【机械系统可靠性设计及探析10000字（论文）】

第页共6页机械系统可靠性设计及分析目录第一章引言 6第二章机械系统可靠性设计概述 62.1机械零件可靠性设计原理 62.2机械系统可靠性设计的原则 62.2.1传统设计和可靠性设计相结合 62.2.2可靠性设计与耐久性设计相结合 72.2.3定性设计和定量设计相结合 7第三章机械系统可靠性设计的难点 73.1机械系统可靠性设计程序难以统一 73.2机械系统故障复杂多样化 83.3机械系统设计的可靠性和耐久性并重 83.4机械系统可靠性难以预计 8第四章提高机械可靠性设计的对策 94.1提高机械系统标准化 94.2灵活增减系统元部件数量 94.3提高重点部位零部件的可靠性 94.4建立维修管理系统 10第五章结论 10参考文献 11第一章引言机械系统可靠性设计包括了机械一体化的系统和单个的设备、装置、零件及零件的组成部分等[[]张永.浅谈机械可靠性设计的内涵与发展[J].中国新技术新产品.2017(07)][]张永.浅谈机械可靠性设计的内涵与发展[J].中国新技术新产品.2017(07)第二章机械系统可靠性设计概述2.1机械零件可靠性设计原理机械系统可靠性优化设计，就是在分析可靠性的基础上进行的优化设计。机械产品的可靠性设计包括整机产品和零部件的设计。机械可靠性指数可由包含应力和强度分布参数的数学函数表达，计算产品的可靠性指标，例如结构材料属性，结构的尺寸，承受载荷以及环境条件等的不确定情况。一般的机械系统优化设计是一种确定性的优化过程，尽量采用标准件或者质量成熟稳定的零件，对零件容易损坏关键部件进行可靠性分析计算，降低原材料消耗和制造成本，分析常见的失效形式，确定了机械零件的可靠度。机械系统产品在使用之前还要多次进行反复试验，引入概率论和数量统计为基础的可靠性设计方法，控制不确定因素对结构和系统的影响，反映出机械可靠性设计中变量的概率分布情况。作为机械系统结构设计的最初阶段，基于可靠性的优化设计是保证后续生产制造以及产品质量的重要保证。2.2机械系统可靠性设计的原则2.2.1传统设计和可靠性设计相结合在对机械系统进行可靠性设计时不可完全摒弃传统设计方法。目前为实际的操作方式是从传统的设计方法过渡到有计算机技术为基础，将机械零部件可靠性的设计在传统设计的基础上，对机械的零部件材料、结构、尺寸等加以确定，然后依据与之相应的模型对其可靠性进行定量计算，机械零部件靠性设计的发展应该尽量同计算机结合起来,其可定量的分析和设计产品的失效概率和可靠度，更加具有直观性和确定性。倘若还不能满足预计的可靠性需求，则可修改机械的结构、尺寸甚至是更换材料，最后再对其进行可靠性的校核，直到能够满足需求。2.2.2可靠性设计与耐久性设计相结合机械系统多数利用的预防性维修为主的制度，系统和零部件的耐久性必须与预防性维修的制度相一致[[]唐振宇，卢英全.机械可靠性设计的内涵和递进[J].科技传播.2017(15)][]唐振宇，卢英全.机械可靠性设计的内涵和递进[J].科技传播.2017(15)2.2.3定性设计和定量设计相结合由于机械系统定量设计无法完全解决机械系统可靠性的问题，故对难以定量计算的机械零部件设计。如将反映设计方案优劣定性、定量的分析，比较各设计方案达到目标的程度，供设计者参考，便可以解决了机械零件相关系数的定量计算难题。所以机械系统可靠性设计工作中，我们无法定量地衡量产品的数量与规模，就必须将定性设计和定量设计结合起来。第三章机械可靠性工程研究体系3.1机械可靠性工程研究的学科体系机械可靠性工程是可靠性工程在机械工程领域的应用，是可靠性理论与机械工程相关理论的交叉边缘性学科。