針對機械零部件可靠性的相關研究

摘 要：機械零部件可靠性受多種因素影響，如設計、制造、運輸以及使用等，各環節間相互聯系，在對其可靠性進行研究時，就需要做好各因素的綜合分析。其中機械零部件結構形式、尺寸、材料以及加工處理等均可以在設計階段體現出，需要確定研究要點。本文就機械零部件可靠性影響因素以及可靠性研究費方法進行了簡要分析。

關鍵詞：機械零部件；可靠性設計；模糊計算

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.028

0 引言

機械零部件在加工制作階段，受材料、工藝等因素限制，會降低產品疲勞強度，縮短零部件使用壽命。基于可靠性，對機械零部件進行分析，分析各項影響因素，并選擇合適的方法進行研究，計算出其可靠性數值，掌握不同因素對零部件設計結果的影響，確定工藝優化方向，最大程度上減少各項因素對零部件可靠性的影響，降低后期應用中出現的失效問題，提高零部件加工與應用綜合效果。

1 機械零部件可靠性影響因素分析

1.1 加工精度

對機械零部件進行可靠性設計，需要將應力-強度干涉理論作為基礎進行分析，其中通過應力極限狀態來表示狀態方程：g（X）=r-σ，其中r表示材料強度；σ表示應力；X表示隨機變量向量。其中，g（X）≤0，即零部件為失效狀態；g（X）≥0，即零部件為安全狀態[1]。此種可靠性分析模型，可被用于時間變化時，零部件強度與應力不變，或者變化較小的情況。如果將強度與應力作為隨機變量進行研究，便可以利用可靠性指標與可靠性設計得出：

通過可靠性指標來衡量得到零部件可靠性，同時向量X服從正太分布時，可以利用失敗點處狀態表面切平面來表示極限狀態表面，便可進一步得到可靠性一階估計值：

R=Φ（β）

機械零部件可靠性分析，加工制作工藝與材料不變，且可以通過實驗得到強度數學期望與標準差，而應力數學期望與標準差則可以通過零部件尺寸與荷載確定。如果機械零部件加工精度不同，數學期望為定值，標準差則隨精度的變動而變動，值大小為零部件精度等級標準公差數值1/6，即可以通過6σ原則來分析加工精度對零部件可靠性的影響[2]。

其中，σd表示部件尺寸；Td表示標準公差等級數值。

1.2 加工工藝

對于材料相同的機械零部件，所選擇的加工工藝不同，最終其材料性能與疲勞強度也存在一定差異。對加工工藝影響機械零部件可靠性的分析，以磨削-拋光加工、超聲波加工、金剛石鋸片切割加工等對Al2O2/TiC材料處理效果為例，對不同加工工藝可靠度影響進行計算，結果如表1所示。

如表1數據所示，選擇不同加工工藝對機械零部件進行處理，最終對零部件可靠性影響存在較大差異。其中，磨削-拋光工藝加工試樣表面硬度比較高，加工后其抗彎強度與可靠性最高。電火花加工零部件硬度較低，且部件抗彎強度與可靠性性最低。

2 機械零部件可靠性研究方法分析

2.1 概率分析法

（1）精確解析法。即以概率論為依據，直接對零部件可靠性進行計算。假設應力r與強度s呈現獨立正態分布，則零部件可靠度R可用公式計算：

R=P（s-r>0）=Φ（β）

其中，Φ（β）表示標準正態函數；β表示可靠性指標；ur、us與σr、σs分別表示應力、強度的均值與均方差。

（2）一次二階矩法。即將結構功能函數為對象的一次函數，且以變量一階矩與二階矩為概率特征對機械零部件可靠性進行計算。本文所研究一次二階矩法中的“一次”為非線性功能函數按泰勒級數展開僅取一次項，“二階”為需要用到隨機變量的均值與標準差，且不對其分布特征進行研究[3]。此種研究方法在實際應用中更為簡單，常用有驗算點法、中心點法等，一般被應用于線性程度不高，并且隨機變量服從正態分布或對數正太分布的情況。

2.2 模糊方法分析

在對機械零部件可靠性進行分析時，要明確零部件的失效存在模糊性，則可以利用模糊數學與可靠性理論進行分析。應以模糊方法對零部件可靠性進行分析，即將零部件不發生失效看做模糊事件，利用公式來對其可靠度R進行分析：

其中，f（x）表示隨機變量的概率密度函數；u（x）表示模糊事件隸屬函數。利用此公式對機械零部件可靠性進行計算，重點需要確定隸屬函數值。隸屬函數一般為分段函數，機械零部件可靠性設計常用隸屬函數為降半梯形、降半矩形以及降半正態隸屬函數。對于隸屬函數的確定，也可以通過模糊計算來實現，例如常用逐級估量法，確定函數分布參數。

3 結束語

對機械零部件可靠性進行分析，需要結合其結構特點對各項影響因素進行簡要研究，掌握不同因素變動對零部件可靠性的影響。選擇合適的可靠性計算方法，來確定機械零部件可靠度，然后對其進行可靠性設計，對傳統設計方法中存在的保守性以及不合理性進行優化，減少零部件在服務壽命中出現的失效次數，提高零部件使用有效性，在根本上來提高其加工綜合效率。

參考文獻：

[1]曾慶虎.機械傳動系統關鍵零部件故障預測技術研究[D].國防科學技術大學，2010.

[2]王新剛.機械零部件時變可靠性穩健優化設計若干問題的研究[D].東北大學，2009.

[3]杜彥斌，李聰波.機械裝備再制造可靠性研究現狀及展望[J].計算機集成制造系統，2014（11）：2643-2651.

作者簡介：薄美云（1972-），女，內蒙古人，碩士，高級講師，研究方向：機械制造技術、金屬材料。