工程機械非標產品可靠性設計和試驗方法研究

劉婭菲，黃小梅，劉振偉

（中國航發貴州紅林航空動力控制科技有限公司，貴州貴陽 550009）

0 引言

工程機械非標產品的可靠性設計十分重要。在實際設計與試驗過程中，需要根據產品類型，結合工作經驗，采取合理可行的設計及試驗方法。

1 可靠性設計

1.1 剛度理論設計

一般情況下，機械系統設計計算都采用以下思路：首先，借助三維CAD 構建系統模型；其次，借助CAE 實施運動干涉檢查；再次，利用有限元軟件計算強度或應力；最后，以計算結果為依據，對設計進行適當修改，直到滿足要求。

當機械系統對精度有較高要求時，只靠對強度或應力進行計算還是遠遠不夠，還需要做好彈性變形分析。對于剛度理論，即根據最大應變或撓度，保證變形量處于精度要求范圍，由此對系統進行可靠性設計。系統誤差是測量系統自身誤差，需要從總體角度充分考慮來找到誤差源，針對精度開展可靠性設計，機械部位變形對系統精度有直接影響[1]。

以搖擺臺為例，它是主要的軍工項目，也是將不同技術集于一體的具有極高精度的系統。除了可以在承載情況下發生與海上搖擺相似的運動，還能提供出搖擺的姿態角度，為相關試驗提供可靠參數依據。整個系統主要由機械臺體、液壓分系統、電控分系統、測量分系統和通信分系統等5 個部分構成。

試驗臺有兩個自由度：①縱搖，指艦船首尾仰俯；②橫搖，指艦船在中軸線上左右滾動。對于搖擺角的幅值，橫、縱搖分別為±15°與±7°，承載能力為靜載10 t 和動載6 t。對搖擺姿態角進行動態測量時，RMS（角度綜合誤差）精度可以達到0.0067°以內[2]。

臺體發生的搖擺，即按譜線對傳播在海中狀態進行的模擬，主要依靠電液伺服系統實現。對于測量系統，要對基準面對應的瞬時姿態角進行精確測量，將其作為對被試件進行精度標定的重要基準。姿態角測量的傳感器安裝于臺體止推端，在這種情況下，如果臺體發生變形，將對系統精度造成直接影響。臺體所承受的載荷為16 t，負載時將出現彈性變形；臺體面積很大，夏季氣溫較高時，由于受熱面與背陰面之間的溫差增大，將產生熱變形。以上都會使基準面姿態產生變化，導致測量出現隨機誤差。對此，前者要采用有限元軟件做好應變分析，后者則要采用有限元軟件做好溫度場的分析，并以分析計算為基礎，選擇適宜的結構尺寸及材料，保證應力場的溫度場等都處在允許范圍之內[3]。

完成對總體設計精度進行的分配計算后，為有效保證精度，臺體因變形產生的測量誤差需控制在20″以內；系統測量端產生的軸向竄動需控制在0.05 mm 以內，徑向跳動應控制在0.01 mm 以內。基于此，臺體應進行剛度理論設計，除了要求強度合格，還要求彈性變形處于允許范圍內，否則，輕則導致傳感元件檢測結果不準確、不可靠，重則導致傳感元件損壞。

利用CAD/CAE 軟件計算臺體不同受力情況下的應力應變。根據分析計算結果，臺體應為封閉型結構，并在應力相對較大的部位焊接立向筋板，用于防止產生很大的彎曲變形。在應力最為集中的部位，需使用鑄鋼工藝實現一次性成型，在它的受光與背光面之間均勻布置通風孔，以此避免溫差變形。臺體完成整體焊接之后，還應做好各項處理，如探傷處理、熱處理和對局部振動進行時效處理等，以此消除所有殘余應力，保證系統精度。

完成剛度設計以后，系統內臺體的極限應力產生于臺體和橫搖液壓缸相連的位置；系統外臺體的極限應力產生于臺體和縱搖液壓缸相連的位置，數值比材料自身屈服極限小。可見，完成剛度理論設計后的臺體，其強度安全系數合格[4]。

1.2 抗沖擊與振動保護

設備正常使用時難免受到外力激振與沖擊，某些產品還會受到交變荷載。如果交變荷載頻率接近產品固有振動頻率，則會使設備發生明顯共振，導致設備或構件被破壞。借助CAE 技術，在產品設計過程中做好剛體動力學及振動模態分析，確定它的固有頻率。然后根據產品自身結構設計規避共振，這是有效的設計方法。

根據力學理論，當機械結構自身剛度變大時，它的固有頻率將明顯升高，而機械結構質量變大時，它的固有頻率將明顯降低。基于此，可通過對結構形式的適當改變，調整剛度與固有頻率，以實現對共振的有效控制。設計臺體結構時，實際上就是通過筋板的焊接對系統固有頻率進行調整[5]。