从研究内容及其发展历程上来看，机械可靠性工程与工程力学的研究紧密相连，其学科体系的对应关系如图１所示。图１:机械可靠性工程学科体系3.2结构可靠性与机构可靠性如图１所示，机械可靠性工程研究的领域大致可以归结为２部分，即结构可靠性和机构可靠性。结构可靠性主要研究受结构因素影响的机械强度、刚度与其承受载荷之间的关系以及由此产生疲劳、断裂、过度变形等失效行为的可靠性规律。结构可靠性问题是机械可靠性工程研究的基础领域，研究起步较早。２０世纪４０年代末期提出的“结构安全度”及“应力－强度干涉模型”为结构可靠性的研究奠定了理论基础。由于主要涉及工程力学的静力学理论，所以结构可靠性问题又可以称为静力学可靠性问题。机构可靠性主要研究机构及运动副系统在构件几何尺寸误差、摩擦磨损、弹性变形等因素影响下，造成产品预定功能失效或故障的运动学、动力学及弹塑性等方面问题的可靠性。机构可靠性是可靠性工程研究中相对薄弱的环节。与结构可靠性研究相比，机构可靠性的研究起步比较晚，是可靠性技术在机械工程中应用的新方向。２０世纪７０年代末，前苏联学者关于机构磨损可靠性和机构运动可靠性专著的出版为机构可靠性研究奠定了重要基础，直到２０世纪８０年代机构可靠性才开始形成系统的、专门的研究方向［３］。3．３可靠性分析与可靠性设计如图２所示，根据产品设计的结构、机构参数对其可靠性相关指标进行预测评估及分析计算的问题可以称之为可靠性工程第Ⅰ类问题，此即为可靠性分析问题。而可靠性工程的第Ⅱ类问题是根据产品的可靠性相关指标驱动产品零部件及系统的结构、机构参数设计，从而获得兼顾可靠性要求的机械设计结果，此即为可靠性设计问题。可靠性分析与可靠性设计都是机械可靠性工程研究的主要问题，是可靠性理论与机械工程相结合进行研究的着眼点，其任务就是利用可靠性数学及其它相关理论、方法建立起机械产品的结构、机构参数与可靠性指标之间的定量映射关系，从而为产品可靠性质量的提高提供理论依据及现实途径。可靠性指标第Ⅰ类问题第Ⅱ类问题结构、机构参数图２机械可靠性工程的两类问题Ｆｉｇ．２Ｔｗｏｍａｉｎｓｔｕｄｙｆｉｅｌｄｓｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ３3.4可靠度计算方法严格来讲，可靠度计算方法属于可靠性数学理论的范畴，但是鉴于其在可靠性工程中的重要的理论基础地位，在此特别予以强调。可靠性工程关注于产品具体的可靠度及失效概率值。多年来关于可靠度的定量分析计算已经形成了一些比较成熟的方法，但是在当前工程实际对计算精度及效率要求日益提高的情况下，对可靠度计算方法的创新研究也显得日益重要。基于传统的应力－强度干涉模型的可靠度计算方法主要有概率解析法和近似概率法。概率解析法是基于数学概率计算理论的精确概率分析方法，而由于实际机械结构和随机变量概率分布情况的复杂性，使完全精确的概率解析计算难以实现。近似概率法包括基于极限状态函数近似泰勒展开的一次二阶矩法、高次高阶矩法。其中高次高阶矩法虽然提高了状态函数泰勒展开的精度，但由于解析计算过程过于繁琐导致新的计算误差，故计算精度受到限制，应用较少。目前工程实际中应用较多的是基于极限状态函数线性泰勒展开的一次二阶矩法，包括矩分析法、变异系数法及ＪＣ法，其中ＪＣ法适用于基本随机变量为任意分布的可靠度求解，并且运算简捷、计算精度较高，是广泛应用的一种可靠度计算方法。基于大数定律的蒙特卡罗随机抽样模拟法（ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法）也是可靠度计算的重要发展方向，尤其是２０世纪９０年代以后，结合先进的计算机技术逐渐发展出了具有不同特点的多种抽样模拟方法，包括：重要抽样法［４］、子集模拟法［５］、方向抽样法［６］、响应面法［７］。