機械零件可靠性設(shè)計的研究與展望

劉曉潔　陳自兵

摘要：本文介紹了機械零部件可靠性設(shè)計的概念，簡述了幾種可靠性設(shè)計的主要方法?？偨Y(jié)了目前機械可靠性設(shè)計中存在的幾個困難，提出了可靠性優(yōu)化設(shè)計并做了簡單的介紹。最后對機械可靠性的發(fā)展趨勢做了簡單的展望。

關(guān)鍵詞：可靠性設(shè)計；優(yōu)化設(shè)計；發(fā)展趨勢；展望

0.引言

當前，我們進行機械零部件進行設(shè)計時通常都是用傳統(tǒng)的設(shè)計方法。這種傳統(tǒng)的零部件的設(shè)計方法可統(tǒng)稱為安全系數(shù)法，在設(shè)計前首先選定一個安全系數(shù)，對許用值（比如強度、壽命等）進行放大，如果選卻的安全系數(shù)太小，可能會使得零部件的強度不夠，但是選定的過大又會引起結(jié)構(gòu)重量增加增加制造和運行成本。同時，安全系數(shù)的選定并沒有進行充分的理論分析，主觀隨意陛較大。如果采用可靠性設(shè)計則可以避免和解決這些問題。

1.可靠性的定義和特征

（一）可靠性的定義

產(chǎn)品在特定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成所需功能的能力，稱為可靠性。通常所說的可靠性是指狹義可靠性。如果在使用產(chǎn)品時，對其對按照規(guī)定進行維護和修理，在此運行條件下執(zhí)行任務(wù)總是處于良好的運行狀態(tài)，這就指的是廣義可靠性了。

（二）可靠性的特征量

產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成所需功能的概率，稱為可靠度。通常用R（t）來表示，R（t）=P（T>t）。其取值范圍為O

失效概率是指與可靠度對立的事件，稱為是不可靠度或失效概率F（t），F(xiàn)（t）=P（T≤t）?？芍猂（t）+F（t）+1

2.可靠性設(shè)計的主要方法

可靠性設(shè)計理論的理論基礎(chǔ)來源于故障物理學(xué)，同時要進行可靠性試驗并統(tǒng)計故障數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析后建立能進行有效計算的力學(xué)模型。這些方法主要包括應(yīng)力一強度干涉模型法、等效正態(tài)分布法、隨機攝動法和二階矩法等。

3.可靠性優(yōu)化設(shè)計

可靠性設(shè)計對于大多數(shù)的機械零部件設(shè)計是有效的，但是如果機械零部件的設(shè)計參數(shù)較多、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜的零部件，傳統(tǒng)的可靠性設(shè)計方法就有相當?shù)木窒扌粤?，這就需要尋求新的設(shè)計方法——機械零部件可靠性優(yōu)化設(shè)計。運用這種方法對機械零部件進行設(shè)計時要注意以下幾個問題。

（一）優(yōu)化準則。

機械零部件可靠性優(yōu)化設(shè)計的準則是：根據(jù)不同的設(shè)計要求，選取不同的特征函數(shù)作為目標函數(shù)。

（二）設(shè)計變量

機械零部件設(shè)計常用的變量：零部件尺寸（定形尺寸、定位尺寸、總體尺寸）、材料的力學(xué)性能（強度、塑性、韌性等）、物理特性（密度、熔點、導(dǎo)電性）、化學(xué)特征（抗氧化、耐高溫、耐腐蝕）等，這些設(shè)計參數(shù)都是相互獨立的，在對其進行優(yōu)化設(shè)計的過程中需反復(fù)進行優(yōu)化并最終確定一個合適的值。同時，在確定設(shè)計變量時，還需要充分考慮各個參數(shù)的隨機性以及分布規(guī)律，使的選取的這些參數(shù)更夠真實的反映出零部件真實的工作狀況。

（三）約束條件

約束條件主要從兩個方面進行，一是限制零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，二是限制零部件某項性能，具體選擇可根據(jù)具體情況參考常規(guī)優(yōu)化設(shè)計確定。

