淺談機械可靠性設計的研究概況和設計理論

王清源　崔芙銘　向少斌

摘 要：機械可靠性設計的任務是提供實際計算的數學模型和方法及實踐。在機械產品的研發階段，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。結合可靠性理論研究的歷史及現狀對機械可靠性設計理論進行深入地分析，系統地說明機械可靠性設計、機械可靠性優化設計、機械可靠性穩健設計等可靠性設計理論與方法研究概況和設計理論，希望對工程實際的機械可靠性設計提供系統的理論與方法，可以為機械行業提供可靠性分析與設計的技術支持。

關鍵詞：機械產品 可靠性設計 可靠性優化設計 可靠性穩健設計 應用分析

Abstract：The basic task of mechanical reliability design is to propose mathematical-mechanical models and methods for engineering practice. In this way the working state and life of the mechanical product under the prescriptive working condition can be predicted in the design stage. The connotation and development of mechanical reliability-based design is expounded by integrating modern mathematical-mechanical theories. A series of theories and approaches， such as the mechanical reliability-based design， reliability-based optimization design， reliability-based robust design， are explained clearly and systematically. The route and way are pointed out to solve the problem of lack of kernel technologies for reliability-based design in the field of mechanical engineering. The reliability technique service and reserve for independent research and development are provided， and the systemic and unitized theories and methods for reliability-based design of mechanical products in practical engineering are given.

Key words：Mechanical products Reliability-based design Reliability-based optimization Reliability-based robust Engineering application analysis

引言

可靠性研究最早開始于四十年代針對電子產品故障的研究，經過多年的積累與發展，電子產品可靠性技術體系已獲得完善并逐漸成熟起來。電子產品的可靠性水平日益提高，并具備豐富的工程經驗和巨大的數據資源。近些年來，可靠性技術也逐漸應用于機械領域，并發揮著重要的作用。機械系統越來越復雜，對于其可靠性的要求也逐步提高，尤其是在軍用裝備和航空領域，對于機械可靠性的要求更加嚴格，并成為系統可靠性中較為薄弱的環節。為此，非常有必要研究機械的可靠性，從而推動科技的進步與發展。對于復雜機械產品來說，其可靠性受到多種因素的影響，如使用條件、使用環境、維修方法、人為因素等等。

一、機械可靠性設計

作為最主要和最重要的技術指標，可靠性是評判產品質量好壞的關鍵因素，并逐漸成為工程領域普遍關注的焦點。機械可靠性貫穿于從產品的設計研發到裝配調試的各個環節，可靠性是在概率統計的理論基礎上發展起來的，加強機械可靠性設計的推廣和應用，對于提高產品質量、降低成本有著非常重要的意義。隨著可靠性技術的創新與發展，其設計方式也越來越豐富，呈多樣化的趨勢發展。數學模型法是在可靠性設計中應用得較為廣泛的一種方式，基于實驗所獲得的數據，并充分利用了概率統計的原理。數學模型法可以劃分為兩部分，其中一部分所涉及的量在時間范疇內具有可靠性質，換句話說，即所涉及的量是遵循一定的規律的，隨著時間的變動，其疲勞壽命和損耗也將在一定的范圍內產生變動。另外一部分為偶然因素所引發的事件結果的可靠性，偶然因素所導致的波動是不定期出現的，具有不確定性，一般來說，需要利用概率可靠性來對隨機事件進行計算。

二、可靠性優化設

計

任何機械產品，從最初的產品設計、方案的確定，到付諸于生產制造、產品檢驗，都需要一個周期。先進科學技術廣泛應用于機械領域，以及新材料、新工藝、新設備的采用，機械產品的設計和制造無論從產品質量還是生產周期上都產生了質的飛躍。新知識、新思路、新理念的應用，為機械設計注入了新鮮的血液，也使得滿足人們對于產品的日益提高的要求成為可能。隨著時代的發展，社會的進步，人們對于產品的質量、性能、服務的要求日益提升，傳統的設計方法和設計理念已不能適應現實的要求。同時，出于經濟的考慮，所要求的產品設計周期也逐漸縮短，設計強度加大，在這種形勢下，提高設計的質量，實現可靠性優化設計變得更加重要。在進行機械設計時，必須綜合考慮各種影響因素，如產品的使用價值、力學性能、生產成本等。此外，生產企業的生產能力和管理水平也是不容忽視的會影響到產品質量的因素之一。當前，如何提高設計質量、發展設計理論、提升設計水平、縮短設計周期，已經成為機械設計領域中廣大設計人員共同面對的課題。

三、可靠性穩健設計

穩健性機械設計最開始是由日本田口玄一提出來的。該設計方法的設計基礎是統計學分析理論，最終目的在于最大限度增強產品穩定性，進一步延長產品壽命，這種情況下，設計期間相關工作人員就必須要綜合考慮產品制造外部環境變異情況、產品本身參數變化情況與產品結構情況等的變化，然后進行針對性處理。從某種程度上講，穩健性設計在設計可靠性衡量過程中主要是參照產品給用戶帶來損失的大小，其中損失主要是指產品功能與之前預期目標間存在的重大誤差。若偏差增大，則用戶損失就會增加，也從另一個角度說明了機械設計產品自身質量存在較大問題。加強生產材料以及生產工藝管理可以減小設計偏差，促進產品質量水平的提升。實質上，穩健性設計具有較為顯著的缺陷，從理論上來看該設計方法是能夠成立的，然而就技術層面而言，實施的可能性卻相對較低，經濟適用性相對較差。因此，我們必須要就穩健性設計方法進行不斷改良以及完善，從而促進其可靠性的提升，只有在機械產品抗干擾能力以及穩健性能良好的基礎上，才能夠擁有可靠性相對較高的產品。

四、機械可靠性設計應用分析

一般來說，我們要保證機械設備的正常運行，就要在一定方面注意機器設備的整體運作功能是否存在串聯并可以各自發揮自身作用，這一點在機械設備正常運行中是十分重要的，因為一旦整體功能大于部分功能就會成為機械可靠性設計的重要目標，而機械可靠性中首先要重視機械設備的可靠性并且我們可以在某些方面對零部件進行認真的篩查和嚴格的需求控制和選擇控制，在一定程度上將零部件可能存在的問題進行排查，預防故障法設計中應對選用的零部件和通用部件進行驗證分析，并且達到最大限度，對可能出現的故障予以分析。我們還要對機械進行環境和權衡設計，這樣的設計有利于設計者找出機械相對可靠性的設計方案。這樣就可以對機械的成本、體積，以及質量和相關可靠性進行優化設計，耐環境設計主要是基于綜合考慮的一種設計方式，它的主要出發理論是從機械的零部件出發，并且將機械的零部件所使用的壽命周期等各個環境都考慮進去。

結語

總而言之，機械設計關系國民經濟健康發展，而機械可靠性作為機械制造行業的重要支撐業，相關人員必要予以高度關注，強化可靠性設計研究，促進機械行業快速發展。

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