機械零件的可靠性設(shè)計簡介

1、文章編號:100522895(20030420005203機械零件的可靠性設(shè)計簡介李彥文(燕山大學,河北秦皇島066004摘要:分析了傳統(tǒng)設(shè)計方法與可靠性設(shè)計方法在設(shè)計思想、設(shè)計原理上的區(qū)別,并根據(jù)實際例題詳細分析了可靠性設(shè)計的注意事項。關(guān)鍵詞:傳統(tǒng)設(shè)計;可靠性設(shè)計;可靠度;正態(tài)分布;概率中圖分類號:TH 122文獻標識碼:B1前言目前,我們?nèi)灾饕褂脗鹘y(tǒng)的設(shè)計方法進行機械零件的設(shè)計。在設(shè)計過程中甚至產(chǎn)品的使用過程中,我們不難發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的設(shè)計方法并不能預測零部件可靠運行的概率。那么,目前有沒有更接近于實際情況的設(shè)計方法呢?答案是肯定的。這就是本文將要介紹的機械零件現(xiàn)代設(shè)計方法中的一種可靠性設(shè)計

2、(或稱機械概率設(shè)計。所謂可靠性設(shè)計,我們可以理解為將載荷、材料性能、強度、零部件尺寸等與設(shè)計有關(guān)的參數(shù)、變量、數(shù)據(jù)都視為符合某種概率分布的統(tǒng)計量,應(yīng)用概率與數(shù)理統(tǒng)計理論及強度理論,求出在給定設(shè)計條件下零部件產(chǎn)生破壞的概率公式。應(yīng)用這些公式,就可以在給定可靠度下求出零部件尺寸、壽命等。還是先來看一看在相同條件下,采用傳統(tǒng)設(shè)計方法與可靠性設(shè)計方法的不同設(shè)計結(jié)果吧。例題1設(shè)計一剖面為圓形的拉桿,已知其屈服極限的平均值為s =689M Pa ,屈服極限的標準差為s =34.5M Pa 。作用的拉伸載荷的平均值p =17800N ,其標準差p =445N 。試分別按(1安全系數(shù)S =3時常規(guī)設(shè)計法,(2

3、可靠度為0.9999時的可靠性設(shè)計法設(shè)計該桿的直徑。解:(1按常規(guī)設(shè)計法計算桿的直徑設(shè):桿的剖面面積A (此時S =3,許用應(yīng)力=s S =6893=229.67M Pa桿的剖面面積A =p =17800229.67=77.50mm 2桿的剖面直徑d =4A=4×77.50=9.94mm(2按可靠度R =0.9999時設(shè)計桿的直徑設(shè):桿的剖面面積為A ,則桿中應(yīng)力的平均值及標準差分別為:L =pAL =pA按標準正態(tài)隨機函數(shù)表1(摘引,R =0.9999時,其對應(yīng)的分位數(shù)u p =3.72,于是按公式有3.72=s -l 2s +2l=689-17800A34.52+(445A2解得

4、:桿的剖面面積A =32.385mm 2所以直徑d =4A=4×32.385=6.4mm表1標準正態(tài)隨機函數(shù)表(摘引u p -4.0-3.5-3-2.5-2-1.5-1.28-1.1-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20R0.977250.933190.90.5收稿日期:2003201209作者簡介:李彥文(19682,男,河北平山人,燕山大學講師,主要從事機械方面的教學工作.從計算結(jié)果看,可靠性設(shè)計的直徑雖小,但破壞概率僅有0.01%。常規(guī)設(shè)計方法簡便易行,但結(jié)果較大且不能判定破壞概率。如何看待這兩種截然不同的設(shè)計結(jié)果呢?哪一個結(jié)果更貼近實際,按可靠性設(shè)計的拉5輕工機械2003

5、年第4期桿是否能用?我們可從以下幾個角度加以分析。其一是傳統(tǒng)設(shè)計中,沒有考慮參數(shù)、數(shù)據(jù)的分散性。認為動載荷、靜載荷、強度極限、彈性模量、極限應(yīng)力、剖面慣性矩、機加工尺寸、材料性能等與設(shè)計有關(guān)的參數(shù)或變量,不隨時間的變化而變化,設(shè)計中使用的是平均值。顯然,這是一種理想狀態(tài)下的設(shè)計和分析;而可靠性設(shè)計中,認為所有與設(shè)計有關(guān)的變量均隨時間的變化而變化,并將它們視為屬于某種概率分布的統(tǒng)計量。這樣設(shè)計中就保證了載荷測定的準確性和材料性能的穩(wěn)定性,從而保證了結(jié)構(gòu)的可靠性。其二,在傳統(tǒng)設(shè)計中,為了保證機械的可靠性,往往根據(jù)經(jīng)驗對影響計算結(jié)果的各個參數(shù)乘以相應(yīng)的系數(shù),例如載荷系數(shù)、溫度系數(shù)、工作環(huán)境系數(shù)、時間

