产品可靠性论文

产品可靠性研究

摘要：目前的工业产品中，很多机械设备都受着使用寿命的限制，使用寿命较长的，成本会很高；成本较低的，产品故障率很高，使用寿命很短。这样的现象给很多的生产商、用户带来了诸多不便。因此，研究设备系统的可靠性、提高产品的性能是有必要的。

本文从工程应用的角度出发，以动力伺服刀架齿轮传动系统为研究对象，应用有限元法、模态分析等方法，对齿轮系统的共振可靠性进行分析。

关键词：可靠性齿轮系统模态分析

可靠性是一门新兴的工程学科，是衡量产品质量的一个重要指标，是以概率、统计等数学理论为基础，从整体系统角度研究，将整体系统的设计、分析、检测、评价和维护融为一体。随着现代化科技的飞速发展、产品功能日趋强大，产品复杂程度日趋提高，产品的可靠性就越来越重要。

可靠性最早、较正规的定义是1966年由美国的milstd-721b提出的，我们也把它称之为狭义的可靠性定义，即“产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力”；广义的可靠性定义考虑到了那些可维修的产品，具体“产品在其整个寿命期限内完成规定功能的能力”。

可靠性理论的研究是由于第二次世界大战战争需求，由于当时的飞机、火箭、电子设备等屡次出现故障，较为严重的影响了武器设备的使用，不能够完成相应时间内的任务，产品的可靠性问题就

逐渐凸现出来。

1957年美国电子设备可靠性咨询委员会（agree）发表了了著名的“军用电子设备的可靠性”报告，提出了军用电子产品在上述各环节中的可靠性问题、需要注意的方面及要求，指出了在研制与生产过程中对产品可靠性指标进行试验和验证的方法，并论述了可靠性的理论基础和研究方法。该报告是后来发展电子产品可靠性理论和方法的基础，标志着可靠性工程已经发展成为一门独立的工科学科。

可靠度是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。

可靠性指标定义为：

利用可靠性指标可以直接衡量产品的可靠性，如果基本随机变量向量x服从正态分布，用失败点处状态表面的切平面近似地模拟极限状态表面，可以获得可靠度的一阶估计量：

式中（）为标准正态分布函数。

下面我们以机床动力伺服刀架动力部分中五齿轮啮合系统为例进行分析，应用到ansys软件分析计算其可靠度。经过精确计算确定齿轮相对位置以及啮合角度，应用ansys建立参数化模型，如图1所示。

齿轮系统有限元模型的建立及模态分析：

在已建立参数化模型的基础上，应用apdl语言建立有限元模型，添加约束，并求解模态，具体步骤如下：

（1）定义材料属性及单元类型（2）选择映射网格划分方式，划分网格，建立有限元分析模型（3）建立接触对（4）施加约束（5）接触应力求解，并查看结果（6）删除载荷约束，建立新约束（7）模态求解（8）查看运行结果

对五齿轮啮合系统进行有限元模态分析，得到两种临界状态双齿啮合前10阶固有频率，其结果如表1所列。

由于第二种状态下的啮合刚度比较大，所以其固有频率较第一种状态下的固有频率大，而齿轮系统在高速转动时的固有频率在两者之间，例如齿轮啮合传动的第一阶固有频率在78.513—97.615hz 之间。

产生结构共振的激励频率主要为齿轮的转动频率，其计算公式为：

式中n为齿轮所在轴转速（单位r/min）.

当激励频率接近或等于固有频率时，齿轮系统就会发生共振。对各个齿轮轴的激励频率与固有频率进行比较，可以确定接近激励频率的固有频率阶数。

在进行可靠性分析之前，先要确定影响刀架动力部分可靠性的主要因素，即基本随机变量。通过对啮合齿轮系统多次改变模型进行有限元分析，把对影响固有频率精度较大的因素作为基本随机变量。

齿轮旋转中心点坐标以及旋转角度和中心距：x1、y1、x2、y2、x3、y3、b、a。

其中x1、y1是传动齿轮2中心的坐标；x2、y2是传动齿轮3中心的坐标；x3、y3是动力输出齿轮中心的坐标；b是主动齿轮（动力输入齿轮）和传动齿轮1中心点连线与x轴的夹角（旋转角度）；a是主动齿轮和传动齿轮1的中心距。

基本随机变量的概率分布如表2所示。

应用isight软件，对模型在参数服从正态分布的情况下进行多组分析计算。

应用人工神经网络方法对固有频率方程进行拟合，计算得到齿轮系统固有频率的可靠性指标β、可靠度r分别为

β=3.4648；r=0.9997

由此可知，系统的可靠度r= 0.9997，此系统可靠性比较高，在一定的转速下可以长期使用。

本文主要通过计算机模拟实验进行动力伺服刀架动力齿轮系统的可靠性分析，用此方法分析设备的可靠性，计算其可靠度，对产品的设计开发提供了坚实的理论基础，从而提高产品系统的工作性能和加工精度的可靠性和稳健性。目前在国内此方法分析产品系统的可靠性是比较先进的，节约了大量实际实验的时间和费用，分析较为精确，得到结果与实验结果非常接近。