定力矩扳手系统可靠性优化设计方法

机械 2003年第30卷增刊 ・25・定力矩扳手系统可靠性优化设计方法陈 军，蒲如平，陈 凡(中国工程物理研究院 第六研究所，四川 绵阳 621900)摘要：提出了对定力矩扳手系统进行可靠性优化设计的理念。

通过对其结构分析和对其部件的可靠度优化分配，以及对可靠度的优化设计方法的介绍，进而确保了定力矩扳手的结构功能和使用功能的完善和优异。

关键词：可靠性;失效;可靠性优化设计;可靠性优化分配Reliability optimizing design method of fixed moment of force spanner systemCHEN Jun ，PU Ru-ping ，CHEN Fan(The Mechanical Manufacturing Technology Researching Institute of The China Academyof Engineering Physics, MianYan 621900，China)Abstract:：This paper gives a method of the reliability optimizing design of fixed moment of force spanner. By way of the analysis to it’s structural, the part give a theory of o ptimizing distributing of the reliability and optimizing designing to the spanner, and then ensure the perfect and excellent of structure function and using function for the moment of force spanner. Key words ：reliability ;failure; reliability optimizing design; reliability optimizing distribute定力矩测力扳手作为一种装配工具被广泛使用于各个领域，它能精确而又快捷地限定被联接件间的预定扭矩，确保整个产品装配的完成。

而对其进行可靠性工作的设计于装配用扳手上，对扳手的精度提供足够的保证，更能确定定力矩扳手的设计精度，使用精度以及储存精度，进而确保其在规定的期限内保持应有精度的能力。

图1为定力矩测力扳手系统,以下就通过对测力扳手系统进行可在系统分析中,主要确定对可靠性重要的零件和系统的可靠性结构,然后逐个考察系统元素并确定它们的可靠性,最后计算整个系统的可靠性，进行可靠性优化分配，并进行设计的优化和完善。

下面介绍流程步骤。

图2 系统可靠性估计流程1 系统分析1.1 确定系统部件为了得到系统的概貌，分析开始时应确定并分析系统所有的部件(图3)。

零件和零件接口视为部件。

系统分析： 定出系统的部件在图4中列出了系统“定力矩扳手”的所有部件，这个小的概略性系统共有10个部件组成。

1.2 确定系统元素某些所求的部件可能由于多种原因失效。

比如扳手头由于断裂、变形弯曲而丧失功能。

为了后续计算，・26・ 机械 2003年第30卷增刊建议将这些损伤类型分开考虑。

通过分析得到定力矩扳手的可靠性框图（图5 ）。

注：A 类元素的失效状态可以计算，B 类元素采用经验值或试验，C 类对可靠性无关紧要，计算时可不考虑图3 系统分析的流程示意图图4 系统“定力矩扳手”的部件图5 定力矩扳手可靠性框图（布尔串连结构） 1.3 系统元素的可靠性分类各个系统元素具有完全不同的功能，并对系统可靠性所起的作用也大小各异。

因此，没有必要或不可能将所有系统元素同样看待。

所以，应将系统元素按照可靠性重要和可靠性无关紧要进行分类。

按图3的分析对系统进行可靠性A 、B 、C 分类，并得出了A 类元素有垫片、扳手头、扳手杆、加力杆；B 类元素有滚轮组件、加力弹簧、销钉；C 类元素有堵头、扳手柄、加力柄。

由布尔串连系统得到系统可靠性R s 为A 、B 类共7个系统元素可靠性R E 的乘积并等于R 系统＝R 扳手头・R 扳手杆・R 销钉・R 滚轮组件・R 垫片R 加力弹簧R 加力杆 （1）系统方程（1）描述了可靠性重要的系统元素和它们的功能关系，也表示了系统分析的结果。

通过各元素的可靠性计算，就可以得到定力矩扳手系统的可靠度R 系统。

然后即进行可靠性优化分配和设计。

2 系统可靠性优化分配系统可靠性分配的原理是：确定系统单元的可靠性指标，使由满足此指标的单元而构成的系统，其可靠性不低于系统要求值。

从式（1）中可知，其优化分配便是将系统中A 、B 类中重要的系统元素可靠度提高，不重要的可以适当降低，对于总指标R 系统则不能改变。

这两类元素中，滚轮组件由于对扳手施力矩时起传递作用，它有磨损、挤压及连接销钉被压弯的失效形式；加力弹簧有静强度失效、疲劳强度失效形式；扳手头有磨损、折断等失效形式，它们对定力矩扳手系统可靠性影响最大，所以，本系统可靠性的重要元素为滚轮组件、加力弹簧和扳手头，适当提高和优分这几单元的可靠性指标，可以优化本定力矩扳手系统的可靠性设计。

