對(duì)機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)理論與方法分析

張大基 青島高測(cè)科技股份有限公司

關(guān)鍵字：機(jī)械零件 可靠性設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)理論 設(shè)計(jì)方法

1 機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)理論

我國(guó)對(duì)機(jī)械零件可靠性的研究相比于西方國(guó)家來說起步比較晚，隨著機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的不斷發(fā)展，在上世紀(jì)80年代機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)才開始受到我國(guó)人民的重視。在機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，最初的理論基礎(chǔ)是概率論，使用概率可靠性方法來解決設(shè)計(jì)中的偶發(fā)事件，但是設(shè)計(jì)中除了會(huì)碰到不確定性事件以外，還有一種模糊信息，隨后開始提出了以模糊理論與概率論為基礎(chǔ)的可靠性設(shè)計(jì)，但是這種設(shè)計(jì)模型的需要大量數(shù)據(jù)作為支撐去建立各種函數(shù)，在計(jì)算時(shí)十分復(fù)雜，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的難度很高，而且這些數(shù)據(jù)的來源與準(zhǔn)確性還需要核實(shí)，一旦數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題那么設(shè)計(jì)模型就根本不能成立。后來推出的機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)理論，它改變了原有的計(jì)算難度高、數(shù)據(jù)信息不可靠的缺點(diǎn)，將概率論、模糊理論和非概率設(shè)計(jì)理論的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合。在這種理論基礎(chǔ)上只需要少量的數(shù)據(jù)信息就可以完成模型的建立，大大降低了計(jì)算的難度，而且也提高了數(shù)據(jù)的利用率。

2 機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)原則

2.1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)相結(jié)合

在機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)時(shí)要發(fā)揮傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，首先使用安全系數(shù)法將零件的質(zhì)量、尺寸和結(jié)構(gòu)等參數(shù)設(shè)定出來，然后通過可靠性設(shè)計(jì)將這些數(shù)據(jù)建立的模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，將不滿足可靠性標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)，反復(fù)校對(duì)，直到全部符合可靠性要求。

2.2 定性設(shè)計(jì)和定量設(shè)計(jì)相結(jié)合

機(jī)械零件可靠性影響因素具有多樣性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，如果每個(gè)因素都需要采取定量的設(shè)計(jì)方式來進(jìn)行計(jì)算的話，那么設(shè)計(jì)工作效率將大打折扣。因此在某些不重要的情況或者因素非常復(fù)雜難以定量分析的情況下，我們可以采用定性的設(shè)計(jì)方式，讓設(shè)計(jì)更加的高效。因此在進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)咱們要將定量設(shè)計(jì)和定性設(shè)計(jì)統(tǒng)一起來，利用FMECA、FTA分析影響機(jī)械零件的主要因素和次要因素，然后針對(duì)這些出現(xiàn)的情況進(jìn)行定性設(shè)計(jì)或者定量設(shè)計(jì)，清除零件的故障和失效原因，完成機(jī)械零件的可靠性設(shè)計(jì)。

2.3 可靠性設(shè)計(jì)和耐久性設(shè)計(jì)相結(jié)合

機(jī)械零件的設(shè)計(jì)不能只斟酌零件的可靠性，零件的耐久性也需要我們斟酌，才能延長(zhǎng)零件的使用壽命。保證零件的可靠性是為了避免零件出現(xiàn)偶發(fā)性的故障，而耐久性是為了防止零件出現(xiàn)漸變性的故障。機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，零件會(huì)出現(xiàn)磨損、老化，這些故障將直接影響到機(jī)械設(shè)備的正常使用，因此提高零件的耐久性也是非常重要的。偶然性故障和漸變性故障的原因是不一樣的，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)要將可靠性設(shè)計(jì)和耐久性設(shè)計(jì)結(jié)合起來。

3 機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)方法

3.1 概率方法

概率設(shè)計(jì)方法在現(xiàn)在機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)中應(yīng)用的很廣泛，是一種最簡(jiǎn)單直接的設(shè)計(jì)方法。概率設(shè)計(jì)方法中將零件的承載值、零件尺寸、零件材料等看成隨機(jī)變量，這些因素會(huì)服從一定的概率分布，應(yīng)用概率論理論將這些影響因素推導(dǎo)出一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，就可以得出滿足零件實(shí)際情況的設(shè)計(jì)可靠度值。在概率設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定設(shè)計(jì)變量和參數(shù)，然后在明確零件失效的原因，推導(dǎo)出導(dǎo)致零件失效的荷載和強(qiáng)度的概率分布情況，最后遵照標(biāo)準(zhǔn)的可靠性指標(biāo)，確定出這些隨機(jī)變量的設(shè)計(jì)值。

3.2 模糊方法

當(dāng)對(duì)機(jī)械零部件的失效標(biāo)準(zhǔn)沒有明確的規(guī)定或者規(guī)定比較模糊的情況下，我們可以采用模糊設(shè)計(jì)方法。在模糊設(shè)計(jì)方法中，將可靠性設(shè)計(jì)處理的內(nèi)容從隨機(jī)性延伸到了模糊性，可以讓機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)更加貼近現(xiàn)實(shí)。我們將零件不發(fā)生失效的情形作為模糊事件，建立目標(biāo)函數(shù)，將模糊可靠性設(shè)計(jì)問題變?yōu)榍蠼夂瘮?shù)零值的最小解問題。將機(jī)械零件的尺寸、結(jié)構(gòu)特征等作為設(shè)計(jì)變量，將設(shè)計(jì)變量的取值范圍作為函數(shù)的約束條件。在一定的約束條件下當(dāng)設(shè)計(jì)變量發(fā)生變化時(shí)，函數(shù)值的變化會(huì)呈現(xiàn)一定的規(guī)律，函數(shù)值的變化也就是設(shè)計(jì)可靠度值的變化，找出最優(yōu)解即可。

3.3 隨機(jī)有限元法

隨機(jī)有限元法中先假設(shè)在均值位置隨機(jī)量會(huì)出現(xiàn)小幅度的變化，因此我們將隨機(jī)變量分為變化和穩(wěn)定兩部分。有限元變動(dòng)會(huì)形成一個(gè)函數(shù)，在此基礎(chǔ)上我們將其轉(zhuǎn)化成一組線性方程式。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)利用相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出有限元變動(dòng)的特性，然后找出應(yīng)力的變化規(guī)律，進(jìn)而判斷設(shè)計(jì)的可靠度值是否達(dá)到可靠性指標(biāo)值。

4 結(jié)束語

機(jī)械零件的可靠性直接關(guān)系到零件的安全性和使用性能，因此在機(jī)械零件的設(shè)計(jì)時(shí)我們就要做好可靠性研究工作。由于影響零件可靠性的因素很多，我們需要從多個(gè)角度進(jìn)行分析和計(jì)算，堅(jiān)持機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)原則，根據(jù)機(jī)械零件的特點(diǎn)找到最高效的設(shè)計(jì)方法，提高設(shè)計(jì)的效率并且保證設(shè)計(jì)的可靠性，保證零件設(shè)計(jì)的結(jié)果更加的符合實(shí)際運(yùn)用，以期能夠全面提升機(jī)械零件的可靠性設(shè)計(jì)水平。