機(jī)械零部件設(shè)計(jì)中的可靠性分析

李 昊

（曹妃甸職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063200）

制造業(yè)的迅速發(fā)展，使得更多領(lǐng)域?qū)C(jī)械零件提出更為嚴(yán)格的要求，機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)是現(xiàn)代機(jī)械零部件生產(chǎn)的主要依據(jù)，航空航天、汽車工業(yè)與大型機(jī)械設(shè)備等重工業(yè)產(chǎn)品和機(jī)械類產(chǎn)品內(nèi)部的重要零部件都是建立在零件可靠性基礎(chǔ)上進(jìn)行生產(chǎn)的。由于機(jī)械零件被廣泛使用并且需要具有更高的可靠性，機(jī)械零件需要在設(shè)計(jì)中進(jìn)行多方面優(yōu)化與可靠性分析。因此，我國制造業(yè)對機(jī)械零件設(shè)計(jì)的可靠性分析十分重視，機(jī)械零件設(shè)計(jì)可靠性分析能力的增強(qiáng)，加速了我國工業(yè)水平的提升。

1 機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)相關(guān)理論

1.1 機(jī)械零部件可靠性概述

機(jī)械零部件可靠性是指在一定條件下、一定時(shí)間內(nèi)，機(jī)械零部件能夠完成規(guī)定的功能，而不發(fā)生失效的能力。在機(jī)械系統(tǒng)中，機(jī)械零部件可靠性是保證整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。機(jī)械零部件的可靠性受到多種因素的影響，包括零部件初始設(shè)計(jì)、零件材料、制造加工工藝、所處的應(yīng)用環(huán)境條件等。在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造過程中，需充分考慮這些因素，以提高機(jī)械零部件可靠性。在機(jī)械零件設(shè)計(jì)中進(jìn)行可靠性分析主要是靠建立數(shù)學(xué)模型或者功能函數(shù)模型，對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用到的參數(shù)通過如概率論和模糊理論等的分析，對強(qiáng)度-干涉理論、靈敏度分析進(jìn)行了理論處理并建立了變量參數(shù)計(jì)算公式，由此構(gòu)造了合理的數(shù)學(xué)模型。

1.2 機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)的理論研究基礎(chǔ)

可靠性分析的最大優(yōu)點(diǎn)在于其在機(jī)械零件參數(shù)設(shè)計(jì)過程中，能夠排除人為因素，同時(shí)考慮了許多外部因素給零件帶來的沖擊，其中機(jī)械零件發(fā)生故障的概率也被考慮進(jìn)去。由于在可靠性分析中考慮全面，可近似模擬部件的真實(shí)工作狀態(tài)，能夠有效地對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)估，所獲數(shù)據(jù)比主觀的理論參數(shù)更有現(xiàn)實(shí)意義，可以實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用的目標(biāo)。具體可以從以下幾個(gè)方面的理論來闡述[1]：

1）可靠性工程理論?？煽啃怨こ淌菣C(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。它包括可靠性概念、可靠性指標(biāo)、可靠性數(shù)學(xué)模型、可靠性增長模型等內(nèi)容?？煽啃怨こ汤碚摓闄C(jī)械零部件的可靠性設(shè)計(jì)提供了基本的理論框架和方法論。

2）材料力學(xué)。材料力學(xué)是機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。它包括材料的強(qiáng)度、韌性、疲勞性能、斷裂行為等方面的研究。通過對材料的力學(xué)性能進(jìn)行分析和測試，可以為零部件的材料選擇、設(shè)計(jì)和制造提供基礎(chǔ)支撐。

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它包括零部件的幾何形狀設(shè)計(jì)、受力分析、應(yīng)力分析、變形分析等方面。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使零部件在各種工況下具備足夠的強(qiáng)度和剛度，從而提高其可靠性。

4）制造工藝。制造工藝對機(jī)械零部件的可靠性設(shè)計(jì)具有重要影響。合理的制造工藝可以滿足零部件的尺寸精度、表面質(zhì)量、內(nèi)部組織等方面的要求，從而提高零部件的可靠性。

