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本期重點介紹機構可靠性方法

機構可靠性問題可劃分為與承載能力有關的可靠性問題和與運動功能相關的可靠性問題。前者可歸結為結構可靠性問題，后者即機構可靠性的重點關注。以往的機械可靠性較重視與承載能力有關的結構可靠性問題，而針對機構動作研究的較少。

機構的工作過程一般可用下圖描述。如果機構出現不能開鎖、或開鎖后不能按要求（例如啟動時間要求）啟動、或啟動后不能按規律運動，或能按規律運動但在運動到位后不能按要求鎖定在規定的位置等情況之一，該機構的功能就沒有實現。因此，機構的主要失效模式可以分為運動精度達不到和卡滯2類。

圖1 機構失效模式分析

針對這2類失效模式，國內外機構可靠性研究主要體現在機構運動可靠性研究、機構多體動力學分析與可靠性仿真2方面。相關研究多數在不同程度上考慮了制造公差、運動副間隙、構件變形、磨損、驅動力波動等隨機因素的影響。

1、機構運動可靠性研究

在機構運動可靠性研究方面，前蘇聯КузнецовА.А等人上世紀七十年代提出了機構可靠性的概念，并探討了飛行器上各種可分離機構和轉動機構的可靠性分析方法。H.P.勃魯也維奇等人較全面地分析了機構運動副中的原始誤差，提出了分析運動副間隙引起的機構輸出誤差的轉換機構法，為機構運動可靠性的研究奠定了基礎。八十年代，以色列的Sandler應用概率方法對齒輪、凸輪機構的運動精度做了深入研究，采用非線性方法分析了間隙對機構運動的影響。以色列學者Lee提出了考慮運動副間隙的有效長度模型，成為工程上考慮運動副間隙進行可靠性分析的依據。日本學者Misawa分析了衛星天線進行展開動作時驅動力矩大于阻力矩的可靠度。Zhu、Ting研究了考慮尺寸公差和運動副間隙的平面和空間機器人進行可靠性分析的方法。Rao S、BhattiP、Kim J、Song等采用Denavit-Hartenberg變換矩陣建立位移誤差傳遞矩陣，計算了機構運動可靠度。Wittwer、Choi、Yoo將線性回歸理論,均值一次二階矩法和蒙特卡羅模擬法等可靠性分析方法結合到機構運動和動作可靠性分析中。Sandu等提出了考慮參數隨機性進行多體運動學建模的方法。Bowling將可靠性優化設計理論應用于機構設計過程中。

在研究方法上，國外對機構運動可靠性分析已提出了微分法、復數矢量法、矩陣法、環路增量法等機構建模方法考慮制造公差、運動副間隙等因素的影響，采用結構可靠性算法、模糊數學方法、區間分析法來分析評估機構可靠性。微分法、復數矢量法、矩陣法和環路增量法均是根據機構的幾何拓撲關系，建立機構運動學解析模型，然后在此基礎上通過數學方法得到機構的輸出誤差。微分法通過對機構運動輸出方程在各參數的數學期望進行微分求得機構的輸出誤差。復數矢量法通過矢量的加法和乘法來獲得誤差傳遞，但最終誤差函數式含有大量的偏導數。矩陣法對于復雜機構需要計算高階矩陣的運算，特別是求逆運算。環路增量法通過分析相鄰構件之間的作用力方位及輸出構件上參考點的運動軌跡方式，建立機構誤差傳遞的數學模型?？傮w來講，這幾類方法都只適用于建立簡單機構的運動學模型，考慮的影響因素也只限于與運動學相關的影響因素，如尺寸誤差，運動副間隙，磨損等因素。當需要分析機構的動力學相關誤差時，這幾類方法的使用受到了限制。

在研究對象上，機構運動可靠性的研究涉及簡單的平面連桿機構并逐步向復雜的飛機起落架、空間機構、機器人等機構擴展，由剛體機構向彈性機構擴展。目前，考慮損傷累積因素的復雜機構時變可靠性分析評估受到關注，同時尋求快速有效，精度較高，便于操作的機構運動可靠性計算方法，依然是可靠性理論研究中值得關注的問題。