目前限制该类方法发展的主要瓶颈是计算成本和计算效率问题。另外，将有限元法与概率分析理论相结合应用于可靠性分析的概率有限元法，对极限状态函数难以用显函式表达的复杂结构可靠性分析提供了有效途径。目前，随着机械系统日益复杂化，系统可靠性成为机械可靠性研究发展的重要方向。但是目前针对复杂系统进行可靠性分析的方法还很不完善，对复杂系统的可靠性指标评价依然比较困难。一般简单的系统可靠性分析主要应用传统的可靠性框图模型（串联系统、并联系统、表决系统等），复杂系统可靠性分析主要应用方法及研究方向包括故障树分析法（ＦＴＡ）、故障模式影响及危害度分析法（ＦＭＥ－ＣＡ）、贝叶斯网络分析法等。3.5疲劳强度及疲劳寿命可靠性随着可靠性技术研究的深入，单纯的静强度可靠性已经不能满足工程实践的需要。考虑产品的循环交变应力工况及零部件疲劳寿命、持久极限特性的疲劳强度及疲劳寿命可靠性问题更符合工程实际要求［１０］，成为强度可靠性研究的重要发展方向。目前，在材料疲劳强度及疲劳寿命理论发展的基础上，将可靠性分析技术及理论与之有机结合，建立系统的无限寿命疲劳可靠性及有限寿命疲劳可靠性数学模型，并寻求精确高效的分析计算方法是这方面研究的迫切需要和重要方向。3.6系统可靠性研究近年来，随着机械系统日益复杂化，系统可靠性研究日益受到重视。但就目前水平而言，对系统可靠性的研究还很不充分，尤其是对复杂系统的可靠性研究是最近十几年才发展起来的，相关的数学建模理论及分析计算方法都处于基础研究阶段，有待进一步发展。传统的系统可靠性理论将系统中各组成单元的故障失效视为相互独立，进而基于串联、并联、混联等各种理想模型进行系统可靠性分析。但是事实上在一般现实系统中，各组成单元及元器件的故障失效都是相互影响、相互关联的，只有考虑系统各组成单元及元器件的故障关联性，建立关联系统可靠性模型，才能更加准确地反映系统可靠性的真实情况。所以关联系统可靠性问题便成为目前系统可靠性研究的主要方向之一。另外，考虑系统元件对应不同故障模式、不同失效程度的多状态模式以及由于系统元件失效或性能衰退导致系统整体的性能下降且呈现出多个性能水平和多种失效模式，建立多状态系统可靠性理论，是研究复杂系统可靠性的现实要求［１１］。当前多状态系统可靠性研究的主要困难在于多状态系统的可靠性建模及状态数目爆炸问题，简化多状态系统可靠性模型、减轻计算负担是研究的重点。3.7模糊可靠性理论２０世纪８０年代，最早有人提出了用模糊数学方法处理可靠性设计中存在的模糊性问题，国内外研究人士就此进行了许多有益的探索研究［１２］。但是，由于研究起步晚、时间短，目前尚未形成完整的理论，初步的研究成果主要包括：建立模糊可靠性理论的必要性；扩展常规可靠性指标获得模糊可靠度、模糊失效概率、模糊故障率等指标；建立模糊可靠性指标的计算公式；对简单系统的模糊可靠性指标进行计算。为了处理实际机械系统中大量存在的模糊问题，对工程实践起到实际的指导意义，应该充分重视模糊可靠性理论的研究和发展。3.8可靠性优化设计将传统优化设计技术与可靠性设计理论相结合，考虑系统设计参数的概率分布特性及产品可靠性指标对系统设计的约束指导作用，将可靠性指标集成到优化设计的目标函数或约束条件中，运用最优化方法得到概率意义上的产品最优设计方案，这就是可靠性优化设计。机械可靠性优化设计问题主要可分为３类：一是将可靠性指标作为约束条件；二是将可靠性指标作为优化目标；三是对系统可靠度进行最优化分配。