工程机械非标产品可靠性设计和试验方法研究

刘娅菲，黄小梅，刘振伟

（中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司，贵州贵阳 550009）

0 引言

工程机械非标产品的可靠性设计十分重要。在实际设计与试验过程中，需要根据产品类型，结合工作经验，采取合理可行的设计及试验方法。

1 可靠性设计

1.1 刚度理论设计

一般情况下，机械系统设计计算都采用以下思路：首先，借助三维CAD 构建系统模型；其次，借助CAE 实施运动干涉检查；再次，利用有限元软件计算强度或应力；最后，以计算结果为依据，对设计进行适当修改，直到满足要求。

当机械系统对精度有较高要求时，只靠对强度或应力进行计算还是远远不够，还需要做好弹性变形分析。对于刚度理论，即根据最大应变或挠度，保证变形量处于精度要求范围，由此对系统进行可靠性设计。系统误差是测量系统自身误差，需要从总体角度充分考虑来找到误差源，针对精度开展可靠性设计，机械部位变形对系统精度有直接影响[1]。

以摇摆台为例，它是主要的军工项目，也是将不同技术集于一体的具有极高精度的系统。除了可以在承载情况下发生与海上摇摆相似的运动，还能提供出摇摆的姿态角度，为相关试验提供可靠参数依据。整个系统主要由机械台体、液压分系统、电控分系统、测量分系统和通信分系统等5 个部分构成。

试验台有两个自由度：①纵摇，指舰船首尾仰俯；②横摇，指舰船在中轴线上左右滚动。对于摇摆角的幅值，横、纵摇分别为±15°与±7°，承载能力为静载10 t 和动载6 t。对摇摆姿态角进行动态测量时，RMS（角度综合误差）精度可以达到0.0067°以内[2]。

台体发生的摇摆，即按谱线对传播在海中状态进行的模拟，主要依靠电液伺服系统实现。对于测量系统，要对基准面对应的瞬时姿态角进行精确测量，将其作为对被试件进行精度标定的重要基准。姿态角测量的传感器安装于台体止推端，在这种情况下，如果台体发生变形，将对系统精度造成直接影响。台体所承受的载荷为16 t，负载时将出现弹性变形；台体面积很大，夏季气温较高时，由于受热面与背阴面之间的温差增大，将产生热变形。以上都会使基准面姿态产生变化，导致测量出现随机误差。对此，前者要采用有限元软件做好应变分析，后者则要采用有限元软件做好温度场的分析，并以分析计算为基础，选择适宜的结构尺寸及材料，保证应力场的温度场等都处在允许范围之内[3]。

完成对总体设计精度进行的分配计算后，为有效保证精度，台体因变形产生的测量误差需控制在20″以内；系统测量端产生的轴向窜动需控制在0.05 mm 以内，径向跳动应控制在0.01 mm 以内。基于此，台体应进行刚度理论设计，除了要求强度合格，还要求弹性变形处于允许范围内，否则，轻则导致传感元件检测结果不准确、不可靠，重则导致传感元件损坏。

利用CAD/CAE 软件计算台体不同受力情况下的应力应变。根据分析计算结果，台体应为封闭型结构，并在应力相对较大的部位焊接立向筋板，用于防止产生很大的弯曲变形。在应力最为集中的部位，需使用铸钢工艺实现一次性成型，在它的受光与背光面之间均匀布置通风孔，以此避免温差变形。台体完成整体焊接之后，还应做好各项处理，如探伤处理、热处理和对局部振动进行时效处理等，以此消除所有残余应力，保证系统精度。

完成刚度设计以后，系统内台体的极限应力产生于台体和横摇液压缸相连的位置；系统外台体的极限应力产生于台体和纵摇液压缸相连的位置，数值比材料自身屈服极限小。可见，完成刚度理论设计后的台体，其强度安全系数合格[4]。

1.2 抗冲击与振动保护

设备正常使用时难免受到外力激振与冲击，某些产品还会受到交变荷载。如果交变荷载频率接近产品固有振动频率，则会使设备发生明显共振，导致设备或构件被破坏。借助CAE 技术，在产品设计过程中做好刚体动力学及振动模态分析，确定它的固有频率。然后根据产品自身结构设计规避共振，这是有效的设计方法。

根据力学理论，当机械结构自身刚度变大时，它的固有频率将明显升高，而机械结构质量变大时，它的固有频率将明显降低。基于此，可通过对结构形式的适当改变，调整刚度与固有频率，以实现对共振的有效控制。设计台体结构时，实际上就是通过筋板的焊接对系统固有频率进行调整[5]。

