高偉

摘要：機械設計的復雜性，不僅在于它是一個系統(tǒng)性的領域，更在于眾多的機械產(chǎn)品都對可靠性提出了較高的要求，因而，在機械產(chǎn)品的設計過程中的可靠性是要予以足夠重視的。文章針對機械的可靠性設計進行了闡述。

關鍵詞：機械可靠性；機械設計；概率設計法；穩(wěn)健性設計法

中圖分類號：TM923 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）14-0010-02

現(xiàn)代社會，科學技術日新月異，在對產(chǎn)品的質(zhì)量提出更高要求的同時，可靠性這一概念在工程科學領域越來越受到重視。機械結(jié)構(gòu)可靠程度直接由其設計決定，而在設計時要充分考慮結(jié)構(gòu)的可靠性。與西方發(fā)達國家相比，我國機械結(jié)構(gòu)的設計水平還處于比較低端的水平，而要實現(xiàn)機械制造業(yè)的快速、健康發(fā)展，不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量，在國際競爭中取得質(zhì)量優(yōu)勢，增強企業(yè)的國際競爭力，政府和企業(yè)必須足夠重視對機械可靠性技術研發(fā)，提升設計水平。另外，世貿(mào)組織推行的關于機械產(chǎn)品的強制認證制度更從參與國際競爭的要求角度對機械產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求，加劇了激烈競爭的程度。這一切都顯示出，研究機械可靠性技術是勢在必行的。

1 機械可靠性概述及發(fā)展現(xiàn)狀

何為可靠性？可靠性實際上指的是產(chǎn)品在特定的環(huán)境條件和工作條件下，在規(guī)定的任務時間范圍內(nèi)能夠完成規(guī)定功能的連續(xù)性和重復性的能力。20世紀20年代，對于可靠性技術的研究就已經(jīng)開始，到20世紀40年代，才應用于結(jié)構(gòu)工程設計之中。可靠性技術要依賴于概率統(tǒng)計和隨機過程理論，通過結(jié)構(gòu)分析技術，來達到對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度的進行估計。通過研究和生產(chǎn)實踐，國內(nèi)外一致認為，機械結(jié)構(gòu)的設計是保證其可靠性的決定性因素，而制造安裝和管理是重要支撐。因而，為了保證機械結(jié)構(gòu)的安全可靠，提升工業(yè)的發(fā)展水平，并進而優(yōu)化產(chǎn)業(yè)內(nèi)結(jié)構(gòu)，在機械結(jié)構(gòu)的設計過程中，對于概率設計理論的研究，可靠性技術的應用就顯得十分重要。正是基于這樣的需求，可靠性分析與設計方法得到了快速發(fā)展。

對于機械可靠性技術的研究，我國目前已經(jīng)取得了一定的成果。此類研究活動主要集中在高校和專業(yè)性的研究機構(gòu)，有很多科技工程領域的研究人員參與到研究之中，并由不少的設計人員從事著實際設計實踐活動。經(jīng)過研究工作者的辛勤耕耘，已經(jīng)出現(xiàn)了頗具價值的專業(yè)著作、學術報告、教學教材。然而，相比較國際先進水平，在這方面依然存在巨大的差距。我國關于可靠性各方各面的研究和實踐還處于初級起步階段，水平還亟待提高。從機械可靠性技術研究方面而言，尚處于探索初期；從管理體系而言，在我國的企業(yè)中還沒有建立起可靠性管理體系；從設計方面而言，設計技術沒有得到推廣使用。造成這些問題的原因是多方面的，主要有可靠性理論的研究時間短，且沒有得到廣泛傳播；設計人員對于設計方法的理解和掌握水平較低；企業(yè)缺乏自主創(chuàng)新能力，忽視對自主研發(fā)能力的投入，從而造成我國雖然是一個機械制造大國，但是由于缺乏可靠性核心技術，而不能躋身制造強國，進而對我國的經(jīng)濟發(fā)展狀況產(chǎn)生影響。

