任瀚-----可靠設(shè)計(jì)論文.docxVIP

國內(nèi)外機(jī)械可靠性研究領(lǐng)域的現(xiàn)狀和趨勢任 瀚（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢）摘要： 本文通過對機(jī)械可靠性預(yù)測和機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)兩方面，對國內(nèi)外機(jī)械可靠性的發(fā)展、現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行了概述。關(guān)鍵詞 ：機(jī)械可靠性 預(yù)測 設(shè)計(jì) 優(yōu)化1.引言機(jī)械可靠性是指機(jī)械產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)及工作條件下，完成它被要求的功能用途的能力，與其他可靠性一樣，機(jī)械可靠性由可靠性設(shè)計(jì)、可靠性預(yù)測、可靠性實(shí)驗(yàn)、可靠性應(yīng)用及可靠性維修等組成。機(jī)械可靠性的特點(diǎn)是不存在一個(gè)綜合性指標(biāo)在來判定。由于設(shè)備在設(shè)計(jì)方案和機(jī)械工作的環(huán)境中涉及的因素很多，無法使用傳統(tǒng)的安全系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。下面在機(jī)械可靠性預(yù)測和機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)方面對機(jī)械可靠性發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行綜述。2.機(jī)械可靠性的現(xiàn)狀 一、機(jī)械可靠性預(yù)測的現(xiàn)狀：可靠性預(yù)測，即是指一種預(yù)報(bào)方法，它根據(jù)已掌握的有關(guān)可靠性理論與數(shù)據(jù)來預(yù)報(bào)零件、部件、系統(tǒng)的可靠性，它為設(shè)計(jì)制造和使用提供了方便的數(shù)據(jù)?！?】可靠性的預(yù)測主要有零件的預(yù)測和整個(gè)系統(tǒng)的預(yù)測兩個(gè)方面，目前的機(jī)械零件可靠性預(yù)測主要集中在齒輪、軸承、彈簧以及鏈接器件的預(yù)測傷，在進(jìn)行預(yù)測時(shí)，必須研究零件在規(guī)定工作條件下的主要的失效形式，然后在該失效形式下的研究失效的隨機(jī)規(guī)律，才能做出有效的零件可靠性預(yù)測。而研究失效形式的方式目前有兩種方法，其一，采取模擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)方法，通過對零件在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)規(guī)律，從而預(yù)測出零件在實(shí)際工作中的失效可能性，但這種方法應(yīng)為實(shí)驗(yàn)與實(shí)際存在狀態(tài)的偏差，所以可靠度還不是很準(zhǔn)確。還有一種方式是通過現(xiàn)場大量調(diào)查來得到數(shù)據(jù)，然后運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行計(jì)算預(yù)測，進(jìn)而再對同類零件進(jìn)行可靠性預(yù)測，這類方法雖得到的預(yù)測可能性較準(zhǔn)確，但需要前人做大量的調(diào)查工作，在新出的零件或比較小眾的零件方面不能很好的進(jìn)行可靠性預(yù)測。而在系統(tǒng)可靠性的預(yù)測中，雖然對零件進(jìn)行了可靠性預(yù)測，但整體的可靠性并不等于所以零件可靠性簡單的綜合，所以對系統(tǒng)的可靠度計(jì)算，需要對在零件可靠度和系統(tǒng)中各零件之間的工作關(guān)系進(jìn)行整合。機(jī)械可靠性預(yù)測的主要方法：目前使用得最多的便是數(shù)學(xué)模型法，它是根據(jù)系統(tǒng)的構(gòu)造建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式，從而計(jì)算出相應(yīng)可靠度。一般先將整個(gè)系統(tǒng)解剖成不可劃分的小系統(tǒng)，先用簡潔的數(shù)學(xué)預(yù)測小系統(tǒng)的可靠度，然后在逐級(jí)而上，最后預(yù)測出整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。除了數(shù)學(xué)模型法外，還有布爾真值表法、上下極限法等預(yù)測方法，它們是對無法用數(shù)學(xué)公式建模的系統(tǒng)進(jìn)行可靠性預(yù)測。布爾真值表的方法是運(yùn)用對所有種狀態(tài)進(jìn)行逐一的分析，找個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)是所以可能之中的哪幾種并計(jì)算的概率，最后把所有正常工作狀態(tài)的概率相加，所得的便是系統(tǒng)的可靠度 。而上下限法是在系統(tǒng)特別復(fù)雜、無法建立數(shù)學(xué)模型的情況下時(shí)使用，它是通過預(yù)測整個(gè)系統(tǒng)的可靠度的上、下限從而預(yù)測出系統(tǒng)可靠度。