可靠性設計在機械設計中的應用

周銀曉+++楊建江

摘 要：現代機械設計中，可靠性是非常重要的內容，可作為機械產品質量以及產品使用壽命的重要指標，因此可靠性設計受到越來越多企業的重視。該文主要通過分析可靠性設計原則，探討可靠性設計在當前機械設計中的具體應用，希望為相關設計人員提供一些有價值的參考。

關鍵詞：可靠性 設計準則 機械設計

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（b）-0115-02

可靠性指的是機械產品在規定條件與規定時間的基礎下完成規定功能的能力。機械產品的可靠性是產品質量的重要指標，也是機械產品使用壽命的關鍵，當前已經逐漸成為買家購買機械產品的重要參考，因此受到越來越多企業的重視。

1 可靠性設計原則

1.1 選用經過充分驗證并且技術較成熟的設計方案

在新產品的設計上，往往有80%以上的內容設計采用的是相似產品的設計思路與設計方法，而其余的20%則是創新與優化的部分，這主要是為了滿足產品功能及性能變化的要求。比如設計一個新型的電器產品，如果產品的功能與性能沒有發生實質性的變化，而在密封性上進行了設計，將原先的兩道O環密封改為一道O環密封，在產品完成后就發現產品檢驗存在不合格的情況，而恢復到兩道O環后，不合格問題解決，可靠性提高。因此如果性能與功能沒有發生太大改變，產品并不能成為新產品，在相應的設計上也不用做太大的更改。

1.2 滿足強度、重量、體積的基礎上進行簡化設計

產品在達到預定的功能情況下，機械設計的內容應盡可能簡化，完成相同操作所需要的零件應該盡可能減少，這一方面是保證后續控制的可靠性，另一方面降低生產成本。但是零件的減少不應將零件置于高應力的條件下，否則，機械產品就不能成為優化設計。

1.3 耐環境設計

某些機械產品往往在非常規環境中運作，因此在產品設計上還應增加耐環境設計。潛油電泵就是一種對環境比較敏感的產品，相同的機械設備在不同的區域表現出不同的運行結果，比如在印尼和我國大慶區域使用，就會因為地質條件產生巨大的差異。因此在具體設計上，應根據機械產品的使用環境進行設計，這樣才能確保產品可靠性。

2 可靠性設計在機械設計中的應用

2.1 系統設計方法在機械設計中的應用

可靠性設計中，系統設計方法主要用于機械產品總體方案的論證及確定。產品總體方案論證與確定的先進及可行性很大程度上決定產品的成敗以及產品的可靠性，在論證及確定產品總體設計的階段，要求設計人員深入分析顧客需求，確定總體設計方案，完成產品結構及零部件設計與加工工藝，使產品可靠性與市場潛力不斷提升。

在各種機械產品中，發動機往往是最為關鍵的設計內容，汽車發動機的振動頻率如果較高，往往無法通過發動機的底座對振動進行隔離，使一些汽車產生結構上的共振，這必然會影響駕駛的舒適度，使汽車故障率明顯提升，并且還增加車輛的保養費用。此外，還有汽車駕駛桿的共振問題，在汽車運行過程中，駕駛桿的固有頻率相當于汽車空擋時發動機的二階振動，這樣在空擋的情況下駕駛桿會發生劇烈振動，即便在駕駛桿上裝有減震器，減震效果也不是很明顯，為了解決發動機以及駕駛桿的振動問題，考慮從車輛發動機與駕駛桿的系統設計上出發，將設計的重點放在如何避免發動機與駕駛桿發生劇烈振動上，針對抖動問題進行有針對性地處理。在可靠性設計上，在不改變原有設計的基礎上，增加減震器的重量能夠降低駕駛桿的振動頻率，并且駕駛桿的性能不會發生改變，順利解決駕駛桿振動問題，使駕駛員獲得優越的駕駛感受。

2.2 參數設計方法在機械設計中的應用

參數設計常常在系統設計完成后進行，設計的基本思路是實現各個部件的最佳組合，減少各個機械運作的相互干擾，使產品質量在較小的范圍內進行波動，具有較高的可靠性。此外，在參數設計階段，還應選用性價比高以及環境適應能力強的機械元件進行設計，這樣能夠保證機械產品在質量及價格上都得到相應的優化及改善。

