關于機械零件可靠性設計理念研究

李鋒 程琪

摘 要：機械可靠性設計的任務就是提供實際計算的數學模型和方法，在機械產品的研發階段預測其在規定工作條件下的工作能力或壽命。本文通過結合可靠性理論研究的歷史及現狀對機械可靠性設計理論進行深入分析，闡明了可靠性優化設計、可靠性靈敏度設計、可靠性穩健設計、可靠性試驗、傳統設計方法與可靠性設計相結合等機械零件可靠性設計理論與方法的內涵，為今后機械零件可靠性設計提供系統的理論和方法。

關鍵詞：機械零件；可靠性優化設計；機械產品

現在，可靠性設計，又稱機械概率設計，是機械零件現代設計方法之一。目前，該設計方法廣泛應用于飛機、汽車等重要產品以及其它機械產品內重要部件的設計過程中。作為常見的建材機械，我們在設計擠磚機及其輔助機組的結構、部件、零件時，仍主要使用傳統的設計方法。能不能把先進、科學的可靠性設計方法應用到擠磚機等機械產品的設計中去，本文通過研究可靠性設計理念，給出上述問題一定的借鑒。

1.機械零件可靠性設計基本理論

在實際工程中，人們逐漸認識到，除了隨機性以外，在工程中還存在著另一類重要信息：模糊信息。所以傳統的可靠性方法就是用概率論和模糊理論處理不確定性，但概率可靠性和模糊可靠性模型都需要用較多的數據去定義參數的概率分布或隸屬函數，且計算量較大。通過研究，建立了結構概率-模糊-非概率混合可靠性模型，該混合可靠性模型能夠綜合各單一模型的優點。最大限度地將已有的信息利用到產品的可靠性分析中去，并能夠更加客觀和全面地反映結構的實際安全狀況，為分析和設計決策提供更全面而且更真實的有用信息。可靠性設計的精確性和先進性是建立在應力、強度、壽命等數據的真實性、精確性基礎上的，重視試驗數據的收集和分析，建立可靠性數據庫。對設計新產品時有很重大的參考價值，用概率-模糊-非概率的方法解決不確定問題的框圖見下圖。

2.機械零件可靠性設計理念研究

2.1.可靠性優化設計

可靠性優化設計是在可靠性基礎上進行優化設計。既能定量地滿足產品在運行中的可靠性。又能使產品的尺寸、成本、質量、體積和安全性等參數得到優化。從而保證結構的預測工作性能與實際工作性能更符合。該方法將可靠性分析理論與數學規劃方法有機地結合在一起，在對各參數進行可靠性優化設計時。首先以機械零件的可靠度作為優化的目標函數，使零件的某些指標、成本、質量、體積或尺寸最小化，再以強度、剛度、穩定性等設計要求為約束條件建立可靠性優化設計數學模型。根據模型的規模、性態、復雜程度等因素選擇合適的優化方法，最后求出最優設計變量。

2.2.可靠性靈敏度設計

可靠性靈敏度設計是在可靠性基礎上進行靈敏度設計，充分反映各設計參數對機械產品失效影響的不同程度。便于找出哪些隨機變量對機械零件可靠性設計的敏感性影響較大，并對此參數進行重分析和再設計。通過估計設計變量變差和約束變差對質量性能指標影響的大小，改變設計參數中影響較大的參數以使產品對可控因素變差和不可控因素變差的影響失去靈敏性。可靠性靈敏度設計首先建立極限狀態方程，然后對各設計參數求偏導數，得到可靠性的靈敏度計算公式，進而確定各設計參數的靈敏度，用靈敏度數值作為再設計時修改設計參數的依據，從而使得參數修改和再設計工作事半功倍。

2.3.可靠性穩健設計

穩健設計能使產品的性能對在制造期間的變異或使用環境的變異不敏感，并使產品在其壽命周期內，不管其參數、結構發生漂移或老化的小范圍內，都能持續可靠地工作的一種設計方法。可靠性穩健設計在設計階段通過靈敏度分析，使產品在不消除和不減少不確定性因素的情況下。通過設計使不確定性因素對產品質量影響的敏感程度最小，從而提高產品質量和降低產品成本。

2.4.可靠性試驗

可靠性試驗是對產品的可靠性進行調研分析和評價的一種手段。其目的是發現產品在設計、材料和工藝方面的各種缺陷。為改善產品的戰備完好性，提高任務成功率，減少維修費用及保障費用提供信息。確認是否符合可靠性定量要求，我們通過試驗一方面要獲取可靠性數據。另一方面要通過產品在試驗中發生的各種故障，找出其原因并進行細致的分析和研究以提高產品的可靠性。但實際機械零件的設計方案如果有改變，就必須重新進行一次試驗分析，這需要花費很大的人力、物力和財力。所以在可靠性試驗前利用一些高性能的軟件進行模擬分析能減少試驗次數，節約時間和研究基金。

2.5.傳統設計方法與可靠性設計相結合

目前采用概率設計法的概念去完善和改進傳統的安全系數，使可靠性和安全系數直接聯系。廣泛應用現有的各種設計方法對產品進行設計計算，并與采用可靠性概率設計方法得出的結果以及實物試驗的結果進行比較，從而積累經驗，收集和整理可靠性設計。

結語：

可靠性是產品的一種動態質量指標。在現代化生產中已經貫穿在產品的開發、設計、制造、試驗，使用及維修保養的各個環節之中。對于可靠性知識掌握越多，主觀經驗的運用就會越少，自然機械結構的設計也就越合理。這正是機械工程技術研究追求的目標。本文通過了解機械工程結構可靠性的研究不僅僅在理論上有許多重大問題需要解決，而且將其應用到機械結構設計、評估及維修決策之中尚有許多細致的工作要做。所以該課題的研究內容是相當豐富和有意義的。

參考文獻：

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[3] 呂明. 機械設計技術的現狀與趨勢研究[J]. 廣東石油化工學院學報，2012，06：46-49.

作者信息：

李鋒（1985.10-），男，漢族，陜西富平，中冶陜壓重工設備有限公司，機械技術員，助理工程師，本科，研究方向機械加工制造。

程琪（1986.10-），男，漢族，陜西蒲城，中冶陜壓重工設備有限公司，機械技術員，助理工程師，本科，研究方向機械設備維修。