淺談機械可靠性設(shè)計發(fā)展

盛浩

摘要：機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計是解決機械產(chǎn)品可靠性的重大課題。本文研究的目的是在總結(jié)、歸納工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，研究目前機械可靠性設(shè)計中突出的重要技術(shù)問題，為日后工作中遇到的機械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計進行分析，指導型號可靠性工作，提供實用方法和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計；可靠性；研究方法；應用實例

引 言

隨著現(xiàn)代科技的不斷進步，人們在對產(chǎn)品的要求也就更高，在對產(chǎn)品設(shè)計的時候，只有不斷的增強產(chǎn)品的可靠性，才能使在數(shù)烈競爭的過程中求得生存和發(fā)展，因此我們必須正視產(chǎn)品可靠性的設(shè)計。而我國機械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計水平與國際先進水平相比還有相當大的差距，這已成為制約我國機械工業(yè)迅速發(fā)展的瓶頸，造成企業(yè)開發(fā)的產(chǎn)品質(zhì)量的先天不足，“質(zhì)量第一、質(zhì)量取勝”的經(jīng)濟戰(zhàn)略方計在機械產(chǎn)品中難以充分體現(xiàn)。隨著我國加入世界貿(mào)易組織，機械產(chǎn)品強制認證制度的推行，企業(yè)應該保證投放市場產(chǎn)品的質(zhì)量，這種激烈競爭的狀況將使政府部門和企業(yè)清醒地認識到可靠性工程在機械產(chǎn)品研發(fā)過程中的重要性。

一、機械可靠性研究的發(fā)展

可靠性問題最早是由美國軍用航空郁門提出的，他們首先認識到不可靠性的代價實在太大。例如，在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國空軍由于飛行故障而損失的飛機達21000架，比被擊落的多1.5倍。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨復雜化、大型化、高參數(shù)化，對各種產(chǎn)品的要求越來越高，使產(chǎn)品發(fā)生故障的機會增多，其中災難性的事故亦時有發(fā)生。如1985年8月，日航123航班波音美國747客機墜毀，使520人喪生；1986年1月，“挑戰(zhàn)者”號航天飛機，因為火箭助推器內(nèi)的橡膠密封圍因溫度低而失效，結(jié)果引起航天飛機爆炸，造成了7名宇航員全部遇難和重大的經(jīng)濟損失。各種故障和失效不僅威脅若航空工業(yè)，也給造船、橋梁、交通運輸、動力機械、化工機械、工程機械等造成威脅。至于機械中的曲軸、連桿、齒輪、軸承及焊鉚接件等的損壞事故就更無法統(tǒng)計了。

近50年來，在機械設(shè)計領(lǐng)域中，出現(xiàn)了不少現(xiàn)代設(shè)計方法及相應的科學研究?，F(xiàn)在，計算機輔助設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計和可靠性設(shè)計等在理論上和方法上都達到了一定的水平，并在應用中取得了一定的經(jīng)濟效益。它們的出現(xiàn)，對整個機械設(shè)計學科和機械設(shè)計實踐都產(chǎn)生了十分深刻的影響，使過去許多難以解決的設(shè)計問題獲得了重大突破?？梢哉f它們正在引起機械設(shè)計領(lǐng)域里的一場重大變革，正在受到人們?nèi)找鎻V泛的重視。隨著世界科學技術(shù)的迅速發(fā)展，機械可靠性設(shè)計工作也出現(xiàn)了嶄新的局面，大大提高了設(shè)計水平與速度，特別是對于結(jié)構(gòu)復雜，使用條件要求高的產(chǎn)品，改變了設(shè)計難度大而不能設(shè)計或設(shè)計的質(zhì)量低、周期長的狀況。

二、機械可靠性概述

根據(jù)國家標準的定義，可靠性是指“產(chǎn)品在規(guī)定時間內(nèi)，在規(guī)定的使用條件下，完成規(guī)定功能的能力或性質(zhì)”。