4.可靠性設(shè)計的難點和發(fā)展方向

（一）可靠性設(shè)計的難點

目前，雖然對機械零部件可靠性設(shè)計的研究和應(yīng)用都取得了一定的成果，但仍舊存在一些難點，主要有以下幾點：

（1）機械產(chǎn)品承受的載荷往往具有多樣性、復(fù)雜性、隨機性以及不確定性，這使得參數(shù)的選取有一定的困難，增加了設(shè)計的困難性。

（2）機械產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)和功能上并不是嚴格的串聯(lián)或并聯(lián)關(guān)系。因此，要精確統(tǒng)計某一零部件的故障率難度較大。

（3）機械產(chǎn)品設(shè)計不能簡單地采用標準化零件的設(shè)計方式進行，需要對其進行單獨設(shè)計。

（4）通常情況下，機械產(chǎn)品產(chǎn)生故障原因是多方面的、不確定的。比如疲勞破壞、摩擦磨損、化學(xué)腐蝕、高溫蠕變以及老化等，由于這些因素都是具有耗損性的，因此難以采用定量的方法對參數(shù)進行定義和描述。

（5）機械產(chǎn)品發(fā)生耗損具有較大的隨機性，如果對故障物理的研究與認識不夠深入，那么建立可靠性優(yōu)化設(shè)計計算的模型是很困難的。

（6）可靠性優(yōu)化設(shè)計的產(chǎn)品試驗周期較長，花費也高，使得數(shù)據(jù)結(jié)果的應(yīng)用受到一定的限制。

（二）可靠性設(shè)計的發(fā)展方向

（1）無故障涉及和耐久陛設(shè)計

機械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計研究的對象是產(chǎn)品的故障率。對不同的故障模式下?lián)p傷破壞發(fā)生的規(guī)律以及不可修產(chǎn)品與可修產(chǎn)品的差異進行研究，再根據(jù)研究的結(jié)果選取相應(yīng)的設(shè)計方法。針對偶發(fā)性的故障，可對其進行無故障性設(shè)計，針對漸發(fā)性的故障可對其進行耐久性設(shè)計。因此，無故障性設(shè)計和耐久性設(shè)計將是今后可靠性設(shè)計發(fā)展的一個重要方向。

（2）定性設(shè)計與定量設(shè)計相結(jié)合

在針對某個機械產(chǎn)品進行設(shè)計時，可根據(jù)具體情況采用定性設(shè)計和定量設(shè)計相結(jié)合的方法。綜合運用各種設(shè)計方法，不能僅僅拘泥于某一種設(shè)計方法。

（3）傳統(tǒng)設(shè)計方法與可靠性設(shè)計相結(jié)合

傳統(tǒng)的安全系數(shù)法雖然有種種局限性，但其使用時間長，且直觀、簡單、設(shè)計工作量小，在很多情況是可以保證機械零部件的可靠性的。并且目前機械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計的推廣和使用都存在一定的困難，因此還不能完全摒棄安全系數(shù)設(shè)計法?，F(xiàn)階段我們可以借鑒可靠性設(shè)計的理念，對傳統(tǒng)的安全系數(shù)法進行完善和改進。

（4）加強可靠性設(shè)計數(shù)據(jù)的分析研究

要保證可靠性設(shè)計精確性和先進性是建立在應(yīng)力、強度、壽命等設(shè)計參數(shù)的真實性和精確性之上的，而通常情況下能準確獲取這些數(shù)據(jù)是較為困難的，而且目前這些數(shù)據(jù)也比較缺乏。因此，要重視和加強對試驗數(shù)據(jù)的收集和分析，使這些數(shù)據(jù)能準確反應(yīng)所設(shè)計產(chǎn)品的物理特性和使用特征，使這些參數(shù)對新產(chǎn)品的設(shè)計有更為廣泛的應(yīng)用和參考價值，是也是未來機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計的研究方向之一。