機械結構可靠性穩健設計若干關鍵問題的研究

杭蕭鋼構股份有限公司 浙江省杭州市 311232

摘要：機械結構可靠性設計以產品的不同種類和組成的不同為依據，來選擇的可靠性設計具體方法。機械可靠性設計中用到的方法有很多種，不乏一些有代表性的設計方法，這些設計方式對產品的可靠性的提高是有利的。

關鍵詞：機械產品；可靠性：設計方法

1.概率設計

1.1概率設計的概念

概率設計法是運用概率的統計進行機械零件和構件設計的方式。它將承載負荷、材料的性能與材料強度以及零件各部分的尺寸，都看作屬于某一種概率而分布的統計數量。

1.2概率設計的優勢

較為常見的安全系數法則通常都選取最小的強度高于最的大應力，但機械產品的應力與強度都是隨機改變的量值，按照概率的分布情況來表述零件的應力以及強度的分散情況來判斷更加貼合實際。一般的安全系數法則沒有與定量之間的可靠程度相關聯。而概率的設計法則承認所設計出的的零件會存在一些故障的可能，并且可以定量的回復故障的概率或者可靠程度。安全系數的確定性通常都沒有經過科學的分析，而是僅僅以經驗來確定，比較隨意和盲目。以應力的強度大小來干涉模型設計，可以最大程度的發揮出材料的本身的性能，能達到使零件的重量輕，能源的消耗節省很多，讓設計思路更準確、更科學、更理性。比較大的安全系數一般遮蓋了對其它故障系統的考慮。所以，概率設計就有可能對不同種類的的故障精細地加以考慮研究。概率設計的方是比較系統的、完善的，在發展程度上也是比較領先的，它化解了在機械設計中已經運用了幾個世紀的傳統安全系數設計法則中的很多缺陷，逐步受到廣大設計者的高度重視。該方法己成功運用在一些高要求的結構設計之中，但是對于一般機械產品，因為基礎的數據和建立模型經驗的不足，運用還是不太普遍。

2.穩健性設計

2.1穩健性設計的含義

穩健性設計指的是使產品的性能應對在制造過程中的變異，對于環境的變異敏感度不高，并使產品在其自身的壽命內，不論其參考數值、構成發生移動或老化，都能正常平穩地工作的一種設計方式。

2.2穩健性設計的觀點

穩健性設計是日本的田口玄一提出的一種統計分析數據的設計方式，其主要理論觀點就是產品的質量可以應用對用戶造成的損失來作為依據。這些損失通常與產品的實用功能特征成正比。與其目標數值之間的的差距越大，給用戶造成的損失則越大，即質量也就越差。所以，改進質量的最好方法就是一直減少差距。對于差距問題，一般的做法是通過產品的檢測結果來切掉超差的部分，或是加強對材料以及工藝的控制來縮短差距。

2.3穩健性設計的優勢

穩健性設計方法選擇了可以控制的設計參考數值的最優組合。使得產品的功能性對差距的起因不會過于敏感，提高產品本身的抗擾能力。它是一套追尋低成本、高功能的產品的優化方式。它不是一種單獨的方法，而是為了完成共同目標而形成的多種方式的聚集體，是一個系統。其中心思想是以用戶的訴求為引導，運用三次設計等方法打造的最優設計方案，把問題在設計的階段就全部解決，以最小的付出獲得最高的功能性，即就是至高的可靠性以及最高的產品質量。

3.降額設計

3.1降額設計的概念

降額設計指的是使零部件的使用力度小于其額定力度的一種設計方式。降額設計可以用降低零件的承受力或者提高零件的強度等方式來辦法來促成。

3.2降額設計的具體方法

許多工程的經驗表明，一部分的機械零件在小于額度規定的承載應力之下作業時，其發生故障的概率比較低，可靠程度比較高。為了找到最佳的降額數值，需要進行大量的實驗分析。當機械的零部件載荷力以及負荷這些應力的負責零部件的強度大小在某一個范圍內呈現不確定的分布情況時，可以運用提升平均強度、下降平均應力，減低應力的變化和削減強度變化等方式來提高其可靠程度。而在應對涉及安全的組成零部件時，還可運用極限設計法，來保障其在最嚴酷的極限情形下也不會出現故障。