二、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀：機(jī)械可靠性的設(shè)計(jì)是指機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)通過相關(guān)的物理運(yùn)算，分析出機(jī)械產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無故障運(yùn)行的時(shí)間和頻率，準(zhǔn)確的計(jì)算出維修機(jī)械產(chǎn)品具體時(shí)間?！?】機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)是一門邊緣性學(xué)科，涉及的科目比較多，運(yùn)用的知識(shí)非常廣，但由于發(fā)展起步得比較晚，現(xiàn)在還沒有形成專門的科目體系。有記錄的最開始的可靠性設(shè)計(jì)是載二次世界大戰(zhàn)期間，德國科學(xué)家在對V2導(dǎo)彈研制過程使用了概率性的可靠性設(shè)計(jì)。隨著戰(zhàn)爭結(jié)束經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國家對可靠性開始了有組織的研究工作，可靠性技術(shù)在這段時(shí)期進(jìn)一步完善，理論研究不斷深入，為可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)一步國際化奠定了基礎(chǔ)。到了現(xiàn)在人們逐漸發(fā)現(xiàn)可靠性設(shè)計(jì)對于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢越來越明顯，受到世界各國人民的高度關(guān)注和發(fā)揚(yáng)光大，機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)入了現(xiàn)在國際化的時(shí)代?？煽啃栽O(shè)計(jì)的方法現(xiàn)在主要分為定性和定量兩種，定性設(shè)計(jì)方法是把成功的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或失敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，有目標(biāo)性地應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中，避免故障或設(shè)計(jì)缺陷?？煽啃缘亩ㄐ栽O(shè)計(jì)方法，在分析故障及其影響的基礎(chǔ)上，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)、消除故障并提出質(zhì)量控制、使用限制及防救措施的方案，來保證對機(jī)械可靠性的定性要求。定量設(shè)計(jì)方法是概率設(shè)計(jì)法以應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型和功能失效極限的狀態(tài)函數(shù)理論為基礎(chǔ)，將應(yīng)力、強(qiáng)度視為隨機(jī)變量，利用概率方法計(jì)算出給定設(shè)計(jì)條件下產(chǎn)品的失效概率或可靠度，以符合給定的可靠性要求?，F(xiàn)在廣為認(rèn)知的可靠性設(shè)計(jì)方法具體有應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型法、中心點(diǎn)一次二階矩法、當(dāng)量正態(tài)法、統(tǒng)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)法、Fuzzy法等，在此就不再做詳細(xì)介紹。3.機(jī)械可靠性的發(fā)展趨勢隨著機(jī)械可靠性發(fā)展國際化，更多的人認(rèn)識(shí)到了機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)帶來的優(yōu)勢與優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)中對機(jī)械可靠性的依靠也越來越大，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)與預(yù)測方法早已滿足不了日益壯大的需求，許多新方法、新技術(shù)如雨后春筍般頻頻出現(xiàn)：一、在大型機(jī)械設(shè)備的機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)中通過無失效模型對可靠性進(jìn)行預(yù)測：針對大型機(jī)械在已有數(shù)據(jù)為無失效數(shù)據(jù)，壽命服從三參數(shù)Weibull分布的情況下，提出了一種全新的可靠度評(píng)估方法此種方法是在三參數(shù)Weibull分布的形狀參數(shù)下限為已知的情形下，將所有的無失效數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，以此在已知大型機(jī)械設(shè)備壽命下限和置信度時(shí)，建立模型并得到大型機(jī)械設(shè)備在使用時(shí)的可靠度估計(jì)的單側(cè)置信下限，并據(jù)此判斷可靠度是否滿足一定條件和工程上的要求結(jié)果表明，該方法在工程應(yīng)用中適用度高【3】二、將混合理論引入至機(jī)械系統(tǒng)可靠度計(jì)算理論中：基于混合理論建立多狀態(tài)多模式機(jī)械系統(tǒng)可靠性分析模型方法。