2、機構多體動力學分析與可靠性仿真

前述研究側重在機構運動可靠性，建立在多剛體運動學分析的基礎上,不考慮構件受力之后發生的變形，適于機構運動速度較低、構件剛度較大的情況。隨著柔性機構在航空、航天和機器人等裝備中的大量應用，剛柔混合機構的可靠性設計理論和方法逐漸受到重視。剛柔混合機構工作中往往要承受多因素聯合作用，從而導致機構可能產生多種故障模式，使機構的性能和功能發生退化或劣化。這種情況下，基于多剛體動力學分析的機構可靠性方法中不再適用，因此人們發展了一種稱為KED（Kineto-Elasto Dynamics 運動彈性動力學方法）的柔性機構動力學分析技術。這種方法將機構的真實運動近似地看成剛性運動和彈性變形疊加而成，機構整個運動過程被離散化為一系列機構位置，在每一位置上，機構均被視為一瞬時結構，從而可借用有限元法求出彈性位移。KED方法逐漸應用在彈性機構動力學分析和彈性機構可靠性分析上，Zobairi等利用KED方法對機構運動學參數進行分析，提供了構建幾何尺寸的優化設計方法；Surdilovic和Vukobratovic應用KED方法建立了機械臂的模型，并提供了一種效率較高的可靠性計算方法。由于KED方法計算復雜，柔性構件的動力學方程是時變微分方程，在運動過程中機構動態響應難以顯式表示，因此只適用于簡單機構的可靠性分析，對于復雜機構進行可靠性分析則未見到公開報道。

隨著多體運動學和動力學仿真軟件的成熟，如ADAMS、LMS-Motion、Simpack逐漸具備剛柔混合建模和仿真能力，為借助這些軟件開展機構可靠性仿真分析奠定了基礎。采用仿真模型能夠較完整的描述原機構的輸入輸出關系，模型中既可以考慮機構運動學相關的影響因素，又可考慮機構動力學的相關影響因素，如速度、摩擦、載荷、變形等因素。通過建立機構的參數化仿真模型，利用蒙特卡羅方法進行上百萬次的模擬計算，然后利用統計方法得到機構可靠度。當可靠度很高時，蒙特卡羅法需要的抽樣次數太多，導致計算效率很低。為了提高復雜機構的計算效率，最普遍的方法是仍然是利用多項式響應面法、Kriging模型、徑向基函數、人工神經網絡、支持向量機等多種方法進行復雜機構的可靠性分析。

總的來看，機構可靠性與結構可靠性都通過建立功能函數進行可靠性分析計算，采用的可靠性計算方法基本是一致的，主要區別有2點：

1）故障表征參數不同，結構可靠性一般用應力、應變、損傷等建立功能函數，機構可靠性一般用運動精度、誤差、速度等建立功能函數。

2）故障表征參數計算方法不同，結構可靠性一般采用有限元方法計算應力、應變等，機構可靠性一般采用多體運動學、多體動力學方法計算運動精度、誤差等，甚至會考慮構件的結構變形影響。

3、機構可靠性分析應用方式

圖2給出了機構可靠性集成應用的主要步驟：

圖2 機構可靠性集成應用方式

（1）根據任務剖面和設計要求，采用FMEA、FTA方法，確定機構運動功能的關鍵失效模式，并依據歷史經驗、試驗數據或已有故障信息，確定極限狀態失效判據（機構運動精度達不到、運動卡滯、運動副磨損等）

（2）根據產品任務剖面和設計要求，并結合典型失效模式，確定主要失效模式的影響因素，并參考相關標準或歷史數據確定影響因素的隨機特征（分布類型和分布參數），在有可能的條件下也可通過試驗獲得影響因素的隨機特征量；

（3）依據導致機構運動失效的判據，如運動精度、卡滯、運動副磨損等，考慮主要影響因素及其隨機特征，采用應力強度干涉模型或極限狀態函數建立可靠性模型；其中對于代表機構運動功能的表征量，如位移、速度、加速度、驅動力等，此處假設了能夠建立主要影響因素與特征量的顯式運動學公式，如果采用ADAMS等多體動力學軟件進行計算時，則應按照集成CAE可靠性應用方式，構造表征量的近似響應面模型來建立可靠性模型。

（4）應用可靠性計算方法（一次可靠度法，二次可靠度法、抽樣法和響應面法等）進行計算，確定可靠度的數值，并進行參數的靈敏度分析。

（5）當計算的可靠性結果達不到設計要求時，可依據參數靈敏度結果對設計進行調整迭代，直到達到設計要求。