[科普中国]-预防故障设计

预防故障设计是由经验累积形成的设计方式。预防故障设计一般遵循6点原则：①采用成熟的经验或经分析试验验证过的方案。②用简单的结构和数量少的零部件来实现所需的功能。例如，数控机床伺服进给系统采用绝对编码器替代增量编码器，由于取消了回零检测和趋近传感器，大大减少了出现故障的潜在因素，提高了可靠性。③重视维修性，做到检测和诊断方便、装拆方便、调整和排除故障时间缩短、维修所需设备或工具和技术简单等。④重视关键零件的可靠性和材料的选择。⑤多用标准化、通用化零部件。⑥充分运用故障分析的成果，进行结构改进。

基本介绍机械产品一般属于串联系统，要提高整机可靠性，首先应从零部件的严格选择和控制做起。例如，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；严格按标准进行选择，加强对外购件的控制；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。

可靠性设计概述可靠性设计是指根据可靠性理论与方法确定产品零部件以及整机的结构方案和有关参数的过程。设计水平是保证产品可靠性的基础。

可靠性设计的一个重要内容是可靠性预测，即利用所得的资料预测一个零件、部件或系统实际可能达到的可靠性，预测这些零部件或系统在规定的条件下和在规定时间内完成规定功能的概率。在产品设计的初期阶段，及时完成可靠性预测工作，可以了解产品各零部件之间可靠性的相互关系，找出提高产品可靠性的有效途径1。

可靠性设计原则(1)选择设计方案时尽量不采用还不成熟的新系统和零件，尽量采用已有经验并已标准化的零部件和成熟的技术。

(2)结构简化，零件数削减。如日本横河记录仪表10年中零件数削减30%，大大提高了可靠性。

(3)考虑功能零件的可接近性，采用模块结构等，以利于可维修性。

(4)设置故障监测和诊断装置。

(5)保证零部件设计裕度（安全系数/降额）。

(6)必要时采用功能并联、冗余技术。如日本的液压挖掘机等，采用双泵、双发动机的冗余设计。

(7)考虑零件的互换性。

(8)失效安全设计，指系统某一部分即使发生故障，但使其限制在一定范围内，不致影响整个系统的功能。

(9)安全寿命设计，是保证使用中不发生破坏而充分安全的设计。例如对一些重要的安全性零件如汽车刹车系统、转向机构等要保证在极限条件下不能发生变形、破坏。

(10)防误操作设计。

(11)加强连接部分的设计分析，例如选定合理的连接、止推方式。考虑防振、防冲击及对连接条件的确认。

(12)可靠性确认试验，在没有现成数据和可用的经验时，这是唯一的手段。尤其是机械零部件的可靠性预测精度还很低，主要通过试验确认。

可靠性设计辅助措施为了使设计时能充分地预测和预防故障，把更多的失效经验设计到产品中，因而必须帮助设计人员掌握充分的故障情报资料和设计依据。具体可采取以下措施。

(1)可靠性检查表 从可靠性观点出发，列出设汁中应考虑的重点，设计时逐项检查。考虑预防的对策。

(2)推行FMEA、FTA方法 FMEA（失效模式影响分析）和FTA（故障树分析）是可靠性分析中的重要手段。FMEA方法是从零件故障模式入手分析，评定它对整机或系统发生故障的影响程度，以此确定关键的零件和故障模式的方法。FTA方法则是从整机或系统故障开始，逐步分析到基本零件的失效原因的方法。这两种方法在国外被看成是与设计图样一样重要，作为设计的技术标准资料，它收集总结了该种产品所有可能预料到的故障模式和原因。设计者可以较直观地看到设计中存在的问题。

(3)故障事例集 故障事例集是把过去技术上的失败和改进的事例做成手册，供设计者随时参考。通常用简图表示，将故障和改进作对比。对故障的原因、情况附有简单说明。这种手册是各公司积累的技术财富，视同设计规范同等重要。

(4)数据库 广泛有效地收集设计、制造中的失败和改进经验、试验和实际用的数据，形成检索系统和数据库，使设计者能超越本单位充分利用别人实践过的经验。如电子产品已形成世界性可靠性信息交换网。

(5)设计、试验规范的不断充实、改善 从实际使用得来的故障教训要反馈到设计、试验方法的改进中，要将这些改进效果作为产品设计规范（包括材料选定，结构形式，许用应力，安全系数值等）和试验标准的改进依据，使它们成为设计技术的一部分。随着可靠性工作的开展，必须加强设计、试验规范的研究，如试验规范的制定要以实地使用条件分析为基础，对比出厂的回收品和试验室试验件，计算强化系数。通过失效分析反推，验证试验条件是否合适，从而不断改进试验方法和标准。因而这些规范都是公司的财富，对外不轻易泄密。如日本小松10年中试验标准数量增加3倍，丰田的试验标准有1 500项之多。可见，各公司对试验的重视程度。

机械可靠性设计方法机械可靠性一般可分为结构可靠性和机构可靠性。结构可靠性主要考虑机械结构的强度，以及由于载荷的影响，发生疲劳、磨损、断裂等引起的失效；机构可靠性则主要考虑的不是强度问题引起的失效，而是考虑机构在动作过程由于运动学问题而引起的故障。

