淺談機械可靠性設計的概述與發展

王成龍 盧楠 黃建章

摘 要：機械的可靠性設計是產品質量和系統安全的重要保障，在實際應用中與人身安全、經濟效益等密切相關，其作用不容忽視，因此受到研究人員的密切關注。文章通過對機械可靠性設計的概述，對機械零件的可靠性設計與傳統設計進行了比較，并對了國內外機械可靠性設計的發展狀況進行了探討。

關鍵詞：機械可靠性設計;傳統設計方法;發展;應用

引言

1機械可靠性設計的概述

所謂可靠性，是指產品在規定的時間內和規定的條件下，完成規定功能的能力。因此可靠性設計能夠估計或預測產品在規定工作條件下的工作能力，判斷產品是否具備具有所需的可靠性。可靠性是零件設計必須考慮的一項重要指標，由于必須使零件或系統具備足夠的可靠性和穩定性，使其在規定期限內能夠正常的完成預期功能，因此我們必須考慮不確定性因素對零件可靠性的影響，唯有如此，才能設計出滿足要求且工作良好的零件。可靠性同樣是衡量產品質量的一項重要指標，產品質量的好壞直接由零件的可靠性決定，因此可靠性也直接關乎產品的經濟效益，故機械可靠性設計的重要性不言而喻，在未來會愈加重要，定會備受設計人員的關注。

隨著時間的發展，機械可靠性設計已經不限于美國軍事方面的應用，更是在電子設備、空間科學宇航技術甚至一般工業部門的民用。可見機械可靠性設計在各行各業、方方面面都有所拓展應用，換言之各行各業都離不開它。機械可靠性設計直接關乎一個產品的質量，直接關乎一個企業的行業競爭力，直接關乎一個企業的興衰，因此可靠性設計應為研究的重中之重。

2機械可靠性設計與傳統設計方法的比較

傳統設計方法通常指安全系數法，無論是機械設計還是其他方面的設計，安全系數法都是一種最為常用的設計方法。安全系數法基本思想如下：計算的安全系數小于許用安全系數。因為這種方法使用起來簡便快捷，因此安全系數法使用的很廣泛，且在一定程度上可以作為符合要求的設計方法使用。盡管安全系數法最為常用，但是機械設計中使用安全系數并不是已經考慮了產品的可靠性，故可能出現安全系數過大從而使設計的產品過重且浪費材料的保守設計;也可能會出現安全系數過小的危險設計。綜合來看，選用安全系數并不能完全代替可靠性設計，產品的可靠度也不能僅僅由安全系數來確定。

從可靠性角度出發，應力和強度是影響機械產品故障的兩種主要因素，應力大于強度時故障就會發生，但實際工作中上應力和強度都不是恒定的，而是跟隨時間推移變化的，故安全系數方法的局限性和不足之處就暴露出來了。可靠性設計法認為應力、強度是隨機變量，因此非常符合實際工況，其合理性大大優于傳統設計方法。由于影響應力和強度的因素都具有隨機性，因此可靠性設計更具體分析了其分散特性，判斷了強度與應力隨時間發展而產生的強度關系，因此可靠性設計更為合理。

其次安全系數設計準則和可靠性設計準則不同，前者認為只需計算應力小于許用應力即可。它表示零件的強度儲備和安全程度是一個確定不變的量，沒有反映影響零件強度的許多非確定因素。而后者是以強度大于應力所發生的概率來設計的。由于之前分析的，由于隨著時間的發展，零件會在動載荷、腐蝕、磨損、疲勞載荷等的長期作用下使強度逐漸衰減，從而導致應力超過強度而產生不可靠問題。因此綜合來看，明顯機械可靠性設計方法更為合理可靠。

3國內外機械可靠性設計發展狀況

3.1國外發展狀況

可靠性的概念最早是由美國軍方提出的，因為在第二次世界大戰期間，無論是美國空軍由于飛行故障而損失的架數，還是說飛機上運輸的電子儀器由于運輸而故障的數量都遠遠超過被敵軍直接破壞的數量。其次，這些產品在實際的使用中失效率極高，而且難以維護，這幾種原因使得產品成本大大增加，使經濟效益大大下降，嚴重加劇了美國軍方的經濟負擔，因此這些事實引起了美國軍方的高度重視，故美國最早開始研究這些意外事故發生的概率，并首先提出了對產品可靠性的定量要求。

