機械可靠性設計方式與原理分析

(鄭州工業應用技術學院 河南 新鄭 451100)

1.機械可靠性的設計方式

1.1 機械可靠性優化設計

機械產品從初始方案建立到真正的生產制造需要經過一個時間比較長的設計過程。近年來，科學技術不斷進步發展，各種新的制造技術與制造工藝逐漸興起并且廣泛應用于機械產品的制造中。機械產品的更新換代速度也非常快，客戶對機械產品的要求也越來越高。所以說必須要發展設計理論、對設計技術進行改進并且加量加快設計過程。機械優化設計逐漸出現，機械優化設計融合了數學規劃和現代計算機技術，兩者的融合能夠有效解決一些復雜的設計問題，提升機械設計水平。

圖1 機械可靠性優化設計框圖

機械產品的可靠性問題直接影響到機械產品的實際應用，和機械產品產生的綜合效益。機械可靠性設計能保證機械產品的各方面質量，在最短的加工時間內制造出最優的機械產品。機械可靠性優化設計主要包括三個方面的內容，分別是：質量、成本以及可靠度。可靠性優化設計的主要目的就是通過設計優化，在最大程度上提升機械產品的可靠性。可靠性優化設計框圖如上圖1所示。

1.2 機械可靠性靈敏度設計

在機械產品可靠性設計中，對機械產品進行優化設計或者進行工程近似分析，都需要應用靈敏度分析。一般來說，在機械產品設計中都要對產品的設計方案進行測試試驗分析，如果在設計過程中機械產品的設計方案發生了變化就必須要進行第二次測試試驗分析，而測試試驗分析的整個過程需要耗費大量的人力物力，而且工作效率也比較慢。另外，對于一些復雜的機械產品來說，它們的結構系統十分復雜，涉及的幾何參數和物理參數非常多，而可靠性設計就是要研究這些具體的參數對產品特性的影響，其實從本質上來說就是研究機械產品特性對這些參數的靈敏度。其實在機械產品設計中，靈敏度分析主要是為機械產品可靠性優化設計提供數據參考。目前，機械可靠性靈敏度設計分析方法有很多種，常用的有：直接分析法、伴隨變量法以及Green函數法等。

機械可靠性靈敏度設計簡單來說就是在可靠性基礎上的靈敏度設計，通過靈敏度分析結果來確定一個具體的參數，從而提升產品的整體性能。機械可靠性靈敏度設計對于可靠性設計來說意義重大，能夠有效的降低機械產品參數分析復雜程度。機械可靠性靈敏度設計框圖如圖2所示。

圖2 機械可靠性靈敏度設計框圖

1.3 機械可靠性穩健設計

在機械產品設計與制造中，保證機械產品的質量非常關鍵，而不論是什么產品其總體質量都可以分為兩個部分，其中一個部分為外部質量，另外一個部分為內部質量。外部質量主要是指用戶能夠直接感受到的一些質量特性，內部質量主要是指產品的整體性能以及產品的穩健性。所以說，機械可靠性穩健性設計作為一種高質量的設計方法和設計思想能夠為機械產品的質量提供有力的保障。

機械可靠性穩健設計方法主要有兩種，其中一種是根據設計經驗或者是以半設計經驗為基礎的傳統設計方法，常用的設計方法有：田口法、響應面法以及廣義模型法等。另外一種穩健設計方法主要是指以工程模型為基礎，結合優化技術的設計方法，常用設計方法有隨機模型法和變差傳遞法。隨著計算機技術以及CAD技術的不斷進步與發展，以工程模型為基礎的穩健設計法設計水平進一步提高。機械可靠性穩健設計需要靈敏度設計的配合，在實際設計過程中需要靈敏度分析的支持，通過靈敏度分析能夠在最大程度上控制影響產品質量的不確定因素，從而就能夠提升產品的穩健性。

2.機械可靠性的設計原理

機械可靠性設計是以物理學研究為基礎的，通過可靠性試驗以及可靠性數據分析結果確定相應產品的設計參數，從而提升產品的整體性能與整體質量。在機械產品的設計階段能夠根據可靠性設計原理對機械制造需要參照的可靠性指標進行確定。而且通過機械可靠性設計還能夠給對機械的主要零件以及主要部件的使用壽命和工作性能進行確定。在此基礎上通過機械可靠性優化設計，就能夠對機械主要零件以及主要部件的參數進行適當調整，從而提升機械產品的整體性能以及使用壽命。根據物理指標設計，機械可靠性設計方法可以分為兩種，其中一種是定性設計方法，另外一種是定量設計方法。

機械可靠性定性設計方法就是指在機械設計過程中借鑒相關成功設計經驗，或者以失敗的經驗教訓為參考，提升機械設計的水平，盡量避免機械設計缺陷。具體來說，就是在機械產品設計的過程中，首先對機械產品在實際應用中可能會出現的故障以及可能影響機械產品的因素進行綜合考慮分析，之后通過機械可靠設計改進設計方案，盡量消除影響機械產品正常運行的因素。

機械可靠性定量設計法主要是以應力強度干涉模型為基礎，以功能失效的狀態函數理論為前提條件。在機械可靠性定量設計中，將機械強度、機械應力等看作是隨機變量，然后應用相應的概率方法，根據隨機變量對機械產品的實效概率以及機械產品的可靠度進行計算，根據計算結果評估機械可靠性設計是否合理。

3.機械可靠性設計的應用

通常來說機械可靠性設計的應用范圍越來越廣，現階段主要是集中于大功率機械產品、機械產品中易磨損件以及機械產品的運轉參數上面。保證機械產品可靠性的基礎就是機械產品之中的主要零件，這些主要零件的運轉功率都比較大。通常情況下，機械產品的大功率零件在正常運轉過程中會受到應力作用的影響，出現銹蝕、磨損以及疲勞等現象，從而對機械產品正常運轉以及可靠性產生影響。機械可靠性設計的應用就是綜合考慮，機械產品應力、強度分布以及機械產品的可靠度，然后在概率意義上將三者聯合起來，為機械可靠性設計計算提供依據。機械可靠性設計計算主要應用耦合方程開展計算，計算完成后再集合對機械產品零部件的復雜程度，具體使用環境以及相似產品的失效記錄確定機械產品零部件的可靠性指標。在機械產品零件的制造過程中就按照這個可靠性指標進行制造。

4.總結

綜上所述，機械可靠性設計是一項基礎技術工程，主要的目的就是保證機械產品的正常穩定運行。在機械零件的設計中必須要考慮可靠性因素，因為只有保證機械零件具有可靠性，才能夠保證機械產品的整體性能。本文研究分析了機械可靠性設計方式與原理，首先從可靠性優化設計、可靠性靈敏度設計以及可靠性穩健設計三個方面介紹了機械可靠性設計的方式，然后說明了機械可靠性設計的原理。希望通過以上分析能夠讓大家對機械可靠性設計有一個比較全面的了解。