ro●“●I●●●■t．．m机械设计中的可靠性一-。{!!。·n·“··，·”·一”·．，··，·一t，·t，·t徐祺祥，·t，·t，·”·t，··，·t··“·a·。…·c，·。·n···．i一、概迹可靠性是一门新兴学科，国外从五十年代起就进行了有系统的研究，尤其在电子、仪表、航天等领域以及那些功能要求高、元件多、投资大的高度复杂的系统，可靠性更应该是设计时考虑的首要问题。众所周知，可靠性是评价一个产品在工作过程中是否具有规定的功能和使用寿命的一种质量指标。当前在工程技术人员中较多地存在一种误解：认为可靠性的问题，主要是数理统计理论或强度理论问题，但事实上并非如此，可靠性问题的涉及范围很广，不只是数学理论计算问题，而大量的工作却是按产品的工作情况，对其进行故障分析，作出系统的可靠性管理；如果没有这方面的信息，也就不可能正确地应用数学模型，得出符合实际的结论。因此可靠性也是一个系统工程问题。每一个机械产品都有功能指标，如金属切削机床的加工零件类型、尺寸和精度，汽车的载重量及速度，起重机的起升高度与起重量，等等。但更重要的是这些功能指标的稳定性与保持性究竟如何，因此功能指标并不是唯一的质量指标，只抓功能指标，不抓可靠性是行不通的。目前，在评价产品的可靠性时，常用的指标有：耐用寿命(时间、次数)；平均无故障工作时间，又称MTBF(mean ttmo between failures)；出故障前平均工作时间，又称MTTF(mean time to failure)：失效率(或故障率)、可靠度、维修度以及有效度等。当前，为了提高机械产品的质量，在机械中应用可靠性技术，积累可靠性数据，加强可靠性管理已成为迫切的问题。二、机械产品的可靠性设计可靠性设计是指在常规的工程设计过程中，运用可靠性工程所提供的理论、数据和方法，使设计方案在满足功能技术指标的同时，也满足预定的可靠性指标。它是常规工程设计中的一个重要组成部分。在机械工程领域内，可靠性还是一个比较新的问题，由于传统的机械设计往往仅满足动能指标上的要求，除少量易损件外，机械零件的寿命相对来说都一2一比较长，可靠性的矛盾并不突出。但是近年来，随若机械产品逐步向多功能化、自动化、复杂化的方向发展，可靠性问题就日益引起重视。1978年以来，我国机械制造业推行了全面质量管理，有的工厂已建立了质量保证体系，获得了可靠性质量管理方面的经验．大部分机械产品不会在发生故障后即抛弃，而是通过维修或更换部分零部件，使之恢复功能。因此机械产品还必须具有便于维修的功能，通常把发生故障后的一定时间内完成维修的概率称为维修度。所以，机械产品的广义可靠性应包括：不发生故障的狭义可靠度和发生故障后修复的维修度；这个两者综合的广义可靠性，习惯上称为有效度(Availability)，可用以下的方程来表示：A(t，∞=R(D+[1--R(t)]M(百)(17式中：R(t)——在时间t内不发生故障的狭义可靠度M(f)——在时间百内修复的概率A(t，c)——综合两者的有效度机械产品的有效度高，也就是在单位时间内出现的故障数少，若出现故障也要能迅速修复，即其平均无故障的工作时间要长，平均检修所需时间要短。人力操纵的机械系统的可靠度Rs，可以用下面一个简单的方程来表示：Rs—R打·RⅣ=RH·A(t，f)=RH·{R(t)+[1一R(t)]M(百)}(2)式中R。——人的可靠度R”—一机械的可靠度Rs——系统的可靠度从方程(2)可知：机械系统的可靠度与人的因素、机械固有的可靠度和维修性能的好坏有关。因而在可靠性设计阶段就需要在设计方案上考虑人一机系统设计与维修性设计，以便提高机械产品的固有可靠性。分述如下：1．人一机系统设计随着机械系统自动化、多功能化程度的不断提高，操作人员的劳动复杂性也随着提高，而人的信息传递率与手足的操作活动能力有一定限度，并有一个最佳的工作范围。若在超负荷的条件下，人的工作效率就将明显降低。因此，为了保证获得较高的生产效率，除了必须具有良好的工作环境外，人与机器的合理配合，也是机械设计中应考虑的一个重要问题，它不仅可以提高效能、减少故障、节省费用，而且可以加速生产的发展。