機械可靠性設計的內涵與發展

王愛民，劉洋

（1.遼寧石化職業技術學院，遼寧 錦州 121001；2.錦州恒大科技有限公司，遼寧 錦州 121003）

對于機械可靠性研究而言，最早發生于20世紀中葉的電子產品當中。各個國家在機械可靠性研究方面均以航天、軍工領域為主。由于經濟與科技的持續發展，可靠性研究逐步從軍工轉變為民用范圍，且逐步轉變為經濟競爭的重心。

傳統機械設計主要在于強度，而可靠性設計主要集中于產品材料、規格乃至其對于載荷狀況下體現出來的隨機性、分散性等層面。傳統設計可靠性主要體現于載荷與機械產品強度之間，假如工作載荷小于材料強度則表示安全，否則則為不安全，而新的可靠性設計則為注重機械安全使用機率乃至實現預定使用時間的機率方面，這類新型可靠性設計理念將概率作為條件進行發展。

1 機械可靠性概念

機械可靠性指的是機械方面的產品及系統在規定時間乃至工作環境中可以執行的功能的一種體現，是機械產品品質的一個主要評價標準。

（1）對于可靠性設計對象而言，就機械產品及系統廣義而言，其對象不僅能夠為整套系統設備，也能夠為一個子系統甚至為一個設備、部件。

（2）可靠性設計的核心為規定的時間，可靠性身為一個評價產品時間品質的標準，影響到產品品質可以持續的時間，通常狀況下，會由于時間的增多而降低可靠性。

（3）機械使用條件成為可靠性設計的條件，可靠性設計會通過實際使用環境的改變而改變，不具備使用環境，則會令可靠性設計意義全無。

（4）可靠性設計的本質則為設計規定的功能，令其使用功能可以延伸至盡量長的時間。

2 機械可靠性設計的發展

由于可靠性的產生，對于機械可靠性研究的全新技術、理念、思想持續被提出和驗證，并較大程度提升了產品設計能力與產品性能，其應用范疇更加擴大至航天、航空、石油、化工、造船、鐵路、醫療、交通等不同工業領域。

由于科技的進步，使得研究機械可靠性愈發緊迫。機械可靠性設計能夠良好提升產品性能與品質，需要把可靠性設計融入到產品的總體周期當中，這也包含了產品的設計、制作、安裝、使用等所有方面。例如：在二戰當中，美國空軍由于飛機故障原因失去了兩萬多架飛機，這令其深深體會到機械可靠性欠缺所造成的損失，并領先提出可靠性研究的課題。在此以后，由于現代工業技術的進步，并且由于機械產品的繁瑣化、大型化，使得產品性能標準愈發提升，機械可靠性欠缺的問題愈發突出。又比如由于機械可靠性欠缺而使得日本航班波音747客機墜毀，導致520名人員喪生；再比如美國挑戰者航天飛機，由于機械可靠性欠缺使得航天飛機最終爆炸，釀成7名宇航員喪生的悲劇。

機械可靠性欠缺會使得機械出現故障，嚴重影響到各個行業的安全運轉。所有行業強烈迫切地需要提升產品的品質以及機械可靠性。推動可靠性技術，能夠構成龐大的經濟效益與社會效益，提升產品的性能及競爭力[1]。

自從進行機械可靠性研究之后，確定了通過有效增強產品品質，降低產品重量，降低產品成本，提升穩定性及作業效率的目標。在國際方面，歐美等國家的機械可靠性研究位于全球前茅，并對技術進行封鎖，而我國的機械可靠性研究尚處在初級階段，因此，在我國機械制造方面，難免存在核心技術欠缺的問題，嚴重束縛了我國機械工業的發展及經濟的提升。

3 機械可靠性設計的特征

3.1 品種較多，可靠性標準不同

由于機械可靠性推廣至不同行業，其用途也尤為繁瑣，這也使得機械結構及運行原理具有差別，對于不同的使用標準以及不同的零件設計，掌握機械可靠性需要分開研究，仔細核算，制作出符合標準與可靠性機械的產品。

3.2 應用環境復雜，荷載較難確定

由于所有行業的機械操作氛圍均具有較大的差別，設計產品的可靠性需要有效融合產品在應用系統中所需的性能，有效考量產品的載荷類別與大小。

3.3 外界環境影響較大

對于機械可靠性研究，除卻需要考量設計因素以外，還要注重周邊環境的影響，不確定環境因素會為可靠性產品設計造成一定的影響，還會對產品的可靠性造成損壞。

3.4 機械零件連接狀態變動較大

由于時代的不斷發展，繁瑣機械所需的零件愈發增多，對于零件性能標準也愈發嚴苛，并且零件相互間的連接狀態變化過大，也成為機械可靠性受影響的主要方面，假如零件連接狀態不好，會對產品的可靠性造成影響，甚至會對產品的總體質量造成影響 。

4 機械可靠性設計的常用方式

4.1 概率設計法

概率設計法作為設計機械零部件以及構件的方式，通過概率設計理論進行引導。先要進行原材料強度、性能以及零部件規格等概率分布的統計，之后再通過應力強度干涉模型進行核算，再以零部件設計計算模型的協助下，獲得零部件規格、可靠度、使用時間。將設計變量作為隨機變量，在應力強度干涉模型協助下，確保所設計的零部件可以完成預定的可靠度指標。傳統設計方式是通過安全系數為基準，由此可見，概率設計法具備其特有的優勢[3]。

（1）概率設計法可以較好的確保機械產品的可靠度。這是由于此方法并非使用最小強度超過最大應力的標準，而是對機械產品的應力及強度描寫透過概率分布進行，如此便可良好抵制傳統方法由于強度及應力并非毫無變動而形成的設計可靠性的不足。

（2）概率設計法可以符合定量可靠度的標準。這是由于此方法預見且承認了設計零部件會具有一些故障，且可以對產品故障率與可靠程度給予定量回答，而傳統方法并不能預測出可靠度的定量。

4.2 穩健性設計法

穩健性設計法是日本著名機械設計師田口玄一提出，此方法將統計分析作為設計基礎，為了盡量確保產品性能的穩定性以及最大程度提高產品應用時間，這則需要在設計當中考量到制造過程以及使用過程中，外部因素的變異以及產品自身參數、結構等方面的變化，且提出預見性解決方法。

此方法判斷產品設計的可靠性，主要是通過產品對用戶形成的損失大小。損失指的是產品在實際功能及預期目標相互間的差距。假如差距較大，用戶損失則越大，并且也體現出產品品質較差。嚴格控制產品材料及產品工藝則可以有效降低偏差，以此提高產品品質。穩健性設計框圖見圖1。

圖1 穩健性設計的框圖

5 結束語

由此可見，機械可靠性設計屬于持續發展的過程，會隨著科技的發展而發展，相關人士應當以實際經驗為基礎，持續學習心得理念，不斷研究機械產品的可靠性設計，令機械產品可以在更長的時期內給予更為良好的功能服務。

[1]閆欣，肖春英，朱春來，徐東，賈建國. 淺談機械可靠性設計發展 [J]. 艦船防化，2011.（02）：33～37.

[2]賀鑫，韓旺，史世攀. 機械設計各個階段中可靠性包含的工作[J]. 湖南農機，2011.（7）：34～35.

[3]張義民.機械可靠性設計的內涵與遞進[J].機械工程學報，2010.（14）：167～188.