機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)涵與遞進(jìn)

陳鵬沖 張曠齊 王子樂

摘 要：機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是在故障物理學(xué)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合可靠性試驗(yàn)以及故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，提供實(shí)際計(jì)算的數(shù)學(xué)力學(xué)模型和方法及實(shí)踐。這樣就可以在機(jī)械產(chǎn)品的研制階段，估計(jì)或預(yù)測產(chǎn)品在規(guī)定工作條件下的工作能力狀態(tài)或壽命，保證產(chǎn)品具有所需的可靠性。結(jié)合現(xiàn)代數(shù)學(xué)力學(xué)理論，系統(tǒng)地闡明機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)、機(jī)械動態(tài)可靠性設(shè)計(jì)、機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械可靠性靈敏度設(shè)計(jì)、機(jī)械可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)等系列可靠性設(shè)計(jì)理論與方法內(nèi)涵與遞進(jìn)，力圖為解決我國機(jī)械工程領(lǐng)域可靠性設(shè)計(jì)核心技術(shù)缺乏的問題指明路線與途徑以及為形成產(chǎn)品自主研發(fā)能力提供技術(shù)服務(wù)和儲備，對工程實(shí)際的機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)提供系統(tǒng)成組的理論與方法，可以為機(jī)械行業(yè)提供可靠性分析與設(shè)計(jì)的技術(shù)服務(wù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械可靠性；機(jī)械設(shè)計(jì)；概率設(shè)計(jì)法；穩(wěn)健性設(shè)計(jì)法；現(xiàn)代可靠性設(shè)計(jì)

關(guān)于機(jī)械可靠性的研究最早出現(xiàn)在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，時(shí)間可以追溯到上個(gè)世紀(jì)中葉，各國的機(jī)械可靠性研究都是從航天以及軍工領(lǐng)域開始的。隨著經(jīng)濟(jì)以及科技的不斷進(jìn)步，可靠性研

究逐漸由軍工轉(zhuǎn)人到民用的范疇，并慢慢變成經(jīng)濟(jì)競爭的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于強(qiáng)度，而可靠性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)集中在產(chǎn)品的材料、規(guī)格以及其在載荷情況下表現(xiàn)出來的隨機(jī)性以及分散性上面。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)可靠性主要表現(xiàn)為載荷與機(jī)械產(chǎn)品強(qiáng)度之間的關(guān)系，如果材料強(qiáng)度高于載荷則為安全，反之便是不安全，而新的可靠性設(shè)計(jì)則是關(guān)注機(jī)械安全使用的機(jī)率以及達(dá)到預(yù)定使用時(shí)間的機(jī)率，這種新的可靠性設(shè)計(jì)理念以概率為基礎(chǔ)，是機(jī)械設(shè)計(jì)理念的重大發(fā)展。

1 機(jī)械可靠性概述及發(fā)展現(xiàn)狀

何為可靠性？可靠性實(shí)際上指的是產(chǎn)品在特定的環(huán)境條件和工作條件下，在規(guī)定的任務(wù)時(shí)間范圍內(nèi)能夠完成規(guī)定功能的連續(xù)性和重復(fù)性的能力。20世紀(jì)20年代，對于可靠性技術(shù)的研究就已經(jīng)開始，到20世紀(jì)40年代，才應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)之中?？煽啃约夹g(shù)要依賴于概率統(tǒng)計(jì)和隨機(jī)過程理論，通過結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，來達(dá)到對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度的進(jìn)行估計(jì)。通過研究和生產(chǎn)實(shí)踐，國內(nèi)外一致認(rèn)為，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jī)械結(jié)構(gòu)的安全可靠，提升工業(yè)的發(fā)展水平，并進(jìn)而優(yōu)化產(chǎn)業(yè)內(nèi)結(jié)構(gòu)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，對于概率設(shè)計(jì)理論的研究，可靠性技術(shù)的應(yīng)用就顯得十分重要。正是基于這樣的需求，可靠性分析與設(shè)計(jì)方法得到了快速發(fā)展。對于機(jī)械可靠性技術(shù)的研究，我國目前已經(jīng)取得了一定的成果。此類研究活動主要集中在高校和專業(yè)性的研究機(jī)構(gòu)，有很多科技工程領(lǐng)域的研究人員參與到研究之中，并由不少的設(shè)計(jì)人員從事著實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)踐活動。經(jīng)過研究工作者的辛勤耕耘，已經(jīng)出現(xiàn)了頗具價(jià)值的專業(yè)著作、學(xué)術(shù)報(bào)告、教學(xué)教材。然而，相比較國際先進(jìn)水平，在這方面依然存在巨大的差距。我國關(guān)于可靠性各方各面的研究和實(shí)踐還處于初級起步階段，水平還亟待提高。從機(jī)械可靠性技術(shù)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(yè)中還沒有建立起可靠性管理體系；從設(shè)計(jì)方面而言，設(shè)計(jì)技術(shù)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(shí)間短，且沒有得到廣泛傳播；設(shè)計(jì)人員對于設(shè)計(jì)方法的理解和掌握