在这个过程中，采用按复杂度与重要度来分配可靠度。

它同时考虑了各子系统的复杂度与重要度以及子系统和系统之间的失效关系。

系统可靠度指标为R Sa ,系统有7个子系统，它们的复杂度和重要度分别为C i 和E i ,则对于这个串连系统R S 与R i 的关系为Vi S iti i i i i i R e E t E R =−−=−=−]1[11λλ （2） 上式λi 即为分配的失效率λia ，这时即导出第i 个子系统在t i 时的分配可靠度i Vi sai ia i ia E R t t R −−=−=11]exp[)(λ （3）而子系统分配失效率λia 为ii sa i ia t E R v )ln (−=λ （4）注：v i 为第i 个子系统的相对复杂度根据失效分配率λia 得出各元素的分配可靠度，针对三个重要子系统进行可靠性优化设计，其它基本对可靠性影响不大的元素，适当降低分配的可靠度，转到这三个重要子系统上，就能够优化整个系统的可靠度。

3 系统可靠性优化设计式（1）表明，定力矩扳手系统的失效是它的任何一个零件单独达到失效状态。

遵循一般的设计步骤和规律，在对其主要零件进行可靠度优化分配后，应对其参数进行可靠性优化设计。

考虑到可靠性优化设计中有待优选确定的参数，其设计变量可分别表示为X =(X 1,X 2,X 3，…X i )T （5）对于定力矩扳手，在满足使用要求的前提下，主要考虑强度、寿命、尺寸和重量这些目标函数。

这里主要是考虑其扳手的轻巧性为目标，分别确定扳手头、滚轮组件和加力弹簧的重量公式，即可建立其各自目标函数min F(X)=G （6）机械 2003年第30卷增刊 ・27・下面确定约束函数。

对扳手头和滚轮组件以及加力弹簧，它们都受到强度的约束，而其强度均为正态分布，其重量可靠度约束：G i （x ）=R OH －R H ≤0 （7） 式中：R OH 为其各自设计要求的诸如疲劳强度、弯曲强度、 挤压或磨损的可靠度，由各元素的可靠度进行最优分配获得；R H 为其各可靠度。

可靠度R H 与可靠性指数Z H 的对应关系，可用联接方程表示，则累积分布函数的反函数为（8）注：式中HP −σ、 为许用应力的均值和标准差；H −σ、 为计算应力的均值和标准差。

而R OH =Ф(Z OH ),已知R OH 可由标准正态分布表查得相应的可靠性指数Z OH ，于是上面的约束条件会写成G i (x )=Z OH －Z H ≤0 （9） 相应建立关于扳手头、滚轮组件和加力弹簧的目标函数和各约束函数方程，并将函数中的参量转变为设计变量，并可以限制各设计变量的上、下界限，采用文献[5]所介绍的混合离散变量组合型MDCP 的优化设计方法与优化 程序，按图6流程编制出目标函数和约束方程的子程序，输入原始数据，便可在计算机上计算出优化结果。

图6 定力矩扳手可靠性优化设计框图 4 结论本定力矩测力扳手使用可靠性优化设计后，其体积得到减小,重量减轻,使扳手显得轻巧、灵活而美观。

这表明将优化设计与可靠性设计理论相结合，可以为设计提供理想的结果。

可靠性优化设计在产品的功能安全性、重量、体积以及经济成本方面都显示出明显的经济效益，所以，将其与传统设计相结合，将提高产品的设计质量和节约经济成本。

参考文献：[1]孟宪铎，等．机械可靠性设计．北京：冶金工业出版社，1991． [2]刘鸿文．材料力学．北京：高等教育出版社，1983：100－115． [3]东北工学院编写组． 机械零件设计手册（第2 版）．北京：冶金工业出版社，1983：322．[4] 朱文予．机械可靠性设计．上海：上海交通大学出版社，1992． [5] 陈立周，路鹏．约束非线性离散变量规划的最优化问题．北京钢铁学院院报，1987，（3）．（上接第24页）企业要赢得市场、获得生存和发展，就必须不断地创新，及时开发生产新产品，以适应市场的变化，更好地满足用户需求。

因此，产品创新已是企业的活力源泉与生存之本。

企业的产品要获得成功，除了密切关注市场的需要，大力投入进行产品研究以外，掌握实用有效的方法进行创新也是必不可少的。

我们以用VC 开发的创新技法程序作为基础的计算机辅助产品创新系统是可以大大提高产品创新的效率。

参考文献：[1]陈文安．创新工程学．立信会计出版社，2000，11． [2]彭耀荣，李孟仁．创造学教程．中南大学出版社，2001，6． [3]陶学忠．创造创新能力训练．中国时代经济出版社，2002，4221)(HHP S S Z R HHP H H σσσσφ+−==−−−HPS σH S σ。