2 機械可靠性設計的常用方法

2.1 概率設計法

概率設計法是一種設計機械零部件及構(gòu)件的方法，依賴概率設計理論的指導。首先是對原材料的強度、性能和零部件的尺寸等條件進行概率分布統(tǒng)計，然后再用應力強度干涉模型進行運算，最后在零部件的設計計算模型的幫助下，取得零部件的尺寸、可靠度、使用壽命。把以設計變量為隨機變量，在應力強度干涉模型幫助下，保證所設計的零部件能夠達到預期的可靠度指標，是概率設計法的核心所在。傳統(tǒng)的設計方法是以安全系數(shù)為基礎的，與之相比，概率設計法有其優(yōu)越之處。首先，概率設計法能夠更好地保證機械產(chǎn)品的可靠度。這是因為該方法并不是采取最小強度大于最大應力的指標，而是對機械產(chǎn)品的應力和強度的描述通過概率分布來完成，這樣就有效地克服了傳統(tǒng)方法因為強度和應力并非一成不變而造成的設計可靠性的缺陷。其次，概率設計法能夠滿足定量可靠度的要求。原因在于該方法預見并承認了設計的零部件會存在一定程度上的故障，并能夠?qū)Ξa(chǎn)品的故障率和可靠程度做出定量的回答；而傳統(tǒng)的方法并不能對可靠度做出定量的

預測。

2.2 穩(wěn)健性設計法

穩(wěn)健性設計法是由田口玄一（日本著名機械設計師）提出的。該法以統(tǒng)計分析為設計基礎，目的是盡可能保持產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性以及最大限度地延長產(chǎn)品的使用時長，這就要求在設計過程中考慮到制造過程和使用過程中，外部環(huán)境的變異和產(chǎn)品本身參數(shù)、結(jié)構(gòu)等因素的變化等各種問題，并予以預見性的解決。該法衡量產(chǎn)品設計的可靠性，主要是根據(jù)產(chǎn)品對擁護造成的損失大小。損失是指產(chǎn)品的實際功能與預期目標之間的偏差；如果偏差越大，用戶的損失也就越大，同時也說明產(chǎn)品質(zhì)量也越差。對生產(chǎn)材料和生產(chǎn)工藝的嚴格控制能夠有效地減小偏差，從而提升產(chǎn)品的質(zhì)量。穩(wěn)健性設計法存在明顯的缺陷，理論上這種方法是成立的，但是技術層面上卻難以實施，從而使得其經(jīng)濟適用性差。在某種程度上而言，這種方法實際上集合了諸多方法的做法，對其進行改良和完善，可以有效地提升產(chǎn)品的可靠性。如果產(chǎn)品的抗干擾性提高、穩(wěn)健性良好，那么產(chǎn)品必然擁有較高的可靠性。

3 可靠性優(yōu)化設計

機械產(chǎn)品生產(chǎn)制造全過程離不開設計的過程，而且這也是至關重要的環(huán)節(jié)之一。當今時代，科技日新月異，知識和技術的相互轉(zhuǎn)化、技術向生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化日益迅速，各種新型的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)材料等應運而生，各種新型的機械產(chǎn)品加速取代舊時落后的機械產(chǎn)品。這些使得市場對產(chǎn)品的需求提出了更高的要求，顧客更多地去考慮產(chǎn)品的質(zhì)量、性能和售后的服務質(zhì)量。而市場需求反過來，對機械產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)也同樣提出了要求。如果不去提升設計質(zhì)量、縮短設計時間和設計過程，產(chǎn)品的生產(chǎn)必然滿足不了市場需求。另外，設計的完善程度，必然影響到生產(chǎn)出來的機械產(chǎn)品的質(zhì)量和成本，而提高質(zhì)量、降低成本是企業(yè)經(jīng)營成敗的關鍵因素之一。所以，在當今時代，要想取得機械工業(yè)的快速發(fā)展，深入研究設計的可靠性技術，改善設計方法，提高設計的效率和效果勢在必行。而數(shù)學規(guī)劃和計算機技術為優(yōu)化可靠性設計提供了有力的支撐。機械優(yōu)化設計正是由于數(shù)學規(guī)劃理論與方法和計算機技術的發(fā)展和應用應運而生的，依托計算機提供的優(yōu)化設計理論和方法，能夠有效地解決各種復雜的問題，從而獲得長足發(fā)展。

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