机械设备的可靠性设计是指为满足机械设备产品的可靠性而进行的功能性设计，产品的可靠性是指产品在规定的条件和规定的时间内完成规定功能的能力。在我国，作为在现代设计理论与方法中较为重要的产品可靠性设计目前还不被重视，可靠性技术标准和可靠性指标评价体系还很不完善，现阶段使用的大多是企业根据自己产品在市场上的定位和国家有关规定，在确定产品的可靠性目标后形成的企业标准。目前世界上已广泛使用的如故障模式及后果分析（FMECA）、故障树分析（FTA）、可靠性预测、概率设计等先进设计方法及手段在国内的可靠性设计方面应用还不充分。因此，利用先进的设计方法及手段，大力推进设备的可靠性设计，提高设计质量以减少设备在使用过程中的维修次数，增加设备使用寿命就成为一项十分重要的工作。机械设备的可靠性是一项大的系统工程，涉及到设计、制造、安装及使用等诸多环节。本文试图通过建立设备的故障模型，并依据故障模型来划分故障类型及进行故障机理分析，对设备中的各种机件可能出现的失效形式予以预先估计，从而确定可靠性设计的重点，达到完善设计，提高设备使用寿命的目的。

　　一、机件失效的类型

　　机械设备的可靠性在很大程度上取决于机件或某一系统的可靠性。提高设备的可靠性就必须从提高每一个机件的可靠性入手，强调所有机件在整机使用寿命内的最佳无故障配合。就目前而言，机件失效的形式主要有：1．因磨损、腐蚀造成的尺寸误差和功能失效；2．因疲劳引起的诸如机件断裂、裂纹等；3．因设计误引起的刚度、强度不足而出现的机件损坏。但不管是上述何种失效形式，如果用模糊数学及数学函数关系来表述，可表述为：1．失效故障的发生仅与运行时间的增加而上升的形式；2．失效故障的发生与设计参数及标准有关的形式。

　　二、机件故障模型

　　通过对大量机件故障案例的分析与研究，发现在排除设备的偶然性故障（如外力作用造成的故障）的前提下，随着设备使用时间的推移及老化，其故障模型主要有6种，见下页图。

　　对这6种模型进一步分析研究后，我们可以得出以下结论：在寿命期内，前三种（A、B、C）故障模型为与使用时间相关的故障，主要适用于那些非常简单的零部件和设备，尤其是存在直接接触磨损或接触腐蚀介质的。后三种（D、E、F）为与使用年限不相关的故障。一般来讲，部件越复杂或越简单，它就越可能服从于故障模型E、F，即存在于设备或部件复杂程度两极。D、E、F这三种模型的主要特征是设备运行初欺肥后的一段时间内与可靠性设计没有多少关系或根本无关。像这类部件往往在其使用寿命内都不发生故障，如一旦发生故障，往往是不可再修复的。如机座、集成部件、飞轮等这些要么特简单，要么特复杂的部件。造成这些部件出现故障而失效的原因，往往是与设计过程中的参数、标准有关，与疲劳、刚度、强度有关。

　　三、根据机件失效故障模型，确定可靠性设计的重点，并提出相应的措施

　　通过建立故障模型，我们已经能大概地划分出所有机件或设备失效的几种类型。从设备维修的角度来谈可靠性设计实际就是一种倒推设计，即从维修的角度，从机件可能出现的故障来倒推至设计过程当中。因此，在进行可靠性设计时，就必须先对所要设计的机件或设备进行模型分析并进行归类，然后确定其使用阶段的故障特性，分析其可能产生的故障及形成机理，对症下药，确定设计重点并对其强化，以达到提高可靠性和经济性的目的。

　　对于前三种故障模型（A、B、C）的机件可靠性设计，本人认为应强调其适应抗磨及抗腐方面。关于这一点，本人曾在《机件磨损与机械设计中的材料设计》一文中（详见《纸和造纸》2001年第3期），对此问题有详细的论述。像纸机中的辊筒与烘缸这类旋转件（模型A或B），其可靠性设计的重点是轴及轴承磨损引起的不平衡性，即因磨损造成的动、静平衡失衡。而像蒸球等设备（模型C），其可靠性设计的重点除应考虑压力要求外，更主要的是球体的抗腐性，即在恶劣环境下不被周围介质侵蚀的能力。像机座、支架、飞轮等机件可能在整个寿命周期内都不会发生故障，因此，可靠性设计的重点应放在对这些机件超过设计要求的偶然性冲击及抗疲劳设计、安装设计、平衡设计和环境设计上。

　　四、实例分析

　　纸厂盘磨磨片是纸厂生产过程中消耗量较大的一种易损件。其可靠性的高低、使用寿命的长短不仅关系到生产过程能否正常进行，更直接关系到企业的经济的效益。现根据本文提出的解决设备可靠性的思路对如何提高磨片的可靠性设计质量作一个简单的分析。

　　我们对磨片工作过程及失效结果进行分析后，判断出磨片失效的模式适合于本文提出的机件故障模型B和C，即失效故障的发生与使用时间成正相关。从对模型B和C形成机理的分析并结合磨片的工作状态看，磨片的失效与磨损、腐蚀及气蚀有关。在弄清了磨片失效的形成机理及原因后，其可靠性设计的重点就应放在抗磨、抗腐及抗气蚀上。具体措施包括：1．选择合适的耐磨、耐腐材料。目前磨片大多采用合金白铸铁、不锈钢及特殊钢，设计时可根据使用经济性及企业的具体情况从中选出合适的材料。2．设计科学合理的制造工艺，特别是热处理工艺。重点放在细化晶粒、保证硬度（与气蚀、腐蚀及磨损有关），消除残留应力、控制基体组织中铁素体的含量上（与磨损、腐蚀有关）。

　　综上所述，机械设备或机件的可靠性设计，是建立在某一个零部件或子系统的故障模型分析基础之上的。一方面通过对其进行故障的归类分析，找出机件失效的形成机理，以便在设计时能有的放矢，确定其设计重点并采取有效的针对性措施，强化可能引起失效的那部分功能，弱化那些与失效无关的功能，达到提高可靠性、增加经济效益和社会效益的目的。另一方面，也为将来的设备日常维修指明了方向和重点。

[时间：2001-12-18  作者：周燕  来源：纸和造纸]