之后有關可靠性的早期工作大體上可以分為搖籃期、奠基期和普及期三個時期。搖籃期：在二戰期間，一位德國專家通過把各子系統的可靠度乘積作為火箭系統的可靠度，最終得出該火箭的可靠度為0.75，歷史上首次定量的表達了產品的可靠性。奠基期：1952年在美國國防部成立了電子設備可靠性咨詢委員會，1955年AGREE開始實施全面的可靠性發展計劃，并在1957年發表了著名的“軍事電子設備的可靠性報告”，從9個方面闡述了可靠性設計、試驗及管理的程序及方法，確定了美國可靠性工程的發展方向，成為可靠性發展的奠基性文件。從此，對可靠性問題的研究逐漸發展成為一門新興的獨立學科。普及期：主要為五十年代開始應用于電子設備;六十年代應用于空間科學宇航技術;七十年代以后應用于一般工業部門和民用。在八十年代，日本等國從美國引進可靠性工程技術后，在民用產品上的應用非常成功，其生產的汽車等系列產品能夠暢銷全球的根本原因是由于其質量和可靠性高。例如知名的小松機械企業原本江河日下，但最終加大研究力度研究可靠性設計，使得可靠性水平顯著上升，從而大大提高了產品的質量，大大提升了用戶的使用體驗，從而在激烈的競爭當中脫穎而出，帶來了巨大的經濟效益，使得企業起死回生，在之后的很長一段時間大放光芒。

一直到現在，國外例如英國、日本等國家都一直在為機械可靠性設計而花費大量人力物力展開研究，使得可靠性方面的發展大大提升，大大提高了經濟效益，可見長遠來看，研究可靠性設計是一件非常明智的決定。

3.2國內發展狀況

國內對于機械的可靠性研究起步較晚，嚴重滯后于國外。80年代以來機械可靠性研究在我國才開始受到重視，因此我國對于可靠性設計的研究從起跑線上就落戶了別人一大步，這就需要我們付出更多的努力盡力追趕。我國首先在儀表、汽車方面大力進行可靠性技術的研究與應用，并且已獲得成效，但是我們仍然與外國具有一定的差距。但是相關的研究人員已經意識到了它的重要性，并已經投入了更多的精力和時間，因此我相信在未來機械可靠性設計將得到更為廣泛的應用和發展。

總體而言，可靠度的設計理論很多，但是在實際中的運用缺少之又少，而且些許研究成果的實際運用效果不佳，與外國取得的成果投入使用水平存在較大差距。由于我國機械設計技術本身與外國存在差距，造成了目前我國可靠性研究滯后的現狀。

結語

機械可靠性設計是保證產品質量和穩定性的保障，在實際應用中起著極其重要的作用，我們理應花費更多的精力和時間投入研究。雖然機械可靠性并非主要學科，但是其本身的內涵卻極其豐富，所涉及到的學科和專業也比較多。從工程角度而言，機械可靠性設計方法較相比傳統設計方法而言更加合理可靠，并且它明顯的提高了產品質量，提升了用戶使用產品的體驗，因此怎樣逐步提高機械可靠性設計已經成為了目前國內外學者積極探索和研究的重要課題之一，而且可靠性設計也值得我們做進一步更為深入的研究。

參考文獻

[1]張永.淺談機械可靠性設計的內涵與發展[J].中國新技術新產品，2017

[2]鄒騰.機械可靠性設計的內涵與發展[J].科技創新與應用，2017

作者簡介：

一作：王成龍（1998.12），性別男，民族漢，籍貫河南省鞏義市，鄭州市中原區鄭州大學機械工程專業本科生

二作：盧楠（1998.03），性別男，民族漢，籍貫河南省虞城縣，鄭州市中原區鄭州大學機械工程專業本科生

三作：黃建章（1999.05），性別男，民族漢，籍貫河南省信陽市，鄭州市中原區鄭州大學機械工程專業本科生

（鄭州大學 ?河南鄭州 ?450000）