機(jī)械零件可靠性的優(yōu)化探究

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摘 要：傳統(tǒng)機(jī)械零件設(shè)計(jì)方法以安全系數(shù)超過實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)規(guī)定中數(shù)值為安全性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)水平日趨成熟且被廣泛應(yīng)用于實(shí)踐領(lǐng)域，但是往往忽略各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)隨機(jī)性，僅僅以設(shè)計(jì)角度為出發(fā)點(diǎn)將各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)視為單一性確定值，造成設(shè)計(jì)方案脫離實(shí)際應(yīng)用情況無法保障零件自身可靠性。本文以機(jī)械零件可靠性為切入點(diǎn)分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性，就提出具體的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行深入探究，旨在為相關(guān)從業(yè)人員積累更多的工作經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械零件;可靠性;優(yōu)化措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.020

自進(jìn)入21世紀(jì)以來，在計(jì)算機(jī)技術(shù)蓬勃發(fā)展的大背景下，優(yōu)化設(shè)計(jì)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)各個(gè)領(lǐng)域，尤其是應(yīng)用于多參數(shù)設(shè)計(jì)，不止能大大提高設(shè)計(jì)工作效率，更能保證設(shè)計(jì)方案精確度，彌補(bǔ)常規(guī)設(shè)計(jì)方法的不足，取得令人滿意的設(shè)計(jì)方案。然而，從目前我國機(jī)械零件優(yōu)化設(shè)計(jì)水平來看，仍存在著較多問題亟待解決，例如：難以把握設(shè)計(jì)參數(shù)自身隨機(jī)性及模糊性等[1]。同時(shí)，設(shè)計(jì)參數(shù)隨機(jī)性作為概率層面非確定性設(shè)計(jì)變量，以取值隨機(jī)性為不確定性的集中表現(xiàn)，客觀上要求設(shè)計(jì)人員利用統(tǒng)計(jì)方法消除其不確定性，而設(shè)計(jì)參數(shù)自身模糊性與邊界不清間存在著密切聯(lián)系，是模糊性所產(chǎn)生的非確定性設(shè)計(jì)變量，屬于事物發(fā)展階段中出現(xiàn)中介技術(shù)狀態(tài)的結(jié)果。鑒于此，本文針對(duì)機(jī)械零件可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 機(jī)械零件可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性

一般說來，常規(guī)機(jī)械零件設(shè)計(jì)方法（又稱安全系數(shù)法）往往將零件強(qiáng)度（R）及應(yīng)力（S）均視為單值，促使安全系數(shù)（N=R/S）成為單值，以安全系數(shù)超過實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)規(guī)定中數(shù)值為安全性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)水平日趨成熟且被廣泛應(yīng)用于實(shí)踐領(lǐng)域，但是普遍存在忽略各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)隨機(jī)性的問題，僅僅以設(shè)計(jì)角度為出發(fā)點(diǎn)將各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)視為單一性確定值，造成設(shè)計(jì)方案脫離實(shí)際應(yīng)用情況，難以保障機(jī)械零件自身可靠性[2]。由此可見，綜合考慮設(shè)計(jì)參數(shù)隨機(jī)性實(shí)現(xiàn)多參數(shù)設(shè)計(jì)目標(biāo)消除影響機(jī)械零件可靠性的風(fēng)險(xiǎn)因素成為機(jī)械零件設(shè)計(jì)的主流發(fā)展趨勢(shì)，客觀上要求相關(guān)技術(shù)人員以優(yōu)化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)搭建可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。

