機械零部件可靠性分析及其優化設計研究

趙蓉

摘要：機械零部件可靠性設計是分析參數對零部件可靠性的影響，估測規定工況條件下的狀態，通過機械零部件可靠性設計可以避免傳統設計保守性，降低零部件失效頻率，具有顯著的經濟社會效益。是衡量產品質量的重要指標，科技的發展，不斷提高機械產品可靠性，必須從設計上解決產品的可靠性問題。機械零部件設計要與時俱進，把握零部件質量保證與可靠性優化設計方法。本文介紹了機械零部件可靠性設計方法，對機械零部件設計方法進行了評述，為機械行業提供可靠性設計技術方法參考。

關鍵詞：機械設計;零部件;可靠性;優化設計

0? 引言

GJB451-90標準闡述的可靠性是產品在規定使用條件下，完成規定功能的性質，機械產品可靠性與設計、運輸、使用等各環節密切相關，設計是保證產品可靠性的重要環節，機械產品可靠性與零部件結構形式、選用的材料、制造工藝等有關。設計決定產品的可靠性水平，機械產品可靠性由其重要零部件決定，機械零部件可靠性設計尤為重要。機械零部件由于自身材料性能，使用時間變化及各種因素影響，其可靠性隨著使用時間增加逐漸減弱，可靠性減弱是動態的過程，結構的可靠性應考慮時間因素，機械零部件可靠性靈敏度設計應隨時間變化，可靠性分析在可靠性設計、維護等方面具有重要的作用。機械產品穩健設計是關于產品質量成本的工程設計方法，使產品具有對設計參數變化不敏感，其思想是設計參數發生微小變差，使用中能保證產品設計的穩健性。可靠性設計監理在靈敏度分析基礎上，可靠性與時間有關，穩健設計是動態設計過程。本文對機械設計零部件的可靠性分析及優化設計方法進行了研究，探討機械零部件優化設計的科學方法。建立機械動態可靠性穩健設計動態多目標模型基礎上，提出基于灰色關聯分析多粒子群協同動態多目標優化算法，解決動態可靠性設計多目標模型求解難題。

1? 機械零部件可靠性概述

可靠性設計是以形成產品可靠性為目標的設計技術，將外荷載、零部件尺寸等設計參數視為隨機性變量，應用數理統計，力學理論，得出避免零部件出現破壞的共識，形成符合實際的零部件設計。控制失效的發生率在可接受范圍。改良設計作用體現在分析計算數據，使設計者對零部件有清晰的了解[1]。

機械發展的可靠性是其重要基礎，機械產品可靠性不強，則產品質量出現很大的問題，機械產品失效主要原因是耗損型失效，如設備出現老化現象，及強度退化等為損耗型失效。機械產品銷量隨著時間不斷變化，但變化非恒定值，符合特征分布的形式有多種，如對數正態分布等。機械產品每個零部件有很多重要的設想模式，機械產品由零部件組成，零部件大多為非標準零件，導致失效統計值分散。如電子產品難以進行失效率的統計。可靠性分析需要對失效模式相關性進行考慮。

機械產品可靠性工作特點是統計，根據以往工程經驗為基礎制定可靠性準則，結合系列失效模式分析產品可靠性設計準則，得出分析結果為部門進行產品研發設計使用。進行保險設計使要注意失效模式的分析，防止出現失效的可能。需要根據可靠的關鍵件進行概率設計工作。產品研發中必須重視其可靠性試驗，可以在現場進行實驗收集失效信息，保證機械產品可靠。機械產品可靠性分析包括失效模式確定，與計算失效模式發生率。可靠度計算是可靠性分析的目的，失效模式確定的功能函數建立是可靠度計算的基礎。

2? 機械零部件可靠性設計的發展

傳統機械零部件設計中采用載荷等數取其平均值，未考慮設計的分散性，為保證可靠性對計算荷載等乘以安全系數，不能保證可靠性的天宮。隨著機械破壞機理認識的深化，及改良統計論在機械零部件的應力方面的應用等，為機械零部件可靠性設計提供了理論基礎。

