可靠性設計

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可靠性設計(Reliability Design)

　　可靠性設計即根據可靠性理論與方法確定產品零部件以及整機的結構方案和有關參數的過程。設計水平是保證產品可靠性的基礎。^[1]

　　可靠性設計的一個重要內容是可靠性預測，即利用所得的資料預報一個零件、部件或系統實際可能達到的可性，預報這些零部件或系統在規定的條件下和在規定時間內完成規定功能的概率。在產品設計的初期階段，及時完成可靠性預測工作，可以瞭解產品各零部件之間可靠性的相互關係，找出提高產品可靠性的有效途徑。^[2]

　　（1）選擇設計方案時儘量不採用還不成熟的新系統和零件，儘量採用已有經驗並已標準化的零部件和成熟的技術。

　　（2）結構簡化，零件數削減。如日本橫河記錄儀錶10年中無件數削減30%，大大提高了可靠性。

　　（3）考慮功能零件的可接近性，採用模塊結構等以利於可維修性。

　　（4）設置故障監測和診斷裝置。

　　（5）保證零件部設計裕度（安全繫數/降額）。

　　（6）必要時採用功能並聯、冗餘技術。如日本的液壓挖掘機等，採用雙泵、雙發動機的冗餘設計。

　　（7）考慮零件的互換性。

　　（8）失效安全設計（Failure Safe），系統某一部分即使發生故障，但使其限制在一定範圍內，不致影響整個系統的功能。

　　（9）安全壽命設計（Safe Life），保證使用中不發生破壞而充分安全的設計。例如對一些重要的安全性零件如汽車剎車，轉向機構等要保證在極限條件下不能發生變形、破壞。

　　（10）防誤操作設計（Fool proof）

　　（11）加強連接部分的設計分析，例如選定合理的連接、止推方式。考慮防振，防衝擊，對連接條件的確認。

　　（12）可靠性確認試驗，在沒有現成數據和可用的經驗時，這是唯一的手段。尤其機械零部件的可靠性預測精度還很低。主要通過試驗確認。

　　為了使設計時能充分地預測和預防故障，把更多的失效經驗設計到產品中，因而必須邦助設計人員掌握充分的故障情報資料和設計依據。採取以下措施：

　　（1）可靠性檢查表，從可靠性觀點出發，列出設計中應考慮的重點。設計時逐項檢查。考慮預防的對策。

　　（2）推行FMEA，FTA方法。FMEA（失效模式影響分析）和FTA（故障樹分析）是可靠性分析中的重要手段。FMEA是從零部故障模式入手分析，評定它對整機或系統發生故障的影響程度，以此確定關鍵的零件和故障模式。FTA則是從整機或系統故障開始，逐步分析到基本零件的失效原因。這兩種方法在國外被看作是設計圖紙一樣重要，作為設計的技術標準資料，它收集總結了該種產品所有可能預料到的故障模式和原因。設計者可以較直觀地看到設計中存在的問題。

　　（3）故障事例集。把過去技術上的失敗和改進的事例作成手冊，供設計者隨進參考。通常用簡圖表示，將故障和改進作對比。對故障的原因、情況附有簡單說明。這手冊是各公司積累的技術財富，視同設計規範同等重要。

　　（4）資料庫。廣泛有效地收集設計、製造中的失敗和改進經驗，試驗和實際用的數據形成檢索系統和資料庫，使設計者能超越本單位充分利用別人實踐過的經驗。如電子產品已形成世界性可靠性信息交換網。

　　（5）設計、試驗規範的不斷充實、改善。從使用實際得來的故障教訓要反饋到設計、試驗方法的改進中，要將這些改進效果作為產品設計規範（包括材料選定，結構形式，許用應力，安全繫數值）和試驗標準的改進依據，使它們成為設計技術的一部分。隨著可靠性工作開展。必須加強設計、試驗規範的研究，命名如試驗規範的制定要以實地使用條件分析為基礎，要調查出場的回收品和試驗室加速試驗件作對比，計算強化繫數。通過失效分析反推，驗證試驗條件是否合適，從而不斷改進試驗方法和標準。因而這些規範都是公司的財富，對外不輕易泄密。如日本小松10年中試驗標準增加三倍，豐田的試驗標準有1500項之多。也可見各公司對試驗的重視程度。

　　機械可靠性一般可分為結構可靠性和機構可靠性。結構可靠性主要考慮機械結構的強度以及由於載荷的影響使之疲勞、磨損、斷裂等引起的失效；機構可靠性則主要考慮的不是強度問題引起的失效，而是考慮機構在動作過程由於運動學問題而引起的故障。

　　機械可靠性設計可分為定性可靠性設計和定量可靠性設計。所謂定性可靠性設計就是在進行故障模式影響及危害性分析的基礎上，有針對性地應用成功的設計經驗使所設計的產品達到可靠的目的。所謂定量可靠性設計就是充分掌握所設計零件的強度分佈和應力分佈以及各種設計參數的隨機性基礎上，通過建立隱式極限狀態函數或顯式極限狀態函數的關係設計出滿足規定可靠性要求的產品。

　　機械可靠性設計方法是常用的方法，是目前開展機械可靠性設計的一種最直接有效的方法，無論結構可靠性設計還是機構可靠性設計都是大量採用的常用方法。可靠性定量設計雖然可以按照可靠性指標設計出滿足要求的恰如其分的零件，但由於材料的強度分佈和載荷分佈的具體數據目前還很缺乏，加之其中要考慮的因素很多，從而限制其推廣應用，一般在關鍵或重要的零部件的設計時採用。

