淺談機械可靠性設計的內涵與發展

張永

摘 要：機械的可靠性設計是保障機械產品質量及安全性能的重要方面，本文在對于機械可靠性內涵翔實分析研究的基礎上，對于機械零件的傳統設計與可靠性設計進行了綜合比較，并探索了國內外機械可靠性設計發展概況，在此基礎上，提出機械可靠性設計的未來展望。

關鍵詞：機械；可靠性設計；內涵；發展

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A

機械產品的設計為多一技術復雜型過程，涉及多個學科，對于機械產品的設計，其設計可靠性是保障機械產品質量以及安全性能的關鍵，也是提升機械產品綜合競爭力的重要方面，因此，國內外諸多領域對于機械可靠性設計的提升進行了不斷探索。機械可靠性設計，指的是在一定的時間、環境條件下，機械產品所能實現的功能及效益的情況?？紤]到機械產品的性能參數受工程材料的離散型以及加工、安裝工藝偏差等影響較為顯著，且產品的設計對于產品的固有質量影響在75%左右，因此，機械產品的可靠性設計需綜合考慮這種不可靠性的影響。而國內目前對于機械產品的可靠性設計仍處于初級階段，難以達到“質量第一、質量取勝”的層次，且伴隨我國加入WTO后，世界范圍內機械產品強制認證制度的推行，機械產品的可靠性設計逐漸引起多方重視。

1.機械可靠性內涵

機械產品的可靠性設計對于產品的設計質量以及安全性能有著關鍵性影響，機械可靠性設計，指的是在一定的時間、環境條件下，機械產品所能實現的功能及效益的情況。機械產品可靠性設計是建立在常規設計方法的基礎上的保障機械產品的質量及安全性能的一類全新的設計方法，將數學規劃方法以及可靠性分析理論高效地結合起來進行設計可靠性分析，再結合最優化理論提出最優數值計算方法（概率意義下）。迄今為止，可靠性工程已有半世紀的歷史，伴隨機械化水平的不斷提升，世界范圍內逐漸引發對于機械可靠性的重視熱潮。通常工程上利用可靠度來對于機械產品設計可靠性的概率進行度量，機械產品的可靠性設計涉及領域較廣，且需要強大的數據庫資源作支撐，因此實際機械產品可靠性設計發展水平還有待提升。

2.機械零件的傳統設計與可靠性設計比較

2.1 機械系統可靠性特點

（1）機械系統結構及失效模式復雜，且故障情況較多，與電子產品故障不同的是，機械產品系統故障主要由部件磨損、疲勞而引起，且早期故障排除的難度較大，開展起來較為困難。

（2）考慮到機械產品應用環境的復雜性，其可靠性數據系統尚未健全。

（3）機械系統復雜，產品零部件難以實現標準化，失效率統計較為困難。

（4）由于機械產品壽命并不服從指數分布，因此機械產品的壽命和可靠性試驗無法使用指數分布的統計試驗方案。

2.2 兩種設計之間的關系

傳統設計通常由產品的性能以及機械性能要求出發展開設計，傳統方法所進行的設計及安全系數的校核難以衡量產品設計的可靠度以及故障發生率，只是引用經驗的安全系數，設計過程具有較大的盲目性?？紤]到經驗性的差異，對于產品的可靠性設計造成不利影響。

機械產品的可靠性，要求產品持續高效性能的實現，機械產品設計過程中，涵蓋H應力和H強度兩類故障因素，前者即包括環境因素以及外力在微元面積上產生的內力與微元面積比值的極限，環境因素包括溫度、濕度等存在一定的散步性。后者指機械結構承受應力（多因素影響的隨機變量）的能力。且應力及強度均存在一定分布規律，而傳統設計過程并未考慮此類規律性參數條件，可靠性設計即在傳統設計的基礎上，采用概率統計的方法對于設計參數及影響因素進行統計特性分析，可使得機械產品的設計更加高效、合理，更加符合工程實際應用，且機械產品的壽命和失效率也可實現可預測性能。

