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可靠性设计方法：简化设计
什么是可靠性设计？
可靠性设计方法：余度设计(又称冗余设计)
可靠性设计方法：裕度设计
可靠性设计：热设计

可靠性设计方法：简化设计

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**简化设计：**在满足技术要求前提下，尽可能简化设计方案，尽量减少零部件、元器件的规格、品种和数量，并在保证性能要求的前提下达到最简化状态，以便于制造、装配、维修。

简化设计准则：

1、应对产品功能进行分析权衡，合并相同或相似功能，消除不必要的功能。

例如：下图中，原始的设计有A，B两个零件，仅有轻微的区别，合并成一个零件。

本案例摘自《面向制造和装配的产品设计指南》一书

2、应在满足规定功能要求的条件下，使其设计简单，尽可能减少产品层次和组成单元的数量。

例如：焊接式水路板，把很多PE管、接头类都省去了，使得比较简单。

水路板，图片来源于网络

3、尽量减少执行同一或相近功能的零部件、元器件数量。

例如：一个机器用到多个电磁阀，则尽可能使得电磁阀可以通用，以免生产装配出错。

不同类型的电磁阀，但非常相似

4、应优先选用标准化程度高的零部件、紧固件、连接件、管线、缆线。

例如：螺钉，就用公司成熟量大的螺钉，尽可能不要去设计一个新的结构，导致需要引入新的螺钉。

5、最大限度地采用通用的组件、零部件、元器件，并尽量减少其品种。

例如：大家都用A型号的增压泵。密封圈都用同一个规格的。

各种规格的密封圈

6、必须使用故障率高、容易损坏、关键的单元应具有良好的互换性和通用性。

例如：净水机的废水电磁阀，相对来说是故障比较高的。那么我们在设计废水电磁阀时，就要考虑到通配性。避免设计出一个新的电磁阀后，装不到原来的机器上去。另外整机方面，也要使放置废水电磁阀的位置比较好维修更换，避免换的时候需要拆过多零件。

7、采用不同工厂生产的相同型号成品件必须能安装互换和功能互换。

例如：很多厂家都生产干电池。但某次笔者买的一个娱乐跳舞毯，居然在说明书里说它这个结构不匹配南孚的电池，不能装南孚的电池，这就很尴尬。。。

各种各样的电池

8、产品的修改不应改变其安装和连接方式以及有关部位的尺寸，使新旧产品可以互换安装。

例如：结构设计时，定位靠的是专门的设计特征，而不是随意把结构上的一个特征当作定位特征。这样的结果，会导致有一天产品修改或者引入新厂家时，很容易被忽略掉，导致最后定位尺寸错了，装不上去。

简化设计的原则，在上面列出了很多，其实就是设计的时候，多问一句，这个零件是真的必需的吗？

回答了这个问题，就知道了该如何做。

什么是可靠性设计？

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以下内容摘自《可靠性工程技术问答》一书。

可靠性设计，包含以下3层含义。

（1）可靠性设计就是工程设计，不存在独立于工程设计之外的可靠性设计，可靠性设计与工程设计总是相互交融在一起的。

（2）可靠性设计就是考虑可靠性要求的工程设计。

这里所说的可靠性要求包括定性与定量两方面，仅考虑可靠性定性要求的工程设计，也就是停留在定性层面上的可靠性设计，它没有与可靠性定量指标相联系，尚不能兑现可靠性定量要求，所以说它还只是可靠性设计的初级阶段。

为了使可靠性设计进一步精细化，兑现可靠性定量指标要求，必须实现可靠性量化设计，使可靠性设计水平得到提升。

可靠性量化设计实质上就是裕度设计，这里所说的裕度就是产品各种可靠性特征量裕度，例如强度裕度、寿命裕度、功能裕度、密封裕度、防热裕度等，这些特征量裕度就是相应的可靠性度量。

（3）可靠性设计并不只是考虑可靠性，还要综合权衡性能、维修性、安全性、研制费用、研制周期等诸因素，从而得到产品的优化设计。

可靠性设计方法：余度设计(又称冗余设计)

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**余度设计(又称冗余设计)：**为了获得高任务可靠性、高安全性和高生存能力的设计方法。

