機(jī)械零部件可靠性分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

趙蓉

摘要：機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)是分析參數(shù)對(duì)零部件可靠性的影響，估測(cè)規(guī)定工況條件下的狀態(tài)，通過(guò)機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)可以避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)保守性，降低零部件失效頻率，具有顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，科技的發(fā)展，不斷提高機(jī)械產(chǎn)品可靠性，必須從設(shè)計(jì)上解決產(chǎn)品的可靠性問(wèn)題。機(jī)械零部件設(shè)計(jì)要與時(shí)俱進(jìn)，把握零部件質(zhì)量保證與可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)方法。本文介紹了機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)方法，對(duì)機(jī)械零部件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了評(píng)述，為機(jī)械行業(yè)提供可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)方法參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì);零部件;可靠性;優(yōu)化設(shè)計(jì)

0? 引言

GJB451-90標(biāo)準(zhǔn)闡述的可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定使用條件下，完成規(guī)定功能的性質(zhì)，機(jī)械產(chǎn)品可靠性與設(shè)計(jì)、運(yùn)輸、使用等各環(huán)節(jié)密切相關(guān)，設(shè)計(jì)是保證產(chǎn)品可靠性的重要環(huán)節(jié)，機(jī)械產(chǎn)品可靠性與零部件結(jié)構(gòu)形式、選用的材料、制造工藝等有關(guān)。設(shè)計(jì)決定產(chǎn)品的可靠性水平，機(jī)械產(chǎn)品可靠性由其重要零部件決定，機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)尤為重要。機(jī)械零部件由于自身材料性能，使用時(shí)間變化及各種因素影響，其可靠性隨著使用時(shí)間增加逐漸減弱，可靠性減弱是動(dòng)態(tài)的過(guò)程，結(jié)構(gòu)的可靠性應(yīng)考慮時(shí)間因素，機(jī)械零部件可靠性靈敏度設(shè)計(jì)應(yīng)隨時(shí)間變化，可靠性分析在可靠性設(shè)計(jì)、維護(hù)等方面具有重要的作用。機(jī)械產(chǎn)品穩(wěn)健設(shè)計(jì)是關(guān)于產(chǎn)品質(zhì)量成本的工程設(shè)計(jì)方法，使產(chǎn)品具有對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)變化不敏感，其思想是設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生微小變差，使用中能保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性。可靠性設(shè)計(jì)監(jiān)理在靈敏度分析基礎(chǔ)上，可靠性與時(shí)間有關(guān)，穩(wěn)健設(shè)計(jì)是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程。本文對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)零部件的可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，探討機(jī)械零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)的科學(xué)方法。建立機(jī)械動(dòng)態(tài)可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)多目標(biāo)模型基礎(chǔ)上，提出基于灰色關(guān)聯(lián)分析多粒子群協(xié)同動(dòng)態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化算法，解決動(dòng)態(tài)可靠性設(shè)計(jì)多目標(biāo)模型求解難題。

1? 機(jī)械零部件可靠性概述

可靠性設(shè)計(jì)是以形成產(chǎn)品可靠性為目標(biāo)的設(shè)計(jì)技術(shù)，將外荷載、零部件尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)視為隨機(jī)性變量，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)，力學(xué)理論，得出避免零部件出現(xiàn)破壞的共識(shí)，形成符合實(shí)際的零部件設(shè)計(jì)。控制失效的發(fā)生率在可接受范圍。改良設(shè)計(jì)作用體現(xiàn)在分析計(jì)算數(shù)據(jù)，使設(shè)計(jì)者對(duì)零部件有清晰的了解[1]。

機(jī)械發(fā)展的可靠性是其重要基礎(chǔ)，機(jī)械產(chǎn)品可靠性不強(qiáng)，則產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)很大的問(wèn)題，機(jī)械產(chǎn)品失效主要原因是耗損型失效，如設(shè)備出現(xiàn)老化現(xiàn)象，及強(qiáng)度退化等為損耗型失效。機(jī)械產(chǎn)品銷(xiāo)量隨著時(shí)間不斷變化，但變化非恒定值，符合特征分布的形式有多種，如對(duì)數(shù)正態(tài)分布等。機(jī)械產(chǎn)品每個(gè)零部件有很多重要的設(shè)想模式，機(jī)械產(chǎn)品由零部件組成，零部件大多為非標(biāo)準(zhǔn)零件，導(dǎo)致失效統(tǒng)計(jì)值分散。如電子產(chǎn)品難以進(jìn)行失效率的統(tǒng)計(jì)。可靠性分析需要對(duì)失效模式相關(guān)性進(jìn)行考慮。