机械可靠性设计可分为定性可靠性设计和定量可靠性设计。所谓定性可靠性设计就是在进行故障模式影响及危害性分析的基础上，有针对性地应用成功的设计经验使所设计的产品达到可靠的目的。所谓定量可靠性设计就是在充分掌握所设计零件的强度分布和应力分布以及各种设计参数的随机性基础上，通过建立隐式极限状态函数或显式极限状态函数的关系设计出满足规定可靠性要求的产品。

机械可靠性设计方法是常用的方法，是目前开展机械可靠性设计的一种最直接有效的方法，无论结构可靠性设计还是机构可靠性设计都是大量采用的常用方法。可靠性定量设计虽然可以按照可靠性指标设计出满足要求的零件，但由于材料的强度分布和载荷分布的具体数据目前还很缺乏，加之其中要考虑的因素很多，从而限制了其推广应用，一般只在关键或重要的零部件的设计时采用。

机械可靠性设计由于产品的不同和构成的差异，可以采用的可靠性设计方法如下。

(1)预防故障设计 机械产品一般属于串联系统，要提高整机可靠性，首先应从零部件的严格选择和控制做起，例如，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；严格按标准进行选择．加强对外购件的控制；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。

(2)简化设计 简化设汁是在满足预定功能的情况下，机械设计应力求简单，零部件的数量应尽可能减少，越简单越可靠是叮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。但不能因为减少零件而使其他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。

(3)降额设计和安全裕度设计 降额设计是使零部件的使用应力低于其额定应力的一种设计方法。降额设计可以通过降低零件承受的应力或提高零件的强度的办法来实现。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。为了找到最佳降额值，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来实现）、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，以保证其在最恶劣的极限状态下也不会发生故障。

(4)余度设计 余度设计是指对完成规定功能的整机式系统设置重复的结构、备件等，以备局部发生失效时，整机或系统仍不会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，例如采用双泵或双发动机配簧的机械系统。但应该注意，余度设计往往使整机的体积、质量、费用均相应增加。余度设计提高了机械系统的任务可靠度，但基本可靠性相应降低了。因此，采用余度设计时要慎重。

(5)耐环境设计 耐环境设计是在设计时就考虑产品在整个生命周期内可能遇到的各种环境影响，例如装配、运输时的冲击，振动影响，储存时的温度、湿度、霉菌等影响，使用时的气候、沙尘、振动等影响。因此，必须慎重选择设计方案，采取必要的保护措施，减少或消除有害环境的影响。具体可以从认识环境、控制环境和适应环境三方面加以考虑。认识环境指的是：不应只注意产品的工作环境和维修环境，还应了解产品的安装、储存、运输的环境。在设计和试验过程中必须同时考虑单一环境和组合环境两种环境条件；不应只关心产品所处的自然环境，还要考虑使用过程所诱发的环境。控制环境指的是：在条件允许时，应在小范围内为所设计的零部件创造一个良好的工作环境条件，或人为地改变对产品可靠性不利的环境因素。适应环境指的是：在无法对所有环境条件进行人为控制时，在设计方案、材料选择、表面处理、涂层防护等方面采取措施，以提高机械零部件本身耐环境的能力。

(6)人机工程设计 人机工程设计的目的是减少使用中人的差错，发挥人和机器各自的特点，以提高机械产品的可靠性。当然，人为差错除了人自身的原因外，操纵台、控制及操纵环境等也与人的误操作有密切的关系。因此，人机工程设计是要保证系统向人传达信息的可靠性。例如，指示系统不仅显示可靠，而且显示的方式、显示器的配置等都使人易于无误地接受；二是控制、操纵系统可靠，不仅仪器及机械有满意的精度，而且适于人的使用习惯，便于识别操作，不易出错，与安全有关的，更应有防误操作设计；三是设计的操作环境尽量适合于人的工作需要，减少引起疲劳、干扰操作的因素，如温度、湿度、气压、光线、色彩、噪声、振动、沙尘、空间等。

(7)健壮性设计 健壮性没计最具代表性的方法是日本田口玄一博士创立的田口方法，即所谓的一个产品的设计应由系统没计、参数设计和容差没计等三次设计来完成，这是一种在设计过程中充分考虑影响其可靠性的内外干扰而进行的一种优化设计。这种方法已被美国空军制定的RM2000中作为一种抗变异设计及提高可靠性的有效方法。

(8)概率设计法 概率设计法是以应力一强度干涉理论为基础的，应力-强度干涉理论将应力和强度作为服从一定分布的随机变量处理。

(9)权衡设计 权衡设计是指在可靠性、维修性、安全性、功能、质量、体积、成本等之间进行综合权衡，以求得最佳的结果。

当然，机械可靠性设计的方法绝不能离开传统的机械设计和其他一些优化设计方法，如机械计算机辅助设计、有限元分析等1。

本词条内容贡献者为:

何星 - 副教授 - 上海交通大学