机械零部件的可靠性设计分析肖鹏

机械零部件的可靠性设计分析肖鹏

肖鹏

（贵州航天特种车有限责任公司贵州遵义563108）

摘要：近年来，机械零部件的可靠性设计问题得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。本文首先对相关内容做了概述，分析了机械零部件可靠性影响因素，并结合相关实践经验，分别从多个角度与方面就机械零部件可靠性设计方法展开了研究，阐述了个人对此的几点看法与认识，望有助于相关工作的实践。

关键词：机械；零部件；可靠性；设计

1前言

作为一项实际要求较高的实践性工作，机械零部件可靠性设计的特殊性不言而喻。该项课题的研究，将会更好地提升对机械零部件可靠性的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与途径，进一步优化该项设计工作的最终整体效果。

2概述

机械零部件在加工制作阶段，受材料、工艺等因素限制，会降低产品疲劳强度，缩短零部件使用寿命。基于可靠性，对机械零部件进行分析，分析各项影响因素，并选择合适的方法进行研究，计算出其可靠性数值，掌握不同因素对零部件设计结果的影响，确定工艺优化方向，最大程度上减少各项因素对零部件可靠性的影响，降低后期应用中出现的失效问题，提高零部件加工与应用综合效果。

对机械零部件可靠性进行分析，需要结合其结构特点对各项影响因素进行简要研究，掌握不同因素变动对零部件可靠性的影响。选择合适的可靠性计算方法，来确定机械零部件可靠度，然后对其进行可靠性设计，对传统设计方法中存在的保守性以及不合理性进行优化，减少零部件在服务寿命中出现的失效次数，提高零部件使用有效性，在根本上来提高其加工综合效率。

3机械零部件可靠性影响因素分析

3.1加工精度

对机械零部件进行可靠性设计，需要将应力-强度干涉理论作为基础进行分析，其中通过应力极限状态来表示状态方程：g（X）=r-σ，其中r表示材料强度；σ表示应力；X表示随机变量向量。其中，g（X）≤0，即零部件为失效状态；g（X）≥0，即零部件为安全状态。此种可靠性分析模型，可被用于时间变化时，零部件强度与应力不变，或者变化较小的情况。如果将强度与应力作为随机变量进行研究，便可以利用可靠性指标与可靠性设计得出：

通过可靠性指标来衡量得到零部件可靠性，同时向量X服从正太分布时，可以利用失败点处状态表面切平面来表示极限状态表面，便可进一步得到可靠性一阶估计值：

R=Φ（β）

机械零部件可靠性分析，加工制作工艺与材料不变，且可以通过实验得到强度数学期望与标准差，而应力数学期望与标准差则可以通过零部件尺寸与荷载确定。如果机械零部件加工精度不同，数学期望为定值，标准差则随精度的变动而变动，值大小为零部件精度等级标准公差数值1/6，即可以通过6σ原则来分析加工精度对零部件可靠性的影响。

3.2加工工艺

对于材料相同的机械零部件，所选择的加工工艺不同，最终其材料性能与疲劳强度也存在一定差异。对加工工艺影响机械零部件可靠性的分析，以磨削-抛光加工、超声波加工、金刚石锯片切割加工等对Al2O2/TiC材料处理效果为例，对不同加工工艺可靠度影响进行计算。

选择不同加工工艺对机械零部件进行处理，最终对零部件可靠性影响存在较大差异。其中，磨削-抛光工艺加工试样表面硬度比较高，加工后其抗弯强度与可靠性最高。电火花加工零部件硬度较低，且部件抗弯强度与可靠性性最低。

4机械零部件可靠性设计方法

机械零部件可靠性的设计不仅需要的是与时俱进、把脉时代的创新精神，更需要把握零部件质量保证和可靠性优化设计的科学方法。机械零部件可靠性设计是基于传统机械设计以及其他的优化设计方法进行的，由于机械产品有着千差万别的功能和结构相异之处，因此，机械零部件可靠性的设计方法以及优化方式的选择需要因地制宜。

4.1权衡与耐环境设计

权衡设计是对可靠性、质量、体积、成本等要素进行综合衡量后，制定出最佳方案的设计方法。耐环境设计也是进行综合考虑的一种优化设计方式，从机械零部件生产之初，就将零部件在整个寿命周期内可能遭遇的各种环境影响考虑在内，包括运输的碰撞、空气干湿程度对设备的作用、设备保养合理程度等，通过对这些环境因素的分析，在零部件生产用料和生产技艺上加以优化，从而进行保护和保证零部件自身乃至机械设备的可靠性。

4.2预防故障设计法

机械设备的运作是整体性运作，处于完整的串联式系统中。实现“整体功能大于部分功能之和”的目标，优化机械设备的可靠性，首先需要优化零部件的可靠性。机械设备的零部件需要进行严格的选择和控制，对外购件需要严格把控，标准件和通用件要优先选用。选用之前要对零部件进行分析验证，最大程度利用故障分析成果，以成熟的经验和经过分析验证证实的方案。

4.3简化与余度设计

简化设计指的是在满足特定功能的条件下，设计应该合理简化，如零部件的数量尽量避免冗余。所谓“多个香炉多只鬼”，越复杂越容易出现错误和故障，可靠性的优化就更无从谈起了。这不仅是可靠性优化设计的一个基本原则，也是避开故障、提高可靠性的最有效方式。简化意味着减少不必要的部分，而并非依靠少部分超负荷承担大部分的工作，零部件的简化需要从整体着眼，仔细分析零部件的组合与配合的最佳方式。余度设计则是从整体入手，类似于计算机中的备份功能。通过对完成规定功能设置重复的结构、备件等，以防局部故障或失效时，机械设备整体系统依然保存着规定的功能。

4.4概率设计法

将应力一强度干涉理论作为基础原理支撑，把应力和强度作为服从一定分布的随机变量处理。处理设计对象中与设计有关的参数、变量等部分，成为服从特定的统计规律的随机变量，建立符合可靠性设计标准的概率数学模型，通过概率与数理统计理论和强度理论，得出在给定条件下零部件产生破坏的概率公式，求出在给定的可靠度中零部件的尺寸、寿命等，使其在符合要求并且得出最好的设计参数。这种方法巧妙地填补了常规设计的缺陷，而且较为贴近生产实际。

5结束语

综上所述，加强对机械零部件可靠性设计的研究分析，对于其良好设计效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的机械零部件可靠性设计过程中，应该加强对其关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。

参考文献：

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[2]王新刚.机械零部件时变可靠性稳健优化设计若干问题的研究[D].东北大学.2017（01）：115-116.

[3]杜彦斌，李聪波.机械装备再制造可靠性研究现状及展望[J].计算机集成制造系统.2016（21）：88-89.