基本思路是以可靠性较低的基础元器或零部件，采用增加多余的资源，来获得较高的任务可靠性。

例如航天里的返回舱降落伞，就有冗余设计。国内目前多为单伞，但它是有备份伞的，一旦这个伞失效，备份伞就会启动。而国外采用多伞互为备份居多，比如下面右边这幅图，有一个降落伞失败了，但是它还有两个降落伞，不影响工作。

哪种方式更好，其实各有优劣。但未来航天器如果越来越大，那应该还是多伞的载重能力大一些。

下面举一些身边的例子来理解下冗余设计的准则。

冗余设计准则：

1、当简化设计、降额设计及选用的高可靠性的零部件、元器件仍然不能满足任务可靠性要求时，则应采用冗余设计。

这个很好理解，其他不能满足时，再多加一道保险去完成。例如我们做软水机，担心一个可能的情况，在完成再生任务的时候，刚好用户家停电了，或者说因为某种原因，电源适配器坏了。这个时候，如果没有备用方案，再生后，由于没电，电机不能走到关闭工位，水一直关不住，最后漏水。所以我们还有个备用的电池。一旦发生了这类情形，电池就派上了用场。

2、在重量、体积、成本允许的条件下，选用冗余设计比其他可靠性设计方法更能满足任务可靠性要求。

这个用概率论就能很好的解释。比如某将领说的导弹命中概率70%，一次发射三颗发命中率是210%，没学好概率论，实际是1-(1-0.7)^3=97.3%。

冗余大大提高了任务可靠性。只要你有钱，无限发射导弹，那可以认为一定会命中。

3、影响任务成功的关键部件如果具有单点故障模式，则应考虑采用冗余设计技术。

举一个UPS电源的例子来理解。

UPS(Uninterruptible Power Supply)是一种含有储能装置的不间断电源，主要用于给部分对电源稳定性要求较高的设备，提供不间断的电源。例如，服务器会考虑备用电源。

为了消除单点故障，高等级数据中心通常采用2N冗余系统。该系统是指由两套或多套UPS系统组成的冗余系统，每套UPS系统N台UPS设备的总容量为系统的基本容量。该系统从交流输入经UPS设备直到双电源输入负载，完全是彼此隔离的两条供电线路，也就是说，在供电的整个路径中的所有环节和设备都是冗余配置的，正常运行时，每套UPS系统仅承担总负荷的一部分。这种多电源系统冗余的供电方式，克服单电源系统存在的单点故障瓶颈，对于少数单电源设备的情况，可通过安装小型STS设备，保证其供电可靠性。采用2N冗余系统可用性得到明显提高。

4、硬件的冗余设计一般在较低层次（设备、部件）使用，功能冗余设计一般在较高层次（分系统、系统）进行。

例如下面这个晶体管模块，就是有冗余的，在部件的层面去实现。

功能冗余，比如说下面这个工业发电机例子。

如果一台发电机出现故障，电力负载会优先在系统中的其他发电机之间重新分配。这就是系统层面上的冗余。

5、冗余设计中应重视冗余切换装置的设计，必须考虑切换装置的故障概率对系统的影响，尽量选择高可靠性的切换装置。

还是回到UPS电源的例子。被动后备式UPS电源，用来并联连接在市电与负载之间，仅简单地作为备用电源使用。构成示意图如下：

在市电正常时，负载完全而且是直接地市电供电，逆变器不做任何电能变换，蓄电池由独立的充电器供电；当市电不正常时，负载就会切换到逆变器上提供电能。

被动后备式UPS具有结构简单、价格最廉等优点，运用于某些非重要的负载使用，如家用计算机等。但市电断电时，继电器将逆变器切换至负载，切换时间较长，一般需几个毫秒的间断，所以稍微重要的计算机设备不应选用被动后备式UPS电源。

这里这个转换开关就很重要了，如果它本身的可靠性不够，那很可能在关键的时候，需要它切换的时候，结果它坏了。

6、冗余设计应考虑对共模/共因故障的影响。

先理解什么是共模故障，什么是共因故障。

共模故障：结构、系统或组件以同样的方式失效。

共因故障：由特定的单一事件或起因导致若干装置或部件功能失效的故障。

理解这两个概念后，我们举个管线机例子。管线机同时有机械浮球和电子浮球去控制水箱水位。这就考虑到了共模，共因的影响。

即使跟电相关的失效出现了（如连接线松了，浮球干簧管坏了等等），机械浮球还是能起到保护作用。

可靠性设计方法：裕度设计

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上次我们讲了余度设计（冗余设计），今天讲裕度设计。听起来很像，但不是一样的概念。

