可靠性在机械产品设计中的应用

可靠性在机械产品设计中的应用

范井齐

江苏金风软件技术有限公司   214000

摘要：工业的快速发展使得各行各业生产活动的开展都需要使用大量的机械设备。而机械随着使用时间的推长，总是容易出现各种故障，因此，机械产品的可靠性就显得尤为重要。本文中，笔者将基于自身行业经验，对可靠性在机械产品设计中的应用进行探究。

关键词： 可靠性；机械；设计

引言： 可靠性通常指元件、产品、系统在一定时间内、在一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性。因此，机械产品的可靠性能够极大程度的影响机械设备的使用年限。

1.机械产品可靠性设计

机械的安全性、专业性、可靠性是保证机械设备稳定运行的基础和关键,设计者在设计时必须充分考虑机械运行过程中设计公差、承受载荷等方面的影响,瞄准需求进行综合研究,设计合理方案,保证设备稳定运行。在设计中，应力集中是机械设计方案中普遍存在的状况。设计人员必须根据合理的测算，把握应力的数据信息，这对于工业产品结构设计具有核心意义。在构件的强度分析中，为保证构件的正常工作，在设计时，往往要在特征应力基础上除以一个安全系数，而构件的几何尺寸、载荷以及构件材料的力学性能都存在一定的差异和离散型，因此构件的应力和强度带有某种不确定性，是个随机变量，在传统的设计中，往往将所有的不确定因素归结为一个经验系数，过于保守，浪费了材料，解决这一问题的一种途径，就是将构件的强度设计与可靠性理论相结合，将应力作为一个随机变量，按可靠度理论进行设计，使设计的构件具有定量的可靠性指标。

2.机械产品可靠性设计策略

2.1优化计算方式

优化机械产品的计算方式能够有效的提升产品设备的可靠性。以风力发电机中的底座为例，底座一般是铸造而成的，静强度计算中所涉及的应力集中问题，是影响底座静强度的主要设计因素。应力场集中化就是指物体受外力作用影响而产生突变，使物件的几何形态和外形尺寸产生突变，从而造成局部应力明显提升的状况，易发生应力的位置，多坐落于倒角，缺口部位以及其他受约束部位。在底座设计方案中，应力集中也是一种普遍存在，怎样科学地完成测算，加强对底座应力集中的数值计算，以获得理想的结果，并将其运用于设计方案中，提升设计效率，是现阶段面对的具体课题研究。使用有限元方法进行局部精细化计算是应力分析的常见方式，它能很精准地模拟构件局部的应力。事实上，该方法以底座横截面变动范围、铸造公差以及出现的铸造工艺控制为参数，计算时考虑各种不利情况的组合，并将各种参数变化统计整理为正态分布，根据风机设计的DNVGL规范，按照对应可靠度对应的截面公差形状、几何尺寸和工艺参数计算底座的应力集中，这样可以保证在满足可靠度的前提下，使底座的应力集中得到很好的解决。其次风力发电的底座要满足20年的使用需要，其疲劳载荷受到载荷形式、表面粗糙度、截面厚度以及各种环境条件的影响，因这些变动因素直接影响底座的疲劳强度。故设计时需充分的考虑，目前解决方法是利用数理统计的原理，通过可靠度设计进行参数包络，合成SN曲线，在对应的可靠度下，评估底座的疲劳强度。故底座的应力集中以及疲劳强度的设计，其实就是将底座的应力与可靠性理论相结合，在规定的可靠度下，求解底座的应力，从而使底座的设计具有定量的可靠性指标。

2.2合理选用原料

在选择机械材料时,应注意不同的场所不同的工作条件,还应注意材料的导热性,耐磨材料本身的韧性、强度等。只有考虑周到,才能做好充分的准备,使所用材料符合要求,避免设备故障,减少安全隐患。为了尽量防止机械的故障,提高可靠性,需要在设计之初选择适当的材料,正确安装并严格按照规定程序,然后对设备的维护进行定期检查,只有真正的确保设备的正常运转效率,才能确保其使用寿命,切实保障企业的经济效益。

2.3优化数据监测收集

在设计及生产过程中,采用科学技术,对设备进行科学监测,能够更好的降低设备故障率。一些企业由于缺乏对设备的监测,相关行业不能及时关注到设备的损害情况,不能及时制定对策和有效的缓解措施,使设备的损害不断加大。监测体系的落后、监测设备的不完善极大地影响了我国相关行业的前进,严重限制了相关行业的建设和发展。高精度监测数据的缺失也阻碍了相关行业相关技术研究的进展。另外,许多发展受限地区习惯采用传统的监测手段,人力成本高、效率低、不环保。为此,有关部门需要进一步研究和突破相关行业科技瓶颈,完善监测机制,应用新技术实行全新的监测措施。为保证机械综合方案评价结果的合理性和科学性,在建立机械综合方案评价指标体系时,应遵循科学性和可量化性。科学性：为了保证指标水平之间的相关性,确保评估结果的可靠性和有效性。在进行机械综合评价指标时不能随意设定，评价指标的权重系数要有科学依据。可量化性：在机械评价指标体系中,对于可量化的评价指标,应采用定量计算的方法确定评价指标值,对于不可量化的指标,采用定性分析的方法确定评价指标值[2]。首先,应建立遵守指令的系统和管理。从系统设计、系统结构、软件辅助、数据管理、工作规范等全面控制规范。根据系统的构建和运行规范,特别是在日常的维护管理上补充动态化管理的规范。其次,应在保证控制系统整体的身份的同时数据信息避免全造成的系统故障。另外也必须加强对硬件系统的管理。制定具体工作的规范系统的维护者应定期对计算机系统的硬件维护,保证系统的稳定性和了解各种功能测试运行的情况,及时记录,及时处理问题。