可靠性优化设计比传统的优化设计模式更为合理，有利于提高产品的设计质量、保证设计安全可靠并且提高产品的设计效益，在倡导提高产品安全可靠性及降低资源消耗的经济社会发展背景下，可靠性优化设计将成为机械产品设计开发的基本要求和必然趋势，相关的理论研究发展便显得尤为重要。3.9可靠性试验及数据积累产品可靠性试验及失效数据的积累是深入研究机械可靠性的重要条件。但是由于机械产品寿命试验及失效破坏试验的经济成本高、时间周期长，并且现场设备可靠性及失效数据的采集和积累难以实现，所以产品寿命及失效数据缺乏往往成为制约机械可靠性研究的瓶颈，是中国机械可靠性研究面临的普遍问题。广大机械可靠性研究工作者应该树立可靠性数据积累的长期意识，通过科学试验数据及现场数据的准确采集和长期积累，促进机械可靠性研究水平的切实提高。第四章机械系统可靠性设计的难点4.1机械系统可靠性设计程序难以统一如设计不当，则不论制造加工工艺多么精良先进，产品都是不可靠的。由于机械系统产品众多，导致机械可靠性设计模式多样，原因就是机械产品的可靠性设计研究的范围较广、基础性数据较少、可靠性涉及的方面、种类较多等。由于机械系统产品设计需求的变化，设计程序不会一成不变。这就要求设计人员在传统设计经验和理论的基础上，设计程序统一。目前可以看到，有些机械系统功能相同但性能不同、规格不同的产品的设计师设计程序也存在差别。比如外观尺寸设计，配色选择。机械产品由于通用性差，其产品的构成完全由功能决定，且动作构成的大部分零部件为非标准件。当没有独立的设计组时，机械系统产品线上的设计师均各自为政，造成机械产品组合时产生混乱。4.2机械系统故障复杂多样化机械系统结构比较复杂，各子系统的零件构成和数量各不相同，故其复杂程度对整机的影响也不同。机械系统故障具有耗损性，可能引起机械系统产品的失调、泄漏、老化、损坏和堵塞等，故障出现率也会随着机械工作的时间而发生变化，目前使用的设计分析方法是以电子产品的可靠性设计分部指数为基础的，相关性和随机性特征日益明显，这些都使得对机电一体化系统的可靠性设计方面存在很大难度。机械系统故障发生的形式和出现故障的部位等都给机械系统故障的设计和分析带来困难，增加了机械系统故障分析的复杂性和难度[[]刘晓洁，陈自兵.机械零件可靠性设计的研究与展望[J].科技经济市场.2016(02)][]刘晓洁，陈自兵.机械零件可靠性设计的研究与展望[J].科技经济市场.2016(02)4.3机械系统设计的可靠性和耐久性并重机械系统的设计既存在可靠性问题，即机械系统出现故障的时间间隔，又存在耐久性的问题，即机械系统的使用寿命问题。在使用过程中，机械系统往往会出现未到使用寿命时发生不能正常工作的现象，造成经济损失甚至重大安全事故。可靠性设计主要解决产品的偶然性故障问题，耐久性设计主要解决机械系统的渐变耗损故障。机械系统故障的发生通常与很多因素有关，而且不同故障模式的原因也各不相同。目前，机械系统多数利用的预防性维修为主的制度，系统和零部件的耐久性必须与预防性维修的制度相一致，因此，机械系统的设计必须将产品的可靠性与耐久性相结合。4.4机械系统可靠性难以预计机械系统越来越复杂，对于其可靠性的要求也逐步提高。机械系统产品可靠性设计分析方法，大多数都不适用于机械系统可靠性设计与分析。功能使用过程中的便捷性、易用性、直观性是设计师必须考虑的，设计一个零件使其规格形状完全符合规定要求，达到技术预计效果是比较困难的。现代机械系统产品失效机理多样复杂，难以收集准确完整的数据，再加上，设计人员难以建立机械系统可靠性模型，使得有赖于系统可靠性的模型预计方法难以运用，导致机械系统可靠性预计存在困难。为了保证机械系统的可靠性要求，必将对机械零部件的可靠性提出过于苛刻甚至难以实现的要求。