機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計研究

梁君　姚春利　杜宇

摘要：隨著近年來國內(nèi)外科技的迅猛發(fā)展，機(jī)械的可靠性研究逐漸被人們所重視，機(jī)械的可靠性設(shè)計作為機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量以及安全性能的保障，對機(jī)械的使用和優(yōu)化升級有著重要的影響，在提升機(jī)械產(chǎn)品綜合競爭力方面也有著其特有的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：機(jī)械 可靠性設(shè)計 研究

隨著國家經(jīng)濟(jì)科技的迅速發(fā)展，機(jī)械制造成為了生產(chǎn)力發(fā)展的重要助力，機(jī)械產(chǎn)品也在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中不斷進(jìn)行優(yōu)化升級，而這一設(shè)計過程在技術(shù)層面是非常復(fù)雜的，其設(shè)計過程涉及到多個學(xué)科方面，其中設(shè)計可靠性作為保障機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性能的關(guān)鍵，在優(yōu)化設(shè)計的過程中一直是重點(diǎn)的研究方向。因此國內(nèi)外都在機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計研究方面不斷的探索，力求能夠最大限度的發(fā)揮機(jī)械的操作價值。由于對機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計研究的起步較晚，使得機(jī)械可靠性設(shè)計在實(shí)際應(yīng)用中并不廣泛，因而本文將對機(jī)械產(chǎn)品可靠性進(jìn)行初步的研究。

一、機(jī)械可靠性設(shè)計概述

近年來機(jī)械可靠性設(shè)計的研究逐漸成為相關(guān)機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)，也逐漸認(rèn)可了機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計在產(chǎn)品質(zhì)量和使用安全方面的重要性。簡單來說，機(jī)械可靠性就是指在一定的時間和環(huán)境條件下機(jī)械產(chǎn)品能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)的操作功能和實(shí)際效益。因而機(jī)械的可靠性設(shè)計是一種基于常規(guī)機(jī)械設(shè)計方案上的提升機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量和實(shí)用性的優(yōu)化設(shè)計，這種可靠性設(shè)計將數(shù)學(xué)規(guī)劃方法和可靠性理論分析相結(jié)合，從而測算出理想狀態(tài)下的最優(yōu)數(shù)值計算方法。機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計從上個世紀(jì)六十年代開始引起相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的重視，至今已經(jīng)有了半個世紀(jì)的研究歷史，隨著機(jī)械設(shè)備的可靠性設(shè)計的研究逐漸深入，這種優(yōu)化設(shè)計也逐漸涉及到各個領(lǐng)域，為轉(zhuǎn)變生產(chǎn)模式提供了極大的助力。

二、機(jī)械可靠性設(shè)計與傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計之間的關(guān)系

（一）機(jī)械系統(tǒng)可靠性特點(diǎn)。科技的飛速發(fā)展使得當(dāng)前生產(chǎn)部門在進(jìn)行生產(chǎn)活動的過程中逐漸更新了其設(shè)備和系統(tǒng)，機(jī)械產(chǎn)品與電子產(chǎn)品往往是協(xié)同工作的，但是機(jī)械產(chǎn)品的可靠性與電子產(chǎn)品的可靠性存在許多差異，而對其特點(diǎn)的研究有助于進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品可靠性的設(shè)計研究。相比于電子產(chǎn)品。機(jī)械產(chǎn)品的故障模式是多種多樣的，具有較為復(fù)雜的失效模式。生成故障的原因也于電子產(chǎn)品不同，電子產(chǎn)品使用過程中的故障大多來自偶然因素，而機(jī)械產(chǎn)品的故障原因一般為老化和磨損類的損耗性故障。由于機(jī)械產(chǎn)品的工作環(huán)境十分復(fù)雜，使得由于環(huán)境因素影響的應(yīng)力難以估計，這就影響了機(jī)械可靠性的相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，而電子產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)相對較容易獲取并匯總。另外，高昂的造價使得機(jī)械產(chǎn)品難以進(jìn)行篩選工作去排除早期故障，由于使用過程中需要考慮載荷、材料等方面的因素使得機(jī)械產(chǎn)品難以采用標(biāo)準(zhǔn)的零部件。

