机械可靠性设计的工程方法探究

机械可靠性设计的工程方法探究

宫国辉

佛山市顺德区美的洗涤电器制造有限公司

摘要：机械可靠性设计是保证产品能够稳定运行的有效方法，是产品设计的基础环节，它对产品的使用寿命、稳定性、强度都起到了至关重要的作用，目前在国内外都把可靠性设计当做一项重要的课题来研究，我国在这一领域也取得了一些成绩，机械制造水平呈现上升趋势。本文主要探讨机械可靠性设计的工程方法，希望能够发现一些比较有价值的方法，对提高我国的机械制造水平有所帮助。

关键词：机械；可靠性设计；工程方法

机械的可靠性设计已经出现了半个世纪的时间，人们对可靠性设计越来越重视，到目前为止已经把它发展成为一门独立的学科，培养出的人才也是数不胜数。截止到目前，国内外一些国家都投入了大量的资金和人力来研究机械可靠性设计，而且取得了非常不错的进展，最直观的感受就是日常使用的家用电器越来越稳定，不会出现问题，给用户带来了许多便利。但是，也不能忽视其中的问题，由于机械涉及的领域过多、范围过大、相关数据缺乏，导致一些研究还处于空白状态，这严重影响了机械领域的发展，希望本文的一些观点能够对机械可靠性设计有所帮助。

一、机械产品可靠性的特点

机械产品与电子产品的可靠性相比，有很多的不同点，通过了解这些不同点，就能有效的理解机械产品可靠性的特点，所以，本文介绍两者之间的不同，希望能够对理解过程有所帮助。机械产品的故障是非常多的，而且处理起来比较复杂，电子产品的故障则要简单得多，很容易就能找到故障的原因，进而解决起来也比较迅速。一般情况下，电子产品的故障主要是由偶然因素引起的，机械产品的故障主要是因为长时间的使用、老化、磨损引起的，主要是消耗类的故障。电子产品的应力非常容易估算出来，它的可靠性通过记录详细的手册、说明书就能了解，而机械产品由于长时间在不同的环境中工作，使得它的应力非常难以估算，而且截止到目前为止，机械产品的可靠性数据依然非常缺乏，很难找到相关的依据。机械产品在故障出现的前期非常难以发现，而且排查起来也具有很大的难度，电子产品则不同，只要是出现故障就立刻能够发现，故障的根源也很容易找到。电子产品还可以使用筛选法将早期失效的情况避免，机械产品如果使用这种方法就会非常的麻烦，会浪费大量的资金。机械产品不容易直接找到所需要的零件，往往需要工人自己制作，而电子产品的零件则是批量生产的，维修起来非常的方便。机械产品的可靠性试验要使用非常长的时间，只有这样才能检测出产品的性能，而且它的使用寿命服从指数分布，规律性不强，所以，不能使用常规的统计方法[1]。

二、机械可靠性设计的工程方法

机械的可靠性主要包括两个部分，分别是系统的可靠性和零件的可靠性。零件的可靠性设计要重视整个机械产品的强度，在结构上下功夫，使得整体更加的牢固，要着重预防因疲劳、老化引起的各种故障，使可靠性能够维持更长的时间；系统的可靠性要重视机械产品因运动而产生的故障问题，它不必考虑因强度问题而产生的故障，可以说两种可靠性各有各的分工，相互配合来提升整体的可靠性。

如果将可靠性设计按照设计种类进行划分，则可以分成定性设计和定量设计。定性设计主要是在故障产生的原因，以及产生的危害上面进行分析，确定一个大致的方向，找出其中的问题，然后再有针对性的进行改进，添加一些优秀的设计经验，使设计更加的完善，这样就会使产品的可靠性更强。定量设计则是在相关数据参数的基础上进行分析，数据的类型多种多样，例如零件的强度分布数据、应力分布数据等，通过这些数据参数能够制定出比较科学合理的数学模型，然后再通过数学模型进行分析，得到的结果就会非常准确，可靠性大大增强[2]。