机械可靠性设计领域，为了保证结构的安全可靠性，在设计中引入一个大于1的安全系数，试图来保障机械零件不发生故障，这种设计方法称为裕度设计方法，通常也称为安全系数法。

我们先来看一个简单的例子，建筑用吊装钢丝绳的安全系数选取，在不同的场景下，它有不同的安全系数要求。

当利用吊钩、卡环进行吊装时，安全系数不应小于6；当用钢丝绳直接捆绑重物，且钢丝绳与重物棱角采取了妥善的保护措施时，应取6~8；当吊重、大或精密的重物时，除应采取妥善保护措施外，安全系数应取10。详见《JGJ276-2012 建筑施工起重吊装工程安全技术规范》第4.3章。

回到我们做的净饮行业，涉水部件的爆破耐压，其实体现的也是裕度设计。

例如标准QB/T 4144-2019 《家用和类似用途反渗透净水机》中，对静水压力的耐受规定如下。

这个标准虽然体现了裕度，但其实标准的要求是很低的，企标则比这个严。最大工作压力，我们很多时候宣称进水压力0.4MPa，实际很多用户家的水压会大于这个数（我今年做了用户水压这个数据的分布研究，感兴趣可以发消息跟我讨论）。但很多时候用户没有装减压阀，所以余量还是要大些，提高产品自身的强度，靠外部管控是很难的。

另外一点是，目前我们对涉水部件老化后的性能变化曲线认知不够。虽然我们考虑最坏的可能，做寿终无害设计，但对它的随时间变化特性没有详细的研究。若干年后还有多少余量，还能耐受多大的水压冲击，这是需要进一步去研究的。

总的来说，安全系数应综合荷载、材料性能数据的可靠性、所计算方法的合理性、加工装配精度以及所设计的零件的重要性、失效后果等等来确定。

详细地理解下上面这段话。

对荷载的考虑：我们要知道荷载的状态及数值的偏差，要有标准及范围。（荷载和载荷，没有本质区别，不同的习惯叫法，似乎机械设计领域还是叫载荷多一些。）比如我们做滤芯，水压是载荷，得先搞清楚水压的分布、变化情况。不同的滤芯固定方式，可能还带来了重力等影响，这些都是要去考虑的。

材料性能数据的可靠性：除了材料的基本性能，我们还得考虑材料之间的反应、老化等等一系列因素。

计算方法的合理性：例如我们经常做仿真，去评估设计合不合理，余量够不够。这个时候，仿真选用的强度理论、模型的简化、网格划分有没有问题等等，就要去评估。

加工装配精度：这类问题经常会发生，尤其要注意偏差极限情况下的配合，很可能会出问题。例如密封，一个走上偏差，一个走下偏差时，这个时候压缩量还够不够。大部分公司的六西格玛水平并不高，也就是3至4西格玛水平。设计之初，应做公差分析，合理设定公差范围，减少尺寸链。

零件的重要性：零件越重要，安全系数应越大。不然天天坏，谁也受不了。

失效后果：失效造成的后果越严重，安全系数应越大。

上面只是定性的分析，我们最后还是要有个数值。一种流行的安全系数法是部分系数法，它将各个对安全系数有影响的因素分别用一个分系数如：S1、S2、S3……标示，这些系数的乘积即即为安全系数:S=S1•S2•S3……。在实际应用中,取大取小带有一定主观性，即一般取大值或中间值，考虑的因素越多，系数值越大。

比如那个吊绳，假设综合材料、结构等因素计算出的基础安全系数S1取5，当用钢丝绳直接捆绑重物，且钢丝绳与重物棱角采取了妥善的保护措施时，系数S2取1.3；当吊重、大或精密的重物时，系数S3再取1.6，那乘起来就是51.31.6=10.4。同样的一个吊绳，用在不同得场景，系数值不一样。

具体选多少合适，有前人总结，可以查《机械设计手册》做参考。

家电行业另外一个很常见的物料是玻璃面板，很多时候是通过胶粘接到塑料件上的。在受到应力时，很可能会脱落，这个时候胶的选型就要特别注意，建议先明确会遇到的环境应力，与专业供应商讨论选取。