3.國內外機械可靠性設計發展

3.1 國內發展現狀

國內對于機械產品的可靠性研究起步相對較晚，20世紀80年代，相繼成立機械產品可靠性設計研究協會，制定可靠性設計標準，機械產品可靠性設計研究逐漸得到重視。

對于機械產品可靠性設計的研究方法主要包括以下幾方面：基于概率密度函數矩不等式的契貝雪夫點法，由陳立周等學者提出，該方法的研究是針對一次二階矩法精度低以及廣義模擬優化法存在的計算復雜而展開的，能夠高效地保證概率計算的精度；廣義隨機空間內考慮隨機變量相關性的結構可靠度實用分析方法，其應用于工程實踐，擴展了當前計算方法的適用范圍；基于隨機模糊性的結構優化設計方法，由王光遠等人提出并應用于抗震設計，取得良好成效；原始空間內的可靠性分析方法主要適用于隱式隨機變量的概率分布函數的可靠性研究；4次高階矩法能夠高效提升計算精度；通過國內可靠性研究方法的分析，學者們也給出了系統可靠性評價指標以及設計依據，但實際應用方面的研究相對較少，總體上與發達國家的差距較大，目前存在的問題包括：對于機械可靠性設計理解不夠深入，實際研究中沒有考慮機械產品設計的特殊性，結合概率統計進行可靠性設計的思路及方法不夠熟練，且國內也缺乏機械產品可靠性設計的實用技術手冊，給可靠性的設計及研究帶來困難；目前可靠性設計試驗研究存在周期長、難度大的特點，因此也給可靠性產品的試驗研究造成障礙。

3.2 國外發展現狀

對于可靠性設計研究的關注始于“結構的安全度”的發表，由于機械產品的需求量及功能性要求較高，也引發了對于機械可靠性的研究。19世紀60年代，美、日、英等國在機械可靠性研究的基礎上，初步建立起機械產品可靠性研究理論，并應用于工程實踐，相繼成立可靠性設計研究組等對于結構可靠性進行研究。

目前，國外機械可靠性設計已廣泛應用于航天、土木、車輛等眾多領域，西方發達國家由于工業化起步早，也率先建立起機械產品可靠性設計理論基礎，并有效地指導了工程實踐。對于機械零部件的可靠性概率設計方法的研究中，成立專門研究組，進行機械故障的預防以及檢測方面的分析，在大量數據的基礎上，形成可靠性分析大數據庫，如NPRD、NPs、ADA163900等數據手冊。日本的可靠性設計更偏向于實用化，并通過實驗的開展，不斷優化目前可靠性理論，積累大量可靠性設計經驗，因而對于工程實踐應用也起到較好的指導作用。前蘇聯的可靠性設計研究中，重點關注機械產品可靠性和壽命的提升，并制定一系列國家標準，對于產品的設計以及實驗研究方面進行深入分析?？煽啃匝芯糠较颍夯诟怕式y計理論之上的可靠性設計、適用于機械制造業的工藝可靠性研究方法。英國國家可靠性分析中心發布《機械系統可靠性》系統化分析了機械可靠性的研究方向，并基于大量數據提出多種可靠性評估方法，歐洲可靠性數據庫協會具有強大的可靠性數據分析網絡，給工程規劃和設備的研發、風險評估提供參考。

結語

目前機械產品可靠性設計逐漸引起多方重視，機械產品的可靠性設計作為一門邊緣性學科涉及領域及應用范圍較廣，且具有極為豐富的內涵。然而，國內對于機械可靠性設計的研究尚處于起步階段，各方面發展技術還欠成熟。由于機械可靠性設計作為一種更加合理的設計模式，實踐工程應用表明該方法可有效提升機械設計性能以及經濟效益，因此國際范圍內也展開了對于機械可靠性研究的熱潮，相信這一理論將會得到更加廣泛的推廣與應用。

參考文獻

[1]張祖明.論機械可靠性設計工作的發展途徑[J].機械設計與制造，2011（2）：99-101.

[2]汪勝陸.機械產品可靠性設計方法及其發展趨勢的探討[J].機械設計，2007（5）：121-123.