機(jī)械產(chǎn)品可靠性工作特點(diǎn)是統(tǒng)計(jì)，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)制定可靠性準(zhǔn)則，結(jié)合系列失效模式分析產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，得出分析結(jié)果為部門(mén)進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)使用。進(jìn)行保險(xiǎn)設(shè)計(jì)使要注意失效模式的分析，防止出現(xiàn)失效的可能。需要根據(jù)可靠的關(guān)鍵件進(jìn)行概率設(shè)計(jì)工作。產(chǎn)品研發(fā)中必須重視其可靠性試驗(yàn)，可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)收集失效信息，保證機(jī)械產(chǎn)品可靠。機(jī)械產(chǎn)品可靠性分析包括失效模式確定，與計(jì)算失效模式發(fā)生率?？煽慷扔?jì)算是可靠性分析的目的，失效模式確定的功能函數(shù)建立是可靠度計(jì)算的基礎(chǔ)。

2? 機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)的發(fā)展

傳統(tǒng)機(jī)械零部件設(shè)計(jì)中采用載荷等數(shù)取其平均值，未考慮設(shè)計(jì)的分散性，為保證可靠性對(duì)計(jì)算荷載等乘以安全系數(shù)，不能保證可靠性的天宮。隨著機(jī)械破壞機(jī)理認(rèn)識(shí)的深化，及改良統(tǒng)計(jì)論在機(jī)械零部件的應(yīng)力方面的應(yīng)用等，為機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用可靠度指標(biāo)保證其可靠性，對(duì)失效的可能性認(rèn)識(shí)較為合理。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者積極投入到機(jī)械零部件可靠性的設(shè)計(jì)中研究中[2]。隨機(jī)有限元法最初與蒙特卡羅法結(jié)合，80年代，Handa等運(yùn)用Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)方法，提出隨機(jī)有限元法，在考慮隨機(jī)變量的波動(dòng)性時(shí)，提出攝動(dòng)隨機(jī)有限元法。應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析中，Shinozuka將紐曼開(kāi)展法與蒙特卡洛法結(jié)合，提出紐曼開(kāi)展蒙特卡洛隨機(jī)有限元法[3]。

目前對(duì)機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)研究仍存在一些難點(diǎn)，主要包括機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能非嚴(yán)格串聯(lián)關(guān)系，需精確統(tǒng)計(jì)零部件故障率難度較大，機(jī)械產(chǎn)品承受荷載具有多樣性，使得參數(shù)選取具有一定困難。可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)結(jié)果應(yīng)用受到限制?？煽啃栽O(shè)計(jì)未來(lái)發(fā)展向定性與定量結(jié)合，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與可靠性設(shè)計(jì)結(jié)合，無(wú)故障涉及與耐久性設(shè)計(jì)方向發(fā)展。

3? 機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)的研究

工程設(shè)計(jì)是探索性創(chuàng)造過(guò)程，是按既定目標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)優(yōu)化的過(guò)程。要定義系列設(shè)計(jì)參與如荷載、強(qiáng)度等許多工程事物描述，機(jī)械原理方案設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)造型擬定，參數(shù)選擇等需要工程技術(shù)人員憑借經(jīng)驗(yàn)推斷決策。機(jī)械系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)需建立可供分析設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，要對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)相比存在誤差。

工程實(shí)際中遇到的不確定性包括不固定性、不可靠性、不完全性等。機(jī)械設(shè)計(jì)中通常用確定結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析，實(shí)際工程中通常存在材料性能參數(shù)，計(jì)算模型，結(jié)構(gòu)部件接頭相關(guān)誤差等。誤差與不確定性結(jié)合使結(jié)構(gòu)相應(yīng)產(chǎn)生較大偏差。設(shè)計(jì)變量帶有不確定性，工程分析設(shè)計(jì)中按其來(lái)源分為物理性、統(tǒng)計(jì)性與模型不確定性。工程實(shí)際中不確定性劃分隨機(jī)性、模糊性、未知性。不確定性特點(diǎn)為表現(xiàn)具有兩面性，某些事物表現(xiàn)具有單一不確定性，確定性與不確定性?xún)芍匦浴Ｓ捎诳萍嫉陌l(fā)展，使得交叉學(xué)科趨勢(shì)加強(qiáng)，要求解決復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，解決相關(guān)的經(jīng)濟(jì)資源等多方面的問(wèn)題，模糊數(shù)學(xué)等非精確數(shù)學(xué)方法可以處理非確定性問(wèn)題。