6、系數(shù)等,最后還要乘以安全系數(shù)。因此,在這種加入了主觀的、人為因素的模式下進行設(shè)計,勢必與實際情況存在差異。換句話說,傳統(tǒng)的設(shè)計方法是由于人們對影響設(shè)計的隨機變化的因素缺乏精確的計算,而不得不綜合考慮各種因素的影響而進行估算。即便如此,對于某些重要的場合,該設(shè)計方法仍令人放心不下;而可靠性設(shè)計對結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)做了統(tǒng)計分析,這樣求得的安全系數(shù)就更加貼近實際?？偨Y(jié)一下,可靠性設(shè)計是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計等作為工具,對產(chǎn)品的使用和失效進行分析、統(tǒng)計,從而得出一套科學的計算法則,并指導產(chǎn)品的設(shè)計和研究。為了評價產(chǎn)品的可靠性,人們制定了一系列指標,其中,可靠度是比較常用的指標之一,也是機械設(shè)計中經(jīng)常使用的一個

7、指標?？煽慷鹊亩x為“產(chǎn)品在規(guī)定的時間內(nèi)和規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的概率”。以“R”表示。就概率分布而言,它又叫做可靠度分布函數(shù),并且是累計分布函數(shù)。由于它表示的是在規(guī)定的時間內(nèi)和規(guī)定的使用條件下無故障的發(fā)揮功能而工作的產(chǎn)品占全部工作產(chǎn)品的百分率,因此其取值范圍是0R1。通過以上敘述,弄明白了可靠性設(shè)計的原理、方法和可靠度的含義,下面介紹一下當應(yīng)力和載荷為最簡單的、最典型的正態(tài)分布時的計算方法,并舉例分析一下諸如標準差等各種參數(shù)的變化對設(shè)計結(jié)果的影響。為求簡短明晰,本文不再對其它如對數(shù)分布、指數(shù)分布情況下的分析方法以及各種公式的推導過程和各種假設(shè)的合理性進行分析,詳細分析請參閱有關(guān)書籍。2基本

8、條件機械設(shè)計中,我們常根據(jù)材料的強度、剛度、壽命等來設(shè)計符合要求的產(chǎn)品或結(jié)構(gòu),此時應(yīng)用的各種方程、判據(jù)中明顯地或隱含地包括諸如動載荷、靜載荷、強度極限、彈性模量、極限應(yīng)力、剖面慣性矩、機加工尺寸等與機械設(shè)計有關(guān)的參數(shù)和變量。大量統(tǒng)計表明,在一般情況下,這些參數(shù)多呈正態(tài)分布,均可用正態(tài)分布來描述。因此,在機械零件的可靠性設(shè)計中大部分計算方法里自然引入正態(tài)分布的有關(guān)理論。3強度和應(yīng)力均為正態(tài)分布時的可靠度計算公式作為一種科學的計算方法,可靠度計算公式有其詳細的推導過程。本文作為介紹性的文章,在此不在贅述,僅將受拉零件的可靠度設(shè)計公式給出:u p=s-l2s+2l;L=pA;l=pA式中:s、l分別

9、為強度和應(yīng)力的數(shù)學期望;s、l分別為強度和應(yīng)力的標準差;p、p分別為載荷的數(shù)學期望和標準差;u p為可靠度為R時對應(yīng)的分位數(shù)。4各種參數(shù)的變化對可靠度設(shè)計結(jié)果影響的分析仍以例1為例,假設(shè)拉桿直徑、載荷的平均值和標準差、材料屈服極限的平均值不變,僅改變屈服極限的標準差s,通過計算,我們可以看出以下變化結(jié)果。表2可靠度R與s的關(guān)系材料強度標準差s(M Pa可靠度R材料強度標準差s(M Pa可靠度R材料強度標準差s(M Pa可靠度R從本例可以看出,由于強度值分散性的增加,可靠度迅速下降。因此,只有保證標準差恒定,才能保證可靠性設(shè)計的結(jié)果付諸應(yīng)用。或者說,可靠性設(shè)計的先進性是要以材料制造工藝的穩(wěn)定性和

