淺談機械可靠性設計發展

盛浩

摘要：機械產品可靠性設計是解決機械產品可靠性的重大課題。本文研究的目的是在總結、歸納工程經驗的基礎上，研究目前機械可靠性設計中突出的重要技術問題，為日后工作中遇到的機械產品的可靠性設計進行分析，指導型號可靠性工作，提供實用方法和技術支持。

關鍵詞：機械設計；可靠性；研究方法；應用實例

引 言

隨著現代科技的不斷進步，人們在對產品的要求也就更高，在對產品設計的時候，只有不斷的增強產品的可靠性，才能使在數烈競爭的過程中求得生存和發展，因此我們必須正視產品可靠性的設計。而我國機械產品的可靠性設計水平與國際先進水平相比還有相當大的差距，這已成為制約我國機械工業迅速發展的瓶頸，造成企業開發的產品質量的先天不足，“質量第一、質量取勝”的經濟戰略方計在機械產品中難以充分體現。隨著我國加入世界貿易組織，機械產品強制認證制度的推行，企業應該保證投放市場產品的質量，這種激烈競爭的狀況將使政府部門和企業清醒地認識到可靠性工程在機械產品研發過程中的重要性。

一、機械可靠性研究的發展

可靠性問題最早是由美國軍用航空郁門提出的，他們首先認識到不可靠性的代價實在太大。例如，在第二次世界大戰期間，美國空軍由于飛行故障而損失的飛機達21000架，比被擊落的多1.5倍。隨著現代工業技術的飛速發展，機械產品日趨復雜化、大型化、高參數化，對各種產品的要求越來越高，使產品發生故障的機會增多，其中災難性的事故亦時有發生。如1985年8月，日航123航班波音美國747客機墜毀，使520人喪生；1986年1月，“挑戰者”號航天飛機，因為火箭助推器內的橡膠密封圍因溫度低而失效，結果引起航天飛機爆炸，造成了7名宇航員全部遇難和重大的經濟損失。各種故障和失效不僅威脅若航空工業，也給造船、橋梁、交通運輸、動力機械、化工機械、工程機械等造成威脅。至于機械中的曲軸、連桿、齒輪、軸承及焊鉚接件等的損壞事故就更無法統計了。

近50年來，在機械設計領域中，出現了不少現代設計方法及相應的科學研究。現在，計算機輔助設計、優化設計和可靠性設計等在理論上和方法上都達到了一定的水平，并在應用中取得了一定的經濟效益。它們的出現，對整個機械設計學科和機械設計實踐都產生了十分深刻的影響，使過去許多難以解決的設計問題獲得了重大突破。可以說它們正在引起機械設計領域里的一場重大變革，正在受到人們日益廣泛的重視。隨著世界科學技術的迅速發展，機械可靠性設計工作也出現了嶄新的局面，大大提高了設計水平與速度，特別是對于結構復雜，使用條件要求高的產品，改變了設計難度大而不能設計或設計的質量低、周期長的狀況。

二、機械可靠性概述

根據國家標準的定義，可靠性是指“產品在規定時間內，在規定的使用條件下，完成規定功能的能力或性質”。

（一）理論研究方面

在理論研究方面，機械可靠性屬于邊緣性學科，然而其本身內涵相當豐富，所涉及到的學科和專業比較廣。機械可靠性設計方法是在常規設計方法的基礎上發展起來的一種全新的設計方法，它將可靠性分析理論與數學相關方法有機地結合在一起，運用最優化方法得到在概率意義下的最佳設計的一種數值計算方法。從工程實用性角度來看，機械可靠性設計方法是較傳統設計方法更為合理的設計模式，并且它能在實際應用中明顯地提高設計質量和獲得明顯的經濟效益，因此對可靠性設計方法的研究已成為目前國內外學者積極探索和研究的重要課題之一。

（二）實踐應用方面

自可靠性的科學定義建立以來，在世界范圍內，可靠性設計的新理論、新方法與新技術不斷涌現，從而大大提高了設計水平與速度，并且廣泛地應用于航空、航天、冶金、石油、化工、造船、鐵路、醫療、交通運輸、等各個工業部門之中，其發展之迅速，應用之廣泛，遠非一般應用科學所可以比擬。

三、現代機械可靠性方法分析

（一）基于靈敏度的可靠性設計方法

對于靈敏度的分析非常重要，這也是現代機械設計中的一種非常實用的設計方法，靈敏度分析主要就是對機械產品特性的設計參數的敏感度，在設計復雜的機械產品結構的時候，需要考慮不同的物理和幾何參數，如果設計方案要修改，關于那些參數也就要進行修改，這也就會對產品的特性產生巨大影響，同時也就需要設計人員能夠了解這些情況。對于靈敏度分析的過程，對這些影響因素要進行嚴格控制，是產品安全可靠性得到保障。像這種可靠性設計，對機械可靠性設計的效果以及準確性的提高有很人幫助，使產品的性能特性得以優化，從而使其壽命得以延長。

（二）基于穩健性的可靠性設計方法

根據靈敏度的可靠性設計方法，可以遞進到穩健性的可靠性的設計方法，可以使靈敏度極小化，在以往的設計方案中，對設計方案進行修改之后，進行測試分析，要投入更多的人力物力，而基于總健性的可靠性設計方法在很大程度上使這些不必要的損失得人避免，也使得可靠性設計能夠更加順利的進行。

（三）基于理論基礎的可靠性設計方法

機械可靠性設計理論可以使可靠性設計的準確性得到保障，根據產品的功能不同，對可靠性設計理論和方法也就不同。例如，廣義可靠性概率理論以及方法都是在可靠性理論基礎上進行研究，響應面法以及隨機有限元法等都屬于可靠性設計的具體方法，涉及到的內容包括靜強度設計、有限壽命設計以及疲勞強度設計等，還有機械產品可靠性設計，如對象關聯結構系統、振動系統以及機構系統等。

四、我國機械可靠性設計發展及現狀

在我國可靠性研究開始于上世紀60年代，我國機械可靠性的理論研究，主要集中在機械行業學會、研究院所與高等院校中，一些科技研究人員和工程設計人員投入到可靠性工程的研究之中，制定了一批可靠性標準，取得了較大的成果。但總的來說，機械產品的可靠性設計水平仍然很低，與國外先進水平相距甚遠，可靠性管理體系基本上沒有在企業中建立起來，可靠性設計技術基本上沒有在設計部門推廣使用。可靠性水平提高速度較慢和可靠性設計能力較低，主要是限于可靠性工程理論的發展與傳播和工程設計人員對可靠性設計方法的理解與掌握。

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