機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)的研究與展望

劉曉潔　陳自兵

摘要：本文介紹了機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)的概念，簡(jiǎn)述了幾種可靠性設(shè)計(jì)的主要方法。總結(jié)了目前機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)中存在的幾個(gè)困難，提出了可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)并做了簡(jiǎn)單的介紹。最后對(duì)機(jī)械可靠性的發(fā)展趨勢(shì)做了簡(jiǎn)單的展望。

關(guān)鍵詞：可靠性設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；發(fā)展趨勢(shì)；展望

0.引言

當(dāng)前，我們進(jìn)行機(jī)械零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)通常都是用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。這種傳統(tǒng)的零部件的設(shè)計(jì)方法可統(tǒng)稱為安全系數(shù)法，在設(shè)計(jì)前首先選定一個(gè)安全系數(shù)，對(duì)許用值（比如強(qiáng)度、壽命等）進(jìn)行放大，如果選卻的安全系數(shù)太小，可能會(huì)使得零部件的強(qiáng)度不夠，但是選定的過大又會(huì)引起結(jié)構(gòu)重量增加增加制造和運(yùn)行成本。同時(shí)，安全系數(shù)的選定并沒有進(jìn)行充分的理論分析，主觀隨意陛較大。如果采用可靠性設(shè)計(jì)則可以避免和解決這些問題。

1.可靠性的定義和特征

（一）可靠性的定義

產(chǎn)品在特定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成所需功能的能力，稱為可靠性。通常所說的可靠性是指狹義可靠性。如果在使用產(chǎn)品時(shí)，對(duì)其對(duì)按照規(guī)定進(jìn)行維護(hù)和修理，在此運(yùn)行條件下執(zhí)行任務(wù)總是處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，這就指的是廣義可靠性了。

（二）可靠性的特征量

產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成所需功能的概率，稱為可靠度。通常用R（t）來表示，R（t）=P（T>t）。其取值范圍為O

失效概率是指與可靠度對(duì)立的事件，稱為是不可靠度或失效概率F（t），F(xiàn)（t）=P（T≤t）。可知R（t）+F（t）+1

2.可靠性設(shè)計(jì)的主要方法

可靠性設(shè)計(jì)理論的理論基礎(chǔ)來源于故障物理學(xué)，同時(shí)要進(jìn)行可靠性試驗(yàn)并統(tǒng)計(jì)故障數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后建立能進(jìn)行有效計(jì)算的力學(xué)模型。這些方法主要包括應(yīng)力一強(qiáng)度干涉模型法、等效正態(tài)分布法、隨機(jī)攝動(dòng)法和二階矩法等。

3.可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

可靠性設(shè)計(jì)對(duì)于大多數(shù)的機(jī)械零部件設(shè)計(jì)是有效的，但是如果機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)較多、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜的零部件，傳統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)方法就有相當(dāng)?shù)木窒扌粤耍@就需要尋求新的設(shè)計(jì)方法——機(jī)械零部件可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)。運(yùn)用這種方法對(duì)機(jī)械零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾個(gè)問題。

（一）優(yōu)化準(zhǔn)則。

機(jī)械零部件可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則是：根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，選取不同的特征函數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)。

（二）設(shè)計(jì)變量

機(jī)械零部件設(shè)計(jì)常用的變量：零部件尺寸（定形尺寸、定位尺寸、總體尺寸）、材料的力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性、韌性等）、物理特性（密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性）、化學(xué)特征（抗氧化、耐高溫、耐腐蝕）等，這些設(shè)計(jì)參數(shù)都是相互獨(dú)立的，在對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中需反復(fù)進(jìn)行優(yōu)化并最終確定一個(gè)合適的值。同時(shí)，在確定設(shè)計(jì)變量時(shí)，還需要充分考慮各個(gè)參數(shù)的隨機(jī)性以及分布規(guī)律，使的選取的這些參數(shù)更夠真實(shí)的反映出零部件真實(shí)的工作狀況。