對于材料參數的設計，以鈦合金為例，由于其具有良好抗腐蝕性能、高強度以及重量輕等優勢，在現代航空、航天以及造船等行業都得到了廣泛使用，但是由于鈦合金材料的導熱系數小、抗氧化能力低。因此其耐磨損能力較差，因此參數的優化主要是優化鈦合金磨削工藝相關參數。根據鈦合金材料生產相關經驗，選擇對表面粗糙度影響較大的因子作為磨削工藝參數可控因子，進行實驗分析，進而能夠獲得更高可靠性。

2.3 容差設計方法在機械設計中的應用

當完成系統設計以及參數設計后，確定了產品的可控因素，然后對產品進行容差設計，此時各個零部件的質量水平往往較低，參數的波動范圍也較寬。

進行容差設計時，需要遵循以下設計思路：應根據產品各個參數的具體波動對產品質量特性影響大小，并從經濟性的角度考慮是否有必要對影響較大的參數給予較小的容差范圍，這樣做的目的是減少產品質量特性的波動范圍，提升產品的可靠性，減少生產過程的質量損失，并且還能夠提高各個零部件的質量水平，使產品的成本收益不斷提升。所以在進行容差設計過程中，應考慮如何減少參數設計，增加容差成本進行設計，權衡利弊，選擇最佳的設計決策。

容差計算主要借助質量損失函數進行。質量損失函數通過計算產品質量損失，根據“使質量損失與成本之和最小”原則，并且在保證產品可靠性的基礎上來確定合適的容差范圍。

2.4 降額設計方法在機械設計中的應用

在機械設計中，降額設計主要是使機械產品中各個零部件的應力低于額定應力，這樣能夠延長機械產品的使用壽命，并且保證機械產品在日常工作中少出現因應力增加造成的機械損壞的情況。相關機械產品設計案例也證明，如果機械產品中各個零部件在運行過程中所承受的應力小于額定應力，在運行過程中故障率將明顯下降，可靠性也將不斷提升。因此，在設計過程中，就應該重視機械產品的降額設計，并且可以采取提高平均強度、降低平均應力以及減少強度變化等方法來減少各個零部件的應力，從而提升機械產品的可靠性，這樣能夠確保機械產品在惡劣的狀態下正常運作。

2.5 耐環境設計方法在機械設計中的應用

耐環境設計關注的是產品的使用效率與產品整體壽命，比如機械產品在裝配及運輸過程中往往會受到巨大的沖擊，并且機械設備受不同的溫度、濕度等影響，經常會出現損壞的情況，因此必須慎重并合理進行耐環境設計。具體設計上，可以從認識環境、控制環境以及適應環境3個方面進行考慮，其中認識環境主要是了解產品生產、工作、維修、安裝、存儲以及運輸環境；控制環境則在條件允許范圍下，創造出機械零部件良好的工作環境條件，并且還可以通過認識環境改造提高產品可靠性；適應環境主要是為機械產品設計方案、材料選擇、表面處理等措施，從而不斷提高機械零部件本身耐環境能力。

3 結語

總之，產品設計的可靠性受生產環境的影響，在機械設計過程中，應高度重視產品設計質量，保證以及提高產品的可靠性，使機械產品的使用效率與競爭力不斷提升。

參考文獻

[1] 劉勁威.計算機輔助設計在機械設計中的應用分析[J].科技與企業，2013（2）：98-100.

[2] 沈政，牛從民，鄧連喜.FMEA在工程機械系統可靠性設計中的應用[J].工程機械，2012（12）：38-42.

[3] 梁慶文.機械強度可靠性設計在地質鉆機設計中的應用研究[J].建材與裝飾，2016（39）：214-215.

[4] 宋昊妍.論現代設計方法在礦山機械設計中的應用[J].機電技術，2015（4）：158-160.

[5] 梁慶文.機械強度可靠性設計在地質鉆機設計中的應用研究[J].建材與裝飾，2016（39）：214-215.