關(guān)于機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)理念研究

李鋒 程琪

摘 要：機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的任務(wù)就是提供實(shí)際計(jì)算的數(shù)學(xué)模型和方法，在機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)階段預(yù)測(cè)其在規(guī)定工作條件下的工作能力或壽命。本文通過(guò)結(jié)合可靠性理論研究的歷史及現(xiàn)狀對(duì)機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)理論進(jìn)行深入分析，闡明了可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性靈敏度設(shè)計(jì)、可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)、可靠性試驗(yàn)、傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與可靠性設(shè)計(jì)相結(jié)合等機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)理論與方法的內(nèi)涵，為今后機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)提供系統(tǒng)的理論和方法。

關(guān)鍵詞：機(jī)械零件；可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)；機(jī)械產(chǎn)品

現(xiàn)在，可靠性設(shè)計(jì)，又稱機(jī)械概率設(shè)計(jì)，是機(jī)械零件現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之一。目前，該設(shè)計(jì)方法廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車等重要產(chǎn)品以及其它機(jī)械產(chǎn)品內(nèi)重要部件的設(shè)計(jì)過(guò)程中。作為常見的建材機(jī)械，我們?cè)谠O(shè)計(jì)擠磚機(jī)及其輔助機(jī)組的結(jié)構(gòu)、部件、零件時(shí)，仍主要使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。能不能把先進(jìn)、科學(xué)的可靠性設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到擠磚機(jī)等機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中去，本文通過(guò)研究可靠性設(shè)計(jì)理念，給出上述問(wèn)題一定的借鑒。

1.機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)基本理論

在實(shí)際工程中，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，除了隨機(jī)性以外，在工程中還存在著另一類重要信息：模糊信息。所以傳統(tǒng)的可靠性方法就是用概率論和模糊理論處理不確定性，但概率可靠性和模糊可靠性模型都需要用較多的數(shù)據(jù)去定義參數(shù)的概率分布或隸屬函數(shù)，且計(jì)算量較大。通過(guò)研究，建立了結(jié)構(gòu)概率-模糊-非概率混合可靠性模型，該混合可靠性模型能夠綜合各單一模型的優(yōu)點(diǎn)。最大限度地將已有的信息利用到產(chǎn)品的可靠性分析中去，并能夠更加客觀和全面地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際安全狀況，為分析和設(shè)計(jì)決策提供更全面而且更真實(shí)的有用信息?？煽啃栽O(shè)計(jì)的精確性和先進(jìn)性是建立在應(yīng)力、強(qiáng)度、壽命等數(shù)據(jù)的真實(shí)性、精確性基礎(chǔ)上的，重視試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集和分析，建立可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)有很重大的參考價(jià)值，用概率-模糊-非概率的方法解決不確定問(wèn)題的框圖見下圖。

2.機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)理念研究

2.1.可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)是在可靠性基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。既能定量地滿足產(chǎn)品在運(yùn)行中的可靠性。又能使產(chǎn)品的尺寸、成本、質(zhì)量、體積和安全性等參數(shù)得到優(yōu)化。從而保證結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)工作性能與實(shí)際工作性能更符合。該方法將可靠性分析理論與數(shù)學(xué)規(guī)劃方法有機(jī)地結(jié)合在一起，在對(duì)各參數(shù)進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)。首先以機(jī)械零件的可靠度作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，使零件的某些指標(biāo)、成本、質(zhì)量、體積或尺寸最小化，再以強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等設(shè)計(jì)要求為約束條件建立可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)模型的規(guī)模、性態(tài)、復(fù)雜程度等因素選擇合適的優(yōu)化方法，最后求出最優(yōu)設(shè)計(jì)變量。

2.2.可靠性靈敏度設(shè)計(jì)

