關于機械工程可靠性優化設計的探討

摘 要：將可靠性優化設計方法應用于機械工程的設計中，闡述了從可靠性角度進行產品開發設計時應注意的幾個問題。

關鍵詞：機械工程；設計；可靠性；新技術

隨著科學技術的飛速發展，人們不僅需要多功能的產品，而且還需要產品能夠可靠地實現其所具有的功能。因此，以產品可靠性為目的的可靠性設計應運而生，并得到迅速發展和廣泛應用。

1可靠性設計及其發展

為了了解可靠性設計技術，我們必須首先了解什么是產品的可靠性。可靠性的經典定義是“：產品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的能力。”定義中的“產品”是作為單位研究和分別試驗對象的任何元件、器件、設備或系統，甚至可以把人的作用也包括進去。在產品設計中，應用可靠性的理論和技術、根據需要和可能、優先考慮可靠性要求。在滿足性能、費用、時間等條件下，使設計的產品具有滿意的可靠性要求，這就是產品的可靠性設計。可靠性設計不僅涉及傳統設計技術，而且還與系統工程、價值工程、環境工程、工程心理學、質量控制技術和計算機技術等密切相關。因此，它是一個多學科、多技術相融合的新興技術。它不但應用于產品的設計過程，而且還廣泛應用于產品的制造生產、試驗、使用、維護、管理等各個環節。因此，這項新興技術在軍工、航空、航天、電子、機械等工業領域得到廣泛的應用。

1.1可靠性的發展史

人類從開始研究可靠性技術至今，大約經歷了60余年的歷史。研究其發展過程，可歸納為初期研究、形成發展和進一步國際化三個階段。

（1）初期研究階段（20 世紀 30～40 年代）：二次世界大戰爆發后，美國參戰的飛機、軍艦等重要軍事裝備常因故障貽誤戰機，為此軍事裝備的可靠性問題逐漸引起了人們的關注，開始著手研究如何避免和減少這些“意外”事故的發生并最早提出了產品的定量可靠性問題。接著美國、德國的專家針對飛機、V-Ⅱ火箭誘導裝置的可靠性又提出了相應的指標。1942 年美國麻省理工學院的一個研究室對真空管的可靠性進行了相當深入的研究。所有這些都表明可靠性研究已進入了定量研究的初期階段。

（2）形成發展階段（20 世紀 50～60 年代）：在這一時期，世界上一些工業發達的國家，如美國、前蘇聯、原西德、日本等對可靠性開始了有組織的研究工作，并取得了許多重要成果，基本上確定了可靠性研究的理論基礎和研究方向，使可靠性研究進入了一個新的發展階段。這一時期，研究范圍不斷擴大，從電子產品擴展到機械產品，從軍工產品擴展到民用產品，可靠性技術進一步完善，理論研究不斷深入，為可靠性設計技術的進一步國際化奠定了基礎。

（3）國際化階段（20 世紀 70 年代后）：隨著可靠性技術的不斷發展和廣泛應用，其優越性越來越受到世界各國的高度重視，并相繼投入了大量的人力物力開展這項研究工作。各種國際學術會議的召開、國際可靠性和可維護性技術委員會的成立，標志著可靠性設計技術已經進入了國際化時代。

1.2我國可靠性研究現狀

我國對可靠性的研究起步較晚，直到 20 世紀 80年代才得到了較快發展，個別行業還成立了可靠性學術組織，開展了對可靠性技術人才的培養，制定了一系列的可靠性標準。但從總體來看，理論研究較多，實際應用較少，與工業發達國家相比還有較大差距。

2可靠性設計在機械中的應用

產品的可靠性貫穿于其整個壽命周期，目前機械工程設計中的可靠性設計主要應用在產品的設計、制造、使用和維修等方面。

2.1 機械產品的設計

機械產品設計包括整機產品設計及其零部件設計。對整機產品可將其作為一個系統進行設計，設計的方式主要有以下兩種：第一種方式是根據零部件的可靠性預測結果，計算產品系統的可靠性指標，這就是系統的可靠性預測，其結果只要滿足指標要求即可，如果不能滿足要求就要按第二種方式進行設計；第二種方式是對零部件進行可靠性分配，即把系統指標分配到各個零部件上，可靠性分配方法主要有等分配法、再分配法、比例分配法和綜合評分分配法四種。零部件設計時，應盡量采用標準件或質量成熟的零件，一般零部件可按類比法設計，重要的零件按概率法設計，對一些關鍵零部件還應進行可靠性試驗。對產品的可靠性應進行評審、修改、再評審、再修改，直到滿足指標要求為止。另外，還要進行人機系統的設計，這方面主要包括操作性和適應性設計。

2.2 制造過程可靠性設計

制造過程的可靠性設計是保證產品質量的關鍵，除了要選用可靠性好的先進加工設備和工藝裝備外，重點是對工藝方案和工藝流程的設計。產品的工藝流程相當于一個系統，每一個工藝方案或工序相當于一個子系統。每一個子系統的可靠度設計都要綜合考慮設備、工藝裝備、工藝材料及操作人員的素質等因素，確定出合理的子系統可靠度指標，然后按子系統之間的關系（串聯、并聯或混聯）得出系統的預測可靠度（如自動線、流水線等的設計）。

2.3使用維修的可靠性設計

產品以可靠性為中心維修應采用邏輯分析決斷法，科學地制定維修內容和優選維修方式，合理確定使用期，以控制機械設備使用的可靠性。

機械產品的可維修性與可靠性一樣，其是機械設備本身的一個可靠性指標。在對產品進行可靠性設計時就要考慮其維修性，使設計的產品在使用過程中做到故障易發現、易檢查、易修復，力求防患于未然。

對產品進行維修性設計時要以最低的費用來維護和提高設備的可靠性水平，盡量減少排除故障所用的維修時間。因此，要在可靠性理論的基礎上制定合理、經濟的維修規則，采用先進的故障診斷技術和合理的維修方式（如視情維修方法、監控事后維修方法），使用標準的維修工具及設備，提高維修人員的技術水平，使機械維修工作進一步走向科學化和現代化。

3 結語

常規優化設計方法在設計中沒有考慮可靠性指標，因此不能反映產品運行的真實情況；而可靠性設計方法在設計中不考慮成本、重量、體積等指標。對某些設計問題，僅采用優化設計方法或僅采用可靠性設計方法，都很難得到理想的設計結果，而可靠性優化設計方法將優化技術與可靠性設計理論有機地結合在一起，彌補了各自的不足。

隨著機械產品的日益大型化、復雜化，可靠性優化設計方法在機械工程產品設計中的應用將會越來越廣泛。

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