（一）理論研究方面

在理論研究方面，機械可靠性屬于邊緣性學科，然而其本身內(nèi)涵相當豐富，所涉及到的學科和專業(yè)比較廣。機械可靠性設(shè)計方法是在常規(guī)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種全新的設(shè)計方法，它將可靠性分析理論與數(shù)學相關(guān)方法有機地結(jié)合在一起，運用最優(yōu)化方法得到在概率意義下的最佳設(shè)計的一種數(shù)值計算方法。從工程實用性角度來看，機械可靠性設(shè)計方法是較傳統(tǒng)設(shè)計方法更為合理的設(shè)計模式，并且它能在實際應用中明顯地提高設(shè)計質(zhì)量和獲得明顯的經(jīng)濟效益，因此對可靠性設(shè)計方法的研究已成為目前國內(nèi)外學者積極探索和研究的重要課題之一。

（二）實踐應用方面

自可靠性的科學定義建立以來，在世界范圍內(nèi)，可靠性設(shè)計的新理論、新方法與新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，從而大大提高了設(shè)計水平與速度，并且廣泛地應用于航空、航天、冶金、石油、化工、造船、鐵路、醫(yī)療、交通運輸、等各個工業(yè)部門之中，其發(fā)展之迅速，應用之廣泛，遠非一般應用科學所可以比擬。

三、現(xiàn)代機械可靠性方法分析

（一）基于靈敏度的可靠性設(shè)計方法

對于靈敏度的分析非常重要，這也是現(xiàn)代機械設(shè)計中的一種非常實用的設(shè)計方法，靈敏度分析主要就是對機械產(chǎn)品特性的設(shè)計參數(shù)的敏感度，在設(shè)計復雜的機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的時候，需要考慮不同的物理和幾何參數(shù)，如果設(shè)計方案要修改，關(guān)于那些參數(shù)也就要進行修改，這也就會對產(chǎn)品的特性產(chǎn)生巨大影響，同時也就需要設(shè)計人員能夠了解這些情況。對于靈敏度分析的過程，對這些影響因素要進行嚴格控制，是產(chǎn)品安全可靠性得到保障。像這種可靠性設(shè)計，對機械可靠性設(shè)計的效果以及準確性的提高有很人幫助，使產(chǎn)品的性能特性得以優(yōu)化，從而使其壽命得以延長。

（二）基于穩(wěn)健性的可靠性設(shè)計方法

根據(jù)靈敏度的可靠性設(shè)計方法，可以遞進到穩(wěn)健性的可靠性的設(shè)計方法，可以使靈敏度極小化，在以往的設(shè)計方案中，對設(shè)計方案進行修改之后，進行測試分析，要投入更多的人力物力，而基于總健性的可靠性設(shè)計方法在很大程度上使這些不必要的損失得人避免，也使得可靠性設(shè)計能夠更加順利的進行。

（三）基于理論基礎(chǔ)的可靠性設(shè)計方法

機械可靠性設(shè)計理論可以使可靠性設(shè)計的準確性得到保障，根據(jù)產(chǎn)品的功能不同，對可靠性設(shè)計理論和方法也就不同。例如，廣義可靠性概率理論以及方法都是在可靠性理論基礎(chǔ)上進行研究，響應面法以及隨機有限元法等都屬于可靠性設(shè)計的具體方法，涉及到的內(nèi)容包括靜強度設(shè)計、有限壽命設(shè)計以及疲勞強度設(shè)計等，還有機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計，如對象關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、振動系統(tǒng)以及機構(gòu)系統(tǒng)等。

四、我國機械可靠性設(shè)計發(fā)展及現(xiàn)狀

在我國可靠性研究開始于上世紀60年代，我國機械可靠性的理論研究，主要集中在機械行業(yè)學會、研究院所與高等院校中，一些科技研究人員和工程設(shè)計人員投入到可靠性工程的研究之中，制定了一批可靠性標準，取得了較大的成果。但總的來說，機械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計水平仍然很低，與國外先進水平相距甚遠，可靠性管理體系基本上沒有在企業(yè)中建立起來，可靠性設(shè)計技術(shù)基本上沒有在設(shè)計部門推廣使用?？煽啃运教岣咚俣容^慢和可靠性設(shè)計能力較低，主要是限于可靠性工程理論的發(fā)展與傳播和工程設(shè)計人員對可靠性設(shè)計方法的理解與掌握。

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