机械产品的可靠性分析、设计方法

与电子产品不同，机械产品的可靠性分析和设计尚没有较为完整的方法。同样，与电子产品比较，机械产品可靠性有其许多特点。如：涉及专业面广，可靠性问题复杂；故障模式多，影响因素复杂；故障数据分散；故障大都服从威布尔分布而不是指数分布等。在机械产品的可靠性分析和设计方法方面，更应强调重视利用以往的工程实践经验，制定设计准则，指导产品可靠性设计；不宜采用筛选方法提高产品的可靠性，而应注重故障模式分析和研究，通过对故障机理的研究，采取改进措施来提高产品的可靠性；采用安全系数法和机械概率设计，通过注重产品的维修性和使用操作性、耐环境设计、安全性设计，提高其可靠性。     

基于可靠性强化试验的防滑刹车控制盒设计

通过对比,揭示了可靠性强化试验在防滑刹车控制盒的设计过程中,能快速激发设计的潜在缺陷,并且以故障的形式表现出来,然后,通过对故障原因的分析,改进设计来消除缺陷,进一步提高产品的可靠性。     

故障物理分析与机械可靠性(一)--机械产品劣化原因及能力降低与故障发生过程

机械产品可靠性具有与电子产品许多不同的特点。如：涉及面广,可靠性问题复杂;影响因素复杂,故障模式多;故障数据分散;故障大多服从威布尔分布而不是指数分布等。而更使人们关注的是,机械产品的可靠性分析和设计至今尚无完整的方法。前苏联工业部门十分重视机械产品的可靠性问题,长期的努力使他们在这一技术领域形成了自己的研究特色并确立了优势地位。本文作者通过跟踪、分析前苏联有关可靠性标准、专著等文献后认为,从故障机理与故障物理分析入手,是他们解决机械产品可靠性问题关键方法所在。为此,本刊将分期连载５篇系列文章,介绍前苏联可靠性专家从故障预测到实现可靠性目标的基本思路和技术途径。在总题名为“故障物理分析与机械可靠性”这一总标题下,拟发表的这５篇文章是：１．机械产品劣化原因及能力降低与故障发生过程;２．故障物理分析基本内容;３．参数及损伤变化与极限状态的数学描述;４．可靠性指标名称与指标产生过程;５．机械可靠性设计与试验。     

基于试验数据与使用数据融合的产品寿命可靠性分析方法

可靠性数据分析作为描述、评价产品可靠性的理论方法,已经成为可靠性工程的重要组成部分。针对产品在实际使用中存在未失效数据且数量较多的情况,提出一种将试验数据与使用数据相融合的产品寿命可靠性分析方法。在产品寿命服从典型分布时,利用试验数据与使用数据融合后的数据,采用随机右截尾情形下的极大似然估计方法估算产品寿命分布函数中的参数,进而对产品寿命的可靠性进行分析计算。结果表明:在相同的可靠度和置信水平下,利用试验数据与使用数据融合后增大了样本容量,提高了产品可靠性分析的准确性。     

航空装备现场数据可靠性评估方法有效性分析

针对航空高可靠性产品现场故障数据样本量小和经常出现数据删失的问题,分析了平均秩次法与期望-极大值（EM）算法的有效性,给出了这两种方法的适用范围。应用蒙特卡罗仿真方法,在考虑维修的情况下,设计了一种评定可靠性评估方法有效性的仿真方法。该方法以威布尔分布为例,通过飞行年、飞机架数、日利用率的动态变化来模拟产生具有随机删失特点的航空装备现场故障数据,以此来动态驱动样本量和删失比的变化,并分别评估这两种可靠性评估方法的有效性。仿真结果表明,在样本量为10~30时的小样本随机删失数据参数估计中,EM算法应该被优先采用。     

基于QAR数据的LEAP发动机HPV性能监控及维修策略研究

HPV是发动机引气系统重要部件之一。针对LEAP-1A发动机HPV设计缺陷导致可靠性低的问题,通过研究某航司机队HPV故障数据和技术原理,归纳典型故障和故障原因,提出一种基于QAR数据分析和“3σ”（三西格玛）原则评估发动机HPV正常下游压力范围的方法,并构建了HPV健康监控和故障诊断模型,该模型经某航司历史QAR数据验证有效。最后提出以可靠性为中心的HPV管控建议,为航司提升LEAP-1A发动机HPV可靠性提供参考。     

竞争性故障模型可靠性评估的非参数估计方法

针对航空发动机现场数据的可靠性评估面临着小子样与随机删失问题,对可靠性评估中的非参数估计方法进行了对比分析.应用蒙特卡罗方法,在竞争性故障模型下,设计了一种对比可靠性评估方法优劣性的仿真方法.该方法以三重威布尔分布为例,通过模拟产生具有随机删失特点的航空发动机现场故障数据,分别对比4种可靠性评估非参数估计方法的优劣性.最后通过一个工程应用案例验证了模型的有效性.仿真结果表明:在三重威布尔竞争性故障模型下,非参数估计方法的优劣顺序依次是Kaplan-Meier估计、平均秩次法、Herd-Johnson估计、Nelson-Aalen估计.      