10、對載荷測定的準確性為前提條件的。這一點必需引起設(shè)計者的注意。本文是從最簡單的受拉零件的可靠性設(shè)計入手,簡單介紹了可靠性設(shè)計在機械設(shè)計中的應(yīng)用。做為一門應(yīng)用科學,可靠性設(shè)計還廣泛應(yīng)用于機械設(shè)計的各種問題中,如梁的可靠性設(shè)計、受彎扭聯(lián)合作用的軸的設(shè)計、機械疲勞強度的可靠性設(shè)計、摩擦零件的可靠性設(shè)計、系統(tǒng)可靠性設(shè)計等,有興趣的同志可參閱有關(guān)書籍。6L igh t Industry M ach inery收稿日期:2003208205作者簡介:賀煒(19572,男,河南省洛寧人,工學博士,教授,陜西科技大學特聘教授,碩士生導師,現(xiàn)任陜西科技大學機電工程學院機械設(shè)計與制造教研室副主任,機電工程學院第一綜

11、合實驗室主任,機設(shè)機電黨支部書記,中國機械工程學會高級會員,承擔并完成了十余項科研項目,獲陜西省科技進步二等獎一項,主編CA XA 電子圖版與A u toL ISP 參數(shù)化繪圖等專著3部,參編自動機械設(shè)計等專著2部,在機械工程學報等學術(shù)期刊上發(fā)表論文26篇,E I 收錄論文1篇,獲專利3項.參考文獻:1王步瀛,陳庾梅,吳琦.現(xiàn)代機械設(shè)計方法綜述M .北京:高等教育出版社,1985.2凌樹森.可靠性在機械強度設(shè)計和壽命估計中的應(yīng)用M .北京:宇航出版社,1988.2濮良貴.機械設(shè)計M .北京:高等教育出版社,1991.Rel i ab il ity D esign about M ach i n

12、e PartsL I Yan 2w en(Yan shan U n iversity ,Q in H uang 2dao H ebei P rovince 066004,Ch ina Abstract :T hc differnce betw een traditi on and reliab ility design in design idea and design p rinci p le is analyzed in th is p ap er .A nd the no tice item s are analyzed in detail by exam p le .Key words

13、 :traditi on design ;reliab ility design ;credib ility ;no rm al schoo l ;p robab ility賀煒等弧面分度凸輪機構(gòu)研究的回顧與展望研究設(shè)計制造文章編號:100522895(20030420007204弧面分度凸輪機構(gòu)研究的回顧與展望賀煒,劉言松,王濤,王建勇(陜西科技大學機電工程學院,陜西咸陽712081摘要:由于弧面分度凸輪機構(gòu)具有傳動平穩(wěn)、分度準確、結(jié)構(gòu)簡單緊湊等優(yōu)點,它已被廣泛用于高速高精度的自動機械中,同時憑借自己的獨特優(yōu)勢吸引了國內(nèi)外許多學者對它進行詳細地研究。近年來在弧面凸輪機構(gòu)研究領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新思

14、想和新方法,本文對近期這一領(lǐng)域的研究成果作一回顧,并對有關(guān)資料作一整理,指出今后應(yīng)該研究的重點方向。關(guān)鍵詞:弧面分度凸輪機構(gòu);回顧;展望中圖分類號:TH 112.2文獻標識碼:A1引言圖1弧面分度凸輪機構(gòu)弧面分度凸輪機構(gòu)是由美國人C .N .N ek lu tin 在20世紀20年代發(fā)明的,又稱滾子齒形凸輪分度機構(gòu)、蝸桿式凸輪機構(gòu)、球面凸輪步進機構(gòu),如圖1所示?；∶娣侄韧馆啓C構(gòu)一問世就吸引了世界各國技術(shù)人員的目光并相繼對其展開研究。我國對弧面分度凸輪機構(gòu)的研究始于20世紀70年代末,上海工業(yè)大學,天津大學、合肥工業(yè)大學、吉林工業(yè)大學、山東工業(yè)大學、陜西科技大學(原西北輕工業(yè)學院、大連輕工業(yè)學院、上海工程技術(shù)大學等高校以及山東諸城鍛壓機床廠、西安鐘表機械廠、蕪湖電工機械廠等