機械可靠性設計的內涵與遞進

陳鵬沖 張曠齊 王子樂

摘 要：機械可靠性設計的基本任務是在故障物理學研究的基礎上，結合可靠性試驗以及故障數據的統計分析，提供實際計算的數學力學模型和方法及實踐。這樣就可以在機械產品的研制階段，估計或預測產品在規定工作條件下的工作能力狀態或壽命，保證產品具有所需的可靠性。結合現代數學力學理論，系統地闡明機械可靠性設計、機械動態可靠性設計、機械可靠性優化設計、機械可靠性靈敏度設計、機械可靠性穩健設計等系列可靠性設計理論與方法內涵與遞進，力圖為解決我國機械工程領域可靠性設計核心技術缺乏的問題指明路線與途徑以及為形成產品自主研發能力提供技術服務和儲備，對工程實際的機械可靠性設計提供系統成組的理論與方法，可以為機械行業提供可靠性分析與設計的技術服務。

關鍵詞：機械可靠性；機械設計；概率設計法；穩健性設計法；現代可靠性設計

關于機械可靠性的研究最早出現在電子產品領域，時間可以追溯到上個世紀中葉，各國的機械可靠性研究都是從航天以及軍工領域開始的。隨著經濟以及科技的不斷進步，可靠性研

究逐漸由軍工轉人到民用的范疇，并慢慢變成經濟競爭的重點。傳統的機械設計重點在于強度，而可靠性設計的重點集中在產品的材料、規格以及其在載荷情況下表現出來的隨機性以及分散性上面。傳統的設計可靠性主要表現為載荷與機械產品強度之間的關系，如果材料強度高于載荷則為安全，反之便是不安全，而新的可靠性設計則是關注機械安全使用的機率以及達到預定使用時間的機率，這種新的可靠性設計理念以概率為基礎，是機械設計理念的重大發展。

1 機械可靠性概述及發展現狀

何為可靠性？可靠性實際上指的是產品在特定的環境條件和工作條件下，在規定的任務時間范圍內能夠完成規定功能的連續性和重復性的能力。20世紀20年代，對于可靠性技術的研究就已經開始，到20世紀40年代，才應用于結構工程設計之中。可靠性技術要依賴于概率統計和隨機過程理論，通過結構分析技術，來達到對結構系統可靠度的進行估計。通過研究和生產實踐，國內外一致認為，機械結構的設計是保證其可靠性的決定性因素，而制造安裝和管理是重要支撐。因而，為了保證機械結構的安全可靠，提升工業的發展水平，并進而優化產業內結構，在機械結構的設計過程中，對于概率設計理論的研究，可靠性技術的應用就顯得十分重要。正是基于這樣的需求，可靠性分析與設計方法得到了快速發展。對于機械可靠性技術的研究，我國目前已經取得了一定的成果。此類研究活動主要集中在高校和專業性的研究機構，有很多科技工程領域的研究人員參與到研究之中，并由不少的設計人員從事著實際設計實踐活動。經過研究工作者的辛勤耕耘，已經出現了頗具價值的專業著作、學術報告、教學教材。然而，相比較國際先進水平，在這方面依然存在巨大的差距。我國關于可靠性各方各面的研究和實踐還處于初級起步階段，水平還亟待提高。從機械可靠性技術研究方面而言，尚處于探索初期；從管理體系而言，在我國的企業中還沒有建立起可靠性管理體系；從設計方面而言，設計技術沒有得到推廣使用。造成這些問題的原因是多方面的，主要有可靠性理論的研究時間短，且沒有得到廣泛傳播；設計人員對于設計方法的理解和掌握

水平較低；企業缺乏自主創新能力，忽視對自主研發能力的投入，從而造成我國雖然是一個機械制造大國，但是由于缺乏可靠性核心技術，而不能躋身制造強國，進而對我國的經濟發展狀況產生影響。

2 現代可靠性設計方法

近年來，由于機械建造以及科學技術的不斷前進，越來越多的新知識、新理論被應用到機械產品的設計中來，機械產品的更新變得越來越快。在計算機技術以及數學理論的基礎上，機械可靠性的設計方法也有了很大的進步，為復雜環境下的機械可靠性設計問題找到了解決的途徑。現代的可靠性設計中，靈敏度以及重分析的加人是一種很有效的方式。通常所說的靈敏度，是指在對復雜的機械進行可靠性設計時，由于存在很多幾何以及物理因素的影響，如果改動設計方案的話，我們希望找到能給產品特性帶來對多變化的參數，也就是說機械產品的性能對哪些參數的變化感應最靈敏，針對這些參數對機械產品進行靈敏度方面的測試，就稱為靈敏度的分析。如果靈敏度分析的過程中，發現了對產品的可靠性有較大影響的因素，那么在進行設計的時候就要進行重點的控制，使產品保持充分的可靠性，相反的，如果發現對可靠性影響較小的因素，在進行設計時就可以降低機械分析的難度，直接將其按照可靠值來計算。這種設計方法，在弄清產品性能變化與參數之間的關系基礎上，進行有針對性的可靠性設計，可以使機械產品的可靠性增強，同時在性能和使用壽命上都得到提高。在通過靈敏度進行機械可靠性設計的基礎上，我們還可以發展出一個使靈敏度因素達到極小化進而使機械性能達到穩健

性的設計方式。這種方法的設計理念就是盡量減少靈敏度大的因素的使用，設計出容差更大的產品，這種穩健性的設計方法能夠有效減少資金和人員的重復投人，降低設計中的盲目性，不僅具有成本低的特點，而且具有很強的穩定性。

3 結束語

探析和發展機械可靠性研究，將機械可靠性充分的應用于機械生產的每一個環節和流程，有助于提高機械產品的質量和安全性，可以有效的降低成本，提高經濟效益和社會效益

參考文獻

[1]潘爽.淺談機械產品可靠性設計[J].電子機械工程，2010（1）.

[2]張義民.機械可靠性設計的內涵與遞進[J].機械工程學報，2010（7）.

作者簡介

陳鵬沖（1994-），鄭州大學 機械工程學院機械工程專業。