機械可靠性設計的內涵與遞進

高偉

摘要：機械設計的復雜性，不僅在于它是一個系統性的領域，更在于眾多的機械產品都對可靠性提出了較高的要求，因而，在機械產品的設計過程中的可靠性是要予以足夠重視的。文章針對機械的可靠性設計進行了闡述。

關鍵詞：機械可靠性；機械設計；概率設計法；穩健性設計法

中圖分類號：TM923 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）14-0010-02

現代社會，科學技術日新月異，在對產品的質量提出更高要求的同時，可靠性這一概念在工程科學領域越來越受到重視。機械結構可靠程度直接由其設計決定，而在設計時要充分考慮結構的可靠性。與西方發達國家相比，我國機械結構的設計水平還處于比較低端的水平，而要實現機械制造業的快速、健康發展，不斷提升產品質量，在國際競爭中取得質量優勢，增強企業的國際競爭力，政府和企業必須足夠重視對機械可靠性技術研發，提升設計水平。另外，世貿組織推行的關于機械產品的強制認證制度更從參與國際競爭的要求角度對機械產品的質量提出了更高的要求，加劇了激烈競爭的程度。這一切都顯示出，研究機械可靠性技術是勢在必行的。

1 機械可靠性概述及發展現狀

何為可靠性？可靠性實際上指的是產品在特定的環境條件和工作條件下，在規定的任務時間范圍內能夠完成規定功能的連續性和重復性的能力。20世紀20年代，對于可靠性技術的研究就已經開始，到20世紀40年代，才應用于結構工程設計之中?？煽啃约夹g要依賴于概率統計和隨機過程理論，通過結構分析技術，來達到對結構系統可靠度的進行估計。通過研究和生產實踐，國內外一致認為，機械結構的設計是保證其可靠性的決定性因素，而制造安裝和管理是重要支撐。因而，為了保證機械結構的安全可靠，提升工業的發展水平，并進而優化產業內結構，在機械結構的設計過程中，對于概率設計理論的研究，可靠性技術的應用就顯得十分重要。正是基于這樣的需求，可靠性分析與設計方法得到了快速發展。

對于機械可靠性技術的研究，我國目前已經取得了一定的成果。此類研究活動主要集中在高校和專業性的研究機構，有很多科技工程領域的研究人員參與到研究之中，并由不少的設計人員從事著實際設計實踐活動。經過研究工作者的辛勤耕耘，已經出現了頗具價值的專業著作、學術報告、教學教材。然而，相比較國際先進水平，在這方面依然存在巨大的差距。我國關于可靠性各方各面的研究和實踐還處于初級起步階段，水平還亟待提高。從機械可靠性技術研究方面而言，尚處于探索初期；從管理體系而言，在我國的企業中還沒有建立起可靠性管理體系；從設計方面而言，設計技術沒有得到推廣使用。造成這些問題的原因是多方面的，主要有可靠性理論的研究時間短，且沒有得到廣泛傳播；設計人員對于設計方法的理解和掌握水平較低；企業缺乏自主創新能力，忽視對自主研發能力的投入，從而造成我國雖然是一個機械制造大國，但是由于缺乏可靠性核心技術，而不能躋身制造強國，進而對我國的經濟發展狀況產生影響。

2 機械可靠性設計的常用方法

2.1 概率設計法

概率設計法是一種設計機械零部件及構件的方法，依賴概率設計理論的指導。首先是對原材料的強度、性能和零部件的尺寸等條件進行概率分布統計，然后再用應力強度干涉模型進行運算，最后在零部件的設計計算模型的幫助下，取得零部件的尺寸、可靠度、使用壽命。把以設計變量為隨機變量，在應力強度干涉模型幫助下，保證所設計的零部件能夠達到預期的可靠度指標，是概率設計法的核心所在。傳統的設計方法是以安全系數為基礎的，與之相比，概率設計法有其優越之處。首先，概率設計法能夠更好地保證機械產品的可靠度。這是因為該方法并不是采取最小強度大于最大應力的指標，而是對機械產品的應力和強度的描述通過概率分布來完成，這樣就有效地克服了傳統方法因為強度和應力并非一成不變而造成的設計可靠性的缺陷。其次，概率設計法能夠滿足定量可靠度的要求。原因在于該方法預見并承認了設計的零部件會存在一定程度上的故障，并能夠對產品的故障率和可靠程度做出定量的回答；而傳統的方法并不能對可靠度做出定量的

預測。

2.2 穩健性設計法

穩健性設計法是由田口玄一（日本著名機械設計師）提出的。該法以統計分析為設計基礎，目的是盡可能保持產品性能的穩定性以及最大限度地延長產品的使用時長，這就要求在設計過程中考慮到制造過程和使用過程中，外部環境的變異和產品本身參數、結構等因素的變化等各種問題，并予以預見性的解決。該法衡量產品設計的可靠性，主要是根據產品對擁護造成的損失大小。損失是指產品的實際功能與預期目標之間的偏差；如果偏差越大，用戶的損失也就越大，同時也說明產品質量也越差。對生產材料和生產工藝的嚴格控制能夠有效地減小偏差，從而提升產品的質量。穩健性設計法存在明顯的缺陷，理論上這種方法是成立的，但是技術層面上卻難以實施，從而使得其經濟適用性差。在某種程度上而言，這種方法實際上集合了諸多方法的做法，對其進行改良和完善，可以有效地提升產品的可靠性。如果產品的抗干擾性提高、穩健性良好，那么產品必然擁有較高的可靠性。

3 可靠性優化設計

機械產品生產制造全過程離不開設計的過程，而且這也是至關重要的環節之一。當今時代，科技日新月異，知識和技術的相互轉化、技術向生產力的轉化日益迅速，各種新型的生產工藝、生產材料等應運而生，各種新型的機械產品加速取代舊時落后的機械產品。這些使得市場對產品的需求提出了更高的要求，顧客更多地去考慮產品的質量、性能和售后的服務質量。而市場需求反過來，對機械產品的設計和生產也同樣提出了要求。如果不去提升設計質量、縮短設計時間和設計過程，產品的生產必然滿足不了市場需求。另外，設計的完善程度，必然影響到生產出來的機械產品的質量和成本，而提高質量、降低成本是企業經營成敗的關鍵因素之一。所以，在當今時代，要想取得機械工業的快速發展，深入研究設計的可靠性技術，改善設計方法，提高設計的效率和效果勢在必行。而數學規劃和計算機技術為優化可靠性設計提供了有力的支撐。機械優化設計正是由于數學規劃理論與方法和計算機技術的發展和應用應運而生的，依托計算機提供的優化設計理論和方法，能夠有效地解決各種復雜的問題，從而獲得長足發展。

參考文獻

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