1.3 機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀

機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)是指在設(shè)計(jì)階段充分考慮零部件在整個(gè)使用壽命周期內(nèi)的可靠性，以確保其在各種工作條件下都能正常運(yùn)行的一種設(shè)計(jì)方法。目前，機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)在理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面都取得了一定進(jìn)展，總結(jié)如下[2]：

1）多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)。隨著工程復(fù)雜性的增加，機(jī)械零部件的可靠性設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識，如材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)等。因此，如何實(shí)現(xiàn)多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)各個(gè)學(xué)科之間的矛盾與沖突，是當(dāng)前可靠性設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)之一。

2）先進(jìn)材料和制造技術(shù)的應(yīng)用。隨著材料科學(xué)和制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型材料和制造工藝不斷涌現(xiàn)。然而，如何將這些先進(jìn)材料和制造技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)中，提高零部件可靠性，是當(dāng)前可靠性設(shè)計(jì)的發(fā)展方向之一。

3）可靠性仿真技術(shù)的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，可靠性仿真技術(shù)已成為機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)的重要手段。然而，如何提高可靠性仿真技術(shù)的精度和準(zhǔn)確性，以更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，是當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)之一。

4）復(fù)雜工況下的可靠性設(shè)計(jì)。在實(shí)際工程中，機(jī)械零部件往往需要在復(fù)雜的工況下工作，如高溫、高壓、高速等。如何在這些復(fù)雜工況下實(shí)現(xiàn)機(jī)械零部件的可靠性設(shè)計(jì)，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和挑戰(zhàn)之一。

2 機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)方法

2.1 可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和采用可靠性工程的方法，提高機(jī)械產(chǎn)品的可靠性和安全性，降低故障率和維修成本[3]。一般機(jī)械零件可靠性分析就是在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，對零件的質(zhì)量、尺寸及安全性等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)，使機(jī)械零件的整體性能得到有效提升，使機(jī)械零件能夠更好地適應(yīng)機(jī)械運(yùn)行環(huán)境，有效保證機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行。以某機(jī)械設(shè)備零件的扭轉(zhuǎn)軸為例，其零件結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。扭轉(zhuǎn)軸的可靠性變化曲線如圖2所示，由曲線圖可知，可靠度隨時(shí)間變化而遞減，變化趨勢由緩慢下降到急劇下降再到緩慢下降，最后趨于穩(wěn)定，主要受材料影響，如鋼鐵、鋁合金等，具有良好的耐磨性。扭轉(zhuǎn)軸在制造過程中，還受到載荷力以及工作環(huán)境等因素的影響。

表1 扭轉(zhuǎn)軸相關(guān)參數(shù)

圖1 某機(jī)械設(shè)備零件的扭轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和采用可靠性工程的方法，可以提高機(jī)械產(chǎn)品的可靠性和安全性，降低故障率和維護(hù)成本，提高機(jī)械產(chǎn)品的性能和競爭力。

2.2 可靠性靈敏度設(shè)計(jì)

機(jī)械零部件可靠性靈敏度設(shè)計(jì)是指在機(jī)械零部件設(shè)計(jì)過程中，通過對設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度分析，找出對零部件可靠性影響最大的參數(shù)，并對這些參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，以提高零部件可靠性。機(jī)械零部件可靠性靈敏度設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括[5]：

1）參數(shù)靈敏度分析。通過分析各種設(shè)計(jì)參數(shù)的變化對零部件可靠性的影響，找出對零部件可靠性影響最大的參數(shù)。

2）靈敏度設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)考慮對零部件可靠性影響最大的參數(shù)，進(jìn)行合理的方案設(shè)計(jì)，以提高零部件可靠性。

3）靈敏度試驗(yàn)驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證參數(shù)變化對零部件可靠性的影響，驗(yàn)證靈敏度設(shè)計(jì)方案的有效性。

其中，機(jī)械零部件可靠性靈敏度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面：

1）靈敏度分析方法。采用合適的數(shù)學(xué)模型和分析方法，對設(shè)計(jì)參數(shù)的變化對零部件可靠性的影響進(jìn)行準(zhǔn)確分析。

