关于振动机械的可靠性设计分析

杜佩明+何尚文

摘 要：随着科学技术的发展，我们对产品的设计要求越来越高，不仅要具有良好的性能，还要有更高的可靠性水平，这就需要我们采用可靠性设计。所谓可靠性是指产品在规定时间和规定使用条件下，可以完成规定功能的能力或性质。由于工程材料的离散性以及测量、加工、制造和安装误差等因素的影响，机械产品的系统参数具有不确定性，因此，我们对振动机械的可靠性设计必须进行优化设计分析。文章结合当今可靠性工程学科，对振动机械的可靠性设计分析做出相关探讨。

关键词：振动机械；可靠性设计；设计分析

1 振动机械中的振动

振动机械是通过弹性介质来传送机械振动。机械振动是指物体或者质点在其平衡位置附近所作的往复运动。机械振动有下面几种分类：圆或椭圆振动，即振动体的振动轨迹在水平面上的投影是一条直线，而在垂直面上的投影为一圆或者椭圆。通常将一台振动电机安装在振动机械机体上，便可产生这种运动。直线振动：振动体的振动轨迹在水平面及垂直面上的投影都是直线；复合振动：振动体的振动是由两组激振系统产生的；旋振动：振动体的振动轨迹在水平面上的投影是一圆或椭圆，而旋振动又可以分为：平旋型振动、涡旋型振动、复旋型振动三种形式。振动机械经过了不断地更新和发展，目前我国的振动机械新产品有以下技术特点：能够预防长距离振动输送机产生弹性弯曲，保持振动机械振动稳定；可以消除构件焊接内应力，有效防止螺钉和螺帽松动，也防止了塞孔堵塞，减小二次隔振传给基础振动等。

2 振动机械的可靠性设计

振动机械产品的可靠性设计包括整机产品和零部件的设计。设计的方式有两种，一种是根据零部件的可靠性预测结果，计算产品的可靠性指标，对一些关键性零部件进行可靠性试验，对其进行评审、修改、直到满足指标为止；另一种是对零部件进行可靠性分析，按照比例分配，尽量采用标准件或者质量成熟稳定的零件，按照类比的选择设计。机械的可靠性设计在机械设计中具有重要作用，它对机械是否能够稳定的工作起决定性作用。由于机械产品可靠性涉及的领域太多、太广，以及基础性数据获取的困难性，机械的可靠性在实际操作中并不能广泛应用。所以，近年来国内外对其投入了大量精力进行系统研究，并取得了一定的进展。例如，我们以传统的选煤机械为基础，结合生产实际，提出了如何提高振动零件可靠性的方法：通过把机械固有的频率、激振力频率、振动响应按照实际处理為随机变量，确定了振动机械零件的可靠度。此外，我们在进行研究的同时，对零件容易损坏关键部件进行可靠性分析计算，进而对整个系统进行分析计算。这些例子可作为以后的可靠性设计的参考。日益激烈的市场竞争，对振动机械产品和振动控制系统提出了更高的要求，要能够不断提高结构的性能周期、降低原材料消耗和制造成本，进一步优化产品设计技术，但为了保证产品的质量，必须在对原材料进行筛选的时候，严格把控。尽管如此，振动机械产品经常发生失效的情况。机械产品常见的失效形式有以下几种：突然失效、渐变失效、早期失效、偶然失效、耗损失效。面对这些情况，我们必须对其进行可靠性维修，所谓可靠性维修是以可靠性理论为基础，通过对影响可靠性的因素具体分析和试验，应用逻辑分析决断法，科学制定维修内容，优选维修方式，合理确定使用期，来控制和维持机械设备使用的可靠性的一种方法。机械产品的可靠性和可维修性是一样的，在产品进行可靠性设计的同时，也要进行维修性的设计，使得产品在使用中存在的问题容易发现，避免产生重大事故。另外，我们在对产品进行维修性的设计时，尽量要以最低的费用来保持和恢复设备的固有可靠性水平，尽量减少排除故障所用的维修时间。这便要求我们要在可靠的理论基础上制定合理的维修规程，使用标准的维修工具及设备，提高维修人员的技术水平，使机械维修的工作面向科学化、现代化。

3 振动机械的设计分析

我们对一个振动机械产品进行设计时，首先对产品进行规划，在方案设计阶段，对产品进行产品定义、功能分析、对求解变量、初始变量、变量设计，以及工程经济方面进行评价。然后绘制草图，确定比例，进而拟订计划，进行造型和零部件优化，整理变量。随后估计载荷，进行构件试验，部件仿真和计算数据，最后定性，执行开发，进行弱点分析。产品设计好以后并不能立即投入使用，在使用之前还要多次进行反复试验，确定固有的可靠性，以保证产品的制造是安全的。

振动机械的可靠性设计最初是可靠性设计量的分布参数，由于材质，制造、安装、维修工艺的离散性以及载荷和运行参数的随机性，机械零件的激振力频率、固有频率、振动响应、失稳转速、流体弹性激振的临界流速、声学驻波频率等振动设计量是非定值，即随机变量，所以设计起来极为复杂。但考虑到我们设计一个产品，都希望其寿命周期长，经济效益高。所以，我们便在原来的可靠性设计方法上进行了创新，在传统的振动体设计的基础上引入概率论和数量统计为基础的可靠性设计方法，这样便使所设计的零件具有可预测性，使产品的设计符合工程实际。在生产实践中，许多振动零件的损坏与振动有关，我们在传统的方法上进行振动设计，把零件的振动设计量取为定值，虽然在理论基础上可以判断设计是否安全，但是我们在实际操作中，无法预知结果。这也是振动问题的复杂之处，仍需要进一步地研究和探索。

4 结束语

科学技术的快速发展，对振动机械产品提出了更高的要求。所以我们要采用可靠性的设计，设计出贴近实际的方案，来降低原材料的消耗和制造成本，提高产品的设计技术。便其能够在传统的方法上进行创新，学习国外先进技术，取其精华，去其糟粕，从而研发出可靠性的振动机械设备，并结合当今可靠性工程学科研发，使振动机械技术在机械领域的应用和发展有一个全面的、客观的认识，成为一种以智力为依托的高新技术。

参考文献

[1]毛黎明，杨先振.故障物理分析与机械可靠性（五）——机械可靠性设计与试验[J].航空标准化与质量，2000（02）.

[2]喻天翔，宋笔锋，万方义，等.机械可靠性试验技术研究现状和展望[J].机械强度，2007（02）.

[3]陈连，邹广萍.机械可靠性设计的最优化方法及其应用研究[J].机械设计与制造，2006（02）.

[4]陈立伟，王延荣.平均应力及其分散性对结构振动可靠性的影响[J].航空动力学报，2006（05）.

[5]郝静如，米洁，姚文席，等.大型振动机械的可靠性研究[J].机械科学与技术，2003（01）.

作者简介：杜佩明（1996，11-），男，河南省新乡市，本科，郑州大学力学与工程科学学院工程力学专业。