水平較低；企業(yè)缺乏自主創(chuàng)新能力，忽視對自主研發(fā)能力的投入，從而造成我國雖然是一個(gè)機(jī)械制造大國，但是由于缺乏可靠性核心技術(shù)，而不能躋身制造強(qiáng)國，進(jìn)而對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r產(chǎn)生影響。

2 現(xiàn)代可靠性設(shè)計(jì)方法

近年來，由于機(jī)械建造以及科學(xué)技術(shù)的不斷前進(jìn)，越來越多的新知識、新理論被應(yīng)用到機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中來，機(jī)械產(chǎn)品的更新變得越來越快。在計(jì)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)學(xué)理論的基礎(chǔ)上，機(jī)械可靠性的設(shè)計(jì)方法也有了很大的進(jìn)步，為復(fù)雜環(huán)境下的機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)問題找到了解決的途徑。現(xiàn)代的可靠性設(shè)計(jì)中，靈敏度以及重分析的加人是一種很有效的方式。通常所說的靈敏度，是指在對復(fù)雜的機(jī)械進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，由于存在很多幾何以及物理因素的影響，如果改動設(shè)計(jì)方案的話，我們希望找到能給產(chǎn)品特性帶來對多變化的參數(shù)，也就是說機(jī)械產(chǎn)品的性能對哪些參數(shù)的變化感應(yīng)最靈敏，針對這些參數(shù)對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行靈敏度方面的測試，就稱為靈敏度的分析。如果靈敏度分析的過程中，發(fā)現(xiàn)了對產(chǎn)品的可靠性有較大影響的因素，那么在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候就要進(jìn)行重點(diǎn)的控制，使產(chǎn)品保持充分的可靠性，相反的，如果發(fā)現(xiàn)對可靠性影響較小的因素，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就可以降低機(jī)械分析的難度，直接將其按照可靠值來計(jì)算。這種設(shè)計(jì)方法，在弄清產(chǎn)品性能變化與參數(shù)之間的關(guān)系基礎(chǔ)上，進(jìn)行有針對性的可靠性設(shè)計(jì)，可以使機(jī)械產(chǎn)品的可靠性增強(qiáng)，同時(shí)在性能和使用壽命上都得到提高。在通過靈敏度進(jìn)行機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，我們還可以發(fā)展出一個(gè)使靈敏度因素達(dá)到極小化進(jìn)而使機(jī)械性能達(dá)到穩(wěn)健

性的設(shè)計(jì)方式。這種方法的設(shè)計(jì)理念就是盡量減少靈敏度大的因素的使用，設(shè)計(jì)出容差更大的產(chǎn)品，這種穩(wěn)健性的設(shè)計(jì)方法能夠有效減少資金和人員的重復(fù)投人，降低設(shè)計(jì)中的盲目性，不僅具有成本低的特點(diǎn)，而且具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

探析和發(fā)展機(jī)械可靠性研究，將機(jī)械可靠性充分的應(yīng)用于機(jī)械生產(chǎn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)和流程，有助于提高機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性，可以有效的降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

陳鵬沖（1994-），鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程專業(yè)。