我以前就遇到到空调出风口的玻璃脱落，因为胶不能耐出风口的低温，尤其是凝结了一些水珠后，就更容易脱落。

所以悬挂的玻璃面板的粘胶强度，就要有足够的余量，以防脱落。

还有一些水箱提手、水壶的把手等等，都要去考虑这个裕度设计。因为这个是安全相关的，如果裕度不够，很可能会导致脱落、断裂，最后砸到、烫伤人。

在做试验方面，就要考虑到真实的应用场景。例如水箱的提放试验，主要考核的有三个位置，一个是提手，一个是与机器配合的水口，还有一个是水箱平时放置的支撑。如果我们没有考虑清楚，设定的试验不对，就很可能会把考核点遗漏。例如图方便，用工装去提放水桶，但是工装做得不对，没有考核到提手和水箱结合的那个位置点。

可靠性设计：热设计

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温度是影响产品(尤其是电子产品)可靠性的一个重要环境因素。

一个近视规律是10度法则：温度每上升10℃，电子元件寿命减半。不能做精确计算，只能说是近视符合。

热设计内容包括冷却方法的选择，元器件的热设计，元器件的布局与安装等。

下面来学习一下热设计准则。这些准则看上去非常简单，但经常就是会被忽视，导致犯错：

1、传导散热设计。例如，选用导热系数大的材料；加大与导热零件的接触面积；尽量缩短热传导的路径；在传导路径中不应该有绝热或隔热件等。

有高温时，传导散热要注意安全问题，以免烫到手。

2、对流散热设计。例如，加大温差，即降低周围对流介质的温度；加大流体与固体间的接触面积；加大周围介质的流动速度，使它带走更多的热量等。

对流散热对周围环境有要求，所以在产品的放置位置方面就要注意。考虑周围环境的影响，周围环境好不好散热。这个是很容易被忽视的，因为我们做的是产品，很多时候认为周围环境是别人的事情，就忽视了。

举一个例子，嵌入式的机器，嵌到橱柜里，橱柜好不好散热，就是需要考虑的问题。

为了保证散热，我们要在产品上设置防呆特征，避免摆放位置不当时，散热孔被堵住。比如我们看微波炉的散热，就有个大凸台防护。即使误操作靠墙，也能散热。另外这个凸台还能防护下电源线，避免弯折。

3、辐射散热设计。例如，在发热体表面涂上散热的涂层以增加黑度系数；加大辐射体的表面面积等。

我经常提电控板的温度场需要测量从工作到稳态的分布，因为除了自身的发热，周围有热源时，电控板也会受到辐射散热的影响。但如果没有测达到稳态的分布，只是随便测一下，就不能明确温度场的真实情况。达到稳态，可能是会经历多个周期，以及一些非正常的使用。比如说短时间内，重复使用某功能，导致热量的累积。而我们很多人摸底测试，只会随便测测某个功能下的温升，这是不对的。

4、耐热设计。例如，接近高温区的所有操纵组件、电线、线束和其他附件均采取防护措施并用耐高温材料制成；导线间应有足够的间隙，在特定高温源附近的导线要使用耐高温绝缘材料。

这个要特别注意一种情况，就是有时候出于成本考虑，认为设计了足够距离，有固定特征，管路线路等不会碰到高温部件。但需要考虑异常情况，会不会位置发生了变化。比如生产过程中没有装配到位。或者说存在运动、位移的可能，导致位置发生了变化。例如，零件的线束是可运动的。

另外，宣称耐高温的材料，要确认老化后的耐热性能，以免性能下降严重，不满足使用要求。

5、保证热流通道尽可能短，横截面积尽量大。

如果做不到，就要考虑一些风道的设计。还有可以考虑辅助散热措施，比如使用风机。

6、尽量使用金属机箱或底盘散热。

金属散热好一些，另外强度也高一些，开多些散热孔也可以。

7、力求使所有的接触面都能传热，必要时，加一层导热硅胶提高传热性能。尽量加大热传导面积和传导零件之间的接触面积，提高接触表面的加工精度、加大接触压力或垫入可展性导热材料。

导热硅胶要考虑涂的位置，品牌选择，用量多少。我遇到的失效是涂少了居多，导致散热效果不良。

8、器件的方向及安装方式应保证最大热对流。

这是整机布局要考虑好的问题。不确定的时候，就要去摸底。

9、将热敏部件装在热源下面，或将其隔离，或加上光滑的热屏蔽涂层。