機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)涵與遞進(jìn)

高偉

摘要：機(jī)械設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，不僅在于它是一個(gè)系統(tǒng)性的領(lǐng)域，更在于眾多的機(jī)械產(chǎn)品都對(duì)可靠性提出了較高的要求，因而，在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中的可靠性是要予以足夠重視的。文章針對(duì)機(jī)械的可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：機(jī)械可靠性；機(jī)械設(shè)計(jì)；概率設(shè)計(jì)法；穩(wěn)健性設(shè)計(jì)法

中圖分類(lèi)號(hào)：TM923 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）14-0010-02

現(xiàn)代社會(huì)，科學(xué)技術(shù)日新月異，在對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量提出更高要求的同時(shí)，可靠性這一概念在工程科學(xué)領(lǐng)域越來(lái)越受到重視。機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠程度直接由其設(shè)計(jì)決定，而在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮結(jié)構(gòu)的可靠性。與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平還處于比較低端的水平，而要實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造業(yè)的快速、健康發(fā)展，不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量，在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)，增強(qiáng)企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，政府和企業(yè)必須足夠重視對(duì)機(jī)械可靠性技術(shù)研發(fā)，提升設(shè)計(jì)水平。另外，世貿(mào)組織推行的關(guān)于機(jī)械產(chǎn)品的強(qiáng)制認(rèn)證制度更從參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的要求角度對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求，加劇了激烈競(jìng)爭(zhēng)的程度。這一切都顯示出，研究機(jī)械可靠性技術(shù)是勢(shì)在必行的。

1 機(jī)械可靠性概述及發(fā)展現(xiàn)狀

何為可靠性？可靠性實(shí)際上指的是產(chǎn)品在特定的環(huán)境條件和工作條件下，在規(guī)定的任務(wù)時(shí)間范圍內(nèi)能夠完成規(guī)定功能的連續(xù)性和重復(fù)性的能力。20世紀(jì)20年代，對(duì)于可靠性技術(shù)的研究就已經(jīng)開(kāi)始，到20世紀(jì)40年代，才應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)之中?？煽啃约夹g(shù)要依賴于概率統(tǒng)計(jì)和隨機(jī)過(guò)程理論，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，來(lái)達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度的進(jìn)行估計(jì)。通過(guò)研究和生產(chǎn)實(shí)踐，國(guó)內(nèi)外一致認(rèn)為，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是保證其可靠性的決定性因素，而制造安裝和管理是重要支撐。因而，為了保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全可靠，提升工業(yè)的發(fā)展水平，并進(jìn)而優(yōu)化產(chǎn)業(yè)內(nèi)結(jié)構(gòu)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于概率設(shè)計(jì)理論的研究，可靠性技術(shù)的應(yīng)用就顯得十分重要。正是基于這樣的需求，可靠性分析與設(shè)計(jì)方法得到了快速發(fā)展。

對(duì)于機(jī)械可靠性技術(shù)的研究，我國(guó)目前已經(jīng)取得了一定的成果。此類(lèi)研究活動(dòng)主要集中在高校和專(zhuān)業(yè)性的研究機(jī)構(gòu)，有很多科技工程領(lǐng)域的研究人員參與到研究之中，并由不少的設(shè)計(jì)人員從事著實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)。經(jīng)過(guò)研究工作者的辛勤耕耘，已經(jīng)出現(xiàn)了頗具價(jià)值的專(zhuān)業(yè)著作、學(xué)術(shù)報(bào)告、教學(xué)教材。然而，相比較國(guó)際先進(jìn)水平，在這方面依然存在巨大的差距。我國(guó)關(guān)于可靠性各方各面的研究和實(shí)踐還處于初級(jí)起步階段，水平還亟待提高。從機(jī)械可靠性技術(shù)研究方面而言，尚處于探索初期；從管理體系而言，在我國(guó)的企業(yè)中還沒(méi)有建立起可靠性管理體系；從設(shè)計(jì)方面而言，設(shè)計(jì)技術(shù)沒(méi)有得到推廣使用。造成這些問(wèn)題的原因是多方面的，主要有可靠性理論的研究時(shí)間短，且沒(méi)有得到廣泛傳播；設(shè)計(jì)人員對(duì)于設(shè)計(jì)方法的理解和掌握水平較低；企業(yè)缺乏自主創(chuàng)新能力，忽視對(duì)自主研發(fā)能力的投入，從而造成我國(guó)雖然是一個(gè)機(jī)械制造大國(guó)，但是由于缺乏可靠性核心技術(shù)，而不能躋身制造強(qiáng)國(guó)，進(jìn)而對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r產(chǎn)生影響。

