機械零件可靠性的優化探究

宋健

【摘 ?要】自進入21世紀以來，在計算機技術蓬勃發展的大背景下，優化設計被廣泛應用于機械設計各個領域，尤其是應用于多參數設計，不止能大大提高設計工作效率，更能保證設計方案精確度，彌補常規設計方法的不足，取得令人滿意的設計方案。然而，從目前我國機械零件優化設計水平來看，仍存在著較多問題亟待解決，例如：難以把握設計參數自身隨機性及模糊性等。同時，設計參數隨機性作為概率層面非確定性設計變量，以取值隨機性為不確定性的集中表現，客觀上要求設計人員利用統計方法消除其不確定性，而設計參數自身模糊性與邊界不清間存在著密切聯系，是模糊性所產生的非確定性設計變量，屬于事物發展階段中出現中介技術狀態的結果。鑒于此，本文針對機械零件可靠性優化設計的研究具有重要現實意義。

【關鍵詞】機械零件;可靠性;優化措施

中圖分類號：TH122 ?文獻標識碼：A

引言

機械設備的質量問題是人們一直所關注的問題，如何能夠提高機械產品的使用壽命也是一直所討論和追求的方向。在實際的應用中，往往在運行過程中會出現各種問題影響設備的使用，這便是零件的可靠性沒有達到要求，從根本上來說是在設計階段的可靠性分析沒有達到要求。要想零件達到預期的質量，則需要進行可靠性的分析，這需要可靠性理論的支撐，對此，可靠性理論與可靠性設計方法對可靠性分析而言十分重要。

1可靠性分析理論

可靠性分析的理論基礎是概率論、強度-干涉理論等統計學的基礎理論知識和力學理論基礎，之所以可靠性分析能夠得到廣泛應用，主要因為機械零件的可靠性分析在機械設計過程中給工程人員帶來較大的便利，它最大的優勢是設計機械零件參數時，能剔除人為因素，還考慮到很多外部因素對零件造成的影響，包括機械零件失效的可能性也在考慮范圍內，因為可靠性分析考慮的全面性，所以能近似模擬出零件的實際工作情況，能有效預估風險，得到的數據具有實際意義而不是主觀參數，這樣就能真的做到指導實際工程應用，所以在未來，可靠性分析必定會得到更加廣泛的應用。

一般認為，機械零件在實際工作中受到的外載荷是隨機變量，這是機械零件無法像電器元件一樣檢測的主要原因。但是，通過不斷的測試和計算發現，機械零件參數中的這些隨機變量，都近似符合概率密度分布規則，即這些隨機變量都能通過概率密度函數表示。不過，機械零件工作中受到的外載荷不同，導致外載荷等隨機變量服從的概率密度函數也不相同，如零件在正常情況下的受力就與極限受力情況服從的函數不同，而在不同的截面上的受力服從的概率密度函數也不相同。因此，在求解不同部分的設計參數時，要通過強度-干涉理論對不同概率密度函數進行推斷和計算，這樣的參數設計出的外觀尺寸更加可靠和規范。

2機械零件可靠性的優化措施

2.1可靠性靈敏度設計

可靠性靈敏度設計是在可靠性基礎上進行靈敏度設計，充分反映各設計參數對機械產品失效影響的不同程度。機械零件在可靠性分析時存在很多的不確定因素影響著分析結果與產品質量，若是對多種不確定因素都進行可靠性分析，那么對于分析成本來說將大大提高，并且分析的準確性也會大大折扣，因此可以進行靈敏性分析的引入。靈敏性分析的特點為可以進行不確定因素在某一條件下變化程度的分析，例如模擬真實的工作環境，觀察哪些不確定因素在該條件下的變化程度最大，得出一定條件下靈敏度的排序，在得出具體的靈敏度條件后進行可靠性的分析研究，可以按照靈敏度由大到小的順序進行討論研究，可以大大提高可靠性分析的效率與質量。對此，需要建立準確的靈敏度分析模型來進行相關的分析，提高機械零件的總體可靠性。