4.預防故障設計

4.1預防故障設計的概念

預防故障的設計含義主要是根據往常的作業經驗和各類信息，采用各種有效方式，防止產品故障的發生，或控制故障發生的概率不超出規定的范圍。

4.2預防故障設計的措施

機械產品在經過長期的發展中，累積了許多的設計以及使用經驗。所以，機械產品的設計主要運用傳統的技藝以及豐富的經驗來規范設計的制度，并運用較為可靠的分析技術來保障產品的可靠性能，這是產品可靠性得到保障的最有效的方法。主要的技術有可靠性設計規則以及可靠性設計監控表，如要加強機械產品的可靠性，那么要做的是從零部件的選擇上嚴格把關，利用以往的經驗和科學的實驗成果，優先選取標準零件和通用零件。

5.簡化設計

就機械產品而言，以可靠性模型的分析為依據。大部分都屬于關聯系統，所以提高可靠性最基礎的原則就是在達到預定功能的前提下，設計應該從簡。從選擇安全實用的零部件、降低零部件數量和結構簡約做起，零部件的數量應該盡量減少，越簡約可靠性越強，這是可靠性設計的基本原則，是降低故障率提高可靠性的最好方法。所以，要最大程度的采用結構簡約、有成熟的使用經驗的零件和技能，盡可能的減少不必要的零件，降低零部件發生故障的概率，保證整機系統可靠性最優的實現。但不能因為零件的減少而使其它零件執行超額的工作量。否則，簡化設計將不可能達不到提高可靠性的最終目的。

6.余度設計

因此余度設計這種方法是將可靠性水平較低的零件設計組成水平較高的可靠性的整體機械系統，一般運用在電子產品之中，但是隨著機械系統趨向復雜化以及使用可靠性需求的提高。在成本以及重量還有可靠性的制約權衡下，也可采用這個方法。

7.安全設計

7.1安全設計的主要措施

安全設計的主要措施有：報警異常、安全裝置的設計、故障監視的裝置等。異常報警設計法指的是在設計系統的時候，把一套感應報警的裝置與系統結合組裝起來，當系統出現異常時能自動報警，報警可運用聲音、電光、振動等方式。安全裝置的設計就是把最為重要的分系統以及部件安置在具有保護功能的設備之中，把與整套系統發揮的分系統有關的部件都保護起來，來增強其抗損壞能力。

8.損傷容限設計

8.1損傷容限設計的概念

損傷容限設計是在斷裂力學及破損安全設計的原理作為基礎，提出的一種新式的疲勞設計方式。

8.1損傷容限設計的措施

常規的疲勞設計方式與局部應力的應變法則都是以原材料的完整度為基礎的。但是，實際的零構件在加工過程中，因為各種元素的干擾，一般都會有著這樣那樣的不足或裂痕。損傷容限設計是在機械結構中，一部分結構發生損壞時，能使這種損壞限制到最低。一直持續到下一個檢測或者維修前，保護整個結構不會演變成致命破壞，以至于對整個機器功能的正常操作產生影響的設計，這種方在航空、船只等涉及安全的重要構成中經常被運用。

9.可靠性優化設計

9.1可靠性優化設計的必要性

一個產品或是零件在可靠性設計之后，并不能就保證它的工作能力一定達到了最優狀態。所以，要使產品以及零件既能保障其一定的可靠性，又保證有最優的工作能力能以及優良的經濟性，應將可靠性設計與和最優化有效地科學地結合起來，形成可靠性優化設計?？煽啃詢灮O計，是在可靠性的基礎上進行設計的優化。

9.2可靠性優化設計的原則

以概率論為原理，以計算機為操作手段。將可靠性設計和最優化設計完美的結合，在保證了合理的可靠程度的基礎下，尋求最優的技術經濟設計的方案。即把對可靠度的具體要求，結合在優化問題的條件之內，結合到優化的函數內，采用優化方法，來獲得產品參數的解。

結束語

機械結構的可靠性是設計、生產以及嚴格的監管出來的。任何一個環節的疏忽都會影響可靠性的水平，所以說，設計是奠定產品可靠性的重要保障，設計階段的可靠性更為重要。

參考文獻：

[1]吳濤、李德杰，虛擬裝配技術[J]，彭城職業大學學報2014，16（2）：99-102.