2）參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，提高零部件可靠性，降低零部件對設(shè)計(jì)參數(shù)變化的敏感度。

3）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，驗(yàn)證參數(shù)變化對零部件可靠性的影響，為靈敏度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

例如，圖3 為圖1 所示零件的扭轉(zhuǎn)軸均值靈敏度變化曲線，由圖可知，變量D和r的均值隨時(shí)間變化對可靠度影響為正，說明增加D和r將提高可靠度；變量T、h和d的均值對可靠度影響為負(fù)，說明增加T、h和d將降低可靠度。均值靈敏度的絕對值隨時(shí)間變化先增大后減小，說明隨時(shí)間變化各參數(shù)均值對可靠度影響先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定。

圖3 扭轉(zhuǎn)軸均值靈敏度變化曲線

2.3 可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)

機(jī)械零部件可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)是指在機(jī)械零部件設(shè)計(jì)過程中，考慮到各種不確定因素和變化，通過合理的設(shè)計(jì)方法和策略，使零部件在面對這些不確定因素和變化時(shí)依然能夠保持穩(wěn)定的性能和可靠性。可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)旨在提高零部件的抗干擾能力和適應(yīng)性，從而降低因外部環(huán)境變化或制造過程中的不確定因素而引起的性能波動和可靠性降低。機(jī)械零部件可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容包括[6]：

1）不確定因素分析。對零部件設(shè)計(jì)過程中可能存在的各種不確定因素進(jìn)行分析，包括材料性能的波動、工藝參數(shù)的變化、外部環(huán)境因素的影響等。

2）穩(wěn)健設(shè)計(jì)策略。采用合適的設(shè)計(jì)策略和方法，對零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以提高零部件對不確定因素的抗干擾能力和適應(yīng)性。

3）穩(wěn)健性驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)和仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證零部件設(shè)計(jì)在面對不確定因素時(shí)的穩(wěn)健性能，確保零部件在各種不確定因素下依然能夠保持穩(wěn)定的性能和可靠性。

這一設(shè)計(jì)方法有助于提高零部件的抗干擾能力和適應(yīng)性，降低因外部環(huán)境變化或制造過程中的不確定因素而引起的性能波動和可靠性降低。在實(shí)際工程中，機(jī)械零部件可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)是提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的重要手段。

2.4 可靠性試驗(yàn)

機(jī)械零部件的可靠性試驗(yàn)是為了驗(yàn)證零部件在實(shí)際使用條件下的可靠性表現(xiàn)而進(jìn)行的一系列測試和評估活動。通過可靠性試驗(yàn)，可以評估零部件在特定環(huán)境和負(fù)載條件下的壽命、故障率、可靠性指標(biāo)等，從而為機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)提供重要的數(shù)據(jù)支持[7]。1）可靠性壽命試驗(yàn)：通過在實(shí)際使用條件下對零部件進(jìn)行長期運(yùn)行試驗(yàn)，觀察和記錄零部件的壽命特性，包括故障發(fā)生的時(shí)間、模式和原因等，從而評估零部件可靠性指標(biāo)。2）可靠性加速試驗(yàn)：在實(shí)驗(yàn)室條件下，通過提高環(huán)境溫度、濕度，加大振動等方式，加速零部件的老化和故障，以評估零部件在短時(shí)間內(nèi)的可靠性表現(xiàn)。3）可靠性環(huán)境試驗(yàn)：通過模擬零部件在不同環(huán)境條件下的使用情況，如高溫、低溫、潮濕、腐蝕等，評估零部件在不同環(huán)境條件下的可靠性表現(xiàn)。