可靠性的概念由來(lái)已久，人們是社會(huì)活動(dòng)中經(jīng)常遇到事物可靠性的評(píng)論，是同事物是否達(dá)到預(yù)期功能，當(dāng)前可靠性技術(shù)成為重要的系統(tǒng)工程。最初起源于軍用電子裝備工業(yè)，1957年美國(guó)國(guó)防部電子設(shè)備顧問(wèn)委員會(huì)發(fā)表可靠性報(bào)告，系統(tǒng)闡述可靠性理論基礎(chǔ)，可靠性從軍用到民用，航空航天等領(lǐng)域逐步發(fā)展。機(jī)械可靠性是可靠性分析學(xué)科的重要部分，可靠性的研究源于40年代，1971年A.M.Freudenthal教授提出構(gòu)件強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)力干涉模型，此后在結(jié)構(gòu)可靠性研究等方面處于領(lǐng)先地位。由于影響機(jī)械設(shè)備因素眾多，機(jī)械產(chǎn)品批量較少，機(jī)械可靠性在60年代未全面展開(kāi)?？煽啃约夹g(shù)引入比電子系統(tǒng)晚20年，主要原因是機(jī)械零部件通用性較差，機(jī)械系統(tǒng)承受應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，機(jī)械產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)難以進(jìn)行。

4? 機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)方法

機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)需要與時(shí)俱進(jìn)，機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，機(jī)械產(chǎn)品具有不同的功能結(jié)構(gòu)，可靠性設(shè)計(jì)方法選擇需要因地制宜。

權(quán)衡設(shè)計(jì)是對(duì)可靠性等要素綜合衡量后制定最佳方案[4]，考慮零部件在壽命周期可能遇到的環(huán)境影響因素，包括運(yùn)輸?shù)呐鲎玻O(shè)備保養(yǎng)合理程度等，通過(guò)因素分析，在零部件生產(chǎn)用料上優(yōu)化，保證零部件及機(jī)械設(shè)備的可靠性。機(jī)械設(shè)備運(yùn)作是整體運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)整體功能大于部分功能，首先要優(yōu)化零部件可靠性，機(jī)械設(shè)備零部件需要優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)件，選用前要對(duì)零部件進(jìn)行分析驗(yàn)證，以成熟的經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證方案[5]。

機(jī)械零部件使用中受到外界條件影響，強(qiáng)度逐漸退化，必須引入時(shí)間概念用隨機(jī)過(guò)程描述強(qiáng)度變化歷程。文獻(xiàn)運(yùn)用隨機(jī)過(guò)程原理建立合資啊與強(qiáng)度變化動(dòng)態(tài)可靠模型，采用隨機(jī)攝動(dòng)法進(jìn)行零部件動(dòng)態(tài)可靠性指標(biāo)計(jì)算。

簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)是滿(mǎn)足特定條件下設(shè)計(jì)合理簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜容易出現(xiàn)故障，無(wú)法進(jìn)行可靠性?xún)?yōu)化。是避開(kāi)故障的有效方式。簡(jiǎn)化非依靠少部分超負(fù)荷承載大部分功能，零部件簡(jiǎn)化需從整體把握，余度設(shè)計(jì)從整體下手，通過(guò)對(duì)完成規(guī)定功能設(shè)置重復(fù)結(jié)構(gòu)等[6]，機(jī)械設(shè)備整體系統(tǒng)保存規(guī)定的功能。

5? 機(jī)械零部件可靠性分析

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)分析主要以機(jī)械零部件原有可靠性為首要條件，根據(jù)其所需工作方式，及現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境等多方面工況對(duì)機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其使用性能滿(mǎn)足使用條件，達(dá)到理想使用效果。使機(jī)械在規(guī)定環(huán)境中發(fā)揮強(qiáng)大的作用。

