機械工程的可靠性優(yōu)化設(shè)計

摘 要：伴隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機械工程設(shè)計已經(jīng)得到了很大進步，并形成了一個十分復(fù)雜的專業(yè)領(lǐng)域。由于當(dāng)前機械產(chǎn)品品種多樣，而且任何產(chǎn)品都需要保證可靠性，所以必須加強機械工程的可靠性設(shè)計。雖然機械工程可靠性的設(shè)計方法有很多，但是每種方法都有優(yōu)缺點，在實際設(shè)計的過程中，應(yīng)該根據(jù)具體的設(shè)計需要選擇最佳的設(shè)計方法，保證不斷優(yōu)化機械工程的可靠性設(shè)計。文章主要針對當(dāng)前我國機械工程的可靠性優(yōu)化設(shè)計的具體方法進行分析，希望能夠促進我國機械工程的快速發(fā)展，同時也為相關(guān)人士提供一定的借鑒性。

關(guān)鍵詞：機械工程；機械產(chǎn)品；設(shè)計方法；可靠性優(yōu)化設(shè)計

機械工程設(shè)計的可靠性直接關(guān)系到機械設(shè)備的整體質(zhì)量，所以必須不斷優(yōu)化機械設(shè)備的可靠性設(shè)計，使機械工程的可靠性滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，為各行各業(yè)的使用提供保障。

1 機械工程可靠性設(shè)計的常用方法

1.1 概率設(shè)計法

這是一種應(yīng)用概率設(shè)計理論進行機械零部件及構(gòu)件設(shè)計的方法，它的基本原理是將原材料性能、荷載、強度以及零部件尺寸等條件全部視為屬于某一種概率分布的統(tǒng)計量，并以通用的廣義應(yīng)力強度干涉模型作為基本運算公式，然而運用機械零部件傳統(tǒng)的設(shè)計計算模型，獲得給定可靠度下的零部件尺寸或是給定尺寸下零部件的可靠度及其相應(yīng)壽命。該方法的設(shè)計核心是將設(shè)計變量當(dāng)做隨機變量，并借助應(yīng)力強度干涉模型來確保設(shè)計出來的零部件達到指定的可靠度指標(biāo)要求。這種設(shè)計方法與傳統(tǒng)的以安全系數(shù)為基礎(chǔ)的設(shè)計方法相比，其具有以下優(yōu)越性：其一，傳統(tǒng)設(shè)計方法通常都是取最小強度大于最大應(yīng)力的指標(biāo)，然而機械產(chǎn)品的強度和應(yīng)力卻并非固定不變的，所以這種設(shè)計在可靠度方面相對較差，而概率設(shè)計法則是以概率的分布來對零部件的應(yīng)力和強度進行描述的，故此更貼合實際情況，可靠度也相對更高；其二，在傳統(tǒng)的設(shè)計方法中并沒有與定量可靠度相關(guān)聯(lián)，致使設(shè)計出來的產(chǎn)品無法滿足定量可靠度要求，而概率設(shè)計法承認(rèn)所有設(shè)計的零部件都或多或少地存在一定的故障可能性，同時可以定量回答出故障的概率和可靠度；其三，傳統(tǒng)的設(shè)計方法很少經(jīng)過理論分析，多數(shù)時候憑借的都是經(jīng)驗進行確定，這種設(shè)計的主觀隨意性和盲目性相對較大，而概率設(shè)計法則是按照應(yīng)力強度干涉模型進行設(shè)計，這樣能夠使原材料的固有性能獲得充分發(fā)揮，進而達到更精確、更合理的設(shè)計目標(biāo)。采用概率設(shè)計法對機械產(chǎn)品進行設(shè)計必須具有大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和建模經(jīng)驗，正因為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的缺乏，使得該方法的應(yīng)用并未獲得大范圍推廣普及，僅在極少數(shù)機械工程設(shè)計中有所應(yīng)用。

1.2 穩(wěn)健性設(shè)計法

由于機械設(shè)備會被應(yīng)用在各種環(huán)境下，做好產(chǎn)品穩(wěn)健性設(shè)計也是提高機械產(chǎn)品可靠性的重要方式。該種設(shè)計方法主要是保證在產(chǎn)品制造過程中不會因為外部環(huán)境的變化而變得過于敏感，雖然設(shè)備參數(shù)出現(xiàn)了變化但仍然能繼續(xù)工作。這種設(shè)計方法的基本原理是通過統(tǒng)計分析來得出產(chǎn)品質(zhì)量可用性對用戶造成的損失，這種損失主要是通過產(chǎn)品功能性和產(chǎn)品目標(biāo)之間的比值來體現(xiàn)的，比值越大，那么用戶受到的損失就越多，這也就表明產(chǎn)品質(zhì)量存在著很大問題。通過穩(wěn)健性設(shè)計能夠通過改善材料以及提高生產(chǎn)工藝來改善機械產(chǎn)品的質(zhì)量。不過任何設(shè)計方式都存在著缺陷，該種方法就存在著經(jīng)濟性差的缺陷，而且要求較高的技術(shù)水平。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，該種方法已經(jīng)得到了改良和完善，能夠一定程度上的提升產(chǎn)品的可靠性。穩(wěn)健性好的機械產(chǎn)品，其可靠性自然就高。

