淺談機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的研究概況和設(shè)計(jì)理論

王清源　崔芙銘　向少斌

摘 要：機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的任務(wù)是提供實(shí)際計(jì)算的數(shù)學(xué)模型和方法及實(shí)踐。在機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)階段，預(yù)測產(chǎn)品在規(guī)定工作條件下的工作能力狀態(tài)或壽命，保證產(chǎn)品具有所需的可靠性。結(jié)合可靠性理論研究的歷史及現(xiàn)狀對機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)理論進(jìn)行深入地分析，系統(tǒng)地說明機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)、機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)等可靠性設(shè)計(jì)理論與方法研究概況和設(shè)計(jì)理論，希望對工程實(shí)際的機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)提供系統(tǒng)的理論與方法，可以為機(jī)械行業(yè)提供可靠性分析與設(shè)計(jì)的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品 可靠性設(shè)計(jì) 可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì) 可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì) 應(yīng)用分析

Abstract：The basic task of mechanical reliability design is to propose mathematical-mechanical models and methods for engineering practice. In this way the working state and life of the mechanical product under the prescriptive working condition can be predicted in the design stage. The connotation and development of mechanical reliability-based design is expounded by integrating modern mathematical-mechanical theories. A series of theories and approaches， such as the mechanical reliability-based design， reliability-based optimization design， reliability-based robust design， are explained clearly and systematically. The route and way are pointed out to solve the problem of lack of kernel technologies for reliability-based design in the field of mechanical engineering. The reliability technique service and reserve for independent research and development are provided， and the systemic and unitized theories and methods for reliability-based design of mechanical products in practical engineering are given.

Key words：Mechanical products Reliability-based design Reliability-based optimization Reliability-based robust Engineering application analysis

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。

一、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)

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、可靠性優(yōu)化設(shè)

計(jì)

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，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，必須綜合考慮各種影響因素，如產(chǎn)品的使用價值、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。

三、可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)

穩(wěn)健性機(jī)械設(shè)計(jì)最開始是由日本田口玄一提出來的。該設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是統(tǒng)計(jì)學(xué)分析理論，最終目的在于最大限度增強(qiáng)產(chǎn)品穩(wěn)定性，進(jìn)一步延長產(chǎn)品壽命，這種情況下，設(shè)計(jì)期間相關(guān)工作人員就必須要綜合考慮產(chǎn)品制造外部環(huán)境變異情況、產(chǎn)品本身參數(shù)變化情況與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)情況等的變化，然后進(jìn)行針對性處理。從某種程度上講，穩(wěn)健性設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)可靠性衡量過程中主要是參照產(chǎn)品給用戶帶來損失的大小，其中損失主要是指產(chǎn)品功能與之前預(yù)期目標(biāo)間存在的重大誤差。若偏差增大，則用戶損失就會增加，也從另一個角度說明了機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品自身質(zhì)量存在較大問題。加強(qiáng)生產(chǎn)材料以及生產(chǎn)工藝管理可以減小設(shè)計(jì)偏差，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量水平的提升。實(shí)質(zhì)上，穩(wěn)健性設(shè)計(jì)具有較為顯著的缺陷，從理論上來看該設(shè)計(jì)方法是能夠成立的，然而就技術(shù)層面而言，實(shí)施的可能性卻相對較低，經(jīng)濟(jì)適用性相對較差。因此，我們必須要就穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行不斷改良以及完善，從而促進(jìn)其可靠性的提升，只有在機(jī)械產(chǎn)品抗干擾能力以及穩(wěn)健性能良好的基礎(chǔ)上，才能夠擁有可靠性相對較高的產(chǎn)品。

四、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

一般來說，我們要保證機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行，就要在一定方面注意機(jī)器設(shè)備的整體運(yùn)作功能是否存在串聯(lián)并可以各自發(fā)揮自身作用，這一點(diǎn)在機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行中是十分重要的，因?yàn)橐坏┱w功能大于部分功能就會成為機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)，而機(jī)械可靠性中首先要重視機(jī)械設(shè)備的可靠性并且我們可以在某些方面對零部件進(jìn)行認(rèn)真的篩查和嚴(yán)格的需求控制和選擇控制，在一定程度上將零部件可能存在的問題進(jìn)行排查，預(yù)防故障法設(shè)計(jì)中應(yīng)對選用的零部件和通用部件進(jìn)行驗(yàn)證分析，并且達(dá)到最大限度，對可能出現(xiàn)的故障予以分析。我們還要對機(jī)械進(jìn)行環(huán)境和權(quán)衡設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)有利于設(shè)計(jì)者找出機(jī)械相對可靠性的設(shè)計(jì)方案。這樣就可以對機(jī)械的成本、體積，以及質(zhì)量和相關(guān)可靠性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，耐環(huán)境設(shè)計(jì)主要是基于綜合考慮的一種設(shè)計(jì)方式，它的主要出發(fā)理論是從機(jī)械的零部件出發(fā)，并且將機(jī)械的零部件所使用的壽命周期等各個環(huán)境都考慮進(jìn)去。

結(jié)語

總而言之，機(jī)械設(shè)計(jì)關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展，而機(jī)械可靠性作為機(jī)械制造行業(yè)的重要支撐業(yè)，相關(guān)人員必要予以高度關(guān)注，強(qiáng)化可靠性設(shè)計(jì)研究，促進(jìn)機(jī)械行業(yè)快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]邱繼偉，張瑞軍，叢東升，郭楠.機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)理論與方法研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)報.2011（06）

[2]張義民.機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)涵與遞進(jìn)[J].機(jī)械工程學(xué)報.2010（14）

[3]陳連，鄒廣萍.機(jī)械可靠性的最優(yōu)化方法及其應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2006（02）

[4]唐振宇，盧英全. 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)涵和遞進(jìn)[J]. 科技傳播. 2013（15）

[5]劉向，張瑜. 探討機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)涵與遞進(jìn)[J]. 科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊. 2017（20）

[6]李彩鳳.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的可靠性問題分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2015（05）

[7]鄒騰. 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)涵與發(fā)展[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用. 2017（01）

[8]孫志禮，陳良玉編著.實(shí)用機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)理論與方法[M]. 科學(xué)出版社， 2003

[9]劉斯明. 淺談我國機(jī)械設(shè)備的可靠性研究[J]. 中國設(shè)備工程. 2006（05）

[10]Zhang Y M，Chen S H，Liu Q L，et al.Stochastic perturbation finite elements. International Journal of Computers and Structures . 1996

[11]Benaroya H，Rehak M.Finite element methods in probabilistic structural analysis： a selective review. Journal of Applied Mathematics . 1988

[12] Zhang Yimin，Liu Qiaoling.Reliability-based design of automobile components. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D， Journal of Automobile Engineering . 2002