機械零部件的可靠性優化設計探究

摘 要：機械產品的可靠性是衡量機械產品質量的一個重要指標，隨著科學技術的發展，對機械產品的可靠性要求也日益提高。要提高機械產品的可靠性，必須首先從設計上解決機械產品的固有可靠性要求，然后在制造中加以保證。具有良好的可靠性指標是使我國機械產品在國際市場上具有競爭力的重要保證，機械零部件的可靠性優化設計其重要性不言而喻。機械零部件的設計不僅需要的是與時俱進、把脈時代的創新精神，更需要把握零部件質量保證和可靠性優化設計的科學方法。

關鍵詞：零部件 可靠性 優化設計

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0083-01

1 機械零部件可靠性設計的作用

可靠性設計是指以形成產品可靠性為目標的設計技術，又稱概率設計，將外載荷、承受能力、零部件尺寸等各設計參數看作隨機性的變量，并服從一定的分布，應用數理統計、概率論與力學理論，綜合所有隨機因素的影響，得出避免零部件出現破壞概率的相關公式，由此形成與實際情況相符合的零部件設計，確保零部件的可靠性和結構安全，控制失效的發生率在可接受的范圍內。概率設計法的作用體現在兩個問題的解決。首先，分析計算根據設計而進行，確定了產品的可靠度；其次，根據任務提出的可靠性指標，確定零部件的參數，從而幫助設計者和生產者對零部件可靠性有清晰明確的了解。

2 機械零部件可靠性優化設計現狀

目前，主要使用可靠性優化設計方法還是傳統的設計方法。這種方法在設計機械零件時，一般都將零件的強度、應力和安全系數都是當作是單值的，將安全系數與根據實際使用經驗規定的某一數值相比較，如果前者大于后者，就說明零件是安全的。但是由于沒有考慮到各參數的隨機性，把各個設計參數看成是單一的確定值，因此并不能預測零部件可靠運行的概率，很難與客觀實際的最優化方案相符，設計人員也不好把握其設計產品的可靠性。

以概率論和數理統計等作為工具的可靠性設計方法，避開了主觀的人為因素在設計過程中的影響，外界條件變化得到了從整體上的把握，設計結果更貼近客觀情況。可靠性設計廣泛應用在機械零部件可靠性設計的各種問題中，更科學地解決了許多繁瑣的傳統設計方法有心無力的問題。

3 機械零部件可靠性設計方法

機械零部件可靠性的設計不僅需要的是與時俱進、把脈時代的創新精神，更需要把握零部件質量保證和可靠性優化設計的科學方法。機械零部件可靠性設計是基于傳統機械設計以及其他的優化設計方法進行的，由于機械產品有著千差萬別的功能和結構相異之處，因此，機械零部件可靠性的設計方法以及優化方式的選擇需要因地制宜。

3.1 權衡與耐環境設計

權衡設計是對可靠性、質量、體積、成本等要素進行綜合衡量后，制定出最佳方案的設計方法。耐環境設計也是進行綜合考慮的一種優化設計方式，從機械零部件生產之初，就將零部件在整個壽命周期內可能遭遇的各種環境影響考慮在內，包括運輸的碰撞、空氣干濕程度對設備的作用、設備保養合理程度等，通過對這些環境因素的分析，在零部件生產用料和生產技藝上加以優化，從而進行保護和保證零部件自身乃至機械設備的可靠性。

3.2 預防故障設計法

機械設備的運作是整體性運作，處于完整的串聯式系統中。實現“整體功能大于部分功能之和”的目標，優化機械設備的可靠性，首先需要優化零部件的可靠性。機械設備的零部件需要進行嚴格的選擇和控制，對外購件需要嚴格把控，標準件和通用件要優先選用。選用之前要對零部件進行分析驗證，最大程度利用故障分析成果，以成熟的經驗和經過分析驗證證實的方案。

3.3 簡化與余度設計

簡化設計指的是在滿足特定功能的條件下，設計應該合理簡化，如零部件的數量盡量避免冗余。所謂“多個香爐多只鬼”，越復雜越容易出現錯誤和故障，可靠性的優化就更無從談起了。這不僅是可靠性優化設計的一個基本原則，也是避開故障、提高可靠性的最有效方式。簡化意味著減少不必要的部分，而并非依靠少部分超負荷承擔大部分的工作，零部件的簡化需要從整體著眼，仔細分析零部件的組合與配合的最佳方式。余度設計則是從整體入手，類似于計算機中的備份功能。通過對完成規定功能設置重復的結構、備件等，以防局部故障或失效時，機械設備整體系統依然保存著規定的功能。

3.4 概率設計法

將應力一強度干涉理論作為基礎原理支撐，把應力和強度作為服從一定分布的隨機變量處理。處理設計對象中與設計有關的參數、變量等部分，成為服從特定的統計規律的隨機變量，建立符合可靠性設計標準的概率數學模型，通過概率與數理統計理論和強度理論，得出在給定條件下零部件產生破壞的概率公式，求出在給定的可靠度中零部件的尺寸、壽命等，使其在符合要求并且得出最好的設計參數。這種方法巧妙地填補了常規設計的缺陷，而且較為貼近生產實際。

4 結語

綜上所述，機械可靠性設計的方法是在傳統方法以及旁支方式上得到發展與完善的。成功的機械零部件可靠性優化設計，在把握設計參數的隨機性、多參數的設計以及在設計中預測該零部件的可靠度等問題上都有全局性思路的貫穿。想要在國際市場競爭上占據一席之地，擁有良好的可靠性是我國機械產品生產商努力的大方向，機械零部件的可靠性優化設計其重要性不言而喻。因此，在對這個問題進行研究時，不僅要有創新的思想，還要有科學可靠的設計方法。

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