论机械可靠性设计

论机械可靠性设计

李碧涵

关键词：机械可靠性设计安全

1机械可靠性设计的内涵和发展现状

机械可靠性设计是指在规定的时间内，规定的条件下完成规定功能的能力或者性质，机械的可靠性设计对产品的质量和性能具有重要的影响，在保障机械产品质量、保障产品的安全性方面具有重要的作用。机械的可靠性设计能够将数学规划方法以及可靠性分析理论充分结合起进行可靠性分析，然后在利用最优化理论来确定最佳的计算方法。随着机械设计的不断发展，技术水平不断提升，机械可靠性设计越来越受到人们的重视。

目前，西方国家在航天、土木、车辆等诸多领域都应用了机械可靠性设计，通过可靠性理论对工程实践进行了指导，从而预防机械故障的发生，保证机械产品的质量和功能。由于我国工业起步较晚，对于机械产品可靠性的研究起步也相对较晚，直到上个世纪80年代我国才开始重视机械产品可靠性的研究，建立机械产品可靠性设计研究协会对机械产品可靠性理论进行研究，并且制定了可靠性的设计标准。

2机械可靠性的特点

机械可靠性设计能够保证机械产品的质量和功能，因此在机械设计和生产中具有重要的作用，但是在进行机械可靠性设计时面临很多困难：首先，由于机械产品自身的特点，导致机械产品失效的机理众多，而且复杂多变，并且缺少完整、准确的相关数据，造成在预测机械可靠性时面临很大的困难。与此同时，由于建立机械产品的可靠性模型十分复杂，使得依靠可靠性模式来进行可靠性预计的方法不能发挥作用，增大了机械可靠性预计的难度。其次，机械产品具有多样和复杂的故障模式，其具体结构、材料和大小等都会对其故障模式造成影响，并且机械产品中某个零件可能发生多种故障，而且同一故障还会发生在不同的零件之上，加大了其故障模式的分析难度。另外，由于机械零件的通用化和标准化程度都比较低，大部分零件存在功能和架构上的差异，设计人员在进行零件设计时还会受到零件性质、结构和尺寸的影响，这些都加大了机械零件的复杂程度。由于缺少零部间材料强度和载荷分布的数据，使机械可靠性设计面临较大的困难。最后，机械零部件的故障种类较多，既有偶然性故障也存在损耗性故障，零件的磨损、疲劳、腐蚀、老化等损耗过程和机械故障密切相关，复杂的条件增大了机械零件可靠性设计的难度。

3机械可靠性设计原则和设计方法

3.1机械的可靠性设计原则

（1）传统设计和可靠性设计相结合。进行机械可靠性设计要充分结合传统设计和可靠性设计，发挥传统安全系数法简单、直观和工作量小的优点，先采取安全系数法来进行零件材料、结构和尺寸等参数的设定，在完成这些设定之后通过相应的模型进行可靠性的计算，对不满足可靠性要求的部分进行修改、校核，直至达到要求为止。

（2）定性设计和定量设计相结合。机械的可靠性问题十分复杂，仅靠定量设计难以完全解决，有时定性设计能够更加合理有效的解决可靠性问题，因此在进行机械可靠性设计时要充分的结合定性和定量设计，从而更好的进行可靠性设计。在机械的可靠性设计中，可以先利用FMECA、FTA进行分析，确定机械的关键零件和重要零件，以及零部件可能出现的重要故障和相关的失效机理，之后根据相应的故障模式和失效机理进行有针对性的定性、定量设计，保证机械零件的可靠性。

（3）可靠性设计和耐久性设计相结合。机械的可靠性设计不仅要注重可靠性设计，还要兼顾耐久性设计。进行可靠性设计主要是为了防止出现偶然性的故障，而耐久性设计主要针对的是渐变性故障，是机械在使用过程中磨损、疲劳、腐蚀、老化等造成的机械故障，二者产生故障的机理有所区别，在进行机械可靠性设计时要进行兼顾。