灰色系统关联分析在故障识别中的应用

通过对现场采集的齿轮故障文件进行诊断,说明通过多参数灰色关联度分析诊断法诊断齿轮故障及识别其故障类型,只要样本文件数据准确、可靠性强,在类似的工作条件下,诊断齿轮的故障是可行的,其效果是较好的。     

航天产品制造的“工艺可靠性设计”研究

航天高性能产品在生产制造中普遍存在产品合格率低、参数稳定性差、使用可靠性不高的现象.要深入研究和解决这些问题,除了要在产品设计阶段解决设计缺陷外,就是要识别和解决产品制造阶段的工艺缺陷.首次提出了一种自下而上的产品“工艺可靠性设计”概念和要素体系,提出关注产品制造的源头工艺设计,把产品的“工艺设计过程”当作研究对象开展工艺可靠性设计研究.提出了全新的制造工艺技术思想,从零件微观特征与产品设计原理匹配性,以及未来失效机理和产生根源的微观角度,研究建立产品生产制造全过程和使用全寿命周期的失效机理(可靠性缺陷)与“工艺可靠性设计”要素之间的关系模型,为完善产品工艺设计体系提供创新思路,为解决产品合格率问题提出了新的技术路径,也为产品设计阶段的产品可靠性设计的提升提供工程支持.     

CFM56-7B发动机起动机行星齿轮轴的失效分析与预防

CFM56-7B型航空发动机上的3505945系列起动机中的行星齿轮轴会因集油槽边沿的微小缺陷而发生断裂故障,导致非计划性拆机,并可能对产品的其他零部件造成连带损坏。本文对该故障进行了分析,提出通过后期处理该行星齿轮轴来避免类似故障以提升产品可靠性的方法。     

可靠性设计中材料屈服极限的最佳选择

根据航空发动机结构完整性大纲, 对于断裂关键件必须进行损伤容限设计分析。由于材料缺陷, 加工缺陷或疲劳引起裂纹的扩展, 都会导致构件断裂, 为此要求在有缺陷(裂纹)的情况下, 构件应能保持足够的损伤容限, 这主要靠正确选用材料, 控制应力水平, 采用抗断裂结构, 控制加工精度及采用可靠的检查方法来实现。      

桨叶可靠性分析方法

本文给出二维疲劳裂纹扩展门槛值分布函数,建立二维应力—门槛值干涉模型。该模型可用于含初始缺陷或意外损伤的螺旋桨叶无限寿命可靠性分析和设计,得到桨叶可靠度与初始裂纹尺寸之间的函数关系式。考虑到随使用时间增长,桨叶遭受意外损伤的可能性将不断增大,损伤的程度也不断加重,文中还给出桨叶在无限寿命条件下的检修周期。该方法也可用于其它含裂纹构件以及复合材料桨叶的无限寿命可靠性分析和检修周期确定。      

基于ADAMS的行星齿轮系刚柔耦合仿真局部缺陷识别

针对行星齿轮系在工作过程中出现的局部缺陷，将引起齿轮啮合异常，并导致冲击异常，其特征频率就会发生变化。现用ADAMS与ANSYS建立行星齿轮系的刚柔耦合模型，通过快速傅里叶变换（FFT）得到其啮合力的频域曲线，并分析无缺陷行星齿轮系的特征频率、行星轮齿局部缺陷的特征频率、太阳轮齿局部缺陷的特征频率。仿真结果与理论值吻合，说明了所建虚拟样机模型可靠，得到无缺陷行星齿轮系的特征频率是265.34Hz，行星轮齿局部缺陷的特征频率是17.67Hz，太阳轮齿局部缺陷的特征频率是36.13Hz，可用于识别行星齿轮系的行星轮或太阳轮局部缺陷。对行星齿轮系振动特性、可靠性的研究具有一定的指导意义。     

红外热像检测技术在吸波涂层缺陷研究中的应用

采用红外热像技术探索了一种吸波材料脱粘缺陷无损检测的方法。在铝合金基材上制备具有不同脱粘缺陷的吸波材料。采用红外热像检测系统监测热激励后材料样品表面的温度变化。通过对热图像和温度变化数据的分析,获得材料表面或缺陷的特征。试验表明这一方法可以有效地检测出铝合金基材上铁磁性吸波涂层脱粘缺陷,测量简便、结果直观,对涂层无损坏,可以实现吸波涂层施工中吸波涂层质量和使用过程中涂层可靠性的监控。     

