机械零部件的可靠性优化设计探究

摘 要：机械产品的可靠性是衡量机械产品质量的一个重要指标，随着科学技术的发展，对机械产品的可靠性要求也日益提高。要提高机械产品的可靠性，必须首先从设计上解决机械产品的固有可靠性要求，然后在制造中加以保证。具有良好的可靠性指标是使我国机械产品在国际市场上具有竞争力的重要保证，机械零部件的可靠性优化设计其重要性不言而喻。机械零部件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。

关键词：零部件 可靠性 优化设计

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（c）-0083-01

1 机械零部件可靠性设计的作用

可靠性设计是指以形成产品可靠性为目标的设计技术，又称概率设计，将外载荷、承受能力、零部件尺寸等各设计参数看作随机性的变量，并服从一定的分布，应用数理统计、概率论与力学理论，综合所有随机因素的影响，得出避免零部件出现破坏概率的相关公式，由此形成与实际情况相符合的零部件设计，确保零部件的可靠性和结构安全，控制失效的发生率在可接受的范围内。概率设计法的作用体现在两个问题的解决。首先，分析计算根据设计而进行，确定了产品的可靠度；其次，根据任务提出的可靠性指标，确定零部件的参数，从而帮助设计者和生产者对零部件可靠性有清晰明确的了解。

2 机械零部件可靠性优化设计现状

目前，主要使用可靠性优化设计方法还是传统的设计方法。这种方法在设计机械零件时，一般都将零件的强度、应力和安全系数都是当作是单值的，将安全系数与根据实际使用经验规定的某一数值相比较，如果前者大于后者，就说明零件是安全的。但是由于没有考虑到各参数的随机性，把各个设计参数看成是单一的确定值，因此并不能预测零部件可靠运行的概率，很难与客观实际的最优化方案相符，设计人员也不好把握其设计产品的可靠性。

以概率论和数理统计等作为工具的可靠性设计方法，避开了主观的人为因素在设计过程中的影响，外界条件变化得到了从整体上的把握，设计结果更贴近客观情况。可靠性设计广泛应用在机械零部件可靠性设计的各种问题中，更科学地解决了许多繁琐的传统设计方法有心无力的问题。

3 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。

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

3.4 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。

4 结语

综上所述，机械可靠性设计的方法是在传统方法以及旁支方式上得到发展与完善的。成功的机械零部件可靠性优化设计，在把握设计参数的随机性、多参数的设计以及在设计中预测该零部件的可靠度等问题上都有全局性思路的贯穿。想要在国际市场竞争上占据一席之地，拥有良好的可靠性是我国机械产品生产商努力的大方向，机械零部件的可靠性优化设计其重要性不言而喻。因此，在对这个问题进行研究时，不仅要有创新的思想，还要有科学可靠的设计方法。

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