2 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的常用方法

2.1 概率設(shè)計(jì)法

概率設(shè)計(jì)法是一種設(shè)計(jì)機(jī)械零部件及構(gòu)件的方法，依賴概率設(shè)計(jì)理論的指導(dǎo)。首先是對(duì)原材料的強(qiáng)度、性能和零部件的尺寸等條件進(jìn)行概率分布統(tǒng)計(jì)，然后再用應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型進(jìn)行運(yùn)算，最后在零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算模型的幫助下，取得零部件的尺寸、可靠度、使用壽命。把以設(shè)計(jì)變量為隨機(jī)變量，在應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型幫助下，保證所設(shè)計(jì)的零部件能夠達(dá)到預(yù)期的可靠度指標(biāo)，是概率設(shè)計(jì)法的核心所在。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是以安全系數(shù)為基礎(chǔ)的，與之相比，概率設(shè)計(jì)法有其優(yōu)越之處。首先，概率設(shè)計(jì)法能夠更好地保證機(jī)械產(chǎn)品的可靠度。這是因?yàn)樵摲椒ú⒉皇遣扇∽钚?qiáng)度大于最大應(yīng)力的指標(biāo)，而是對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)力和強(qiáng)度的描述通過(guò)概率分布來(lái)完成，這樣就有效地克服了傳統(tǒng)方法因?yàn)閺?qiáng)度和應(yīng)力并非一成不變而造成的設(shè)計(jì)可靠性的缺陷。其次，概率設(shè)計(jì)法能夠滿足定量可靠度的要求。原因在于該方法預(yù)見(jiàn)并承認(rèn)了設(shè)計(jì)的零部件會(huì)存在一定程度上的故障，并能夠?qū)Ξa(chǎn)品的故障率和可靠程度做出定量的回答；而傳統(tǒng)的方法并不能對(duì)可靠度做出定量的

預(yù)測(cè)。

2.2 穩(wěn)健性設(shè)計(jì)法

穩(wěn)健性設(shè)計(jì)法是由田口玄一（日本著名機(jī)械設(shè)計(jì)師）提出的。該法以統(tǒng)計(jì)分析為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，目的是盡可能保持產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性以及最大限度地延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用時(shí)長(zhǎng)，這就要求在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到制造過(guò)程和使用過(guò)程中，外部環(huán)境的變異和產(chǎn)品本身參數(shù)、結(jié)構(gòu)等因素的變化等各種問(wèn)題，并予以預(yù)見(jiàn)性的解決。該法衡量產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性，主要是根據(jù)產(chǎn)品對(duì)擁護(hù)造成的損失大小。損失是指產(chǎn)品的實(shí)際功能與預(yù)期目標(biāo)之間的偏差；如果偏差越大，用戶的損失也就越大，同時(shí)也說(shuō)明產(chǎn)品質(zhì)量也越差。對(duì)生產(chǎn)材料和生產(chǎn)工藝的嚴(yán)格控制能夠有效地減小偏差，從而提升產(chǎn)品的質(zhì)量。穩(wěn)健性設(shè)計(jì)法存在明顯的缺陷，理論上這種方法是成立的，但是技術(shù)層面上卻難以實(shí)施，從而使得其經(jīng)濟(jì)適用性差。在某種程度上而言，這種方法實(shí)際上集合了諸多方法的做法，對(duì)其進(jìn)行改良和完善，可以有效地提升產(chǎn)品的可靠性。如果產(chǎn)品的抗干擾性提高、穩(wěn)健性良好，那么產(chǎn)品必然擁有較高的可靠性。

3 可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)制造全過(guò)程離不開(kāi)設(shè)計(jì)的過(guò)程，而且這也是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一。當(dāng)今時(shí)代，科技日新月異，知識(shí)和技術(shù)的相互轉(zhuǎn)化、技術(shù)向生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化日益迅速，各種新型的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)材料等應(yīng)運(yùn)而生，各種新型的機(jī)械產(chǎn)品加速取代舊時(shí)落后的機(jī)械產(chǎn)品。這些使得市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求提出了更高的要求，顧客更多地去考慮產(chǎn)品的質(zhì)量、性能和售后的服務(wù)質(zhì)量。而市場(chǎng)需求反過(guò)來(lái)，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)也同樣提出了要求。如果不去提升設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)過(guò)程，產(chǎn)品的生產(chǎn)必然滿足不了市場(chǎng)需求。另外，設(shè)計(jì)的完善程度，必然影響到生產(chǎn)出來(lái)的機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和成本，而提高質(zhì)量、降低成本是企業(yè)經(jīng)營(yíng)成敗的關(guān)鍵因素之一。所以，在當(dāng)今時(shí)代，要想取得機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展，深入研究設(shè)計(jì)的可靠性技術(shù)，改善設(shè)計(jì)方法，提高設(shè)計(jì)的效率和效果勢(shì)在必行。而數(shù)學(xué)規(guī)劃和計(jì)算機(jī)技術(shù)為優(yōu)化可靠性設(shè)計(jì)提供了有力的支撐。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)正是由于數(shù)學(xué)規(guī)劃理論與方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生的，依托計(jì)算機(jī)提供的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法，能夠有效地解決各種復(fù)雜的問(wèn)題，從而獲得長(zhǎng)足發(fā)展。

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