广泛应用于产品的制造生产

5、、试验、使用、维护、管理等各个环 节。因此,这项新兴技术在军工、航空、航天、电子、机械等工业领域得到广泛 的应用。人类从开始研究可靠性技术至今,大约经历了 60余年的历史。 研究其发展过 程,可归纳为初期研究、形成发展和进一步国际化三个阶段。(1初期研究阶段(20世纪 3040年代:二次世界大战爆发后,美国参战的 飞机、军舰等重要军事装备常因故障贻误战机,为此军事装备的可靠性问题逐渐引起了人们的关注,开始着手研究如何避免和减少这些“意外”事故的发生并最 早提出了产品的定量可靠性问题。 接着美国、 德国的专家针对飞机、 V-火箭诱 导装置的可靠性又提出了相应的指标。1942年美国麻省理工学院的一

6、个研究室 对真空管的可靠性进行了相当深入的研究。 所有这些都表明可靠性研究已进入了 定量研究的初期阶段。(2形成发展阶段(20世纪 5060年代:在这一时期,世界上一些工业发达 的国家,如美国、前苏联、原西德、日本等对可靠性开始了有组织的研究工作, 并取得了许多重要成果,基本上确定了可靠性研究的理论基础和研究方向,使可 靠性研究进入了一个新的发展阶段。 这一时期,研究范围不断扩大,从电子产品扩 展到机械产品,从军工产品扩展到民用产品,可靠性技术进一步完善,理论研究不 断深入,为可靠性设计技术的进一步国际化奠定了基础。(3国际化阶段(20世纪 70年代后:随着可靠性技术的不断发展和广泛应 用,其

7、优越性越来越受到世界各国的高度重视,并相继投入了大量的人力物力开 展这项研究工作。 各种国际学术会议的召开、 国际可靠性和可维护性技术委员会 的成立,标志着可靠性设计技术已经进入了国际化时代。产品的可靠性在产品的设计和使用周期内的各个环节中都具有重要的作用, 这些环节包括:产品设计、产品制造、产品使用、售后维修等等。机械可靠性一般可分为结构可靠性和机构可靠性。 结构可靠性主要考虑机械 结构的强度以及由于载荷的影响使之疲劳、 磨损、 断裂等引起的失效; 机构可靠 性则主要考虑的不是强度问题引起的失效, 而是考虑机构在动作过程由于运动学 问题而引起的故障。机械可靠性设计可分为定性可靠性设计和定量可

8、靠性设计。 所谓定性可靠性 设计就是在进行故障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 计经验使所设计的产品达到可靠的目的。 所谓定量可靠性设计就是充分掌握所设 计零件的强度分布和应力分布以及各种设计参数的随机性基础上, 通过建立隐式 极限状态函数或显式极限状态函数的关系设计出满足规定可靠性要求的产品。 机械可靠性设计方法是常用的方法, 是目前开展机械可靠性设计的一种最直 接有效的方法, 无论结构可靠性设计还是机构可靠性设计都是大量采用的常用方 法。可靠性定量设计虽然可以按照可靠性指标设计出满足要求的恰如其分的零 件, 但由于材料的强度分布和载荷分布的具体数据目前还很缺乏, 加之

9、其中要考 虑的因素很多, 从而限制其推广应用, 一般在关键或重要的零部件的设计时采用。 机械可靠性设计由于产品的不同和构成的差异, 可以采用的可靠性设计方法 有:1.预防故障设计机械产品一般属于串联系统.要提高整机可靠性,首先应从零部件的严格选 择和控制做起。 例如, 优先选用标准件和通用件; 选用经过使用分析验证的可靠 的零部件;严格按标准的选择及对外购件的控制;充分运用故障分析的成果, 采 用成熟的经验或经分析试验验证后的方案。2.简化设计在满足预定功能的情况下, 机械设计应力求简单、 零部件的数量应尽可能减 少, 越简单越可靠是可靠性设计的一个基本原则, 是减少故障提高可靠性的最有 效方