（三）約束條件

約束條件主要從兩個(gè)方面進(jìn)行，一是限制零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，二是限制零部件某項(xiàng)性能，具體選擇可根據(jù)具體情況參考常規(guī)優(yōu)化設(shè)計(jì)確定。

4.可靠性設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和發(fā)展方向

（一）可靠性設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

目前，雖然對(duì)機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)的研究和應(yīng)用都取得了一定的成果，但仍舊存在一些難點(diǎn)，主要有以下幾點(diǎn)：

（1）機(jī)械產(chǎn)品承受的載荷往往具有多樣性、復(fù)雜性、隨機(jī)性以及不確定性，這使得參數(shù)的選取有一定的困難，增加了設(shè)計(jì)的困難性。

（2）機(jī)械產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)和功能上并不是嚴(yán)格的串聯(lián)或并聯(lián)關(guān)系。因此，要精確統(tǒng)計(jì)某一零部件的故障率難度較大。

（3）機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)不能簡(jiǎn)單地采用標(biāo)準(zhǔn)化零件的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行，需要對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。

（4）通常情況下，機(jī)械產(chǎn)品產(chǎn)生故障原因是多方面的、不確定的。比如疲勞破壞、摩擦磨損、化學(xué)腐蝕、高溫蠕變以及老化等，由于這些因素都是具有耗損性的，因此難以采用定量的方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行定義和描述。

（5）機(jī)械產(chǎn)品發(fā)生耗損具有較大的隨機(jī)性，如果對(duì)故障物理的研究與認(rèn)識(shí)不夠深入，那么建立可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算的模型是很困難的。

（6）可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品試驗(yàn)周期較長，花費(fèi)也高，使得數(shù)據(jù)結(jié)果的應(yīng)用受到一定的限制。

（二）可靠性設(shè)計(jì)的發(fā)展方向

（1）無故障涉及和耐久陛設(shè)計(jì)

機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)研究的對(duì)象是產(chǎn)品的故障率。對(duì)不同的故障模式下?lián)p傷破壞發(fā)生的規(guī)律以及不可修產(chǎn)品與可修產(chǎn)品的差異進(jìn)行研究，再根據(jù)研究的結(jié)果選取相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。針對(duì)偶發(fā)性的故障，可對(duì)其進(jìn)行無故障性設(shè)計(jì)，針對(duì)漸發(fā)性的故障可對(duì)其進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)。因此，無故障性設(shè)計(jì)和耐久性設(shè)計(jì)將是今后可靠性設(shè)計(jì)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

（2）定性設(shè)計(jì)與定量設(shè)計(jì)相結(jié)合

在針對(duì)某個(gè)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)具體情況采用定性設(shè)計(jì)和定量設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法。綜合運(yùn)用各種設(shè)計(jì)方法，不能僅僅拘泥于某一種設(shè)計(jì)方法。

（3）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與可靠性設(shè)計(jì)相結(jié)合

傳統(tǒng)的安全系數(shù)法雖然有種種局限性，但其使用時(shí)間長，且直觀、簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)工作量小，在很多情況是可以保證機(jī)械零部件的可靠性的。并且目前機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)的推廣和使用都存在一定的困難，因此還不能完全摒棄安全系數(shù)設(shè)計(jì)法。現(xiàn)階段我們可以借鑒可靠性設(shè)計(jì)的理念，對(duì)傳統(tǒng)的安全系數(shù)法進(jìn)行完善和改進(jìn)。

（4）加強(qiáng)可靠性設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的分析研究

要保證可靠性設(shè)計(jì)精確性和先進(jìn)性是建立在應(yīng)力、強(qiáng)度、壽命等設(shè)計(jì)參數(shù)的真實(shí)性和精確性之上的，而通常情況下能準(zhǔn)確獲取這些數(shù)據(jù)是較為困難的，而且目前這些數(shù)據(jù)也比較缺乏。因此，要重視和加強(qiáng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集和分析，使這些數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反應(yīng)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的物理特性和使用特征，使這些參數(shù)對(duì)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有更為廣泛的應(yīng)用和參考價(jià)值，是也是未來機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的研究方向之一。