（二）兩種設(shè)計之間的關(guān)系。在傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，相關(guān)設(shè)計人員的主要目的就是讓機(jī)械產(chǎn)品能夠滿足用戶的使用需求，并且在一定范圍內(nèi)保障機(jī)械的使用質(zhì)量。因此傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計方法在設(shè)計算法方面主要關(guān)注設(shè)計計算和安全系數(shù)的校核計算，但是這種傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計計算方式難以保障機(jī)械產(chǎn)品的可靠性，也使得機(jī)械發(fā)生故障的概率難以測算。

從可靠性的角度進(jìn)行考慮。機(jī)械產(chǎn)品不僅僅需要完成其設(shè)定的功能，還需要加強(qiáng)其續(xù)航和穩(wěn)定的能力，可靠性是一種長期的、持續(xù)性的使用要求方面的表現(xiàn)。這也就意味著機(jī)械產(chǎn)品的可靠性研究需要在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計的基礎(chǔ)上考慮到持續(xù)使用的需要，設(shè)計過程需要引入概率論和數(shù)學(xué)統(tǒng)計模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，更加科學(xué)合理的通過較小的零部件尺寸和整體體積重量等進(jìn)行機(jī)械的設(shè)計工作，使機(jī)械產(chǎn)品更加符合實(shí)際生產(chǎn)工作需要。

三、機(jī)械可靠性設(shè)計方法

對于機(jī)械可靠性設(shè)計的研究服務(wù)與最終的設(shè)計過程，機(jī)械可靠性一般分為系統(tǒng)可靠性和零部件可靠性，在機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、損耗以及運(yùn)動故障兩方面進(jìn)行考慮.因此機(jī)械可靠性的設(shè)計分為定性可靠性設(shè)計和定量可靠性設(shè)計，針對性的進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計。但是實(shí)際上定性可靠性設(shè)計因定量可靠性設(shè)計缺少可靠性預(yù)計數(shù)據(jù)而具有更加廣泛的引用。

（一）預(yù)防故障設(shè)計。一般的機(jī)械產(chǎn)品在運(yùn)行原理上都屬于串聯(lián)系統(tǒng)，為了保障機(jī)械產(chǎn)品的可靠性，就需要重視細(xì)節(jié)，在零部件的選擇和使用上需要嚴(yán)格把關(guān)控制，選用符合標(biāo)準(zhǔn)的零部件或通用件，設(shè)計過程中對這些特殊零部件進(jìn)行試驗驗證，充分運(yùn)用故障分析的數(shù)據(jù)成果進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計。

（二）簡化設(shè)計。為了滿足經(jīng)濟(jì)效益與社會效益的雙重需求，機(jī)械設(shè)計應(yīng)該在滿足預(yù)定功能的情況下盡量采用較為簡單的設(shè)計，盡可能的減少機(jī)械產(chǎn)品中零部件的數(shù)量，通過簡化設(shè)計提高機(jī)械產(chǎn)品的可靠性。

（三）降額設(shè)計和安全裕度設(shè)計。簡單來說降額設(shè)計是指將零部件的使用應(yīng)力通過科學(xué)的調(diào)配使其低于額定應(yīng)力的一種設(shè)計，一般通過降低零部件的承受應(yīng)力或使用強(qiáng)度較高的零部件來實(shí)現(xiàn)。

（四）余度設(shè)計。余度設(shè)計是指在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計過程中完成預(yù)設(shè)功能以外的重復(fù)功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計。這種設(shè)計方式的目的在于保障機(jī)械產(chǎn)品使用的穩(wěn)定性。一旦機(jī)械設(shè)備的局部發(fā)生故障而失效時，這種重復(fù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠保障機(jī)械產(chǎn)品預(yù)設(shè)功能持續(xù)工作。因此當(dāng)機(jī)械設(shè)備內(nèi)部某部分可靠性要求很高但其他設(shè)計方式難以實(shí)現(xiàn)的情況下，余度設(shè)計是較好的選擇。但是由于設(shè)計具有重復(fù)結(jié)構(gòu)，使得機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)的可靠性降低，也提高了機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)成本，相對而言應(yīng)用不算廣泛。

四、小結(jié)

在進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品可靠性的設(shè)計過程中需要考慮應(yīng)用環(huán)境和實(shí)際使用情況，通過科學(xué)的數(shù)據(jù)指導(dǎo)進(jìn)行可靠性設(shè)計。當(dāng)前國內(nèi)的機(jī)械產(chǎn)品可靠性研究與國外相比還存在一定差距，需要相關(guān)機(jī)構(gòu)不斷深入進(jìn)行研究，豐富機(jī)械產(chǎn)品可靠性研究的內(nèi)涵。