13条机电产品可靠性设计方法总结，真全面啊～

Posted 2021-04-19 声振之家

随着社会物质文明的高速发展，机电产品越来越广泛地应用于社会的各个领域。自动化、小型化的普及发展，使很多机电产品结构愈加复杂，使用条件和应用环境也越来越严酷，由此产生的产品可靠性问题必然增多。本文针对机电产品，从可靠性的设计方法角度归纳总结现代技术常用的可靠性设计方法。

一、原材料、元器件、电路和工艺的选择与使用

原材料、元器件是机电产品可靠性的基础之一，很多机电产品的失效是由于材料或元器件的性能和质量问题造成的，而电路及制作工艺的选择是对产品的可靠性起决定性作用。如果要提高产品可靠性，应充分估计现有的技术水平，尽量采用成熟的、定型的、标准的原材料、元器件、电路和工艺来完成设计，另外电子元器件还应适当考虑降温降额设计。

二、耐环境设计

任何机电产品都是在一定的环境下工作的，而潮湿、盐雾和霉菌会降低材料的绝缘强度，引起漏电，导致故障。因此，必须采取防止或减少环境条件对机电产品可靠性影响的各种方法，以保证机电产品工作中的性能。耐环境设计是指产品在三防(防潮湿、防盐雾和霉菌)设计、耐热设计、耐振设计、耐湿设计、耐腐蚀及防微生物等。对产品进行耐环境设计，首先应对恶劣环境进行分析调查，再对各类应力进行分析估算。如果部分元件或单元难以承受这些环境应力的影响而产生故障，我们可以通过采取环境防护设计措施，减少这些环境应力对产品的影响，提高产品的使用寿命和可靠性。

三、人一机工程设计

所有机电产品的研制、生产和使用都是由人来完成的，人为故障必然会占据相当的比例。某生产厂曾对其进行售后维护的变频电源出现的800例故障进行统计分类，其中环境系统故障336例，占42%，操作系统故障238例，占29.7%，仪器系统故障226例，占28.3%。由此可见，随着机电产品精度的提高和智能化程度提高，人为因素对系统的影响越来越大，这些人为因素包括人员缺乏系统i/II练、环境条件不好、技术资料不全面、管理不到位等。人为因素的影响会因时、因地、甚至产品类别的不同而不同。人一机工程设计，要求根据人的能力容限，如生理限制、病理限制、体力限制、心理限制等，科学地确定产品的具体设计、操作方法、操作环境使产品达到安全易用、便于维护的目的，防止人员操作差错，包括操作错误、装配错误、设计错误、维修错误、安装错误、使用错误等，提高产品的可靠性和操作成功的可靠度。所以，在产品的可靠性设计时，要充分考虑人对系统可靠性的影响，使人与产品有机的结合成一个协调的整体。

四、冗余设计

冗余设计是指在产品设计时，用一套以上的设备(器件、线路、能源等)来完成规定的任务。对于机电产品，必要时应考虑冗余设计。比如说，某个产品在工作的时候不能停止供电，否则会产生设备故障，那么在设计时就会有蓄电池电路设计，作为备用电源供电系统，这就是冗余设计。再举个大家都熟悉的产品电热水壶，它通常都采双自复位热断路器设计，这就是为了提高产品的可靠性而提供的双重保护功能，即使一个器件失效，另一个还可以继续发挥作用。但是，冗余设计虽然可以提高产品实现任务的可靠性，但是却增加了系统的复杂性、体积、重量，使系统的基本可靠性降低了，因此应根据产品的研制目标及限制条件进行综合权衡。

五、概率设计

概率设计法是应用概率统计理论进行机械零件及构件设计的方法。它将载荷、材料性能与强度及零部件尺寸，都视为属于某种概率分布的统计量.以通用的广义应力强度干涉模型作为基本运算公式，广泛沿用机械零件传统的设计计算模型，求出给定可靠度下的零件的尺寸或给定尺寸下零件的可靠度及相应寿命.概率法设计的核心是将设计变量视为随机变量.应用应力强度干涉模型.保证所设计的零件具有指定的可靠性指标。

六、稳健性设计

稳健性设计是使产品的性能对在制造期间的变异或使用，环境的变异不敏感，并使产品在其寿命周期内，不管其参数、结构发生漂移或老化(在一定范围内)，都能持续满意地工作的一种设计方法。这是日本田口玄一提出的一种统计分析设计方法，其主要观点是产品的质量可用对用户造成的损失来衡量。此损失一般正比于产品功能特性与其目标值之间的偏差.偏差越大。给用户造成的损失越大.即质量越差.因此，改进质量的途径就是不断减少偏差.对待偏差问题，传统的做法是通过产品检测剔除超差部分，或是加严对材料、工艺的控制以缩小偏差.这些方法很不经济，有时技术上也难以实现.稳健性设计方法是选择可控的设计参数的最佳组合。使产品的功能、性能对偏差的起因不敏感，提高产品自身的抗干扰(引起偏差的内、外条件)能力。它是一套寻求低成本、高性能稳定性的产品的优化设计方法.它不是一种单一的具体方法，而是为达到共同的目标而形成的许多方法的集合，是一个系统工程.指导思想是以用户需求为牵引，采用三次设计(系统设计、参数设计、容差设计)、全面质量管理(TOM)、质量功能展开(QFD)、FMECA等方法精心优化设计方案，把问题解决在设计阶段，以最小的代价获得高性能稳定性，即高可靠性、高质量的产品，健壮的产品.稳健性好的产品，可靠性必然高.