2 機(jī)械零件可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

通常情況下，機(jī)械參數(shù)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)指設(shè)計(jì)機(jī)械零件結(jié)構(gòu)、公差、尺寸及材料等設(shè)計(jì)參數(shù)的過程，即可靠優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵零件、可靠設(shè)計(jì)非關(guān)鍵重要零件、常規(guī)設(shè)計(jì)非關(guān)鍵非重要零件。相較于傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)理念認(rèn)為應(yīng)力（S）及強(qiáng)度（R）均不屬于確定值且納入隨機(jī)變量范疇，設(shè)計(jì)期間立足于用戶實(shí)際需求及設(shè)計(jì)要求，選擇適應(yīng)的特征函數(shù)進(jìn)行描述，兼顧平均值及離散性，基本實(shí)現(xiàn)利用概率統(tǒng)計(jì)法求解目標(biāo)。同時(shí)，機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)認(rèn)為所有機(jī)械設(shè)計(jì)均存在著失效可能性，設(shè)計(jì)期間主張結(jié)合實(shí)際需求最大程度降低失效概率增強(qiáng)其可靠程度，綜合考慮各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)隨機(jī)性及分布規(guī)律。

與常規(guī)安全系數(shù)法，可靠性設(shè)計(jì)法以用戶要求及實(shí)際情況為出發(fā)點(diǎn)制定科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，兼顧設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，不止大大節(jié)約加工材料及加工時(shí)間，更為企業(yè)贏得更多的經(jīng)濟(jì)效益，但是常規(guī)安全系數(shù)法設(shè)計(jì)理念過于傳統(tǒng)保守，早已與時(shí)代發(fā)展相脫節(jié)。同時(shí)，機(jī)械零件可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)能延長零件自身使用年限大大降低其失效概率，彌補(bǔ)常規(guī)安全系數(shù)法的不足，但是受加工材料自身強(qiáng)度分布及荷載分布資料欠缺的影響，一定程度上阻礙可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用[3]。從理論及實(shí)踐角度來看，機(jī)械材料特性及機(jī)械構(gòu)件運(yùn)作荷載條件、破壞過程均存在著不同程度的隨機(jī)性。

由圖1可見，機(jī)械零件自身物理量、幾何尺寸、荷載、強(qiáng)度及應(yīng)力均屬于多值參數(shù)且呈現(xiàn)相應(yīng)的分布狀態(tài)，尤其是強(qiáng)度分布及應(yīng)力分布往往被視為正態(tài)分布?？煽啃詢?yōu)化設(shè)計(jì)途徑較為單一，以指定性能指針為約束大大增強(qiáng)機(jī)械零件可靠度，甚至以可靠度為標(biāo)準(zhǔn)促使零件指定指針呈現(xiàn)最優(yōu)化體現(xiàn)，并且二者相比后者方法適用性更強(qiáng)。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中，技術(shù)人員必須建立體積最小、重量最輕及成本最低的目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合幾何尺寸、剛度、可靠度及強(qiáng)度等設(shè)計(jì)要求，搭建相應(yīng)的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，再依據(jù)數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度、形態(tài)及規(guī)模選擇出最為適宜的優(yōu)化方法求出其最終優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。

3 結(jié)語

通過本文探究，認(rèn)識(shí)到相較于常規(guī)設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合考慮機(jī)械零件設(shè)計(jì)參數(shù)的離散性及隨機(jī)性，促使設(shè)計(jì)方案貼近客觀實(shí)際。因此，相關(guān)技術(shù)人員秉持具體問題具體分析的工作原則，不斷豐富機(jī)械零件可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，立足于設(shè)計(jì)參數(shù)隨機(jī)性特點(diǎn)，消除安全系數(shù)取值深受設(shè)計(jì)人員自身工作經(jīng)驗(yàn)影響的風(fēng)險(xiǎn)因素，確保設(shè)計(jì)方案及數(shù)學(xué)模型符合客觀情況的要求。總而言之，優(yōu)化設(shè)計(jì)大大增強(qiáng)機(jī)械零件自身承載能力，控制總體成本投入，是保證機(jī)械零件設(shè)計(jì)質(zhì)量的有力手段。在機(jī)械零件可靠性研究不斷深化的大背景下，相關(guān)數(shù)據(jù)日趨完善，促使可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)得到越來越多從業(yè)人員的關(guān)注及重視。

參考文獻(xiàn)：

[1]何威.機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)理論與方法研究[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2018（03）：57-59.

[2]楊娜.單向相關(guān)下的機(jī)械零件動(dòng)態(tài)可靠性分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2018（03）：72-75.

[3]范圍廣.機(jī)械零件可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（06）：80.