機械零部件可靠性設計不同于傳統設計方法，采用可靠度指標保證其可靠性，對失效的可能性認識較為合理。國內外很多學者積極投入到機械零部件可靠性的設計中研究中[2]。隨機有限元法最初與蒙特卡羅法結合，80年代，Handa等運用Taylor級數展開方法，提出隨機有限元法，在考慮隨機變量的波動性時，提出攝動隨機有限元法。應用于復雜結構的應力分析中，Shinozuka將紐曼開展法與蒙特卡洛法結合，提出紐曼開展蒙特卡洛隨機有限元法[3]。

目前對機械零件可靠性設計研究仍存在一些難點，主要包括機械產品結構功能非嚴格串聯關系，需精確統計零部件故障率難度較大，機械產品承受荷載具有多樣性，使得參數選取具有一定困難。可靠性優化設計產品試驗周期較長，數據結果應用受到限制。可靠性設計未來發展向定性與定量結合，傳統設計方法與可靠性設計結合，無故障涉及與耐久性設計方向發展。

3? 機械零部件可靠性設計的研究

工程設計是探索性創造過程，是按既定目標進行分析評價優化的過程。要定義系列設計參與如荷載、強度等許多工程事物描述，機械原理方案設計及結構造型擬定，參數選擇等需要工程技術人員憑借經驗推斷決策。機械系統分析設計需建立可供分析設計的數學模型，要對復雜機械系統簡化，簡化后的數學模型與實際機械系統相比存在誤差。

工程實際中遇到的不確定性包括不固定性、不可靠性、不完全性等。機械設計中通常用確定結構參數數學模型計算分析，實際工程中通常存在材料性能參數，計算模型，結構部件接頭相關誤差等。誤差與不確定性結合使結構相應產生較大偏差。設計變量帶有不確定性，工程分析設計中按其來源分為物理性、統計性與模型不確定性。工程實際中不確定性劃分隨機性、模糊性、未知性。不確定性特點為表現具有兩面性，某些事物表現具有單一不確定性，確定性與不確定性兩重性。由于科技的發展，使得交叉學科趨勢加強，要求解決復雜的技術問題，解決相關的經濟資源等多方面的問題，模糊數學等非精確數學方法可以處理非確定性問題。

可靠性的概念由來已久，人們是社會活動中經常遇到事物可靠性的評論，是同事物是否達到預期功能，當前可靠性技術成為重要的系統工程。最初起源于軍用電子裝備工業，1957年美國國防部電子設備顧問委員會發表可靠性報告，系統闡述可靠性理論基礎，可靠性從軍用到民用，航空航天等領域逐步發展。機械可靠性是可靠性分析學科的重要部分，可靠性的研究源于40年代，1971年A.M.Freudenthal教授提出構件強度可靠性設計應力干涉模型，此后在結構可靠性研究等方面處于領先地位。由于影響機械設備因素眾多，機械產品批量較少，機械可靠性在60年代未全面展開。可靠性技術引入比電子系統晚20年，主要原因是機械零部件通用性較差，機械系統承受應力狀態復雜，機械產品可靠性試驗難以進行。

4? 機械零部件可靠性設計方法

機械零部件可靠性設計需要與時俱進，機械零部件可靠性設計基于傳統設計方法，機械產品具有不同的功能結構，可靠性設計方法選擇需要因地制宜。

權衡設計是對可靠性等要素綜合衡量后制定最佳方案[4]，考慮零部件在壽命周期可能遇到的環境影響因素，包括運輸的碰撞，設備保養合理程度等，通過因素分析，在零部件生產用料上優化，保證零部件及機械設備的可靠性。機械設備運作是整體運作，實現整體功能大于部分功能，首先要優化零部件可靠性，機械設備零部件需要優先選用標準件，選用前要對零部件進行分析驗證，以成熟的經驗驗證方案[5]。