10、法。 但不能因为减少零件而使其它零件执行超常功能或在高应力的条件下工 作。否则,简化设计将达不到提高可靠性的目的。3.降额设计和安全裕度设计降额设计是使零部件的使用应力低于其额定应力的一种设计方法。 降额设计 可以通过降低零件承受的应力或提高零件的强度的办法来实现。工程经验证明, 大多数机械零件在低于额定承载应力条件下工作时, 其故障率较低, 可靠性较高。 为了找到最佳降额值, 需做大量的试验研究。 当机械零部件的载荷应力以及承受 这些应力的具体零部件的强度在某一范围内呈不确定分布时, 可以采用提高平均 强度(如通过大加安全系数实现 、降低平均应力,减少应力变化(如通过对使 用条件的限制实现

11、和减少强度变化 (如合理选择工艺方法, 严格控制整个加工 过程, 或通过检验或试验剔除不合格的零件 等方法来提高可靠性。 对于涉及安 全的重要零部件, 还可以采用极限设计方法, 以保证其在最恶劣的极限状态下也 不会发生故障。4.余度设计余度设计是对完成规定功能设置重复的结构、 备件等, 以备局部发生失效时, 整机或系统仍不致于发生丧失规定功能的设计。 当某部分可靠性要求很高, 但目 前的技术水平很难满足,比如采用降额设计、简化设计等可靠性设计方沙土, 还 不能达到可靠性要求,或者提高零部件可靠性的改进费用比重复配置还高时, 余 度技术可能成为叭一或较好的一种设计方法, 例如采用双泵或双发动机配

12、置的机 械系统,但应该注意,余度设计往往使整机的体积、重量、费用均相应增加。 余 度设计提高了机械系统的任务可靠度, 但基本可靠性相应降低了, 因此采用余度 设计时要慎重。5.耐环境设计耐环境设计是在设计时就考虑产品在整个寿命周期内可能遇到的各种环境 影响, 例如装配、 运输时的冲击, 振动影响, 贮存时的温度、 湿度、 霉菌等影响, 使用时的气候、沙尘振动等影响。因此,必须慎重选择设计方案,采取必要的保 护措施,减少或消除有害环境的影响。具体地讲,可以从认识环境、控制环境和 适应环境三方面加以考虑。 认识环境指的是:不应只注意产品的工作环境和维修 环境,还应了解产品的安装、贮存、运输的环境。

13、在设计和试验过程中必须同时 考虑单一环境和组合环境两种环境条件; 不应只关心产品所处的自然环境, 还要 考虑使用过程所诱发出的环境。 控制环境指的是:在条件允许时, 应在小范围内 为所设计的零部件创造一个良好的工作环境条件, 或人为地改变对产品可靠性不 利的环境因素。 适应环境指的是:在无法对所有环境条件进行人为控制时, 在设 计方案、材料选择、表面处理、涂层防护等方面采取措施,以提高机械零部件本 身耐环境的能力。6.人机工程设计人机工程设计的目的是为减少使用中人的差错, 发挥人和机器各自的特点以 提高机械产品的可靠性。当然,人为差错除了人自身的原因外,操纵台、控制及 操纵环境等也与人的误操作

14、有密切的关系。 因此, 人机工程设计是要保证系统向 人传达的住处的可靠性。例如,指示系统不仅显示器靠,而且显示的方式、显示 器的配置等都使人易于无误地接受; 二是控制、 操纵系统可靠, 不仅仪器及机械 有满意的精度,而且适于人的使用习惯,便于识别操作,不易出错,与安全有关 的, 更应有防误操作设计; 三是设计的操作环境尽量适合于人的工作需要, 减少 引起疲劳、干扰操作的因素,如温度、湿度、气压、光线、色彩、噪声、振动、 沙尘、空间等。7.健壮性设计健壮性设计最有代表性的方法是日本田口玄一博士创立的田口方法, 即所谓的一个产品的设计应由系统设计、 参数设计和容差设计的三次设计来完成, 这是 一种

15、在设计过程中充分考虚影响其可靠性的内外干扰而进行的一种优化设计。 这 种方法已被美国空军制定的 RM2000年中作为一种抗变异设计以及提高可靠性的 有效方法。8.概率设计法概率设计法是以应力一强度干涉理论著基础的, 应力一强度干涉理论将应力 和强度作为服从一定分布的随机变量处理。本书第 3、4章将介绍这方面内容。 9.权衡设计权衡设计是指在可靠性、维修性、安全性、功能重量、体积、成本等之间进 行综合权衡,以求得最佳的结果。10.模拟方法设计随着计算机技术的发展, 模拟方法日趋完善, 它不但可用于机械零件的可靠 性定量设计,也可用于系统级的可靠性定量设计。当然, 机械可靠性设计的方法绝不能离开传