粉末合金(FGH95)蠕变/疲劳交互作用下寿命预测的损伤力学有限元分析

采用基于损伤力学的蠕变—疲劳交互作用下的寿命预测模型,应用损伤等效应力进行三维应力状态下的损伤计算,并考虑了压缩时闭合效应,利用ANSYS的二次开发工具APDL和UPFs开发程序,把基于损伤力学的寿命预测方法与ANSYS的结构分析结合起来,实现了对构件的损伤计算和寿命预测。针对粉末合金材料易含夹杂等初始缺陷的特点,提出了在寿命计算中通过单元初始损伤模拟初始缺陷对寿命影响的处理方法,探讨了考虑初始缺陷条件下的寿命预测,并利用试验对计算结果进行了对比验证。      

某航天器输氢管道系统结构完整性评估

为保障某航天器在服役年限内不发生事故，针对航天器上采用插入焊接技术的精密管道系统进行结构完整性评估。在考虑到系统存在整圈的环形未焊透缺陷基础上，结合工程实践，假设在焊接区域存在更危险的平面缺陷。首先，开展高压气相热充氢试验下的标准拉伸和三点弯试验得到管道系统材料"J-75"在临氢环境下应力应变曲线和断裂韧性。其次，采用有限元程序计算系统在内压、惯性载荷与离面位移作用下的应力分布，考虑到间隙配合中的不确定性，改变模型中的最大间隙多次模拟计算，发现最大应力位置基本不变，以此区域作为假想缺陷的具体萌生区域。最后，采用失效评估图（FAD）方法对存在4种缺陷模式的系统分别进行结构完整性评估。通过引入安全裕度的概念，发现系统在含有初始尺寸（0.15 mm）的4种平面缺陷时，均处于安全状态，并且安全裕度都在2倍以上；通过工程临界分析（ECA）发现随着缺陷尺寸的增大，系统中含有缺陷2（位于管道焊接区域最大应力处的轴对称平面且沿焊深方向扩展的缺陷）时最为危险，且当缺陷深度超过0.61 mm时将断裂失效；考虑到测试数据的弥散性，针对系统最危险的模式，以安全裕度为可靠性指标，将失效评估图方法与可靠性评价相结合，得到系统在含有尺寸为0.15 mm的缺陷2情况下保有足够安全裕度的可靠性下限值超过0.999 5。     

Defect Recognition in Thermosonic Imaging

This work is aimed at developing an effective method for defect recognition in thermosonic imaging.The heat mechanism of thermosonic imaging is introduced,and the problem for defect recognition is discussed.For this purpose,defect existing in the inner wall of a metal pipeline specimen and defects embedded in a carbon fiber reinforced plastic(CFRP) laminate are tested.The experimental data are processed by pulse phase thermography(PPT) method to show the phase images at different frequencies,and the characteristic of phase angle vs frequency curve of thermal anomalies and sound area is analyzed.A binary image,which is based on the characteristic value of defects,is obtained by a new recognition algorithm to show the defects.Results demonstrate good defect recognition performance for thermosonic imaging,and the reliability of this technique can be improved by the method.     

蜂窝胶接结构敲击自动检测系统

文摘蜂窝胶接结构使用敲击法检测时,由于蒙皮厚度增加导致检测灵敏度降低。本文针对这一不足,设计了一套由控制计算机、扫查机构、敲击锤等组成的敲击检测系统,旨在通过自动机械控制技术与C扫描显示技术相结合,直观显示全面的产品检测数据,使检测灵敏度、检测可靠性得到提高。为验证系统检测效果,在胶接结构试样中设计了人工缺陷,针对试样检测结果表明,系统检测效果良好,适用于实际产品检测,有利于实现对产品质量检测结果的客观评价。     

行星机构的可靠性分析与计算

行星机构的结构设计缺陷、制造与安装误差、支撑构件刚度不足等原因可能会使系统发生一定程度的偏载,从而会影响整个机构的使用寿命与可靠性。利用最小次序统计量的概念建立了行星齿轮系的可靠度计算模型,模型反映了偏载对齿轮系可靠性的影响。首先,对行星机构进行了详细的运动学和力学分析,计算得到了各个齿轮的随机载荷历程。根据Miner线性疲劳累积损伤法则,将随机载荷历程转化为等效恒幅载荷谱,并将其作为可靠性模型的载荷输入变量。然后,将特定齿轮的疲劳寿命数据进行统计处理,将统计结果作为可靠性模型的强度输入变量。最后,根据模型的计算结果定量地说明了偏载对行星齿轮系可靠性的影响程度,同时利用随机截尾数据处理方法对可靠性模型的有效性进行了验证。     

固体火箭发动机衬层与药柱脱粘高能X射线检测技术

衬层与药柱脱粘严重影响固体火箭发动机的结构完整性和工作安全性,该缺陷的可靠检测至关重要。文章综述了固体火箭发动机高能X射线检测技术现状。基于射线照相检测和工业CT检测手段,评述了固体火箭发动机衬层与药柱脱粘的图像分析和缺陷评判技术。针对该类缺陷,提出了综合应用射线照相技术和工业CT技术进行印证检测的方法,评判结果表明能够满足缺陷检测的可靠性与准确性要求。