这些导致了特殊元件不能产业化批量化生产，严重阻碍机械工业事业的发展。第五章提高机械可靠性设计的对策5.1提高机械系统标准化机械系统设计人员应结合实际零部件的负荷、尺寸和机构，提供相应的数据，进行标准化分析，提高标准零部件的结构工艺和可靠性，以期为可持续发展设计的最后产品的绿色化提供检验及保障。在为开发具有多种功能的不同产品，不必对每种产品施以单独设计，而是精心设计出多种模块，也避免了前面所述及的系统组成单元数量众多带来的麻烦。机械产品的可靠性和机械系统标准化是一样的，在产品进行可靠性设计的同时，考虑未来机械系统的通用性，它对机械是否能够稳定的工作起决定性作用。有了统一的机械系统标准，机械模块就有了统一的接口，机械的标准化、系列化和通用化就更容易得以实现。5.2灵活增减系统元部件数量零件是机械系统最基本的组成单元，可以根据系统组织关系，灵活增减系统元部件，来提高机械系统可靠性[[]邓宇.关于机械可靠性设计的内涵分析[J].电子世界.2014(16)][]邓宇.关于机械可靠性设计的内涵分析[J].电子世界.2014(16)5.3提高重点部位零部件的可靠性零件的无故障性与其耐久性统一于零件寿命，是一致的。要把产品系统顶层的功能逻辑抽象成为模块，以最少的产品变型满足最大范围的目标市场需求。减少装配方向并使装配操作在易于观察的部位进行，通过定位关系描述零部件之间的空间位置关系和配合关系，防止某些部位结合处设计标准不统一，因在机械运作过程而造成的故障变形。将机械可靠性设计方法应用于产品的研发设计过程中，对产品在正常工况下的运行能力、使用寿命等进行可靠性预测。对系统进行故障分析主要是为了找出系统的薄弱环节，然后加以改善以达到提高可靠性的目的，在机械系统可靠性设计中，并不是需要考虑所有的零部件，而只需要考虑重要的零部件，保证系统的可靠性。依据零件合并原则对功能相似或结构上能够组合在一起的零部件进行合并，这样就可减少零部件可靠性设计的工作量，尽可能简化产品功能，采用简单的结构和外形。5.4建立维修管理系统机械结构种类繁多，其重要程度也各不相同，因此不同的机械系统设备应根据可靠性分析的结果采取不同的检修策略。在改进现行的检修方式，选择合理的检修策略时，不必受某特定的维修体系的约束，应分析各种维修方式的具体内容，结合自身的机械系统特点和需要，将各种检修方式进行优化组合。维修厂应抓紧配备必要的监测技术设备，及时开展设备的状态监测工作，积累原始数据和经验。需要建立数据库，依赖计算机进行辅助分析诊断，同时对维修过程进行镇密、规范的管理。主要是对机械系统检修文件的管理和控制，以及对检修过程形成质量的活动进行质量监理。在机械系统检修中实行检修质量监理，是保证检修质量的一项重要措施，必须在持续改进中长期坚持下去。保证机械系统安全可靠经济地长周期运行。第六章卡轨车制动系统的可靠性设计案例6.1设计案例目前国内矿用卡轨车制动系统有多种形式，其中使用电子元件的制动系统，存在安装、调试、维护复杂，抗尘、抗腐蚀性能差、可靠性低等问题;使用液压元件的制动系统，存在反应慢、成本高、易泄漏、制动性能差等问题;机械式的制动系统:如木质楔形缓冲系统，该系统制动力不稳定，并且木质楔形块容易受水侵蚀，出现开裂变形等问题;再如插爪式的制动系统，存在制动不稳定、易翻车掉道等问题。6.2卡轨车制动系统的可靠性设计卡轨车是矿井运输中广泛应用的辅助运输设备，其牵引方式有钢丝绳牵引和机车牵引两种。目前，钢丝绳牵引方式在各矿的应用比较广泛，但是，在使用过程中，钢丝绳的锈蚀、断丝、磨损和卡轨车频繁的上下坡，使车辆发生断绳的可能性增加。