環(huán)境變化時(shí)需對(duì)群離子重新設(shè)置初始值，由于材料強(qiáng)度隨時(shí)間推移呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，最近時(shí)間段得到最優(yōu)解為接近下一時(shí)間段最優(yōu)解，在全局極值附近選取50%粒子為初始值，為更好搜索全局最優(yōu)解，剩下50%粒子隨機(jī)產(chǎn)生。最優(yōu)設(shè)計(jì)尺寸在部件服務(wù)初期穩(wěn)定，中后期零部件強(qiáng)度隨時(shí)間減弱，保證部件可靠性指標(biāo)要求，說(shuō)明可靠性隨時(shí)間推移遞增趨勢(shì)，可依據(jù)服役期間要求通過(guò)模型選擇最佳設(shè)計(jì)尺寸。

對(duì)機(jī)械可靠性?xún)?yōu)化中，要利用部分?jǐn)?shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型構(gòu)建[7]，了解零部件的強(qiáng)度等性能，使其成為約束的條件，計(jì)算中利用函數(shù)知識(shí)對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)計(jì)算分析得出結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù)優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)可靠性。

靈敏度設(shè)計(jì)是機(jī)械可靠性的重要基礎(chǔ)，是可靠性中重要的部分，進(jìn)行可靠性靈敏度設(shè)定首先根據(jù)其機(jī)械零部件找出反應(yīng)強(qiáng)烈的影響因素，根據(jù)因素造成的工作效果進(jìn)行評(píng)估[8]，對(duì)靈敏度參數(shù)進(jìn)行調(diào)整?？梢越档蛯?duì)零部件靈敏參數(shù)響應(yīng)，可靠性靈敏度設(shè)計(jì)中需利用相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算敏感參數(shù)值，為靈敏度提供準(zhǔn)確的參考條件，使其靈敏度降低對(duì)靠性影響[9]。

實(shí)驗(yàn)分析是機(jī)械零件可靠性的最后工作，進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)后需進(jìn)行系列的實(shí)驗(yàn)工作，才能保證工作中不出現(xiàn)各種問(wèn)題。可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出機(jī)械零部件工作狀態(tài)下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)反映問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)。檢驗(yàn)機(jī)械是否合理，實(shí)驗(yàn)分析中得出數(shù)據(jù)可提高機(jī)械零部件生產(chǎn)質(zhì)量，延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命。實(shí)驗(yàn)中如遇到一些故障，需進(jìn)行仔細(xì)分析研究，根據(jù)研究結(jié)果制定有針對(duì)性的解決措施，杜絕工作中出現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象[10]。機(jī)械零部件設(shè)計(jì)方案出現(xiàn)變更時(shí)，需進(jìn)行重新試驗(yàn)，為降低試驗(yàn)成本，可以利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)試出機(jī)械零部件的使用效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉廷.基于混合GA的考慮中介狀態(tài)時(shí)機(jī)械零部件可靠性?xún)?yōu)化研究[D].重慶交通大學(xué)，2017.

[2]莊月皎.機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)算例系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)[D].河北科技大學(xué)，2015.

[3]冉虎珍. 新型接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車(chē)車(chē)軸齒輪箱可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)[D].蘭州交通大學(xué)，2014.

[4]徐祺祥.機(jī)械產(chǎn)品的可靠性分析—— 介紹FMEA和FTA分析法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，1984（1）.

[5]何周琴.機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)之概率設(shè)計(jì)法[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2010（3）.

[6]王新剛，張義民，王寶艷.機(jī)械零部件的動(dòng)態(tài)可靠性分析[J].兵工學(xué)報(bào)，2009（11）.

[7]王正.零部件與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可靠性建模理論與方法[D].東北大學(xué)，2007.

[8]趙淑瑩，楊晨升.基于可靠性的機(jī)械零部件設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械工程師，2010（3）.

[9]王新剛.機(jī)械零部件時(shí)變可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)若干問(wèn)題的研究[D].東北大學(xué)，2009.

[10]于繁華，劉仁云，張義民，張曉麗，孫秋成.機(jī)械零部件動(dòng)態(tài)可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)的群智能算法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2017，47（06）：1903-1908.