七、降额设计和安全裕度设计

降额设计是使零部件使用应力低于其额定应力的一种设计方法。降额设计可通过降低零件承受的应力或提高零件强度的办法来实现。工程经验证明，大多数机械零件在低于额定承载应力条件下工作时，其故障率较低，可靠性较高.为找到最佳降额值，需做大量的试验研究.当机械零部件的载荷应力以及承受这些应力的具体零部件的强度在某一范围内呈不确定分布时，可以采用提高平均强度(如通过加大安全系数实现)、降低平均应力，减少应力变化(如通过对使用条件的限制实现)和减少强度变化(如合理选择工艺方法，严格控制整个加工过程，或通过检验或试验剔除不合格的零件等)等方法来提高可靠性。对于涉及安全的重要零部件.还可以采用极限设计方法，以保证其在最恶劣最严酷的极限状态下也不会发生故障。

八、预防故障设计

预防故障设计主要是根据以往的工程经验和各种信息，采取各种有效的方法，预防产品的故障发生，或控制故障发生的概率在规定的范围内.机械产品在长期的发展过程中，积累了大量的设计、制造和使用经验，因此机械产品的设计主要采用传统技术和以经验为主的设计规范、设计准则，并应用可靠性分析技术来保证产品的可靠性，这是保证产品可靠性的最直接的经验方法.主要技术有可靠性设计准则和可靠性设计检查表，如要提高机械产品的可靠性。首先应从零部件的严格选择和控制做起，利用过去经验和合理的实验结果，优先选用标准件和通用件;选用经过使用分析验证的可靠的零部件;严格按标准的选择及对外购件的控制;在选材和关键性的子系统及零部件的可靠性上，要力求MTTF足够长。最好能预测出MTl下的下限;考虑维修性，在设计中充分考虑装备系统的检修、调整、更换等作业方便易行：充分运用故障分析的成果，采用成熟的经验或经分析试验验证后的方案。

九、简化设计

对于机械产品.根据可靠性模型分析。大部分属于串联系统，因此提高整机可靠性的最基本原则是在满足预定功能的情况下，设计应力求简单.从选用可靠的零部件、减少零部件数目和简化结构做起，零部件的数量应尽可能减少，越简单越可靠是可靠性设计的一个基本原则，是减少故障提高可靠性的最有效方法。因此。要尽量采用结构简单、具有成熟使用经验或标准化的零件和技术，尽量减少不必要的和可有可无的零件，减少零部件故障的可能性，保证整机系统可靠性目标的实现。但不能因为减少零件而使其它零件执行超常功能或在高应力的条件下工作。否则。简化设计将达不到提高可靠性的目的。

十、余度设计

余度设计是对完成规定功能设置重复的结构、备件等，以各局部发生失效时，整机或系统仍不致于发生丧失规定功能的设计。当某部分可靠性要求很高，但目前的技术水平很难满足，比如采用降额设计、简化设计等可靠性设计方法，还不能达到可靠性要求，或者提高零部件可靠性的改进费用比重复配置还高时，余度技术可能成为唯一或较好的一种设计方法。因此这种方法是将可靠性水平不高的零部件设计组成较高可靠性的整机系统，一般用于电子产品中，但是随着机械系统复杂化以及使用可靠性要求的提高.在成本、重量和可靠性的权衡下。也可采用此方法，例如采用双发动机配置的机械系统。但是，余度设计往往使整机的体积、重量、费用均相应增加.余度设计提高了机械系统的任务可靠度，但基本可靠性却相应降低了.因此采用余度设计时要慎重.

十一、安全设计

主要方法有异常报警、安全装置设计、故障监测装置等.异常报警设计法就是在设计系统时，把一套感应报警装置融合到系统中，当装各系统出现异常情况时能够自动报警，报警可采用声音、光电、振动等方式。安全装置设计就是把关键性的子系统和部件置入具有一定保护功能的设备中，把关系到整套系统功能发挥的子系统和部件保护起来，以增强其抗破坏能力。故障监测装置就是一套能够对装备系统整体效能和完好性进行监测的装置。

十二、损伤容限设计

损伤容限设计是在断裂力学和破损——安全设计原理的基础上，提出的一种新的疲劳设计方法.常规疲劳设计方法和局部应力应变法都是以材料的完整性为前提的.但是，实际零构件在加工制造过程中，由于种种原因，往往存在这样那样的缺陷或裂纹。损伤容限设计即是在机械结构中。一部分结构发生裂纹或损伤时.能使这种损伤限制在一定范围内。直到下一个检测或维修周期前，整个结构不会发生致命破坏或影响整机功能的正常发挥的设计。这种方法在航空、船舶及压力容器等涉及安全性的重要结构中经常使用。

十三、可靠性优化设计

一个产品或零件经过可靠性设计后，并不能保证它的工作性能或参数就一定达到了最佳状态.所以，要使产品和零件既保证具有～定的可靠性，又保证具有最佳工作性能或参数以及良好的经济性，应将可靠性设计与最优化设计有机地结合起来，形成可靠性优化设计。

产品可靠性是产品的一重要指标。提高产品的可靠性是产品设计人员的重中之重。以上是从参考文献中总结和摘录的常用方法。仅供参考。

参考文献：

1、机械产品可靠性设计方法综述 崔玉莲

2、机电产品寿命与可靠性综合验证试验技术研究 龚庆祥, 王自力

3、机电产品可靠性及寿命数据分析 杨晶 陈德运

4、机械可靠性维修性优化设计方法及其在工程机械中的应用 王玉玲

5、机电系统可靠性工作与分析技术概述及应用 秦明 巫世晶 孙旋

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