另一方面，从安全性的角度来考虑，这个问题也很重要，与机械相比，人发生差错的因素更复杂，人的可靠性也远较机械的可靠性重要。许多统计资料表明，相当一部分的机械事故都是人为差错所造成，从而，对于某些易疏忽的情况，应考虑安全的或防止差错的结构设计．机械设备的各种操纵器如把手、操纵杆、手轮、开关、足蹬、按钮、旋钮等的位置，必须与人体相应部位的高低相适应；操纵器的用力范围，也应当在人体适宜的用力限度之内；如有可能，应尽量把操纵器设在操作最方便，反应最灵活的空间区域内，当然，首先应满足常用及重要的操纵器。为了使这些操纵器处于最佳位置，在机械设计时，就应提供有关的人体各种测量参数作为设计相应操纵器的基本数据。为了保证有较高的工作效率，一般应当要求各种操纵器处在操作人员不必移动身体时，手足所能及的范围之内。其次，对机械设备上的入机联系点——仪表与显示器，最重要的是要求可读性(Readability)，即机械工作时，仪表与显示器应易于读取，也就是说，它们的位置应设置在最佳视野范围之内。一般情况下，仪表的读取距离D为：D=(i4-,-i8)L．L——全标度长仪表设置在良好的照明环境中时，可取较大值。通常，操作人员的头与眼都是可以转动的，人有一个最佳视野范围，仪表与显示器就应按照其重要性与常用的程度，分别设置在最佳或可能的视野范围之内，同时也要求它们处在操作人员不移动时的视力范围之内。另外，为了提高可读性，也要考虑仪表的造型、颜色、以及颜色的配合，这方面可通过实测来累积数据，作为设计时的借鉴。据国外的资料表明，显示器与仪表颜色的最佳组合为黑底黄色。对仪表刻度板来说，墨绿色刻度板配白色刻度线；淡黄色刻度板配黑色刻度线，这两组配色的读取误差率最小，是最佳组△、口。另外，机械产品希望能获得少出故障，或者一旦出现故障就能很快给予排除的高MTBF型仪表，并要考虑温度、湿度、电磁、振动、辐射等因素对仪表性能的影响。2．维修性设计机械产品的维修是指对产品进行检查、观察、调整、维护修理、更换零律、测试等与排除故障有关作业的总称．在机械设计中，具体贯彻维修性，很重要的一个方面是在于如何获得可达性(Accessibility)。可达性是指机械进行维修时，易于接近目标处的性质。维修性设计的目的是为了尽可能地缩短维修时间，从而增加机械产品的有效度。具体地说，机械设计时应考虑：(1)尽量采用组合部件，使维修更换方便，并有利于提高组合部件的质量。复杂机器与其进行零件的单体维修，不如以部件为单位进行更换更为方便、省时。(2)故障率高，维修更换时间长的零部件尽可能安置在易于装拆及检修的位置，即可达性好的位置。若以配置系数P，来表示，则：P，=”M，式中：九，为零件i的故障率：Mi为更换零件i所需的时间。即当零部件的P，愈大时，就愈应配置在可达性好的位置。三、全面质量管理与可靠性全面质量管理是提高产品可靠性的重要手段。近年来，由于各方面的努力和开展了“质量月”活动，在提高机械产品质量方面已取得了显著的成绩，但长时期来，我国机械产品的质量落后于国际水平，落后子用户要求，这是和在指导方针上忽视产品的可靠性分不开的。最近几年，上海电视工业公司狠抓了可靠性管理，在各个整机厂及元件厂共同开展了群众性的可靠性工作，使电视机的MTBF成倍地增长，由78年的低于500小时，增至目前的接近5000小时。这在许多方面是值得机械行业借鉴的。众所周知，每一机械产品都要经过研究设计、选择材料、定工艺、加工装配、检验、包装发运、用户服务、质量反馈等全过程，没有系统的全面质量管理也就难于提高产品的可靠性。全面质量管理是全过程和全体人员都参加的质量管理。在设计阶段，全面质量管理在于预测、预控产品质量，把影响产品质量的因素事先加以控制，以期提高产品的固有可靠性。具体做法，可以选择机械中某些故障率高、工序长、难度大、有代表仕的重要零件对其生产的全过程建立一套质量保证体系，开展P(Plan)D(Do)C(Cheek)A(Action)循环，以期发现并解决问题，不断提高产品的可靠性。四、结语(1)机械系统一般是串联布置，一个主要零部件失效必将影响整个机械，故应抓住几个主要的及故障率高的零部件的可靠性指标，以期提高整机的可靠性。(2)机械产品的可靠度随着其复杂程度的提高而一3一