機械設計各個階段中可靠性包含的工作

賀 鑫，韓 旺，史世攀

（中國地質大學 機電學院，湖北 武漢 430074）

機械設計是一個創造性的工作過程，這個過程主要包含了以下幾個階段：計劃階段，方案設計階段，技術設計階段，技術文件編制階段和后期維修保修階段。機械可靠性是指機械產品在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的能力，它是衡量機械產品質量的一個重要指標。機械可靠性設計方法是將概率統計理論、失效物理和機械學等結合起來的綜合性技術，它在機械設計的各個階段都包含了重要的工作。

1 設計計劃階段—產品的可靠性預測

在這個階段設計者應當制定相應的設計任務，這是設計的前期工作。其根據是用戶訂貨、市場需要和新的科研成果。設計部門應用各種技術和市場情報，擬列可能方案，比較其利弊，考慮到經濟性、適用性、可靠性等指標，制定合理的設計任務目標。在這個階段，可靠性設計的工作就是對所要設計的產品進行可靠性預測。

在這個階段所要設計的產品只是一個模糊的概念，因此這個階段要對產品的可靠性進行預測。這個工作主要有兩個目的，一是指出產品的薄弱環節，為后面的技術設計階段提供糾正指南；二是指出改進的方向，為產品的二次開發起到一定的指導作用。產品的可靠性預測要完成可靠性指標的確定與分配，即根據產品功能和用戶需求，制定相應的可靠性指標數值（比如可靠度、失效率、壽命等），并依據一定的原則與方法，按照產品的結構逐級分配可靠性指標。進行可靠性預測時，必須要有可信的數據。這些數據的來源主要是過去積累的經驗和數據。

2 方案設計階段—產品的可靠性分析

本階段對設計的成敗起關鍵的作用。方案設計階段提出原理性的設計方案，確定原理圖或機構運動簡圖。在這個階段，要正確地處理好借鑒與創新的關系。這個階段的主要步驟是首先對機器進行功能分析，然后設計者提出多個可能的解決方案，有時還要將這幾種可能的解決方案進行分解、組合，最后綜合評價確定方案。

在方案設計階段是對機器的原理和整體上來進行初設計的，因此在這個階段設計者必須對擬解決方案進行可靠性的評價。此時的可靠性設計和可靠性指標評價主要針對的是一個系統，由原理圖和擬定方案抽象出來簡化之后的系統。從可靠性的觀點看，系統越復雜，系統的可靠度就越低。因為系統越復雜，組成系統的基本原件就會越多，系統的可靠性就會降低。如果要保證系統的可靠性，就必須增加并聯備用系統，這樣會增加成本。因此在這個階段，可靠性設計就要應用可靠性設計方法對擬定系統進行初步的分析，確定系統的總事件，以及各組成部分的關系（例如串聯系統和并聯系統）。

3 技術設計階段——產品的可靠性設計

技術設計階段的目標是產生總裝配草圖及部件裝配草圖。通過草圖設計確定出各部件及其零件的外形及基本尺寸，包括各部件之間的連接，零、部件的外形及基本尺寸。最后繪制零件的工作圖、部件裝配圖和總裝圖。這個階段首先要對機器進行運動與動力設計，在此基礎之上開始設計主要零部件，并對這些主要零部件進行工作能力校核；接著設計部件裝配草圖和總裝配草圖，對一些重要零部件進行精確校核，最后完成總裝配圖。

在這個階段，可靠性設計的工作量就比較重了。在零部件設計時，通常已知主要零件所受的公稱載荷的大小和特性，依據強度、剛度、振動穩定性、壽命等準則，通過計算或類比，決定零部件的基本尺寸。在可靠性設計的范疇，往往通過建立各種可靠性模型進行設計，這樣可以保證零部件的可靠性高，同時又滿足經濟性的要求。目前應用最為廣泛的是應力—強度干涉模型。通過這模型可以嚴格控制失效概率，以滿足設計要求。在進行機械零部件的可靠性設計時，應針對在第一步設計計劃階段時對每一組成元件分配下來的可靠性指標進行設計，這樣才能給整個系統滿足最終可靠性要求提供必要的條件。

在裝配總圖的設計時，因為已經確定了方案和零部件，因此機器的各組成部分都已經明確，此時可以進行機械系統的可靠性設計了。機械系統的可靠性不僅取決于組成系統元件的可靠性，還取決于組成元件的相互組合方式。在進行機械系統可靠性設計時，要在方案設計階段中系統可靠性分析中確定出來的系統模型，再根據本設計階段所確定下來的各組成元件進行修正，然后求出系統可靠度。

這時會得出兩種結果：一是設計結果能滿足第一步設計計劃階段時所確定的可靠性指標，二是不能滿足。當滿足預定要求時，可以直接完成后續工作，進行裝配總圖以及各零件圖的繪制和編制。當不能滿足預定要求時，通常有兩種辦法解決。一是進行系統的冗余設計。增加多余的零部件或設備數，這樣即使一部分發生故障，也不會引起整個系統故障。二是返回上一步的設計，重新對個別零部件進行設計，提高其可靠性，或者重新進行系統元件的組合，提高整個系統的可靠性。

4 技術文件編制階段——產品的可靠性試驗

經過上述幾個階段的工作，整個設計過程已經接近尾聲。這時需要對產品的技術文件進行編制。這個階段有關可靠性的主要工作是進行可靠性試驗，即通過規定的試驗方法對產品進行試驗，評價產品的可靠性水平，對試驗結果進行統計分析。在上一階段中，可靠性設計主要是通過以往的經驗和數據為依據，依靠可靠性設計理論在理論上得到整個機械系統的可靠性指標。然而在實際應用上，必須通過可靠性試驗來得到機械系統的可靠性指標，并以此對整個機械系統進行可靠性評價，并將相關重要的指標和數據規律編制到產品的技術文件中，為使用者對產品的正確使用和維護提供一定的依據。

5 后期維修保養階段——質量與可靠性信息管理

產品設計的最后一個階段就是后期維修保養階段。這個階段看似沒有上面的幾個階段重要，但在實際過程中，尤其是在一些大型制造企業當中，這一階段的工作都是相當繁重的，而成本也是相當高的。在這個階段中，可靠性設計的主要工作包含以下幾個方面：確定技術保養周期，確定維修周期，確定機械產品的經濟使用期等。

在使用過程中，機械及其零部件的使用狀況將會逐漸退化，從而導致可靠性下降，工作能力喪失。為了保持機械良好的技術性能和較高的可靠性水平，就應當建立起質量與可靠性信息管理系統。這可以對產品的維修和保養提供非常寶貴的數據，也可以為產品的再次開發和新創造提供改進和發展的方向。

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