仍以搖擺臺為例進行分析，該設備可看成有兩個自由度的振動系統。系統工作過程中，要承受6 t 的動荷載。為防止系統受到外擾力作用出現共振，應掌握它的動態特性，盡可能規避共振區。通過對系統實施剛體動力學分析與有限元模態研究，它的固有頻率與振型如下：第一階主頻率在7.7 Hz 左右，第二階主頻率在12.7 Hz 左右。由于臺體自身姿態有所不同，因此主頻率會產生明顯變化。以上主頻都能遠離外擾頻率，進而有效避免共振。

2 測量系統與電子裝置的可靠性設計及適應性試驗

2.1 簡單化設計

按照一般邏輯，復雜度越高的系統，其可靠性往往越低，進行簡單化設計能有效提高系統可靠性。以電子監控器為例，其硬件系統充分引入了嵌入式技術，它是以具體性能要求為依據設計制作的小系統。監控器電路只包含1 個處理器芯片與7 個標準化接口，無數據存儲器與外加程序，所有功能均由處理器芯片實現。通過長期應用考核以及上述簡化設計，可以最大限度保證系統的可靠性。

2.2 降額設計

它是使系統的所有組件都在比額定載荷低的情況下工作。實踐過程中，最常用且有效的方法為使用高強度組件，即合理使用大馬拉小車方法。例如，對電容器而言，其降額方法是將所加電壓控制在比額定值小的條件下，而芯片降額則是將功率耗散控制在比額定值小的情況下。在搖擺臺上，測量系統為封閉水冷軍用加固計算機，其接口板元件為軍用54 系列元器件，同時事先進行篩選老化，以上均屬于降額設計，保證系統的可靠性。

2.3 適應性試驗

工程機械所處工作環境往往十分惡劣，如潮濕、振動、沖擊與粉塵，這就要求監控器必須在不同環境下可以正常運行，因此除了可靠性，對環境的適應能力也十分重要。根據粗略統計可知，我國自主研發生產的監控器，其可靠性只有國外產品1/3～1/2，壽命也只有1/2。依然以監控器為例進行分析，它需要進行的適應性試驗內容包括以下幾種。

2.3.1 振動試驗

按照相關試驗標準，對國產型號為D-150-1 的振動系統進行如下試驗。

（1）耐頻掃描試驗。試驗時的振頻在10～300 Hz；振幅比交越頻率對應的位移幅值小0.7 mm，比交越頻率對應的加速度幅值高5 g。電子監視器主要進行上下往復振動，振動持續時間按10±0.5 min 控制。完成一次循環掃描需要的時間在4 min 左右，在試驗過程中，需對共振點進行檢測，用于完成后續耐共振頻率試驗[6]。

（2）耐共振頻率試驗。基于共振頻率，以規定振幅為依據實施振動試驗。試驗的主要目的是對設備在相對較短的時間范圍內，對共振響應具有的適應能力進行考驗，并非破壞性試驗。其振頻與共振點周圍頻率相同，加速度幅值確定為5 g，持續時間為10 min。

2.3.2 高低溫濕熱循環試驗

按照相關試驗標準與總則，對試驗箱進行控制，試驗步驟如下。

（1）低溫試驗。樣品通電后，對試驗箱進行設定，5 min 內需要達到-15 ℃；然后開啟制冷，40 min 內達到-25 ℃，并在這一溫度條件下保持16 h。

（2）高溫試驗。樣品通電后，對試驗箱進行設定，5 min 內需要達到40 ℃；然后開啟制熱，使40 min 內都達到55 ℃，并在這一溫度條件下保持16 h。

（3）交變濕熱。將試驗箱的溫濕度分別設定為25 ℃、60%，在之后的1 h 內，使濕度上升至95%。升溫過程中，需在3 h 內使空間溫度升高至55 ℃。高溫高濕持續過程中，使空間溫度保持在允許范圍內，到12 h 為止。在這一階段中，除了最初與最終的15 min 濕度要達到90%以上，其他時間需要保持在95%；降溫過程中，空間溫度需要在3～6 h 內降低到25 ℃；在低溫高濕保持過程中，使空間溫度保持在25 ℃，濕度達到95%以上，24 h后停止。

3 結束語

對于任意類型的整機產品，其可靠性模型均以串聯性框架為主，只有它的關鍵重要件才支持冗余設計，進而在串聯回路中產生并聯分支。基于此，整體可靠性和系統最薄弱環節息息相關。針對非標產品，在設計過程中，為保證產品質量，需要做好可靠性分析，通過分析找到薄弱環節，將其作為后續攻關重點。如果缺乏試驗數據，則可通過適應性試驗找到系統中存在的薄弱環節。在壽命試驗過程中，需對關鍵部件采用臺架進行試驗，以此縮短試驗周期。通過分析找到薄弱環節后，即可利用適宜方法改進設計。需要注意的是，以上方法并非定式，可依照實際情況調整。