　　機械可靠性設計由於產品的不同和構成的差異，可以採用的可靠性設計方法有：

　　1.預防故障設計

　　機械產品一般屬於串聯繫統.要提高整機可靠性,首先應從零部件的嚴格選擇和控制做起。例如，優先選用標準件和通用件；選用經過使用分析驗證的可靠的零部件；嚴格按標準的選擇及對外購件的控制；充分運用故障分析的成果，採用成熟的經驗或經分析試驗驗證後的方案。

　　2.簡化設計

　　在滿足預定功能的情況下，機械設計應力求簡單、零部件的數量應儘可能減少，越簡單越可靠是可靠性設計的一個基本原則，是減少故障提高可靠性的最有效方法。但不能因為減少零件而使其它零件執行超常功能或在高應力的條件下工作。否則，簡化設計將達不到提高可靠性的目的。

　　3.降額設計和安全裕度設計

　　降額設計是使零部件的使用應力低於其額定應力的一種設計方法。降額設計可以通過降低零件承受的應力或提高零件的強度的辦法來實現。工程經驗證明，大多數機械零件在低於額定承載應力條件下工作時，其故障率較低，可靠性較高。為了找到最佳降額值，需做大量的試驗研究。當機械零部件的載荷應力以及承受這些應力的具體零部件的強度在某一範圍內呈不確定分佈時，可以採用提高平均強度（如通過大加安全繫數實現）、降低平均應力，減少應力變化（如通過對使用條件的限制實現）和減少強度變化（如合理選擇工藝方法，嚴格控制整個加工過程，或通過檢驗或試驗剔除不合格的零件）等方法來提高可靠性。對於涉及安全的重要零部件，還可以採用極限設計方法，以保證其在最惡劣的極限狀態下也不會發生故障。

　　4.餘度設計

　　餘度設計是對完成規定功能設置重覆的結構、備件等，以備局部發生失效時，整機或系統仍不致於發生喪失規定功能的設計。當某部分可靠性要求很高，但目前的技術水平很難滿足，比如採用降額設計、簡化設計等可靠性設計方沙土，還不能達到可靠性要求，或者提高零部件可靠性的改進費用比重覆配置還高時，餘度技術可能成為叭一或較好的一種設計方法，例如採用雙泵或雙發動機配置的機械繫統，但應該註意，餘度設計往往使整機的體積、重量、費用均相應增加。餘度設計提高了機械繫統的任務可靠度，但基本可靠性相應降低了，因此採用餘度設計時要慎重。

　　5.耐環境設計

　　耐環境設計是在設計時就考慮產品在整個壽命周期內可能遇到的各種環境影響，例如裝配、運輸時的衝擊，振動影響，貯存時的溫度、濕度、黴菌等影響，使用時的氣候、沙塵振動等影響。因此，必須慎重選擇設計方案，採取必要的保護措施，減少或消除有害環境的影響。具體地講，可以從認識環境、控制環境和適應環境三方面加以考慮。認識環境指的是：不應只註意產品的工作環境和維修環境，還應瞭解產品的安裝、貯存、運輸的環境。在設計和試驗過程中必須同時考慮單一環境和組合環境兩種環境條件；不應只關心產品所處的自然環境，還要考慮使用過程所誘發出的環境。控制環境指的是：在條件允許時，應在小範圍內為所設計的零部件創造一個良好的工作環境條件，或人為地改變對產品可靠性不利的環境因素。適應環境指的是：在無法對所有環境條件進行人為控制時，在設計方案、材料選擇、錶面處理、塗層防護等方面採取措施，以提高機械零部件本身耐環境的能力。

　　6.人機工程設計

　　人機工程設計的目的是為減少使用中人的差錯，發揮人和機器各自的特點以提高機械產品的可靠性。當然，人為差錯除了人自身的原因外，操縱台、控制及操縱環境等也與人的誤操作有密切的關係。因此，人機工程設計是要保證系統向人傳達的住處的可靠性。例如，指示系統不僅顯示器靠，而且顯示的方式、顯示器的配置等都使人易於無誤地接受；二是控制、操縱系統可靠，不僅儀器及機械有滿意的精度，而且適於人的使用習慣，便於識別操作，不易出錯，與安全有關的，更應有防誤操作設計；三是設計的操作環境儘量適合於人的工作需要，減少引起疲勞、干擾操作的因素，如溫度、濕度、氣壓、光線、色彩、雜訊、振動、沙塵、空間等。

　　7.健壯性設計

　　健壯性設計最有代表性的方法是日本田口玄一博士創立的田口方法，即所謂的一個產品的設計應由系統設計、參數設計和容差設計的三次設計來完成，這是一種在設計過程中充分考虛影響其可靠性的內外干擾而進行的一種優化設計。這種方法已被美國空軍制定的RM2000年中作為一種抗變異設計以及提高可靠性的有效方法。

　　8.概率設計法

　　概率設計法是以應力一強度干涉理論著基礎的，應力一強度干涉理論將應力和強度作為服從一定分佈的隨機變數處理。本書第3、4章將介紹這方面內容。

　　9.權衡設計

　　權衡設計是指在可靠性、維修性、安全性、功能重量、體積、成本等之間進行綜合權衡，以求得最佳的結果。

　　10.模擬方法設計

　　隨著電腦技術的發展，模擬方法日趨完善，它不但可用於機械零件的可靠性定量設計，也可用於系統級的可靠性定量設計。

　　當然，機械可靠性設計的方法絕不能離開傳統的機械設計和其它的一些優化設計方法，如機械電腦輔助設計、有限元分析等。