可靠性靈敏度設(shè)計(jì)是在可靠性基礎(chǔ)上進(jìn)行靈敏度設(shè)計(jì)，充分反映各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品失效影響的不同程度。便于找出哪些隨機(jī)變量對(duì)機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)的敏感性影響較大，并對(duì)此參數(shù)進(jìn)行重分析和再設(shè)計(jì)。通過(guò)估計(jì)設(shè)計(jì)變量變差和約束變差對(duì)質(zhì)量性能指標(biāo)影響的大小，改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)中影響較大的參數(shù)以使產(chǎn)品對(duì)可控因素變差和不可控因素變差的影響失去靈敏性。可靠性靈敏度設(shè)計(jì)首先建立極限狀態(tài)方程，然后對(duì)各設(shè)計(jì)參數(shù)求偏導(dǎo)數(shù)，得到可靠性的靈敏度計(jì)算公式，進(jìn)而確定各設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度，用靈敏度數(shù)值作為再設(shè)計(jì)時(shí)修改設(shè)計(jì)參數(shù)的依據(jù)，從而使得參數(shù)修改和再設(shè)計(jì)工作事半功倍。

2.3.可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)

穩(wěn)健設(shè)計(jì)能使產(chǎn)品的性能對(duì)在制造期間的變異或使用環(huán)境的變異不敏感，并使產(chǎn)品在其壽命周期內(nèi)，不管其參數(shù)、結(jié)構(gòu)發(fā)生漂移或老化的小范圍內(nèi)，都能持續(xù)可靠地工作的一種設(shè)計(jì)方法?？煽啃苑€(wěn)健設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)階段通過(guò)靈敏度分析，使產(chǎn)品在不消除和不減少不確定性因素的情況下。通過(guò)設(shè)計(jì)使不確定性因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響的敏感程度最小，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低產(chǎn)品成本。

2.4.可靠性試驗(yàn)

可靠性試驗(yàn)是對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行調(diào)研分析和評(píng)價(jià)的一種手段。其目的是發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、材料和工藝方面的各種缺陷。為改善產(chǎn)品的戰(zhàn)備完好性，提高任務(wù)成功率，減少維修費(fèi)用及保障費(fèi)用提供信息。確認(rèn)是否符合可靠性定量要求，我們通過(guò)試驗(yàn)一方面要獲取可靠性數(shù)據(jù)。另一方面要通過(guò)產(chǎn)品在試驗(yàn)中發(fā)生的各種故障，找出其原因并進(jìn)行細(xì)致的分析和研究以提高產(chǎn)品的可靠性。但實(shí)際機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方案如果有改變，就必須重新進(jìn)行一次試驗(yàn)分析，這需要花費(fèi)很大的人力、物力和財(cái)力。所以在可靠性試驗(yàn)前利用一些高性能的軟件進(jìn)行模擬分析能減少試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)約時(shí)間和研究基金。

2.5.傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與可靠性設(shè)計(jì)相結(jié)合

目前采用概率設(shè)計(jì)法的概念去完善和改進(jìn)傳統(tǒng)的安全系數(shù)，使可靠性和安全系數(shù)直接聯(lián)系。廣泛應(yīng)用現(xiàn)有的各種設(shè)計(jì)方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并與采用可靠性概率設(shè)計(jì)方法得出的結(jié)果以及實(shí)物試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較，從而積累經(jīng)驗(yàn)，收集和整理可靠性設(shè)計(jì)。

結(jié)語(yǔ)：

可靠性是產(chǎn)品的一種動(dòng)態(tài)質(zhì)量指標(biāo)。在現(xiàn)代化生產(chǎn)中已經(jīng)貫穿在產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)，使用及維修保養(yǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)之中。對(duì)于可靠性知識(shí)掌握越多，主觀經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)用就會(huì)越少，自然機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也就越合理。這正是機(jī)械工程技術(shù)研究追求的目標(biāo)。本文通過(guò)了解機(jī)械工程結(jié)構(gòu)可靠性的研究不僅僅在理論上有許多重大問(wèn)題需要解決，而且將其應(yīng)用到機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、評(píng)估及維修決策之中尚有許多細(xì)致的工作要做。所以該課題的研究?jī)?nèi)容是相當(dāng)豐富和有意義的。

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作者信息：

李鋒（1985.10-），男，漢族，陜西富平，中冶陜壓重工設(shè)備有限公司，機(jī)械技術(shù)員，助理工程師，本科，研究方向機(jī)械加工制造。

程琪（1986.10-），男，漢族，陜西蒲城，中冶陜壓重工設(shè)備有限公司，機(jī)械技術(shù)員，助理工程師，本科，研究方向機(jī)械設(shè)備維修。