为了防比运输环节安全事故的发生，减少井下人员伤亡和财产损失，卡轨车制动系统的可靠性设计必不可少，可靠性设计需考虑以下儿个方面:了.了合理利用现有研究成果，采用成熟的结构。目前，国外关于矿井辅助运输轨道制动装置改进创新的方法，主要有德国的贝考里特型、沙尔夫型、科拉姆型制动装置，英国的板式压轨、三面抱轨制动装置’。我国主要有槽钢轨道上卡轨车的两面制动和普通轨道上卡轨车的三面制动。在制动装置的选择上，设计人员应充分了解已有研究成果，通过分析比对找出适用于卡轨车制动装置的合理结构，在其基础上进行改进，设计出安全可靠的制动装置。6.3结构的标准化、通用化产品的标准化、通用化设计，在很大程度上可以控制产品的成本，提高工作效率。比如本设计除了使用弹簧、轴承、螺栓螺母、传动件、密封件等大量的标准零件以外，尽可能使各种部件通用化，例如带式缓冲装置的设计，不仅可用于卡轨车的缓冲，还可用于其他斜井人车的缓冲，该装置通过吸收车辆制动时的动能，实现平稳制动，并且可重复使用。通过机械零部件的标准化、通用化的设计，可使卡轨车制动系统的可靠性得以提高了载荷和应力的准确性描述，在设计计算过程中，除了运用抽象数学力学模型，数学力学公式外，还应大量运用现代设计方法，进行受力分析，确定结构尺寸和质量参数。例如缓冲装置的钢带、动轴、定轴等所受的应力和强度会随着载荷、结构尺寸及工况等的变动而变动，运用分布函数来描述此类特征。即:应力s=f（s1，s2，…，sm），强度r=f（r1，r2，…，rm），其中，ri是影响强度的随机变量，si是影响应力的随机变量。这种方法可提高缓冲装置载荷和应力描述的准确性，从而提高卡轨车制动系统载荷和应力的准确性。6.4采用合理的组合方式机械系统的可靠度由两个因素决定：机械零部件本身的可靠度和机械零部件组合系统的组合方式［2］。组合方式不同，系统的可靠性模型就不同，同时可靠度就不同。例如工作制动、安全制动和紧急制动三套制动系统组成的卡轨车制动体系，若建成串联模型，则可靠度R=ni=1仪Ri=R1R2R3；若建成并联模型，则可靠度R=1-ni=1仪（1-Ri）=1-（1-R1）（1-R2）（1-R3）；若将这三个单元混联，组成混联模型，则R=［1-（1-R2）（1-R3）］或R=R2［1-（1-R1）（1-R3）］或R=R3［1-（1-R1）（1-R2）］。其中，R1、R2、R3分别为工作制动、安全制动、紧急制动的可靠度。由此可知，系统的组合方式不同，可靠性模型的建立则不同，直接影响整个系统的可靠性。6.5系统的可靠性分配通过卡轨车制动系统组合方式的分析，为了提高整个系统的可靠性，在条件允许的情况下，应采用并联模型的组合方式。然而，一般机械设备的组合形式为串联系统，串联系统的可靠度R=ni=1仪Ri=R1R2R3。所以可靠性指标分配时，应根据零部件的重要程度，视具体情况合理分配，必须保证每个环节的可靠度，才能保证系统的可靠性，一旦出现某个薄弱环节，将导致整个系统的可靠性明显降低，因此，在进行可靠性设计的时候，应保证每个元件可靠度的相对统一。6.6整机及其零部件关系的统一为了使零部件可靠性更好地满足整机的性能要求，除了对单个零部件的可靠度、使用寿命进行计算外，还需对整个卡轨车制动系统进行可靠性、使用寿命的分析。可修复的零部件、不可修复的零部件、整个制动系统以及整机的可靠性、使用寿命要保持一定程度上的统一，最大限度地提高整机的可靠性。6.7合理选材矿井环境恶劣，存有瓦斯，一旦存在火花可能引起爆炸，应杜绝火花的产生，因此在卡轨车制动系统的整个设计过程中，尽量避免摩擦制动，如若必须采用摩擦制动方式，则需运用新型刹车材料，杜绝摩擦火花的产生；应考虑温度、湿度、CO浓度