機械系統設計中的可靠性問題分析

摘 要：機械可靠性的提高是當前機械行業普遍關注的話題，而設計、制造、管理則是提高可靠性的關鍵要素。文章對機械可靠性進行了介紹，并在此基礎上對機械可靠性的優化設計、穩健設計進行了深入的分析和探討。

關鍵詞：機械可靠性設計；發展沿革；優化設計；穩健設計

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，屬于可修復的人機系統。

1 機械可靠性設計的概述

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。

2 可靠性優化設計

2.1 可靠性優化設計的基本理論

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。

上個世紀60年代，機械優化設計獲得了最廣闊的發展。在這一時期，計算機技術和數學規劃有機的結合起來，推動了機械優化設計向更高的層次發展。優化設計的方法被廣泛應用于工程設計領域，并伴隨著計算機技術的飛速發展和數學規劃理念的不斷成熟，發揮著越來越重要的作用，取得了令人矚目的成果。具體來講，所謂可靠性優化設計主要包含三個方面，即產品的質量、成本和可靠度。可靠性優化設計從系統的、整體的角度對產品的可靠度進行分析，并對其性能進行約束與優化，在確保產品性能和質量的前提下，將產品的合理性和安全性有機結合，從而使得產品的可靠度實現最大化。通過可靠性優化設計，在滿足產品可靠性的同時，還使得能源以及資源獲得充分的利用，避免了能源和資源的不合理使用及浪費現象。采用可靠性優化設計所生產出來的產品，具有體積小、質量輕的特點，并使用節能材料，順應當前可持續發展和保護環境的趨勢。對機械產品進行優化設計的根本宗旨，即為了滿足安全的需要或者為了實現特定的預期點，通過最優化的方式，對產品進行處理。在進行優化設計時，需要考慮多種因素給產品性能帶來的影響，其中需要注意的兩點即結構參數以及各種載荷的隨機性。

2.2 近年來可靠性優化設計發展

近年來，高新科技不斷融入機械設計領域，許多現代化的設計方法和設計理念應運而生，可靠性設計和優化設計也獲得了飛速的發展。然而從設計的角度來看，可靠性設計和優化設計是設計的兩個不同方面，而對于機械產品的設計來說，如果單純的考慮其中的一個方面是無法達到設計要求的。這就需要在實際的設計工作中，將兩者相結合，從而發揮其潛在的巨大作用。可靠性設計不同于優化設計，可靠性設計是以產品的可靠性為設計宗旨的，因此設計的結果并非其工作性能或參數的最佳點。此外，優化設計有別于可靠性設計，優化設計并不考慮產品的可靠性，因此有可能導致事故，造成經濟損失。另外，單純的優化設計也無法保證產品在特定的時間和條件下達到預期的功能或目的。

機械產品的結構通常都比較復雜，所涉及到的設計參數也非常多，而單純的可靠性設計并不十分適用于多個設計參數的系統設計。因此，在進行可靠性優化設計時，要分清設計的重點以及明確設計的步驟，在保證機械產品可靠性的前提下，實現產品工作性能和設計參數的最優化，只有這樣，才能設計出既滿足可靠性又符合最優化性能的機械產品，實現產品性能與成本的統一。

2.3 關于可靠性的穩健設計

產品質量是企業贏得用戶的關鍵因素。任何一種產品，它的總體質量一般可分為用戶質量和技術質量。前者是指用戶所能感受到、見到、觸到或聽到的體現產品優劣的一些質量特性；后者是指產品在優良的設計和制造質量下達到理想功能的穩健性。穩健設計作為一種低成本和高質量的設計思想和方法，對產品性能、質量和成本綜合考慮，選擇出最佳設計，不僅可以提高產品的質量，而且可以降低成本。在機械產品設計中，正確地應用穩健設計的理論與方法可以使產品在制造和使用中，或是在規定的壽命期間內當設計因素發生微小變化時都能保證產品質量的穩定。

3 結束語

綜上所述，在進行機械設計時，設計人員應根據實際情況在滿足機械可靠性的前提下，實現產品最優化的目標。充分發揮可靠性設計和優化設計的巨大潛力，達到產品最佳點以及最可靠點。可靠性優化設計具有先進性和實用性的特點，在機械設計領域的應用也越來越廣泛，在提升產品質量的同時還帶來了巨大的經濟效益，其發展的前景十分廣闊。

參考文獻

[1]謝里陽，何雪法，李佳.機電系統可靠性與安全性設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2006.

[2]閻楚良，楊方飛.機械數字化設計新技術[M].北京：機械工業出版，2007.

[3]張義民，劉巧伶.多隨機參數結構可靠性分析的隨機有限元法[J].東北工學院學報，2012，13（增刊）：97-99.

[4]金雅娟，張義民，張艷林，等.任意分布參數的渦輪盤裂紋擴展壽命可靠性分析[J].工程設計學報，2009，16（3）：196-199.