3.2机械可靠性设计方法

由于产品性质的不同，机械可靠性设计的方法也有所区别，目前常用的可靠性设计方法包括预防故障设计、简化设计、降额设计和安全裕度设计、余度设计、耐环境设计、健壮设计和概率设计法等几种。其中，预防性设计要求在进行零件的选择时要进行严格的控制，采用经过分析验证过的可靠性较高的零部件，从而提高零件的可靠性；由于零部件的数目越多越容易出现故障，因此简化设计要求在满足机械预定功能的前提下，尽可能的减少零件的数目，从而实现机械的简化，提高零件的可靠性；当零部件承受的应力大于其额定应力时非常容易出现故障，为了防止这样的情况发生，在零件设计时需要采用降额设计来保证零件的载荷应力小于额定应力，通常有两种实现方式，一是提高零件强度，二是降低零部件的受力。如果无法确定零部件受力的具体范围，则需要通过加大安全系数或者降低平均应力等使零部件的可靠性得到提升。对于安全性要求较高的零件，则需要应用极限设计法来确保其在不会发生故障。余度设计是指在进行设计时，在完成规定的功能之后设置重复的结构，从而在机械出现局部故障之后，整机依旧能够发挥作用，但是由于余度设计会降低零件的基本可靠性，因此采取这种方法时要谨慎考虑。耐环境设计是指采取必要的保护措施，降低环境对于机械可靠性的影响，提高机械零部件的耐环境能力，从而保证其可靠性。健壮设计是提升零部件可靠性的重要方法，应用这种方式进行零部件的设计时需要进行系统设计、参数设计和容差设计等三个步骤，从而对零部件可靠性进行整体的优化，提高其抗干扰的能力。

4机械产品可靠性设计步骤

产品的可靠性和产品的设计密切相关，可靠性设计是机械产品设计的重要环节。机械产品的充分考虑设计参数和影响因素的随机性和分散性。机械产品的可靠性设计可以按照以下步骤进行：

（1)明确可靠性的要求。在开始产品的可靠性设计工作之前，需要先对可靠性的要求进行明确。机械产品的可靠性要求主要包括两个方面，一是定性要求，包括产品的可靠度、故障率和寿命等因素；另一方面是定量要求，机械产品的定量要求是根据其使用需求而提出的，具体的要求有寿命剖面、和故障判别准则等。

（2）获取可靠性信息。在明确了产品的可靠性要求之后，可以通过对类似产品的可靠性进行调查，收集、整理和分析相关信息来为产品的可靠性设计提供参考。相关的信息包括其它类似产品的设计、使用情况，还包括产品的故障信息和维修方式等。

(3)系统的总体设计。在机械产品的设计过程中，系统总体设计是重要的步骤，进行系统的总体设计需要对结构布局的合理性和优化布局的可行性等进行整体的考虑。

（4）可靠性分配。可靠性的分配是指通过以往的产品设计经验和相关数据来确定各个分系统、部件和具体零件上的可靠性指标，这一阶段主要的是选择合适的可靠性分配方法。

（5）可靠性的分析。通过对产品的故障模式和其影响进行充分的考虑和分析，确定出产品中的重要部件和关件部件，并分析这些部件对于产品整体可靠性的影响。

（6）零件的可靠性设计。零件的可靠性设计可以根据零件的重要程度分为一般零件和关键、重要零件，并分别进行可靠性设计。在进行一般零件的可靠性设计时通常采取常规的机械设计方法以及可靠性定性设计来完成，而关键、重要零件的设计要结合定量和定性设计来共同完成。

（7)可靠性的计算分析。功能失效极限状态函数法、蒙特卡罗模拟法和基于应力-强度干涉模型法是进行产品的可靠性设计的常用方法。对产品的可靠性进行计算之后，判断其是否达到规定要求，达到要求之后可靠性设计结束，而如果没有达到要求则需要进行重新的设计。

参考文献

[1]闫欣,肖春英,朱春来,等.浅谈机械可靠性设计发展[J].舰船防化,2011(2):33-37.