首先按照不同失效機(jī)理特征和同一失效機(jī)理不同失效等級(jí)的特征，把機(jī)械系統(tǒng)單元分為不同狀態(tài)和不同模式，構(gòu)建多狀態(tài)多模式機(jī)械系統(tǒng)；其次，以混合圖表述單元多狀態(tài)多模式與單元綜合多狀態(tài)的邏輯關(guān)系，用混合算子給出由單元多狀態(tài)多模式分布推導(dǎo)單元綜合多狀態(tài)分布的算法；第三，推導(dǎo)多狀態(tài)多模式串聯(lián)單元、多狀態(tài)多模式并聯(lián)單元的混合形式；第四，建立混合多狀態(tài)系統(tǒng)可靠性分析模型，獲得多級(jí)系統(tǒng)可靠度，避免兩狀態(tài)系統(tǒng)因忽略故障隱患和功能退化狀態(tài)可能導(dǎo)致的重大危害，避免部件很多時(shí)采用獨(dú)立算法可能出現(xiàn)系統(tǒng)可靠度趨于零的不合理現(xiàn)象?！?】通過將混合理論引入多狀態(tài)多模式機(jī)械系統(tǒng)，解決了系統(tǒng)多狀態(tài)多模式下統(tǒng)一劃分的難題。多狀態(tài)多模式系統(tǒng)的機(jī)械可靠性分析模型在機(jī)械可靠性評(píng)估方面有很大效性和優(yōu)越性。三、FMEA在工程機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)越來越被我國的工程師重視：FMEA即故障模式及影響分析方法(Failure Mode andEfects Analysis)是一種“自下而上”的定性分析方法，是一種行之有效的系統(tǒng)分析方法。相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)有IEC 60812，QS 9000被汽車行業(yè)采用，我國也有一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如GB 782687、GJB 139192?！?】該方法目前在國際上已經(jīng)被廣泛認(rèn)可和普遍的采用。許多歐諾個(gè)也大國都將此方法列為機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)的進(jìn)步，對機(jī)械可靠性的需求逐漸提高，我國開始將此方法逐步應(yīng)用到機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)中去，并建立相應(yīng)的國標(biāo)對其進(jìn)行完善和規(guī)范，通過將此方法引入實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)，能夠發(fā)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，專門針對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和維護(hù)保養(yǎng)，大大提高機(jī)械產(chǎn)品的可靠性。四、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合：常規(guī)的可靠性設(shè)計(jì)，通常是容易在零件和整體可靠性設(shè)計(jì)中產(chǎn)生矛盾，一是零件的可靠性設(shè)計(jì)過高造成系統(tǒng)冗雜和機(jī)械產(chǎn)品的不吻合與過度使用材料，還有事機(jī)械整體的可靠性設(shè)計(jì)過高部分零件設(shè)計(jì)中達(dá)不到要求或很難反映零件的實(shí)際情況，在這時(shí)可靠設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)合就顯得相當(dāng)重要，通常采用可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)同時(shí)并行設(shè)計(jì)的方法，在考慮整體可靠性的同時(shí)考慮零件的可靠性以及體積、總質(zhì)量和成本等因素，優(yōu)化分配工程機(jī)械的可靠度，使得整個(gè)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化最省材料的狀態(tài)，有利于產(chǎn)品合理可靠，技術(shù)性能指標(biāo)優(yōu)良，價(jià)格成本低廉。五、將各種新的算法運(yùn)用到機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)中去：例如近年來很熱門的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法，伴隨著這幾年神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的研究的迅速發(fā)展和日趨成熟，國內(nèi)外已有一些學(xué)者開始嘗試將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法應(yīng)用到機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)中。國內(nèi)也開始了對這些新算法的嘗試，如余建星等采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，較好地解決了含有混合設(shè)計(jì)變量的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。4.結(jié)束語 機(jī)械可靠性在材料節(jié)省和使用壽命結(jié)果優(yōu)化中的優(yōu)勢，使得它在機(jī)械相關(guān)的生產(chǎn)制造設(shè)計(jì)中愈來愈被國家和人們重視，相信不久的將來機(jī)械可靠性能形成獨(dú)特的科目體系，并在國內(nèi)日益發(fā)展壯大?！?】華中工學(xué)院機(jī)械