机械产品维修性设计与优化技术研究

机械产品维修性设计与优化技术研究

辛武龙

比亚迪股份有限公司

一、机械产品维修性设计技术要点

（一）维修性工程寿命周期

为了实现机械产品的维修性设计，机械工程师需要通过维修性建模、维修性方案设计、维修性分配、维修性验证等方式进行相关的设计工作。在维修性建模阶段，机械工程师需要确定产品的定量要求和参数指标，通常利用建模的方式进行分析和设计工作，对产品维修性设计的各类因素进行全面的分析和研究。维修性方案设计是指机械工程师在实现产品功能的前提下，充分考虑产品维修性的分配结构，进行准确的方案设计，满足实际的维修指标需求。维修性分配是指将产品的维修性指标分配到产品设计的各个阶段，确定实际的维修定量标准。维修性验证是指机械工程师为了确定产品能够达到理想的维修性要求，由指定的试验机构进行相应的试验和评定工作。

（二）维修性结构设计

机械产品的维修性结构设计主要是利用CAD等计算机软件进行相应的结构设计、分析与调试，在产品的研发阶段，机械工程师需要将产品的功能和需求进行紧密的结合，向系统输入相应的参数信息，进行机械产品的设计调试工作，确保最终生产出来的产品便于维修，减少由于技术不规范造成的返工问题，节省人力和物力成本，保证机械产品的设计生产工作能够顺利进行。

（三）维修性设计的准则

为了使机械产品能够具有良好的可维修性，满足维修性指标，在进行产品设计之前，机械工程师要制定一系列的维修性准作为工作的指导方案。维修性准则是综合了产品设计和使用效果而制定的。在进行维修性设计准则的制定过程中，要对设计生产流程进行全方位的考虑和分析，要重点考虑产品的可达标设计、测试性设计、维修安全性设计、简化设计、拆装性设计、人机工程设计、防差错设计、模块化设计等几个方面。

二、目前我国机械可维修设计现状

我国的机械可维修设计与国外发达国家相比，起步较晚，存在技术理论方面的欠缺。目前我国的机械工程产品在使用过程中普遍存在可靠性较差等问题。根据最近几年相关文献的调查数据显示，我国国产的Zl30、Zl40、Zl50装载机的平均无故障使用时间为别为250、243.9、224.7小时。国产液压系统、发动机系统的故障发生率最高，已经远远超出国际的产品质量标准。其中液压系统的故障率占总故障率的26.7%，发动机系统的故障发生率占总故障率的36.7%，传动系统的故障发生率占总故障率的24.1%。这三个系统的故障率之和已经高达总故障数的87.5%，给机械产品的质量带来了非常严重的影响。

目前我国国产装载机的使用寿命大约在3200-4700小时之间，而国外发达国家的装载机使用寿命在10000小时以上，根据这些数据，我们不难看出，我国的机械产品存在明显的设计缺陷。在售后服务方面，尽管我国各机械产品的制造商都已经建立起了相应的营销网络，但是大多数只是追求形式，并没有提供完善的产品售后服务。由于售后服务营业网点较少，很多维修战点形同虚设，没有发挥应有的作用，这给我国机械行业的发展带来了非常不利的影响。不少机械制造商的售后服务技术能力薄弱，遇到复杂问题时往往难以解决，并且存在维修过程中技术不规范的情况，很多产品得不到及时有效的维修，影响了国产机械产品的品牌发展。由此可见，优化机械产品的可维修设计有着非常重要的现实意义。

三、机械产品维修性设计优化方式

（一）建立维修性信息模型

维修性信息模型是指机械产品在整个寿命周期内相关维修参数的信息化表达，其完整地表达了机械产品的维修信息逻辑结构，使得机械工程师在进行产品设计时能够方便灵活地对相应的参数信息进行调整，最终保障机械产品的质量。机械工程师应当充分考虑维修性设计与检测相关的信息资源，通过建立完善的信息模式，避免产品设计的盲目性，从而提高工作效率，降低研发成本。维修性信息应当包括机械产品自身的设计及维修信息，不同的结构所涉及的信息类型也有所不同。其中，整体可更换单元是建立维修性信息模型的重要基础，另外产品层和非可更换层单元的维修信息，需要机械工程师进行实际计算进行输入。维修性信息是对产品维修问题的全面描述，机械工程师可以将维修性信息模型作为3D建模的基础，利用PDM中的产品结构树进行直观的维修性信息表达，从而建立起机械产品的可维修模型。通过对维修信息模型进行分析，不仅有利于机械工程师加强对产品各环节信息的综合管理，同时能够及时发现设计过程中的问题并有效的解决。

（二）利用知识工程的维修性数字样机优化产品设计

在进行产品数字样机建立的过程中，由于很多机械配件具有相似的特性或者建模过程相同，因此，在建模的过程中涉及大量的工程设计经验和技术理论。利用知识工程的数字样机可以有效的减少工作量，提高产品的设计精度。通常情况下，主要的组成模块包括的知识的CAD系统、知识模型、计算机模型和三维设计平台几个部分。使用者可以根据产品使用需求进行相应的开发设计工作。其中三维CAD设计平台需要利用相关的机械知识进行模型的搭建，设计者需要向系统内输入相应的算法和参数，实现模型的功能。

（三）利用虚拟维修的维修性数字样机进行优化工作

通过以维修性数字样机虚拟维修的方式模拟整个或部分维修过程，在产品的设计阶段对产品维修性设计的一些定性特征进行分析与评价，并为产品的工程设计及时提供信息反馈，从而避免了维修性分析在时间上的滞后，能够及时对产品的维修性进行分析评估，发现潜在的维修问题，提高产品的维修性设计水平。在产品的使用阶段，应用基于维修性数字样机的虚拟维修系统进行人员的维修培训,降低培训费用、保障培训安全、提高培训效率。虚拟维修是以计算机技术与虚拟现实技术为依托，在计算机生成的、包含了产品数字样机与维修人员3D人体模型的虚拟场景中,通过驱动人体模型(包括采用人在回路的方式)来完成整个维修过程仿真的综合性应用技术。虚拟维修技术可以理解为利用模拟实际对象、实际维修过程的方法来研究维修过程本质的问题。

应用系统扩展的应用功能进行仿真过程分析、实体可达性分析、人素分析、工作空间分析、可视性分析以及维修性评价等。仿真过程分析用于确定维修仿真的合理性和正确性，并提供特定维修任务所需时间等信息数据。工作空间分析主要根据维修性设计要求进行相应的分析。

四、结语

优化我国机械产品的维修性产品设计对于促进机械行业的快速发展有着非常重要的实现意义，产品的设计者应当根据产品的设计特点和使用效果，进行科学完善的维修性设计。在设计过程中，要建立其相应的信息化模型，同时要灵活利用知识工程和虚拟维修的数字样机进行产品的优化调整，保证机械产品能够满足各项可维修标准。

参考文献：

[1]高一聪,冯毅雄,谭建荣,林晓华,魏喆.基于策略的复杂机械产品可维修性设计[J].计算机集成制造系统,2016,16(10):2101-2108.

[2]罗旭.机械产品维修性设计与优化技术研究[D].国防科学技术大学,2018.

[3]王玉玲.机械可靠性维修性优化设计方法及其在工程机械中的应用[D].山东大学,2017.