淺談機(jī)械工程的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

張闊 程玉印

摘 要：自新中國(guó)建立以來(lái)，為了促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提高，我國(guó)的機(jī)械工程行業(yè)得到了很大扶持，并且也實(shí)現(xiàn)了前所未有的發(fā)展。而我國(guó)的機(jī)械工程的可靠性設(shè)計(jì)水平卻沒(méi)有明顯的提高。在機(jī)械工程的制造過(guò)程中，由于產(chǎn)品種類繁多，而且工藝比較復(fù)雜，同時(shí)在可靠性的要求上也容不得絲毫的馬虎，因此實(shí)行機(jī)械工程的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)就變得十分必要了。

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

所謂的機(jī)械工程產(chǎn)品的可靠性就是指產(chǎn)品能夠真正地實(shí)現(xiàn)其所標(biāo)榜的產(chǎn)品的功能。這一點(diǎn)，隨著社會(huì)需求的不斷擴(kuò)展也變得越發(fā)地重要了，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的人在對(duì)產(chǎn)品提出更多的需要的同時(shí)對(duì)其產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)的真實(shí)性也變得越發(fā)地看重了。因此，機(jī)械工程的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)也就變得十分地必要了。其中可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)也要遵循相應(yīng)的法則，即必須要在滿足時(shí)間、經(jīng)費(fèi)及相應(yīng)的使用性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行，使得產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)其可靠性。這樣的技術(shù)除了涉及到傳統(tǒng)技術(shù)的改革之外，還與環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域有著不可分割的關(guān)系。

1 可靠性設(shè)計(jì)及其發(fā)展

為了了解可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，我們必須首先了解什么是產(chǎn)品的可靠性?？煽啃缘慕?jīng)典定義是：“產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力?！倍x中的“產(chǎn)品”是作為單位研究和分別試驗(yàn)對(duì)象的任何元件、器件、設(shè)備或系統(tǒng)，甚至可以把人的作用也包括進(jìn)去。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，應(yīng)用可靠性的理論和技術(shù)、根據(jù)需要和可能、優(yōu)先考慮可靠性要求。在滿足性能、費(fèi)用、時(shí)間等條件下，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有滿意的可靠性要求，這就是產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)?？煽啃栽O(shè)計(jì)不僅涉及傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，而且還與系統(tǒng)工程、價(jià)值工程、環(huán)境工程、工程心理學(xué)、質(zhì)量控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等密切相關(guān)。因此，它是一個(gè)多學(xué)科、多技術(shù)相融合的新興技術(shù)。它不但應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程，而且還廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的制造生產(chǎn)、試驗(yàn)、使用、維護(hù)、管理等各個(gè)環(huán)節(jié)。因此，這項(xiàng)新興技術(shù)在軍工、航空、航天、電子、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

1.1 可靠性的發(fā)展史

人類從開(kāi)始研究可靠性技術(shù)至今，大約經(jīng)歷了60余年的歷史。研究其發(fā)展過(guò)程，可歸納為初期研究、形成發(fā)展和進(jìn)一步國(guó)際化三個(gè)階段。

（1）初期研究階段（20 世紀(jì)30～40 年代）：二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，美國(guó)參戰(zhàn)的飛機(jī)、軍艦等重要軍事裝備常因故障貽誤戰(zhàn)機(jī)，為此軍事裝備的可靠性問(wèn)題逐漸引起了人們的關(guān)注，開(kāi)始著手研究如何避免和減少這些“意外”事故的發(fā)生并最早提出了產(chǎn)品的定量可靠性問(wèn)題。接著美國(guó)、德國(guó)的專家針對(duì)飛機(jī)、V-Ⅱ火箭誘導(dǎo)裝置的可靠性又提出了相應(yīng)的指標(biāo)。1942 年美國(guó)麻省理工學(xué)院的一個(gè)研究室對(duì)真空管的可靠性進(jìn)行了相當(dāng)深入的研究。所有這些都表明可靠性研究已進(jìn)入了定量研究的初期階段。

（2）形成發(fā)展階段（20 世紀(jì)50～60 年代）：在這一時(shí)期，世界上一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，如美國(guó)、前蘇聯(lián)、原西德、日本等對(duì)可靠性開(kāi)始了有組織的研究工作，并取得了許多重要成果，基本上確定了可靠性研究的理論基礎(chǔ)和研究方向，使可靠性研究進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。這一時(shí)期，研究范圍不斷擴(kuò)大，從電子產(chǎn)品擴(kuò)展到機(jī)械產(chǎn)品，從軍工產(chǎn)品擴(kuò)展到民用產(chǎn)品，可靠性技術(shù)進(jìn)一步完善，理論研究不斷深入，為可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)一步國(guó)際化奠定了基礎(chǔ)。

