探討機(jī)械工程的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

【摘 要】就過去的機(jī)械工程優(yōu)化設(shè)計(jì)來看，較少會參考可靠性指標(biāo)，這就導(dǎo)致無法真實(shí)反映出機(jī)械工程產(chǎn)品的可靠性；就可靠性的設(shè)計(jì)方法而言，通常不會將機(jī)械產(chǎn)品的體積、重量和成本等納入考慮范圍。并且不少機(jī)械工程在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的過程中，只對可靠性或優(yōu)化方面的設(shè)計(jì)加以考慮，這樣最終的設(shè)計(jì)效果就比較不理想。所以，在機(jī)械工程的設(shè)計(jì)中需要可靠性和優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合考慮并且有機(jī)結(jié)合二者的優(yōu)勢，如此才能獲得理想化的設(shè)計(jì)效果。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械工程；可靠性；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

可靠性研究最早開始于四十年代針對電子產(chǎn)品故障的研究，經(jīng)過多年的積累與發(fā)展，電子產(chǎn)品可靠性技術(shù)體系已獲得完善并逐漸成熟起來。電子產(chǎn)品的可靠性水平日益提高，并具備豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和巨大的數(shù)據(jù)資源。近些年來，可靠性技術(shù)也逐漸應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域，并發(fā)揮著重要的作用。機(jī)械系統(tǒng)越來越復(fù)雜，對于其可靠性的要求也逐步提高，尤其是在軍用裝備和航空領(lǐng)域，對于機(jī)械可靠性的要求更加嚴(yán)格，并成為系統(tǒng)可靠性中較為薄弱的環(huán)節(jié)。為此，非常有必要研究機(jī)械的可靠性，從而推動科技的進(jìn)步與發(fā)展。對于復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品來說，其可靠性受到多種因素的影響，如使用條件、使用環(huán)境、維修方法、人為因素等等，屬于可修復(fù)的人機(jī)系統(tǒng)。

一、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的概述

作為最主要和最重要的技術(shù)指標(biāo)，可靠性是評判產(chǎn)品質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素，并逐漸成為工程領(lǐng)域普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。機(jī)械可靠性貫穿于從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)到裝配調(diào)試的各個(gè)環(huán)節(jié)，可靠性是在概率統(tǒng)計(jì)的理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，加強(qiáng)機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的推廣和應(yīng)用，對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本有著非常重要的意義。隨著可靠性技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，其設(shè)計(jì)方式也越來越豐富，呈多樣化的趨勢發(fā)展。數(shù)學(xué)模型法是在可靠性設(shè)計(jì)中應(yīng)用得較為廣泛的一種方式，基于實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)，并充分利用了概率統(tǒng)計(jì)的原理。數(shù)學(xué)模型法可以劃分為兩部分，其中一部分所涉及的量在時(shí)間范疇內(nèi)具有可靠性質(zhì)，換句話說，即所涉及的量是遵循一定的規(guī)律的，隨著時(shí)間的變動，其疲勞壽命和損耗也將在一定的范圍內(nèi)產(chǎn)生變動。另外一部分為偶然因素所引發(fā)的事件結(jié)果的可靠性，偶然因素所導(dǎo)致的波動是不定期出現(xiàn)的，具有不確定性，一般來說，需要利用概率可靠性來對隨機(jī)事件進(jìn)行計(jì)算。

二、機(jī)械工程產(chǎn)品的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析

因?yàn)槲覈嬖诘臍v史方面的原因比較特殊，相比較西方一些發(fā)達(dá)國家的機(jī)械制造業(yè)而言，我們還相對比較落后，特別是關(guān)于可靠性設(shè)計(jì)的研究，存在十分明顯的落后情況。一直到上世紀(jì)80年代，對于機(jī)械工程的可靠性研究，我國才有了一定的研究成果，在個(gè)別特殊的行業(yè)還有專門研究可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的組織和團(tuán)體陸續(xù)成立，而且還將一大批可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)人才培養(yǎng)了出來，將一整套的標(biāo)準(zhǔn)制定出來，以規(guī)范可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)?？傮w看來，之前進(jìn)行的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)研究對理論更為側(cè)重，然而在具體的生產(chǎn)實(shí)踐中卻很少應(yīng)用理論，就這方面來看，相比較有著發(fā)達(dá)制造業(yè)的國家，其存在的不足還有很多。

