機(jī)械零件的可靠性設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

1、文章編號(hào):100522895(20030420005203機(jī)械零件的可靠性設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介李彥文(燕山大學(xué),河北秦皇島066004摘要:分析了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與可靠性設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)原理上的區(qū)別,并根據(jù)實(shí)際例題詳細(xì)分析了可靠性設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)。關(guān)鍵詞:傳統(tǒng)設(shè)計(jì);可靠性設(shè)計(jì);可靠度;正態(tài)分布;概率中圖分類(lèi)號(hào):TH 122文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B1前言目前,我們?nèi)灾饕褂脗鹘y(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行機(jī)械零件的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中甚至產(chǎn)品的使用過(guò)程中,我們不難發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法并不能預(yù)測(cè)零部件可靠運(yùn)行的概率。那么,目前有沒(méi)有更接近于實(shí)際情況的設(shè)計(jì)方法呢?答案是肯定的。這就是本文將要介紹的機(jī)械零件現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的一種可靠性設(shè)計(jì)

2、(或稱(chēng)機(jī)械概率設(shè)計(jì)。所謂可靠性設(shè)計(jì),我們可以理解為將載荷、材料性能、強(qiáng)度、零部件尺寸等與設(shè)計(jì)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(jì)量,應(yīng)用概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論及強(qiáng)度理論,求出在給定設(shè)計(jì)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(lái)看一看在相同條件下,采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與可靠性設(shè)計(jì)方法的不同設(shè)計(jì)結(jié)果吧。例題1設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)差為s =34.5M Pa 。作用的拉伸載荷的平均值p =17800N ,其標(biāo)準(zhǔn)差p =445N 。試分別按(1安全系數(shù)S =3時(shí)常規(guī)設(shè)計(jì)法,(2

3、可靠度為0.9999時(shí)的可靠性設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)該桿的直徑。解:(1按常規(guī)設(shè)計(jì)法計(jì)算桿的直徑設(shè):桿的剖面面積A (此時(shí)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(shí)設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)差分別為:L =pAL =pA按標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)隨機(jī)函數(shù)表1(摘引,R =0.9999時(shí),其對(duì)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(biāo)準(zhǔn)正態(tài)隨機(jī)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(jiǎn)介:李彥文(19682,男,河北平山人,燕山大學(xué)講師,主要從事機(jī)械方面的教學(xué)工作.從計(jì)算結(jié)果看,可靠性設(shè)計(jì)的直徑雖小,但破壞概率僅有0.01%。常規(guī)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)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(jì)結(jié)果呢?哪一個(gè)結(jié)果更貼近實(shí)際,按可靠性設(shè)計(jì)的拉5輕工機(jī)械2003

5、年第4期桿是否能用?我們可從以下幾個(gè)角度加以分析。其一是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中,沒(méi)有考慮參數(shù)、數(shù)據(jù)的分散性。認(rèn)為動(dòng)載荷、靜載荷、強(qiáng)度極限、彈性模量、極限應(yīng)力、剖面慣性矩、機(jī)加工尺寸、材料性能等與設(shè)計(jì)有關(guān)的參數(shù)或變量,不隨時(shí)間的變化而變化,設(shè)計(jì)中使用的是平均值。顯然,這是一種理想狀態(tài)下的設(shè)計(jì)和分析;而可靠性設(shè)計(jì)中,認(rèn)為所有與設(shè)計(jì)有關(guān)的變量均隨時(shí)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(jì)量。這樣設(shè)計(jì)中就保證了載荷測(cè)定的準(zhǔn)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(jì)中,為了保證機(jī)械的可靠性,往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)影響計(jì)算結(jié)果的各個(gè)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(shí)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(guān)的、人為因素的模式下進(jìn)行設(shè)計(jì),勢(shì)必與實(shí)際情況存在差異。換句話(huà)說(shuō),傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是由于人們對(duì)影響設(shè)計(jì)的隨機(jī)變化的因素缺乏精確的計(jì)算,而不得不綜合考慮各種因素的影響而進(jìn)行估算。即便如此,對(duì)于某些重要的場(chǎng)合,該設(shè)計(jì)方法仍令人放心不下;而可靠性設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)做了統(tǒng)計(jì)分析,這樣求得的安全系數(shù)就更加貼近實(shí)際?？偨Y(jié)一下,可靠性設(shè)計(jì)是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等作為工具,對(duì)產(chǎn)品的使用和失效進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì),從而得出一套科學(xué)的計(jì)算法則,并指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研究。為了評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可靠性,人們制定了一系列指標(biāo),其中,可靠度是比較常用的指標(biāo)之一,也是機(jī)械設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的一個(gè)

7、指標(biāo)?？煽慷鹊亩x為“產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)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(jì)分布函數(shù)。由于它表示的是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的使用條件下無(wú)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(guò)以上敘述,弄明白了可靠性設(shè)計(jì)的原理、方法和可靠度的含義,下面介紹一下當(dāng)應(yīng)力和載荷為最簡(jiǎn)單的、最典型的正態(tài)分布時(shí)的計(jì)算方法,并舉例分析一下諸如標(biāo)準(zhǔn)差等各種參數(shù)的變化對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的影響。為求簡(jiǎn)短明晰,本文不再對(duì)其它如對(duì)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(dǎo)過(guò)程和各種假設(shè)的合理性進(jìn)行分析,詳細(xì)分析請(qǐng)參閱有關(guān)書(shū)籍。2基本

