机械设计各个阶段中可靠性包含的工作

贺 鑫，韩 旺，史世攀

（中国地质大学 机电学院，湖北 武汉 430074）

机械设计是一个创造性的工作过程，这个过程主要包含了以下几个阶段：计划阶段，方案设计阶段，技术设计阶段，技术文件编制阶段和后期维修保修阶段。机械可靠性是指机械产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力，它是衡量机械产品质量的一个重要指标。机械可靠性设计方法是将概率统计理论、失效物理和机械学等结合起来的综合性技术，它在机械设计的各个阶段都包含了重要的工作。

1 设计计划阶段—产品的可靠性预测

在这个阶段设计者应当制定相应的设计任务，这是设计的前期工作。其根据是用户订货、市场需要和新的科研成果。设计部门应用各种技术和市场情报，拟列可能方案，比较其利弊，考虑到经济性、适用性、可靠性等指标，制定合理的设计任务目标。在这个阶段，可靠性设计的工作就是对所要设计的产品进行可靠性预测。

在这个阶段所要设计的产品只是一个模糊的概念，因此这个阶段要对产品的可靠性进行预测。这个工作主要有两个目的，一是指出产品的薄弱环节，为后面的技术设计阶段提供纠正指南；二是指出改进的方向，为产品的二次开发起到一定的指导作用。产品的可靠性预测要完成可靠性指标的确定与分配，即根据产品功能和用户需求，制定相应的可靠性指标数值（比如可靠度、失效率、寿命等），并依据一定的原则与方法，按照产品的结构逐级分配可靠性指标。进行可靠性预测时，必须要有可信的数据。这些数据的来源主要是过去积累的经验和数据。

2 方案设计阶段—产品的可靠性分析

本阶段对设计的成败起关键的作用。方案设计阶段提出原理性的设计方案，确定原理图或机构运动简图。在这个阶段，要正确地处理好借鉴与创新的关系。这个阶段的主要步骤是首先对机器进行功能分析，然后设计者提出多个可能的解决方案，有时还要将这几种可能的解决方案进行分解、组合，最后综合评价确定方案。

在方案设计阶段是对机器的原理和整体上来进行初设计的，因此在这个阶段设计者必须对拟解决方案进行可靠性的评价。此时的可靠性设计和可靠性指标评价主要针对的是一个系统，由原理图和拟定方案抽象出来简化之后的系统。从可靠性的观点看，系统越复杂，系统的可靠度就越低。因为系统越复杂，组成系统的基本原件就会越多，系统的可靠性就会降低。如果要保证系统的可靠性，就必须增加并联备用系统，这样会增加成本。因此在这个阶段，可靠性设计就要应用可靠性设计方法对拟定系统进行初步的分析，确定系统的总事件，以及各组成部分的关系（例如串联系统和并联系统）。

3 技术设计阶段——产品的可靠性设计

技术设计阶段的目标是产生总装配草图及部件装配草图。通过草图设计确定出各部件及其零件的外形及基本尺寸，包括各部件之间的连接，零、部件的外形及基本尺寸。最后绘制零件的工作图、部件装配图和总装图。这个阶段首先要对机器进行运动与动力设计，在此基础之上开始设计主要零部件，并对这些主要零部件进行工作能力校核；接着设计部件装配草图和总装配草图，对一些重要零部件进行精确校核，最后完成总装配图。

在这个阶段，可靠性设计的工作量就比较重了。在零部件设计时，通常已知主要零件所受的公称载荷的大小和特性，依据强度、刚度、振动稳定性、寿命等准则，通过计算或类比，决定零部件的基本尺寸。在可靠性设计的范畴，往往通过建立各种可靠性模型进行设计，这样可以保证零部件的可靠性高，同时又满足经济性的要求。目前应用最为广泛的是应力—强度干涉模型。通过这模型可以严格控制失效概率，以满足设计要求。在进行机械零部件的可靠性设计时，应针对在第一步设计计划阶段时对每一组成元件分配下来的可靠性指标进行设计，这样才能给整个系统满足最终可靠性要求提供必要的条件。

在装配总图的设计时，因为已经确定了方案和零部件，因此机器的各组成部分都已经明确，此时可以进行机械系统的可靠性设计了。机械系统的可靠性不仅取决于组成系统元件的可靠性，还取决于组成元件的相互组合方式。在进行机械系统可靠性设计时，要在方案设计阶段中系统可靠性分析中确定出来的系统模型，再根据本设计阶段所确定下来的各组成元件进行修正，然后求出系统可靠度。

这时会得出两种结果：一是设计结果能满足第一步设计计划阶段时所确定的可靠性指标，二是不能满足。当满足预定要求时，可以直接完成后续工作，进行装配总图以及各零件图的绘制和编制。当不能满足预定要求时，通常有两种办法解决。一是进行系统的冗余设计。增加多余的零部件或设备数，这样即使一部分发生故障，也不会引起整个系统故障。二是返回上一步的设计，重新对个别零部件进行设计，提高其可靠性，或者重新进行系统元件的组合，提高整个系统的可靠性。

4 技术文件编制阶段——产品的可靠性试验

经过上述几个阶段的工作，整个设计过程已经接近尾声。这时需要对产品的技术文件进行编制。这个阶段有关可靠性的主要工作是进行可靠性试验，即通过规定的试验方法对产品进行试验，评价产品的可靠性水平，对试验结果进行统计分析。在上一阶段中，可靠性设计主要是通过以往的经验和数据为依据，依靠可靠性设计理论在理论上得到整个机械系统的可靠性指标。然而在实际应用上，必须通过可靠性试验来得到机械系统的可靠性指标，并以此对整个机械系统进行可靠性评价，并将相关重要的指标和数据规律编制到产品的技术文件中，为使用者对产品的正确使用和维护提供一定的依据。

5 后期维修保养阶段——质量与可靠性信息管理

产品设计的最后一个阶段就是后期维修保养阶段。这个阶段看似没有上面的几个阶段重要，但在实际过程中，尤其是在一些大型制造企业当中，这一阶段的工作都是相当繁重的，而成本也是相当高的。在这个阶段中，可靠性设计的主要工作包含以下几个方面：确定技术保养周期，确定维修周期，确定机械产品的经济使用期等。

在使用过程中，机械及其零部件的使用状况将会逐渐退化，从而导致可靠性下降，工作能力丧失。为了保持机械良好的技术性能和较高的可靠性水平，就应当建立起质量与可靠性信息管理系统。这可以对产品的维修和保养提供非常宝贵的数据，也可以为产品的再次开发和新创造提供改进和发展的方向。

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