三、可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本理論

任何機(jī)械產(chǎn)品，從最初的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、方案的確定，到付諸于生產(chǎn)制造、產(chǎn)品檢驗(yàn)，都需要一個(gè)周期。先進(jìn)科學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域，以及新材料、新工藝、新設(shè)備的采用，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造無論從產(chǎn)品質(zhì)量還是生產(chǎn)周期上都產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。新知識、新思路、新理念的應(yīng)用，為機(jī)械設(shè)計(jì)注入了新鮮的血液，也使得滿足人們對于產(chǎn)品的日益提高的要求成為可能。隨著時(shí)代的發(fā)展，社會的進(jìn)步，人們對于產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、服務(wù)的要求日益提升，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理念已不能適應(yīng)現(xiàn)實(shí)的要求。同時(shí)，出于經(jīng)濟(jì)的考慮，所要求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期也逐漸縮短，設(shè)計(jì)強(qiáng)度加大，在這種形勢下，提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)變得更加重要。在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，必須綜合考慮各種影響因素，如產(chǎn)品的使用價(jià)值、力學(xué)性能、生產(chǎn)成本等。此外，生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)能力和管理水平也是不容忽視的會影響到產(chǎn)品質(zhì)量的因素之一。當(dāng)前，如何提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、發(fā)展設(shè)計(jì)理論、提升設(shè)計(jì)水平、縮短設(shè)計(jì)周期，已經(jīng)成為機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中廣大設(shè)計(jì)人員共同面對的課題。

上個(gè)世紀(jì)60年代，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得了最廣闊的發(fā)展。在這一時(shí)期，計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)規(guī)劃有機(jī)的結(jié)合起來，推動了機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)向更高的層次發(fā)展。優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法被廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，并伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)學(xué)規(guī)劃理念的不斷成熟，發(fā)揮著越來越重要的作用，取得了令人矚目的成果。具體來講，所謂可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包含三個(gè)方面，即產(chǎn)品的質(zhì)量、成本和可靠度。可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)從系統(tǒng)的、整體的角度對產(chǎn)品的可靠度進(jìn)行分析，并對其性能進(jìn)行約束與優(yōu)化，在確保產(chǎn)品性能和質(zhì)量的前提下，將產(chǎn)品的合理性和安全性有機(jī)結(jié)合，從而使得產(chǎn)品的可靠度實(shí)現(xiàn)最大化。通過可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足產(chǎn)品可靠性的同時(shí)，還使得能源以及資源獲得充分的利用，避免了能源和資源的不合理使用及浪費(fèi)現(xiàn)象。采用可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)所生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，并使用節(jié)能材料，順應(yīng)當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)環(huán)境的趨勢。對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的根本宗旨，即為了滿足安全的需要或者為了實(shí)現(xiàn)特定的預(yù)期點(diǎn)，通過最優(yōu)化的方式，對產(chǎn)品進(jìn)行處理。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮多種因素給產(chǎn)品性能帶來的影響，其中需要注意的兩點(diǎn)即結(jié)構(gòu)參數(shù)以及各種載荷的隨機(jī)性。

2、近年來可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展

近年來，高新科技不斷融入機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，許多現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理念應(yīng)運(yùn)而生，可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)也獲得了飛速的發(fā)展。然而從設(shè)計(jì)的角度來看，可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的兩個(gè)不同方面，而對于機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)來說，如果單純的考慮其中的一個(gè)方面是無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的。這就需要在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，將兩者相結(jié)合，從而發(fā)揮其潛在的巨大作用?？煽啃栽O(shè)計(jì)不同于優(yōu)化設(shè)計(jì)，可靠性設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品的可靠性為設(shè)計(jì)宗旨的，因此設(shè)計(jì)的結(jié)果并非其工作性能或參數(shù)的最佳點(diǎn)。此外，優(yōu)化設(shè)計(jì)有別于可靠性設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)并不考慮產(chǎn)品的可靠性，因此有可能導(dǎo)致事故，造成經(jīng)濟(jì)損失。另外，單純的優(yōu)化設(shè)計(jì)也無法保證產(chǎn)品在特定的時(shí)間和條件下達(dá)到預(yù)期的功能或目的。

機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)通常都比較復(fù)雜，所涉及到的設(shè)計(jì)參數(shù)也非常多，而單純的可靠性設(shè)計(jì)并不十分適用于多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此，在進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要分清設(shè)計(jì)的重點(diǎn)以及明確設(shè)計(jì)的步驟，在保證機(jī)械產(chǎn)品可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工作性能和設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)化，只有這樣，才能設(shè)計(jì)出既滿足可靠性又符合最優(yōu)化性能的機(jī)械產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能與成本的統(tǒng)一。

3、關(guān)于可靠性的穩(wěn)健設(shè)計(jì)