8、條件機(jī)械設(shè)計(jì)中,我們常根據(jù)材料的強(qiáng)度、剛度、壽命等來(lái)設(shè)計(jì)符合要求的產(chǎn)品或結(jié)構(gòu),此時(shí)應(yīng)用的各種方程、判據(jù)中明顯地或隱含地包括諸如動(dòng)載荷、靜載荷、強(qiáng)度極限、彈性模量、極限應(yīng)力、剖面慣性矩、機(jī)加工尺寸等與機(jī)械設(shè)計(jì)有關(guān)的參數(shù)和變量。大量統(tǒng)計(jì)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(lái)描述。因此,在機(jī)械零件的可靠性設(shè)計(jì)中大部分計(jì)算方法里自然引入正態(tài)分布的有關(guān)理論。3強(qiáng)度和應(yīng)力均為正態(tài)分布時(shí)的可靠度計(jì)算公式作為一種科學(xué)的計(jì)算方法,可靠度計(jì)算公式有其詳細(xì)的推導(dǎo)過(guò)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(jì)公式給出:u p=s-l2s+2l;L=pA;l=pA式中:s、l分別

9、為強(qiáng)度和應(yīng)力的數(shù)學(xué)期望;s、l分別為強(qiáng)度和應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)差;p、p分別為載荷的數(shù)學(xué)期望和標(biāo)準(zhǔn)差;u p為可靠度為R時(shí)對(duì)應(yīng)的分位數(shù)。4各種參數(shù)的變化對(duì)可靠度設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)差、材料屈服極限的平均值不變,僅改變屈服極限的標(biāo)準(zhǔn)差s,通過(guò)計(jì)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差s(M Pa可靠度R材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差s(M Pa可靠度R材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差s(M Pa可靠度R從本例可以看出,由于強(qiáng)度值分散性的增加,可靠度迅速下降。因此,只有保證標(biāo)準(zhǔn)差恒定,才能保證可靠性設(shè)計(jì)的結(jié)果付諸應(yīng)用。或者說(shuō),可靠性設(shè)計(jì)的先進(jìn)性是要以材料制造工藝的穩(wěn)定性和

10、對(duì)載荷測(cè)定的準(zhǔn)確性為前提條件的。這一點(diǎn)必需引起設(shè)計(jì)者的注意。本文是從最簡(jiǎn)單的受拉零件的可靠性設(shè)計(jì)入手,簡(jiǎn)單介紹了可靠性設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。做為一門(mén)應(yīng)用科學(xué),可靠性設(shè)計(jì)還廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)的各種問(wèn)題中,如梁的可靠性設(shè)計(jì)、受彎扭聯(lián)合作用的軸的設(shè)計(jì)、機(jī)械疲勞強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)、摩擦零件的可靠性設(shè)計(jì)、系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)等,有興趣的同志可參閱有關(guān)書(shū)籍。6L igh t Industry M ach inery收稿日期:2003208205作者簡(jiǎn)介:賀煒(19572,男,河南省洛寧人,工學(xué)博士,教授,陜西科技大學(xué)特聘教授,碩士生導(dǎo)師,現(xiàn)任陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)與制造教研室副主任,機(jī)電工程學(xué)院第一綜

11、合實(shí)驗(yàn)室主任,機(jī)設(shè)機(jī)電黨支部書(shū)記,中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員,承擔(dān)并完成了十余項(xiàng)科研項(xiàng)目,獲陜西省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)一項(xiàng),主編CA XA 電子圖版與A u toL ISP 參數(shù)化繪圖等專(zhuān)著3部,參編自動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)等專(zhuān)著2部,在機(jī)械工程學(xué)報(bào)等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文26篇,E I 收錄論文1篇,獲專(zhuān)利3項(xiàng).參考文獻(xiàn):1王步瀛,陳庾梅,吳琦.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法綜述M .北京:高等教育出版社,1985.2凌樹(shù)森.可靠性在機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)和壽命估計(jì)中的應(yīng)用M .北京:宇航出版社,1988.2濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)研究的回顧與展望研究設(shè)計(jì)制造文章編號(hào):100522895(20030420007204弧面分度凸輪機(jī)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(xué)機(jī)電工程學(xué)院,陜西咸陽(yáng)712081摘要:由于弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、分度準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊等優(yōu)點(diǎn),它已被廣泛用于高速高精度的自動(dòng)機(jī)械中,同時(shí)憑借自己的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)吸引了國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)它進(jìn)行詳細(xì)地研究。近年來(lái)在弧面凸輪機(jī)構(gòu)研究領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新思

14、想和新方法,本文對(duì)近期這一領(lǐng)域的研究成果作一回顧,并對(duì)有關(guān)資料作一整理,指出今后應(yīng)該研究的重點(diǎn)方向。關(guān)鍵詞:弧面分度凸輪機(jī)構(gòu);回顧;展望中圖分類(lèi)號(hào):TH 112.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1引言圖1弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)是由美國(guó)人C .N .N ek lu tin 在20世紀(jì)20年代發(fā)明的,又稱(chēng)滾子齒形凸輪分度機(jī)構(gòu)、蝸桿式凸輪機(jī)構(gòu)、球面凸輪步進(jìn)機(jī)構(gòu),如圖1所示?；∶娣侄韧馆啓C(jī)構(gòu)一問(wèn)世就吸引了世界各國(guó)技術(shù)人員的目光并相繼對(duì)其展開(kāi)研究。我國(guó)對(duì)弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的研究始于20世紀(jì)70年代末,上海工業(yè)大學(xué),天津大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、山東工業(yè)大學(xué)、陜西科技大學(xué)(原西北輕工業(yè)學(xué)院、大連輕工業(yè)學(xué)院、上海工程技術(shù)大學(xué)等高校以及山東諸城鍛壓機(jī)床廠(chǎng)、西安鐘表機(jī)械廠(chǎng)、蕪湖電工機(jī)械廠(chǎng)等