1.3 降額設(shè)計法

所謂降額設(shè)計法指的就是在零部件生產(chǎn)的過程中通過降低其應(yīng)力或者是提高其整體強度來達到額定應(yīng)力的一種方法。零部件是機械設(shè)備中的基本構(gòu)成要素，其應(yīng)力大小直接關(guān)系到設(shè)備的使用有效性，通過大量的工程實踐證明，如果零部件能夠長期在低于額定應(yīng)力的情況下工作，就能夠減少故障發(fā)生率，進而提高設(shè)備的可靠性。不同的零部件額定應(yīng)力是不同的，所以需要通過大量的工程試驗來獲得額定值。如果機械設(shè)備中的某些零部件長期承受某個范圍內(nèi)的荷載應(yīng)力，并呈現(xiàn)出不確定分布的情況，那么就可以通過提高零部件的強度，降低額定應(yīng)力來提高設(shè)備的可靠性。

1.4 預(yù)防故障設(shè)計法

該方法主要是通過大量的工程實踐以及行業(yè)內(nèi)的相關(guān)信息，總結(jié)出機械設(shè)備可能出現(xiàn)的各種故障，并提前最好應(yīng)對措施，控制機械設(shè)備發(fā)生故障的幾率，進一步提高設(shè)備的可靠性。工作人員在長期生產(chǎn)機械設(shè)備的過程中，往往會面臨各種故障問題，通過總結(jié)這些經(jīng)驗，并結(jié)合機械產(chǎn)品設(shè)計的相關(guān)規(guī)范，運用可靠性方法來做好機械產(chǎn)品故障預(yù)防設(shè)計工作。該種方法也是當(dāng)前保證機械產(chǎn)品可靠性的有效途徑之一。例如，為了提高某種機械產(chǎn)品的可靠性，可以通過優(yōu)化機械產(chǎn)品中零部件的性能，在設(shè)計過程中考慮到將來使用中可能出現(xiàn)的問題，以及產(chǎn)生這些問題的原因，提前做好預(yù)防措施，同時根據(jù)機械產(chǎn)品種類以及用途的不同，設(shè)計出幾種方案，通過對比選擇最佳的設(shè)計方案。

2 機械工程的可靠性優(yōu)化設(shè)計研究

隨著信息時代的到來，計算機技術(shù)在機械工程中的應(yīng)用，提高了機械工程的可靠性，進一步優(yōu)化了機械工程的設(shè)計工作。機械工程優(yōu)化設(shè)計作為一門新興學(xué)科，其主要目的就是通過減少生產(chǎn)消耗，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的最優(yōu)性能，最高可靠性，這也符合當(dāng)前市場經(jīng)濟發(fā)展的實際需求。通過提高機械產(chǎn)品的可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)機械產(chǎn)品中的任何一個零部件，任何一個環(huán)節(jié)都達到協(xié)調(diào)狀態(tài)。設(shè)計人員可以根據(jù)機械產(chǎn)品設(shè)計的實際需求，選擇最為合適的設(shè)計方法。其實不斷優(yōu)化機械產(chǎn)品可靠性的設(shè)計方法就是希望能夠提供設(shè)計理論上的創(chuàng)新來提高機械產(chǎn)品的可靠性，使產(chǎn)品能夠滿足相關(guān)行業(yè)的需求。機械產(chǎn)品設(shè)計離不開數(shù)學(xué)，把可靠性理論與數(shù)學(xué)知識相結(jié)合，也就是將設(shè)計參數(shù)設(shè)置為隨機變量，并把機械產(chǎn)品可靠度作為目標(biāo)函數(shù)，從而獲得最合適的設(shè)計計算方法。該種方法彌補了傳統(tǒng)設(shè)計方法的不足，并能夠滿足當(dāng)前不斷變化的機械產(chǎn)品市場。此外，通過優(yōu)化機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計還能夠提高機械產(chǎn)品的利用價值，延長機械產(chǎn)品的使用年限，為企業(yè)節(jié)省了資金，提高了生產(chǎn)效率。

3 結(jié)束語

通過對機械工程可靠性設(shè)計的優(yōu)化，能夠促進機械工程設(shè)計工作的發(fā)展，并進一步提高了機械設(shè)備的整體質(zhì)量。

參考文獻

[1]陸榮，陸達.摩擦換向抽油機中擺線針輪傳動的可靠性優(yōu)化設(shè)計[A].2011年全國機械行業(yè)可靠性技術(shù)學(xué)術(shù)交流會暨第四屆可靠性工程分會第三次全體委員大會論文集[C].2011（8）.

[2]覃嶺，謝君生，梁東城.液壓自動車床V帶傳動可靠性優(yōu)化設(shè)計[A].中國機械工程學(xué)會傳動分會2008年風(fēng)力發(fā)電論壇論文集[C].

2008（7）.

[3]李浩陽，曹謝東.混合遺傳算法在機械零件性能可靠性優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[A].2009全國先進制造裝備與機器人技術(shù)高峰論壇論文集[C].2009（6）.

[4]孫占全，李海濱，張旭，等.基于遺傳算法的圓柱齒輪傳動模糊可靠性優(yōu)化設(shè)計[A].2011年中國機械工程學(xué)會年會暨第九屆全國特種加工學(xué)術(shù)年會論文集[C].2011（10）.

[5]劉羽.模糊可靠性優(yōu)化方法在錐齒輪傳動設(shè)計中的應(yīng)用[A].全國機械可靠性技術(shù)學(xué)術(shù)交流會暨第四屆可靠性工程分會成立大會論文集[C].2009（7）.