2.2可靠性穩健設計

該設計方式是在優化設計的基礎上不斷形成發展而來的，它與靈敏度設計相結合，共同提高零件的可靠性。對于機械設備的裝配，需要使得整體運行可靠，達到生產要求，需要可靠的零件給予支撐，但是要選擇可靠的零件并不一定選擇最貴、質量最好的。一方面是經濟成本的限制，另一方面即使是最昂貴的零件進行裝配也并不一定能夠達到希望的效果，可靠性穩健設計即是集中解決能夠滿足裝配質量要求的零件。對零件進行相關的靈敏度設計以及可靠性試驗后，進行改進提升性能，則需要穩健性設計來進行零件質量標準的一定評判，使其能夠滿足裝配的最低質量要求。

2.3可靠性試驗

可靠性理論是建立在可靠性試驗的基礎之上進行的，目前的可靠性理論已經較為成熟，可以根據試驗數據進行有效的分析并得出理想的結果，但是目前存在的問題是可靠性試驗的發展并沒有跟上腳步?？煽啃栽囼炇前l現機械零件缺陷的基礎，若是可靠性試驗的數據準確性難以把握，那么即使有完備的可靠性模型理論也難以得出正確的結果。在實驗過程中，一方面要獲取可靠性數據，另一方面要通過產品在試驗中發生的各種故障，找出其原因并進行細致的分析和研究以提高產品的可靠性，但是實驗過程中試驗條件的改變、方案的改變等都對試驗產生著影響。對此，需要制定嚴格有效的實驗方案。

3機械零件可靠性分析的具體方法

3.1威布爾分布法

這是一種比較常用的可靠性分析方法，能夠順利獲取概率值，實現對各項參數的準確評估，使機械零件可靠性分析的質量得到有效提升。在應用威布爾分布法進行機械零件可靠性分析的時候，整個過程要充分利用圖解法及解析法，其中圖解法的運用較為簡單，對檢測人員的技術水平要求不高，但是無法對機械零件的各項參數進行準確核算;而解析法能夠充分發揮計算機技術的優勢，使機械零件可靠性的試驗和分析更加精確，但是對檢測人員的技術水平有一定要求。因此，為保證能夠全面掌控機械零件的各項參數，需要充分利用解析法，使機械零件可靠性分析的質量得到有效保障。

2.2回歸分析法

將回歸分析法應用到機械零件的可靠性分析中，需要利用數據統計原理，對機械零件的各項參數數據進行線性處理，確定因變量與自變量之間的相互關系式，以回歸方程的形式充分體現所要分析的內容。就回歸分析法的應用情況來看，可以將其劃分為一元回歸分析法及多元回歸分析法。在應用回歸分析法進行機械零件可靠性分析的時候，需要及時明確機械零件各個參數中的因變量及自變量，建立相應的回歸方程，掌握機械零件各個參數的回歸概念。同時，需要針對性的分析機械零件的應用年限參數，建立相應的樣本容量，實現對機械零件失效年限及失效概率的估計?？傊?，在進行機械零件的可靠性分析中，通過回歸分析法能夠掌控該零件各項數據中的線性關系，使工作人員能夠對機械零件的各項參數進行精確控制。

2.3最大似然法

這是一種由德國數學家提出的參數統計法，能夠利用概率學對測試對象進行隨機抽查，對整體樣本情況進行全面的分析和評估，使機械零件的整體性能達到標準要求。就目前來看，最大似然法的應用過程較為簡單，其本身就體現出較高的實用性。在利用這種方法進行機械零件的可靠性分析時，需要及時確定機械零件的設計變量，將SUMT內點法使用到機械零件的設計中，建立明確的失效年限變量參數關系。

結束語

總而言之，優化設計大大增強機械零件自身承載能力，控制總體成本投入，是保證機械零件設計質量的有力手段。在機械零件可靠性研究不斷深化的大背景下，相關數據日趨完善，促使可靠性優化設計得到越來越多從業人員的關注及重視。

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（作者單位：哈爾濱城林科技股份有限公司）