无论是对系统的可靠性进行设计，还是对零件的可靠性进行设计，一般都会选择定性设计的方法，这种方法是目前使用较多的手段，效果也是非常好的，操作也比较容易。而定量设计具有自身的一些缺点，主要就是各种数据参数比较难以获得，国内还没有比较完善的可靠性预估手册，而且，零件制造也是随着时间而改进工艺的，材料和制作方法都会发生一些变化，而如果还是依靠以前的数据参数，就不能充分的表现出零件的真实性能，进而导致整个机械产品的可靠性是存在问题的，而且数学模型在制作起来不是非常容易，通常要耗费较多的人力，回报率不高，所以在实际应用中使用的较少，但是，在一些比较重要的设计环节上还是要依靠定量设计，因为这种方法提供的可靠性数据更加准确。所以，设计部门在进行设计时要具体情况具体分析，不能一概而论，选择最恰当的方法才是合理的。下面本文介绍几点机械可靠性设计的工程方法，这些方法就是按照具体情况的不同而采取的具有针对性的措施，具体如下：

1.防止产生故障的设计

机械产品的连接系统主要是串联结构的，这种结构的系统中，如果有一环出现问题，就会影响整个系统的运行，所以每一个环节都要做到精细，零件的挑选和制作要非常严格，如果不能使用现成的零件，就要选用质量较好的材料自己制作，并进行相关的验证，只有验证合格之后才能安装到产品上面。

2、简单化的设计

当机械产品能够满足其应有的功能时，就要考虑如何优化和简化设计，让产品的体积、重量、效率都得到提高，操作起来也更加的简便，因为，多余的零件会被去除，这样也是提高可靠性的方法。

3、降额和安全余度设计

降额设计的目的是将产品的应力降低，然后提高零件的强度，这种设计方法虽然看似不合理，但是效果却非常好，因为零件的设计标准强于应有的标准，所以就能使用更长的时间，增强可靠性。如果不能确定某一零件的应力，就要增加设计的安全系数，也能提高产品的可靠性。涉及到重要的零件，则要使用极限设计方法，采用这种方法能够使产品在更加恶劣的环境下正常工作，进一步提高机械产品的可靠性[3]。

4、余度设计

余度设计的目的是在达到设计的功能之后，再设置一套重复的结构，让系统能够不因一方面存在问题而丧失整体功能，这也是一种自我保全的一种设计。余度设计主要应用在可靠性要求较高的机械设计中，因为设计要求高，所以很难达到目的，使用余度设计就能很好地解决这个问题，使得整个产品的可靠性得到加强，但是它也有缺点，那就是产品的基本性能降低了，所以，使用余度设计时要非常的谨慎。

5、环境承受力的设计

环境承受力的设计主要是针对产品在不同的环境中进行工作的设计，这种设计能够最有效的延长产品的使用寿命，让它的承受力大大加强，能够承受大幅的侵扰，例如运输时的冲击、振动等影响，存储时的高温、高湿等环境影响，这些都能够有效的抵挡，减少甚至消除环境的负面影响。

6、概率设计

概率设计的基础是应力-强度干涉理论，通过这套理论能够把应力和强度当做一种变量，然后在设计中改变这些变量的数值，对设计进行优化，让产品在一定条件下都能正常工作。

总结

机械可靠性设计是保证产品能够稳定运行的有效方法，是产品设计的基础环节，它对产品的使用寿命、稳定性、强度都起到了至关重要的作用，虽然国内外都在研究机械的可靠性设计，我国在这一领域也取得了一些成绩，但是取得的成绩还是非常有限的，可靠性设计的研究还有很大的空间，所以，研究这项课题是非常有必要的。本文因此来探讨机械可靠性设计的工程方法，提出了一些可操作的工程方法，希望对提高我国的机械制造水平有所帮助。

参考文献：

[1]杨家铿.可靠性工程[Z].广州：电子工业质量与可靠性培训中心，2009.

[2]李良巧.机械可靠性设计与分析[M].北京：国防工业出版社，2010.

[3]王超，王金.机械可靠性工程[M].北京：冶金工业出版社，2009.