2.4合理运用新技术

随着社会的进步和发展,行业对于机械设计的要求越来越严格。以机械设计为例,在传统的设计流程中,图纸的设计和绘图都是手工完成的。虽然可以手工制作图纸,但所需的人力和时间资本都过于耗费。为了提高绘图的效率性和准确性,人们开始探索更好地表现建筑艺术性和技术性特征的方法。虚拟现实解决了这个问题。虚拟现实技术利用计算机软件和硬件组成的平台,为设计者创造高度真实和仿真的虚拟场景。此外,客户通过这种立体、直观的展示,可以与设计师进行深入的交流,就设计上的问题和功能上的改善点等进行协作性的交流。一些机械设计过程复杂,技术含量高,一个细节出现问题或遗漏,都会影响整体的设计。但是,在具体的设计过程中,现实的环境布置往往与设计不符,因此需要进行调整和修正,在这个过程中也会发生各种各样的问题和危险。另外,参与机械设计的工作人员为了获取更多的资料,了解现场的实际情况,需要实际参加现场,亲身感受。例如, 对于惊险刺激的运动(蹦极、跳水、滑翔翼、热气球等)来说,设计者如果参与到危险性较高的运动中,不仅成本高,还会发生安全事故。在VR中,通过构建虚拟的状况,设计必要的场景和环境,根据视觉体验调整实际的数据结构,可以提高真实的再现性。在此过程中,设计者不会做出危险的行为,也不会花费大量成本。

2.5基于大数据进行机械设计

科学技术催生了众多工业产品, 好的设计可以解决很多实际的问题,而不好的设计会带来很多问题。对高品质的商品进行周密的设计,使得设计各个流程之间能够充分利用技术,这就是设计方法学。在大数据迅速膨胀的今天,基于算法对产品进行设计已成为时代趋势。对于设计师来说,学习如何通过大数据分析获得正确客观的用户需求,设计出更符合时代发展的产品方案也将成为新的设计潮流，比如,电动牙刷能让刷牙变得更有趣。因此，我们应合理利用科技进行艺术设计。比如人工智能算法具有能够很好地完成目标任务的突出优势,在机械设计界,人工智能的应用也非常广泛。但是,利用人工智能进行分析之后,我们可以发现人类在设计领域的核心价值,即到目前为止,人工智能只能辅助设计的一部分工作,并不能完全代替人类的思考和分析。人工智能虽然能够在短时间内分析庞大的数据,但无法很好地分析包含人类非常丰富的感情,这意味着人工智能的性能还不够。因此我们必须拥有更多的数据来源。现代互联网的发展使得信息技术与设计类行业已经进行了深度融合。随着BIM技术的普及,现在几乎所有的与机械设计有关的设计从业者都或多或少的在应用BIM技术。BIM技术可以有效模拟施工环境,分析施工主体的客观环境。在复原客观环境后,设计师根据BIM技术获得的数据,制作具体参数。根据这些参数,可以改变模型,在生产实践中可以很好地进行参考。通过BIM技术收集和管理数据,完善数据库,更准确、科学地采用设计中的模型数据取样能够实现管理数据科学化。同时将BIM技术应用于艺术设计中的机械设计,可以有效地管理材料,大幅减少因管理失误导致的使用量偏差。机械设计的难点在于确定工作基本方案后各设计专业都在深化过程中,需要反复调整方案。如果各种技术不能相互配合,就会产生冲突和矛盾,只有采取措施解决这些问题,才能进入下一个阶段,减少成本和资源的浪费。而BIM技术能够将施工信息完整、有效地包含在数字化模型中,以模型为依据有效地计算工程量,提升工作效率。基于BIM技术的模拟性,BIM平台可以组合设计阶段的各种专家,通过适当的冲突检测,减少设计阶段的错误,提高项目质量。因此在进入生产制造阶段前,为了根据实际情况对设计方案进行有效的变更,相关部门之间应保持良好的沟通,以便在设计方案变更时对生产工艺和方式进行变更。

结束语：总的来说，可靠性对于机械产品来说至关重要。设计人员在设计时应充分结合产品使用环境、年限、目的等多方面因素进行可靠性设计，以提升机械产品的质量。

参考文献：

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[4]张义民.机械可靠性设计的内涵与递进[J].机械工程学报.2010,(14).

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[7]陆廷孝,郑鹏洲. 可靠性设计与分析 [M].国防工业出版社,2002.

[8]DNVGL-ST-0361:Machinery for wind turbines（风力发电机组认证指南：风机的机械结构）