16、统的机械设计和其它的一些优化 设计方法,如机械计算机辅助设计、有限元分析等。机械产品设计包括整体装配设计及组装零件设计。 对整机产品可将其作为一 个整体进行设计,设计主要分为两种方式:(1先对整个系统有一个大致了解,分析各个零部件的可靠性程度,并推断 整体可靠性程度, 这就是整体设计的可靠性预测, 预测结果必须满足设计指标;(2把整体所要求的可靠性程度指标分配到各个零件设计上, 只要各个零件满足可靠 性要求即可,可靠性分配方法主要有四种:等分配法、再分配法、比例分配法、 综合评分分配法。在进行单个零件设计过程中, 我们挑选的零件尽可能采用国家规定的标准件 或已经在生产中大量使用的零件, 并对重

17、要性不同的零件分别用不同的设计方法 进行设计, 一些关键部件必须进行可靠性试验。 对产品的可靠性应当进行反复验 证和修改,直到满足可靠性设计要求为止。另外,还要进行人机系统的设计, 这 方面主要包括操作舒适性和适应性设计。一个产品, 如果要保证其质量, 那么制造环节是最大的关键, 所以制造过程 的可靠性设计便显得尤其重要, 这里我们不仅要保证加工设备上的可靠性, 更重 要的是加工工艺和工艺流程上的选择。如果把产品的工艺流程看成是一个系统, 那么其中任何一个工艺方案或工序相当于一个子系统。 每一个子系统的可靠性设 计都要考虑到各方面因素,例如:加工设备、工艺装备、加工材料及工作人员的 素质等等,

18、 这样才能确定出合理的子系统可靠性指标, 最后通过对这些子系统指 标进行整合分析,最终经过合理手段统计出整个系统的可靠性指标。维修在一个产品的寿命周期中占有举足轻重的作用, 一个在售后上有着良好 口碑的公司必然有着光明的前景, 所以公司在产品整个周期内必须认真的对待售 后维修问题, 采用逻辑分析决断法, 科学地制定维修内容和优选维修方式, 制定 出合理的使用寿命周期。机械产品的可维修性与可靠性具有很大的相似性, 可维修性也是产品的可靠 性指标之一。产品的维修性能必须在对产品进行可靠性设计的时候就应当考虑 到, 以使得设计出的产品达到故障容易发现、 故障零件易于更换的目的。 产品在 进行维修性设

19、计时必须考虑到维修费用问题, 设计者在设计中应当考虑到以最低 费用换取更高的可靠性水平, 尽可能减少故障发现时间。 因此, 基于可靠性理论 的维修性显得尤其重要, 一个合理、 经济的维修规则的制定在产品设计的科学化和现代化进程中具有巨大的意义。不仅如此，在进行维修可靠性过程中，还应当 考虑到标准化工具的使用、维修人员的素质、维修设备的先进性等等问题。 可靠性发展史，就是不可靠教训史。当今社会人们对产品要求越来越高， 于 是产品的可靠性便显得越加重要， 如今的产品可靠性设计水平已经到达了一个很 高的层次，发展观念也不断更新，这是一个产品制造的全新的阶段。可靠性设计 迅猛的发展，这是当前主流，但也

20、有存在一些不足之处：一方面可靠性尚未得到 我国国内企业的足够重视， 很多企业觉得可靠性研究无关紧要，不影响产品的生 产制造，于是造成企业内部研究可靠性设计的人才很少、管理比较混乱、对可靠 性认识不够清晰等，这些存在的问题对可靠性的发展极其不利;另一方面国内教 育部门在可靠性研究方面设置的课程很少， 可靠性设计研究还没形成一个独立的 学科。因此，可靠性研究在发展过程中出现的问题，必须引起有关部门给予高度 重视。 目前， 我国国内很多企业对可靠性研究并未足够重视，觉得可靠性研究可有 可无，对整个生产制造产生不了多大影响。但是，一些国际上的发达国家都把可 靠性研究作为生产上的重要部分，如果我们国内企业还对可靠性研究不够重视， 势必会导致在未来的竞争上输给对手，从而彻底丧失与之竞争的能力。 经调查分析， 我国目前只有为数很少的高等院校有设置可靠性研究方面的课 程，绝大多数院校都