淺談機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)涵與發(fā)展

張永

摘 要：機(jī)械的可靠性設(shè)計(jì)是保障機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量及安全性能的重要方面，本文在對于機(jī)械可靠性內(nèi)涵翔實(shí)分析研究的基礎(chǔ)上，對于機(jī)械零件的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜合比較，并探索了國內(nèi)外機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)發(fā)展概況，在此基礎(chǔ)上，提出機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的未來展望。

關(guān)鍵詞：機(jī)械；可靠性設(shè)計(jì)；內(nèi)涵；發(fā)展

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)為多一技術(shù)復(fù)雜型過程，涉及多個(gè)學(xué)科，對于機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)可靠性是保障機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量以及安全性能的關(guān)鍵，也是提升機(jī)械產(chǎn)品綜合競爭力的重要方面，因此，國內(nèi)外諸多領(lǐng)域?qū)τ跈C(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的提升進(jìn)行了不斷探索。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)，指的是在一定的時(shí)間、環(huán)境條件下，機(jī)械產(chǎn)品所能實(shí)現(xiàn)的功能及效益的情況。考慮到機(jī)械產(chǎn)品的性能參數(shù)受工程材料的離散型以及加工、安裝工藝偏差等影響較為顯著，且產(chǎn)品的設(shè)計(jì)對于產(chǎn)品的固有質(zhì)量影響在75%左右，因此，機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)需綜合考慮這種不可靠性的影響。而國內(nèi)目前對于機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)仍處于初級階段，難以達(dá)到“質(zhì)量第一、質(zhì)量取勝”的層次，且伴隨我國加入WTO后，世界范圍內(nèi)機(jī)械產(chǎn)品強(qiáng)制認(rèn)證制度的推行，機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)逐漸引起多方重視。

1.機(jī)械可靠性內(nèi)涵

機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)對于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量以及安全性能有著關(guān)鍵性影響，機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)，指的是在一定的時(shí)間、環(huán)境條件下，機(jī)械產(chǎn)品所能實(shí)現(xiàn)的功能及效益的情況。機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)是建立在常規(guī)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上的保障機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量及安全性能的一類全新的設(shè)計(jì)方法，將數(shù)學(xué)規(guī)劃方法以及可靠性分析理論高效地結(jié)合起來進(jìn)行設(shè)計(jì)可靠性分析，再結(jié)合最優(yōu)化理論提出最優(yōu)數(shù)值計(jì)算方法（概率意義下）。迄今為止，可靠性工程已有半世紀(jì)的歷史，伴隨機(jī)械化水平的不斷提升，世界范圍內(nèi)逐漸引發(fā)對于機(jī)械可靠性的重視熱潮。通常工程上利用可靠度來對于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性的概率進(jìn)行度量，機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)涉及領(lǐng)域較廣，且需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫資源作支撐，因此實(shí)際機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)發(fā)展水平還有待提升。

2.機(jī)械零件的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)比較

2.1 機(jī)械系統(tǒng)可靠性特點(diǎn)

（1）機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及失效模式復(fù)雜，且故障情況較多，與電子產(chǎn)品故障不同的是，機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)故障主要由部件磨損、疲勞而引起，且早期故障排除的難度較大，開展起來較為困難。

（2）考慮到機(jī)械產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，其可靠性數(shù)據(jù)系統(tǒng)尚未健全。

（3）機(jī)械系統(tǒng)復(fù)雜，產(chǎn)品零部件難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，失效率統(tǒng)計(jì)較為困難。

（4）由于機(jī)械產(chǎn)品壽命并不服從指數(shù)分布，因此機(jī)械產(chǎn)品的壽命和可靠性試驗(yàn)無法使用指數(shù)分布的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案。

2.2 兩種設(shè)計(jì)之間的關(guān)系

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)通常由產(chǎn)品的性能以及機(jī)械性能要求出發(fā)展開設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)方法所進(jìn)行的設(shè)計(jì)及安全系數(shù)的校核難以衡量產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠度以及故障發(fā)生率，只是引用經(jīng)驗(yàn)的安全系數(shù)，設(shè)計(jì)過程具有較大的盲目性。考慮到經(jīng)驗(yàn)性的差異，對于產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)造成不利影響。

機(jī)械產(chǎn)品的可靠性，要求產(chǎn)品持續(xù)高效性能的實(shí)現(xiàn)，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，涵蓋H應(yīng)力和H強(qiáng)度兩類故障因素，前者即包括環(huán)境因素以及外力在微元面積上產(chǎn)生的內(nèi)力與微元面積比值的極限，環(huán)境因素包括溫度、濕度等存在一定的散步性。后者指機(jī)械結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力（多因素影響的隨機(jī)變量）的能力。且應(yīng)力及強(qiáng)度均存在一定分布規(guī)律，而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程并未考慮此類規(guī)律性參數(shù)條件，可靠性設(shè)計(jì)即在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用概率統(tǒng)計(jì)的方法對于設(shè)計(jì)參數(shù)及影響因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特性分析，可使得機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更加高效、合理，更加符合工程實(shí)際應(yīng)用，且機(jī)械產(chǎn)品的壽命和失效率也可實(shí)現(xiàn)可預(yù)測性能。