仍以摇摆台为例进行分析，该设备可看成有两个自由度的振动系统。系统工作过程中，要承受6 t 的动荷载。为防止系统受到外扰力作用出现共振，应掌握它的动态特性，尽可能规避共振区。通过对系统实施刚体动力学分析与有限元模态研究，它的固有频率与振型如下：第一阶主频率在7.7 Hz 左右，第二阶主频率在12.7 Hz 左右。由于台体自身姿态有所不同，因此主频率会产生明显变化。以上主频都能远离外扰频率，进而有效避免共振。

2 测量系统与电子装置的可靠性设计及适应性试验

2.1 简单化设计

按照一般逻辑，复杂度越高的系统，其可靠性往往越低，进行简单化设计能有效提高系统可靠性。以电子监控器为例，其硬件系统充分引入了嵌入式技术，它是以具体性能要求为依据设计制作的小系统。监控器电路只包含1 个处理器芯片与7 个标准化接口，无数据存储器与外加程序，所有功能均由处理器芯片实现。通过长期应用考核以及上述简化设计，可以最大限度保证系统的可靠性。

2.2 降额设计

它是使系统的所有组件都在比额定载荷低的情况下工作。实践过程中，最常用且有效的方法为使用高强度组件，即合理使用大马拉小车方法。例如，对电容器而言，其降额方法是将所加电压控制在比额定值小的条件下，而芯片降额则是将功率耗散控制在比额定值小的情况下。在摇摆台上，测量系统为封闭水冷军用加固计算机，其接口板元件为军用54 系列元器件，同时事先进行筛选老化，以上均属于降额设计，保证系统的可靠性。

2.3 适应性试验

工程机械所处工作环境往往十分恶劣，如潮湿、振动、冲击与粉尘，这就要求监控器必须在不同环境下可以正常运行，因此除了可靠性，对环境的适应能力也十分重要。根据粗略统计可知，我国自主研发生产的监控器，其可靠性只有国外产品1/3～1/2，寿命也只有1/2。依然以监控器为例进行分析，它需要进行的适应性试验内容包括以下几种。

2.3.1 振动试验

按照相关试验标准，对国产型号为D-150-1 的振动系统进行如下试验。

（1）耐频扫描试验。试验时的振频在10～300 Hz；振幅比交越频率对应的位移幅值小0.7 mm，比交越频率对应的加速度幅值高5 g。电子监视器主要进行上下往复振动，振动持续时间按10±0.5 min 控制。完成一次循环扫描需要的时间在4 min 左右，在试验过程中，需对共振点进行检测，用于完成后续耐共振频率试验[6]。

（2）耐共振频率试验。基于共振频率，以规定振幅为依据实施振动试验。试验的主要目的是对设备在相对较短的时间范围内，对共振响应具有的适应能力进行考验，并非破坏性试验。其振频与共振点周围频率相同，加速度幅值确定为5 g，持续时间为10 min。

2.3.2 高低温湿热循环试验

按照相关试验标准与总则，对试验箱进行控制，试验步骤如下。

（1）低温试验。样品通电后，对试验箱进行设定，5 min 内需要达到-15 ℃；然后开启制冷，40 min 内达到-25 ℃，并在这一温度条件下保持16 h。

（2）高温试验。样品通电后，对试验箱进行设定，5 min 内需要达到40 ℃；然后开启制热，使40 min 内都达到55 ℃，并在这一温度条件下保持16 h。

（3）交变湿热。将试验箱的温湿度分别设定为25 ℃、60%，在之后的1 h 内，使湿度上升至95%。升温过程中，需在3 h 内使空间温度升高至55 ℃。高温高湿持续过程中，使空间温度保持在允许范围内，到12 h 为止。在这一阶段中，除了最初与最终的15 min 湿度要达到90%以上，其他时间需要保持在95%；降温过程中，空间温度需要在3～6 h 内降低到25 ℃；在低温高湿保持过程中，使空间温度保持在25 ℃，湿度达到95%以上，24 h后停止。

3 结束语

对于任意类型的整机产品，其可靠性模型均以串联性框架为主，只有它的关键重要件才支持冗余设计，进而在串联回路中产生并联分支。基于此，整体可靠性和系统最薄弱环节息息相关。针对非标产品，在设计过程中，为保证产品质量，需要做好可靠性分析，通过分析找到薄弱环节，将其作为后续攻关重点。如果缺乏试验数据，则可通过适应性试验找到系统中存在的薄弱环节。在寿命试验过程中，需对关键部件采用台架进行试验，以此缩短试验周期。通过分析找到薄弱环节后，即可利用适宜方法改进设计。需要注意的是，以上方法并非定式，可依照实际情况调整。