機械可靠性優化設計的應用研究

【摘 要】近年來，隨著機械生產技術要求越來越高，機械可靠性設計正在不斷面臨著極大的挑戰，而機械性能的穩定性直接影響到工業生產的正常運行。因此工廠針對機械可靠性的研究，并根據機械運行情況制定出相應的優化策略，可以確保機械可靠生產，從而維持工廠穩定生產。本文針對機械優化設計相關應用進行研究，提出了一些具體優化策略，以期對提升機械安全可靠運行有所裨益。

【關鍵詞】機械可靠性 優化設計 應用

可靠性、穩定性是衡量機械產品的重要指標，也是工業生產中機械正常運行的可靠性保障。工業的發達是依靠科技推動的，科技推動工業發展的承載點則表現在機械產品中。因此，在科技高速發展的今天，對于機械產品的可靠性要求變得越來越高，那么在實際工作中要想提升機械產品的可靠性與穩定性則必須加入機械可靠性優化設計。將機械產品與日常工作環境聯系起來，然后展開優化設計，并及時更新機械零部件的性能配置，實現機械產品可靠性提升。本文針對機械優化設計相關問題進行研究，以實際機械產品優化案例進行分析，為實現機械可靠性優化提供相應指導。

1 機械可靠性優化設計的重要性

機械可靠性設計時以成品的可靠性作為基準，將外載力、零部件尺寸、承受能力等各項參數融合起來考慮。然后應用力學理論、概率理論、數據統計學等做出機械可靠性保障方案。傳統機械設計方法又被稱為安全系數法，其在機械可靠性優化設計的時候只要確保安全設計系數大于規定的數值即可，但是在實際應用中機械可靠性設計往往忽略了設計參數的隨機性。因此在實際研究中應注意將力學作為隨機變量，機械可靠性設計中認為各個受力因素會受到環境的影響，因為環境因素也是一個變量，還存在著一定的規律性可循[1]。機械強度受到材料的性能、加工精度、工藝環節的波動等影響，也呈現出一種波動性規律變化。機械可靠性設計的時候，應根據設計的不同的要求選取不同的特征函數，注意在計算的時候應考慮其離散性，使用概率統計方法進行計算求解。機械可靠性設計的時候應考慮到各個參數的隨機分布，還應據此來分析出機械的實際工作狀況。

2機械可靠性優化設計案例

本次機械可靠性優化設計研究選取蝸桿減速器優化設計作為研究的主要內容，一級蝸桿減速器的主要失效形式有：渦輪齒面點蝕、渦輪齒折斷、鍵壓潰、軸折斷、軸承實效等幾類。針對蝸桿進行可靠性優化設計的時候，其優化模型為：Rs=Rcf·Rch·Rz·Rj·Rg。其中Rcf表示蝸輪齒根彎曲疲勞的可靠度；Rch表示渦輪齒面接觸疲勞可靠度；Rz表示輪軸的可靠度；Rg表示滾動輪軸可靠度；Rj表示鍵可靠度。蝸桿減速器進行變量設計的時候，將蝸桿的模數定為m，蝸桿直徑系數為q、蝸桿軸直徑ds、蝸桿頭數zl、傳動比i、渦輪軸長度L。可靠性設計變量表示如圖1所示，其中X={m，z1、q、L、i、ds}。

圖1 蝸桿減速器變量優化設計圖

蝸桿減速器的體積主要受到蝸輪、蝸輪軸、蝸桿等因素的影響，因此取三者的體積作為目標函數：

Minf1（x）=π/4{B2（mz2）2+L1（mq）2+m?（q-2.4）2（0.9mz2-L1）+ds2[L-（1.5ds-B2）]}。其中蝸輪齒寬度為B2=[m（q+2）-0.5m]sina+0.8m。a=50°，a表示蝸輪齒寬度。則根據蝸桿可靠性優化設計相關計算，必須建立相應的約束條件，其中 ，其中式子中的 表示蝸桿允許的接觸應力。蝸輪軸的強度為 。其中式子中的MD表示危險截面積的彎矩均值。

3 機械可靠性設計建議

3.1 權衡和耐環境設計

針對機械進行耐環境和權衡和設計，有利于設計者找出機械相對可靠的設計方案，并對機械的質量、成本、體積以及可靠性等完成優化。耐環境設計主要是基于綜合考慮的一種設計方式，從機械的零部件出發，將零部件的壽命周期內的各種環境考慮進去[2]。

3.2 預防故障設計法

機械設備正常運行與否關系到機械設備的整體運作功能是否在完整的串聯中各自發揮出自身的作用。整體功能大于部分功能將成為機械可靠性設計的重要目標，機械優化設計中首先要重視機械設備的可靠性，并對零部件進行嚴格的需求控制和選擇控制。預防故障法設計中應對選用的零部件和通用不見進行驗證分析，最大限度對故障進行分析。

3.3 簡化以及余度設計優化

機械優化設計中，簡化設計作為一種基礎設計，其設計思路明確，即零部件的數量應盡可能避免冗余，減少故障出現。機械的可靠性優化設計中必須對其錯誤故障進行統計分析，從小故障處理做起盡可能保障機械的可靠性。通過簡化和余度設計優化可以有效提升可靠性生產以及避開故障的能力[5]。簡化優化設計即對機械生產中的一些不必要方式進行優化，減少一些超標負荷承載工作，調整機械各個部件的生產情況。

4 結語

機械可靠性關系著機械日常生產的安全穩定運行，因此其重要性不言而喻，那么在實際工作中必須對機械可靠性進行優化。通過優化機械可靠性運行模式，使得機械在日常工作中發揮出其主要功用，為保持機械穩定生產做出努力。本文針對機械可靠性優化設計相關問題進行研究，針對蝸桿減速器優化設計案例進行分析，最后提出了一些建設性意見與相關研究同仁共同學習和交流。

參考文獻：

[1] 趙啟焱，羅明生，黃超.機械CAD技術在機械可靠性優化設計中的應用前瞻[J].河南科技，2013（14）：105.

[2] 王霄琳.機械CAD技術在機械可靠性優化設計中的應用[J].中國科技信息，2014（16）：146-147.

作者簡介：李豐紅（1962--）男，山西汾陽人，本科，畢業于太原理工大學，高級工程師，研究方向：煤機液壓。