（3）國(guó)際化階段（20 世紀(jì)70 年代后）：隨著可靠性技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其優(yōu)越性越來(lái)越受到世界各國(guó)的高度重視，并相繼投入了大量的人力物力開(kāi)展這項(xiàng)研究工作。各種國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議的召開(kāi)、國(guó)際可靠性和可維護(hù)性技術(shù)委員會(huì)的成立，標(biāo)志著可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了國(guó)際化時(shí)代。

1.2 我國(guó)可靠性研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)可靠性的研究起步較晚，直到20 世紀(jì)80年代才得到了較快發(fā)展，個(gè)別行業(yè)還成立了可靠性學(xué)術(shù)組織，開(kāi)展了對(duì)可靠性技術(shù)人才的培養(yǎng)，制定了一系列的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。但從總體來(lái)看，理論研究較多，實(shí)際應(yīng)用較少，與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大差距。

2 可靠性設(shè)計(jì)在機(jī)械中的應(yīng)用

產(chǎn)品的可靠性貫穿于其整個(gè)壽命周期，目前機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的可靠性設(shè)計(jì)主要應(yīng)用在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、使用和維修等方面。

2.1 機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)包括整機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其零部件設(shè)計(jì)。對(duì)整機(jī)產(chǎn)品可將其作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的方式主要有以下兩種：第一種方式是根據(jù)零部件的可靠性預(yù)測(cè)結(jié)果，計(jì)算產(chǎn)品系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，這就是系統(tǒng)的可靠性預(yù)測(cè)，其結(jié)果只要滿足指標(biāo)要求即可，如果不能滿足要求就要按第二種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)；第二種方式是對(duì)零部件進(jìn)行可靠性分配，即把系統(tǒng)指標(biāo)分配到各個(gè)零部件上，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(píng)分分配法四種。零部件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件或質(zhì)量成熟的零件，一般零部件可按類比法設(shè)計(jì)，重要的零件按概率法設(shè)計(jì)，對(duì)一些關(guān)鍵零部件還應(yīng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。對(duì)產(chǎn)品的可靠性應(yīng)進(jìn)行評(píng)審、修改、再評(píng)審、再修改，直到滿足指標(biāo)要求為止。另外，還要進(jìn)行人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這方面主要包括操作性和適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

2.2 制造過(guò)程可靠性設(shè)計(jì)

制造過(guò)程的可靠性設(shè)計(jì)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，除了要選用可靠性好的先進(jìn)加工設(shè)備和工藝裝備外，重點(diǎn)是對(duì)工藝方案和工藝流程的設(shè)計(jì)。產(chǎn)品的工藝流程相當(dāng)于一個(gè)系統(tǒng)，每一個(gè)工藝方案或工序相當(dāng)于一個(gè)子系統(tǒng)。每一個(gè)子系統(tǒng)的可靠度設(shè)計(jì)都要綜合考慮設(shè)備、工藝裝備、工藝材料及操作人員的素質(zhì)等因素，確定出合理的子系統(tǒng)可靠度指標(biāo)，然后按子系統(tǒng)之間的關(guān)系（串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)）得出系統(tǒng)的預(yù)測(cè)可靠度（如自動(dòng)線、流水線等的設(shè)計(jì)）。

2.3 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(duì)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(guò)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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行維修性設(shè)計(jì)時(shí)要以最低的費(fèi)用來(lái)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。

3 結(jié)束語(yǔ)

常規(guī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮可靠性指標(biāo)，因此不能反映產(chǎn)品運(yùn)行的真實(shí)情況；而可靠性設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)中不考慮成本、重量、體積等指標(biāo)。對(duì)某些設(shè)計(jì)問(wèn)題，僅采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法或僅采用可靠性設(shè)計(jì)方法，都很難得到理想的設(shè)計(jì)結(jié)果，而可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法將優(yōu)化技術(shù)與可靠性設(shè)計(jì)理論有機(jī)地結(jié)合在一起，彌補(bǔ)了各自的不足。隨著機(jī)械產(chǎn)品的日益大型化、復(fù)雜化，可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在機(jī)械工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]天津工程機(jī)械研究所.國(guó)外機(jī)械工業(yè)基本情況[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[2]萬(wàn)耀青，等.機(jī)電工程現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1994.

[3]幅爾G，拜茨W.工程設(shè)計(jì)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[4]章二平.工程機(jī)械的綠化設(shè)計(jì)[J].工程機(jī)械與維修，2002.