3 機(jī)械零部件可靠性分析方法

3.1 響應(yīng)面法

機(jī)械零部件的響應(yīng)面可靠性分析方法是一種將響應(yīng)面方法和可靠性分析方法相結(jié)合的分析方法，旨在確定機(jī)械零部件在設(shè)計(jì)空間內(nèi)的可靠性指標(biāo)，以及設(shè)計(jì)參數(shù)對可靠性的影響程度[8]。該方法將響應(yīng)面方法和可靠性分析方法相結(jié)合，可以有效地評估機(jī)械零部件可靠性并優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，以提高機(jī)械零部件可靠性。同時(shí)，將可靠性分析方法應(yīng)用于響應(yīng)面模型，以評估機(jī)械零部件在設(shè)計(jì)空間內(nèi)的可靠性指標(biāo)。響應(yīng)面可靠性分析方法的步驟包括：1）確定設(shè)計(jì)參數(shù)和響應(yīng)變量。確定機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)和響應(yīng)變量，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量。2）建立響應(yīng)面模型。通過響應(yīng)面方法建立機(jī)械零部件的響應(yīng)面模型，以預(yù)測機(jī)械零部件在設(shè)計(jì)空間內(nèi)的響應(yīng)變量。3）確定可靠性分析方法。根據(jù)機(jī)械零部件的可靠性要求，確定可靠性分析方法，如概率分布分析、可靠性指標(biāo)分析等。4）對響應(yīng)面模型進(jìn)行可靠性分析。將可靠性分析方法應(yīng)用于響應(yīng)面模型，以評估機(jī)械零部件在設(shè)計(jì)空間內(nèi)的可靠性指標(biāo)。5）優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)可靠性分析結(jié)果，優(yōu)化機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)，以提高機(jī)械零部件的可靠性。

3.2 回歸分析法

機(jī)械零部件的回歸分析法是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的分析方法，用于評估機(jī)械零部件的可靠性[9]。1）通過實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)據(jù)采集，確定機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)和響應(yīng)變量。2）利用回歸分析建立機(jī)械零部件的數(shù)學(xué)模型，描述設(shè)計(jì)參數(shù)與響應(yīng)變量之間的關(guān)系?；貧w分析可以幫助確定設(shè)計(jì)參數(shù)對響應(yīng)變量的影響程度以及它們之間的函數(shù)關(guān)系。3）應(yīng)用可靠性分析方法，如概率分布分析、可靠性指標(biāo)分析等，對回歸分析模型進(jìn)行評估，以確定機(jī)械零部件在設(shè)計(jì)空間內(nèi)的可靠性指標(biāo)。4）根據(jù)可靠性分析結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，以提高機(jī)械零部件的可靠性。

3.3 最大似然法

這種方法由德國數(shù)學(xué)家提出，是一種參數(shù)統(tǒng)計(jì)法，利用概率學(xué)對測試對象進(jìn)行隨機(jī)抽查，對整體樣本情況進(jìn)行全面的分析和評估，從而使機(jī)械零件的整體性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。目前來看，最大似然法的應(yīng)用過程相對簡單，具有較高的實(shí)用性[10]。在進(jìn)行機(jī)械零件可靠性分析時(shí)，需要及時(shí)確定機(jī)械零件的設(shè)計(jì)變量，并將SUMT 內(nèi)點(diǎn)法應(yīng)用到機(jī)械零件的設(shè)計(jì)中，建立明確的失效年限變量參數(shù)關(guān)系。同時(shí)，在應(yīng)用這種方法進(jìn)行機(jī)械零件可靠性分析時(shí)，需要充分利用相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，以確保機(jī)械零件可靠性分析及評估結(jié)果更加準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語

綜上所述，機(jī)械零部件可靠性分析在設(shè)計(jì)過程中具有重要的意義。通過應(yīng)用可靠性分析方法，可以評估機(jī)械零部件在設(shè)計(jì)空間內(nèi)的可靠性指標(biāo)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)以提高機(jī)械零部件的可靠性。這種方法有助于提高機(jī)械零件質(zhì)量和市場競爭力，對于工程應(yīng)用和生產(chǎn)制造具有重要意義。在機(jī)械零部件設(shè)計(jì)中，可靠性分析應(yīng)被視為一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)，以確保機(jī)械零部件的可靠性和穩(wěn)定性。因此，對于機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)者和制造商來說，了解和應(yīng)用可靠性分析方法是至關(guān)重要的。