3.國內(nèi)外機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)發(fā)展

3.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)對于機(jī)械產(chǎn)品的可靠性研究起步相對較晚，20世紀(jì)80年代，相繼成立機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)研究協(xié)會，制定可靠性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)研究逐漸得到重視。

對于機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的研究方法主要包括以下幾方面：基于概率密度函數(shù)矩不等式的契貝雪夫點(diǎn)法，由陳立周等學(xué)者提出，該方法的研究是針對一次二階矩法精度低以及廣義模擬優(yōu)化法存在的計(jì)算復(fù)雜而展開的，能夠高效地保證概率計(jì)算的精度；廣義隨機(jī)空間內(nèi)考慮隨機(jī)變量相關(guān)性的結(jié)構(gòu)可靠度實(shí)用分析方法，其應(yīng)用于工程實(shí)踐，擴(kuò)展了當(dāng)前計(jì)算方法的適用范圍；基于隨機(jī)模糊性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，由王光遠(yuǎn)等人提出并應(yīng)用于抗震設(shè)計(jì)，取得良好成效；原始空間內(nèi)的可靠性分析方法主要適用于隱式隨機(jī)變量的概率分布函數(shù)的可靠性研究；4次高階矩法能夠高效提升計(jì)算精度；通過國內(nèi)可靠性研究方法的分析，學(xué)者們也給出了系統(tǒng)可靠性評價(jià)指標(biāo)以及設(shè)計(jì)依據(jù)，但實(shí)際應(yīng)用方面的研究相對較少，總體上與發(fā)達(dá)國家的差距較大，目前存在的問題包括：對于機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)理解不夠深入，實(shí)際研究中沒有考慮機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的特殊性，結(jié)合概率統(tǒng)計(jì)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)的思路及方法不夠熟練，且國內(nèi)也缺乏機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的實(shí)用技術(shù)手冊，給可靠性的設(shè)計(jì)及研究帶來困難；目前可靠性設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究存在周期長、難度大的特點(diǎn)，因此也給可靠性產(chǎn)品的試驗(yàn)研究造成障礙。

3.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

對于可靠性設(shè)計(jì)研究的關(guān)注始于“結(jié)構(gòu)的安全度”的發(fā)表，由于機(jī)械產(chǎn)品的需求量及功能性要求較高，也引發(fā)了對于機(jī)械可靠性的研究。19世紀(jì)60年代，美、日、英等國在機(jī)械可靠性研究的基礎(chǔ)上，初步建立起機(jī)械產(chǎn)品可靠性研究理論，并應(yīng)用于工程實(shí)踐，相繼成立可靠性設(shè)計(jì)研究組等對于結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行研究。

目前，國外機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)已廣泛應(yīng)用于航天、土木、車輛等眾多領(lǐng)域，西方發(fā)達(dá)國家由于工業(yè)化起步早，也率先建立起機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，并有效地指導(dǎo)了工程實(shí)踐。對于機(jī)械零部件的可靠性概率設(shè)計(jì)方法的研究中，成立專門研究組，進(jìn)行機(jī)械故障的預(yù)防以及檢測方面的分析，在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，形成可靠性分析大數(shù)據(jù)庫，如NPRD、NPs、ADA163900等數(shù)據(jù)手冊。日本的可靠性設(shè)計(jì)更偏向于實(shí)用化，并通過實(shí)驗(yàn)的開展，不斷優(yōu)化目前可靠性理論，積累大量可靠性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，因而對于工程實(shí)踐應(yīng)用也起到較好的指導(dǎo)作用。前蘇聯(lián)的可靠性設(shè)計(jì)研究中，重點(diǎn)關(guān)注機(jī)械產(chǎn)品可靠性和壽命的提升，并制定一系列國家標(biāo)準(zhǔn)，對于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)研究方面進(jìn)行深入分析。可靠性研究方向：基于概率統(tǒng)計(jì)理論之上的可靠性設(shè)計(jì)、適用于機(jī)械制造業(yè)的工藝可靠性研究方法。英國國家可靠性分析中心發(fā)布《機(jī)械系統(tǒng)可靠性》系統(tǒng)化分析了機(jī)械可靠性的研究方向，并基于大量數(shù)據(jù)提出多種可靠性評估方法，歐洲可靠性數(shù)據(jù)庫協(xié)會具有強(qiáng)大的可靠性數(shù)據(jù)分析網(wǎng)絡(luò)，給工程規(guī)劃和設(shè)備的研發(fā)、風(fēng)險(xiǎn)評估提供參考。

結(jié)語

目前機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)逐漸引起多方重視，機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)作為一門邊緣性學(xué)科涉及領(lǐng)域及應(yīng)用范圍較廣，且具有極為豐富的內(nèi)涵。然而，國內(nèi)對于機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的研究尚處于起步階段，各方面發(fā)展技術(shù)還欠成熟。由于機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)作為一種更加合理的設(shè)計(jì)模式，實(shí)踐工程應(yīng)用表明該方法可有效提升機(jī)械設(shè)計(jì)性能以及經(jīng)濟(jì)效益，因此國際范圍內(nèi)也展開了對于機(jī)械可靠性研究的熱潮，相信這一理論將會得到更加廣泛的推廣與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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