機械零部件使用中受到外界條件影響，強度逐漸退化，必須引入時間概念用隨機過程描述強度變化歷程。文獻運用隨機過程原理建立合資啊與強度變化動態可靠模型，采用隨機攝動法進行零部件動態可靠性指標計算。

簡化設計是滿足特定條件下設計合理簡化，結構過于復雜容易出現故障，無法進行可靠性優化。是避開故障的有效方式。簡化非依靠少部分超負荷承載大部分功能，零部件簡化需從整體把握，余度設計從整體下手，通過對完成規定功能設置重復結構等[6]，機械設備整體系統保存規定的功能。

5? 機械零部件可靠性分析

機械優化設計分析主要以機械零部件原有可靠性為首要條件，根據其所需工作方式，及現場工作環境等多方面工況對機械零部件結構優化，使其使用性能滿足使用條件，達到理想使用效果。使機械在規定環境中發揮強大的作用。

環境變化時需對群離子重新設置初始值，由于材料強度隨時間推移呈現下降趨勢，最近時間段得到最優解為接近下一時間段最優解，在全局極值附近選取50%粒子為初始值，為更好搜索全局最優解，剩下50%粒子隨機產生。最優設計尺寸在部件服務初期穩定，中后期零部件強度隨時間減弱，保證部件可靠性指標要求，說明可靠性隨時間推移遞增趨勢，可依據服役期間要求通過模型選擇最佳設計尺寸。

對機械可靠性優化中，要利用部分數學知識進行數學模型構建[7]，了解零部件的強度等性能，使其成為約束的條件，計算中利用函數知識對模型進行計算，通過計算分析得出結果作為設計依據優化機械設計可靠性。

靈敏度設計是機械可靠性的重要基礎，是可靠性中重要的部分，進行可靠性靈敏度設定首先根據其機械零部件找出反應強烈的影響因素，根據因素造成的工作效果進行評估[8]，對靈敏度參數進行調整。可以降低對零部件靈敏參數響應，可靠性靈敏度設計中需利用相關數據計算敏感參數值，為靈敏度提供準確的參考條件，使其靈敏度降低對靠性影響[9]。

實驗分析是機械零件可靠性的最后工作，進行可靠性設計后需進行系列的實驗工作，才能保證工作中不出現各種問題。可以通過實驗得出機械零部件工作狀態下的運行數據，根據數據反映問題進行改進。檢驗機械是否合理，實驗分析中得出數據可提高機械零部件生產質量，延長機械的使用壽命。實驗中如遇到一些故障，需進行仔細分析研究，根據研究結果制定有針對性的解決措施，杜絕工作中出現類似現象[10]。機械零部件設計方案出現變更時，需進行重新試驗，為降低試驗成本，可以利用計算機軟件進行模擬實驗，測試出機械零部件的使用效果。

參考文獻：

[1]劉廷.基于混合GA的考慮中介狀態時機械零部件可靠性優化研究[D].重慶交通大學，2017.

[2]莊月皎.機械零部件可靠性設計算例系統研究開發[D].河北科技大學，2015.

[3]冉虎珍. 新型接觸網檢修作業車車軸齒輪箱可靠性優化設計[D].蘭州交通大學，2014.

[4]徐祺祥.機械產品的可靠性分析—— 介紹FMEA和FTA分析法[J].機械設計與研究，1984（1）.

[5]何周琴.機械零部件可靠性設計之概率設計法[J].自動化與儀器儀表，2010（3）.

[6]王新剛，張義民，王寶艷.機械零部件的動態可靠性分析[J].兵工學報，2009（11）.

[7]王正.零部件與系統動態可靠性建模理論與方法[D].東北大學，2007.

[8]趙淑瑩，楊晨升.基于可靠性的機械零部件設計研究[J].機械工程師，2010（3）.

[9]王新剛.機械零部件時變可靠性穩健優化設計若干問題的研究[D].東北大學，2009.

[10]于繁華，劉仁云，張義民，張曉麗，孫秋成.機械零部件動態可靠性穩健優化設計的群智能算法[J].吉林大學學報（工學版），2017，47（06）：1903-1908.