產(chǎn)品質(zhì)量是企業(yè)贏得用戶的關(guān)鍵因素。任何一種產(chǎn)品，它的總體質(zhì)量一般可分為用戶質(zhì)量和技術(shù)質(zhì)量。前者是指用戶所能感受到、見到、觸到或聽到的體現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)劣的一些質(zhì)量特性；后者是指產(chǎn)品在優(yōu)良的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量下達(dá)到理想功能的穩(wěn)健性。穩(wěn)健設(shè)計(jì)作為一種低成本和高質(zhì)量的設(shè)計(jì)思想和方法，對產(chǎn)品性能、質(zhì)量和成本綜合考慮，選擇出最佳設(shè)計(jì)，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，而且可以降低成本。在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，正確地應(yīng)用穩(wěn)健設(shè)計(jì)的理論與方法可以使產(chǎn)品在制造和使用中，或是在規(guī)定的壽命期間內(nèi)當(dāng)設(shè)計(jì)因素發(fā)生微小變化時(shí)都能保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。

四、關(guān)于可靠性設(shè)計(jì)的發(fā)展方向

可靠性存在于產(chǎn)品的整個(gè)使用階段，如今的該項(xiàng)設(shè)計(jì)主要是用到產(chǎn)品最初設(shè)計(jì)以及后續(xù)生產(chǎn)和隨后的維護(hù)等層面中。

1、機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)

該項(xiàng)設(shè)計(jì)涵蓋了整機(jī)以及部件兩類設(shè)計(jì)。對于前者來講，可以把它當(dāng)成是一個(gè)總的體系來設(shè)計(jì)，其方式有如下的兩個(gè)類型。首先是結(jié)合部件的穩(wěn)定性預(yù)測內(nèi)容，分析體系的穩(wěn)定性指標(biāo)，即我們講到的可靠性預(yù)測，只有結(jié)局合乎指標(biāo)的規(guī)定就行，假如無法合乎規(guī)定的話就要按照第二類措施來開展工作。這種措施是對零件進(jìn)行分配，也就是說把體系指標(biāo)均攤到所有的零件上，可靠性分配方法主要有等分配法、再分配法、比例分配法和綜合評分分配法四種。在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要使用標(biāo)準(zhǔn)件，通常的零件可以按照類比措施來設(shè)計(jì)，關(guān)鍵的部件則要按照概率措施來設(shè)計(jì)。要對可靠性多次的評審，一直到其合乎規(guī)定才可以。除此之外，還應(yīng)該開展人機(jī)體系設(shè)計(jì)工作。

2、生產(chǎn)過程中的可靠性設(shè)計(jì)

該時(shí)期的設(shè)計(jì)是確保產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)秀的重點(diǎn)，除了要選取穩(wěn)定性優(yōu)秀的設(shè)備之外，還要注重方案以及步驟的設(shè)計(jì)工作。工藝步驟本身就可被看成是一個(gè)體系，所有的方案工序都可被當(dāng)成是一個(gè)小的體系。在進(jìn)行這些小體系的設(shè)計(jì)的時(shí)候要全方位的分析到機(jī)械以及工藝物質(zhì)和工作者的素養(yǎng)等等方面的要素，明確出可靠性指標(biāo)，進(jìn)而結(jié)合體系間的關(guān)聯(lián)得到預(yù)測可靠度。

3、使用維修的可靠性設(shè)計(jì)

產(chǎn)品以可靠性為中心維修應(yīng)采用邏輯分析決斷法，科學(xué)地制定維修內(nèi)容和優(yōu)選維修方式，合理確定使用期，以控制機(jī)械設(shè)備使用的可靠性。機(jī)械產(chǎn)品的可維修性與可靠性一樣，其是機(jī)械設(shè)備本身的一個(gè)可靠性指標(biāo)。在對產(chǎn)品進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮其維修性，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在使用過程中做到故障易發(fā)現(xiàn)、易檢查、易修復(fù)，力求防患于未然。對產(chǎn)品進(jìn)行維修性設(shè)計(jì)時(shí)要以最低的費(fèi)用來維護(hù)和提高設(shè)備的可靠性水平，盡量減少排除故障所用的維修時(shí)間。因此，要在可靠性理論的基礎(chǔ)上制定合理、經(jīng)濟(jì)的維修規(guī)則，采用先進(jìn)的故障診斷技術(shù)和合理的維修方式（如視情維修方法、監(jiān)控事后維修方法），使用標(biāo)準(zhǔn)的維修工具及設(shè)備，提高維修人員的技術(shù)水平，使機(jī)械維修工作進(jìn)一步走向科學(xué)化和現(xiàn)代化。

結(jié)束語

在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況在滿足機(jī)械可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品最優(yōu)化的目標(biāo)。充分發(fā)揮可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的巨大潛力，達(dá)到產(chǎn)品最佳點(diǎn)以及最可靠點(diǎn)?？煽啃詢?yōu)化設(shè)計(jì)具有先進(jìn)性和實(shí)用性的特點(diǎn)，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，在提升產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)還帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，其發(fā)展的前景十分廣闊。

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