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上次我們講了余度設(shè)計(jì)（冗余設(shè)計(jì)），今天講裕度設(shè)計(jì)。聽起來(lái)很像，但不是一樣的概念。

機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為了保證結(jié)構(gòu)的安全可靠性，在設(shè)計(jì)中引入一個(gè)大于1的安全系數(shù)，試圖來(lái)保障機(jī)械零件不發(fā)生故障，這種設(shè)計(jì)方法稱為裕度設(shè)計(jì)方法，通常也稱為安全系數(shù)法。

我們先來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，建筑用吊裝鋼絲繩的安全系數(shù)選取，在不同的場(chǎng)景下，它有不同的安全系數(shù)要求。

當(dāng)利用吊鉤、卡環(huán)進(jìn)行吊裝時(shí)，安全系數(shù)不應(yīng)小于6；當(dāng)用鋼絲繩直接捆綁重物，且鋼絲繩與重物棱角采取了妥善的保護(hù)措施時(shí)，應(yīng)取6~8；當(dāng)?shù)踔?、大或精密的重物時(shí)，除應(yīng)采取妥善保護(hù)措施外，安全系數(shù)應(yīng)取10。詳見《JGJ276-2012 建筑施工起重吊裝工程安全技術(shù)規(guī)范》第4.3章。

回到我們做的凈飲行業(yè)，涉水部件的爆破耐壓，其實(shí)體現(xiàn)的也是裕度設(shè)計(jì)。

例如標(biāo)準(zhǔn)QB/T 4144-2019 《家用和類似用途反滲透凈水機(jī)》中，對(duì)靜水壓力的耐受規(guī)定如下。

這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雖然體現(xiàn)了裕度，但其實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的要求是很低的，企標(biāo)則比這個(gè)嚴(yán)。最大工作壓力，我們很多時(shí)候宣稱進(jìn)水壓力0.4MPa，實(shí)際很多用戶家的水壓會(huì)大于這個(gè)數(shù)（我今年做了用戶水壓這個(gè)數(shù)據(jù)的分布研究，感興趣可以發(fā)消息跟我討論）。但很多時(shí)候用戶沒有裝減壓閥，所以余量還是要大些，提高產(chǎn)品自身的強(qiáng)度，靠外部管控是很難的。

另外一點(diǎn)是，目前我們對(duì)涉水部件老化后的性能變化曲線認(rèn)知不夠。雖然我們考慮最壞的可能，做壽終無(wú)害設(shè)計(jì)，但對(duì)它的隨時(shí)間變化特性沒有詳細(xì)的研究。若干年后還有多少余量，還能耐受多大的水壓沖擊，這是需要進(jìn)一步去研究的。

總的來(lái)說(shuō)，安全系數(shù)應(yīng)綜合荷載、材料性能數(shù)據(jù)的可靠性、所計(jì)算方法的合理性、加工裝配精度以及所設(shè)計(jì)的零件的重要性、失效后果等等來(lái)確定。

詳細(xì)地理解下上面這段話。

對(duì)荷載的考慮：我們要知道荷載的狀態(tài)及數(shù)值的偏差，要有標(biāo)準(zhǔn)及范圍。（荷載和載荷，沒有本質(zhì)區(qū)別，不同的習(xí)慣叫法，似乎機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域還是叫載荷多一些。）比如我們做濾芯，水壓是載荷，得先搞清楚水壓的分布、變化情況。不同的濾芯固定方式，可能還帶來(lái)了重力等影響，這些都是要去考慮的。

材料性能數(shù)據(jù)的可靠性：除了材料的基本性能，我們還得考慮材料之間的反應(yīng)、老化等等一系列因素。

計(jì)算方法的合理性：例如我們經(jīng)常做仿真，去評(píng)估設(shè)計(jì)合不合理，余量夠不夠。這個(gè)時(shí)候，仿真選用的強(qiáng)度理論、模型的簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分有沒有問(wèn)題等等，就要去評(píng)估。

加工裝配精度：這類問(wèn)題經(jīng)常會(huì)發(fā)生，尤其要注意偏差極限情況下的配合，很可能會(huì)出問(wèn)題。例如密封，一個(gè)走上偏差，一個(gè)走下偏差時(shí)，這個(gè)時(shí)候壓縮量還夠不夠。大部分公司的六西格瑪水平并不高，也就是3至4西格瑪水平。設(shè)計(jì)之初，應(yīng)做公差分析，合理設(shè)定公差范圍，減少尺寸鏈。

零件的重要性：零件越重要，安全系數(shù)應(yīng)越大。不然天天壞，誰(shuí)也受不了。

失效后果：失效造成的后果越嚴(yán)重，安全系數(shù)應(yīng)越大。

上面只是定性的分析，我們最后還是要有個(gè)數(shù)值。一種流行的安全系數(shù)法是部分系數(shù)法，它將各個(gè)對(duì)安全系數(shù)有影響的因素分別用一個(gè)分系數(shù)如：S1、S2、S3……標(biāo)示，這些系數(shù)的乘積即即為安全系數(shù):S=S1•S2•S3……。在實(shí)際應(yīng)用中,取大取小帶有一定主觀性，即一般取大值或中間值，考慮的因素越多，系數(shù)值越大。

比如那個(gè)吊繩，假設(shè)綜合材料、結(jié)構(gòu)等因素計(jì)算出的基礎(chǔ)安全系數(shù)S1取5，當(dāng)用鋼絲繩直接捆綁重物，且鋼絲繩與重物棱角采取了妥善的保護(hù)措施時(shí)，系數(shù)S2取1.3；當(dāng)?shù)踔亍⒋蠡蚓艿闹匚飼r(shí)，系數(shù)S3再取1.6，那乘起來(lái)就是5*1.3*1.6=10.4。同樣的一個(gè)吊繩，用在不同得場(chǎng)景，系數(shù)值不一樣。

具體選多少合適，有前人總結(jié)，可以查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》做參考。

家電行業(yè)另外一個(gè)很常見的物料是玻璃面板，很多時(shí)候是通過(guò)膠粘接到塑料件上的。在受到應(yīng)力時(shí)，很可能會(huì)脫落，這個(gè)時(shí)候膠的選型就要特別注意，建議先明確會(huì)遇到的環(huán)境應(yīng)力，與專業(yè)供應(yīng)商討論選取。

我以前就遇到到空調(diào)出風(fēng)口的玻璃脫落，因?yàn)槟z不能耐出風(fēng)口的低溫，尤其是凝結(jié)了一些水珠后，就更容易脫落。

所以懸掛的玻璃面板的粘膠強(qiáng)度，就要有足夠的余量，以防脫落。

還有一些水箱提手、水壺的把手等等，都要去考慮這個(gè)裕度設(shè)計(jì)。因?yàn)檫@個(gè)是安全相關(guān)的，如果裕度不夠，很可能會(huì)導(dǎo)致脫落、斷裂，最后砸到、燙傷人。

在做試驗(yàn)方面，就要考慮到真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景。例如水箱的提放試驗(yàn)，主要考核的有三個(gè)位置，一個(gè)是提手，一個(gè)是與機(jī)器配合的水口，還有一個(gè)是水箱平時(shí)放置的支撐。如果我們沒有考慮清楚，設(shè)定的試驗(yàn)不對(duì)，就很可能會(huì)把考核點(diǎn)遺漏。例如圖方便，用工裝去提放水桶，但是工裝做得不對(duì)，沒有考核到提手和水箱結(jié)合的那個(gè)位置點(diǎn)。