可靠性设计在机械设计中的应用

摘 要：现代机械设计中，可靠性是非常重要的内容，可作为机械产品质量以及产品使用寿命的重要指标，因此可靠性设计受到越来越多企业的重视。该文主要通过分析可靠性设计原则，探讨可靠性设计在前机械设计中的具体应用，希望为相关设计人员提供一些有价值的参考。

关键词：可靠性 设计准则 机械设计

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（b）-0115-02

可靠性指的是机械产品在规定条件与规定时间的基础下完成规定功能的能力。机械产品的可靠性是产品质量的重要指标，也是机械产品使用寿命的关键，当前已经逐渐成为买家购买机械产品的重要参考，因此受到越来越多企业的重视。

1 可靠性设计原则

1.1 选用经过充分验证并且技术较成熟的设计方案

在新产品的设计上，往往有80%以上的内容设计采用的是相似产品的设计思路与设计方法，而其余的20%则是创新与优化的部分，这主要是为了满足产品功能及性能变化的要求。比如设计一个新型的电器产品，如果产品的功能与性能没有发生实质性的变化，而在密封性上进行了设计，将原先的两道O环密封改为一道O环密封，在产品完成后就发现产品检验存在不合格的情况，而恢复到两道O环后，不合格问题解决，可靠性提高。因此如果性能与功能没有发生太大改变，产品并不能成为新产品，在相应的设计上也不用做太大的更改。

1.2 满足强度、重量、体积的基础上进行简化设计

产品在达到预定的功能情况下，机械设计的内容应尽可能简化，完成相同操作所需要的零件应该尽可能减少，这一方面是保证后续控制的可靠性，另一方面降低生产成本。但是零件的减少不应将零件置于高应力的条件下，否则，机械产品就不能成为优化设计。

1.3 耐环境设计

某些机械产品往往在非常规环境中运作，因此在产品设计上还应增加耐环境设计。潜油电泵就是一种对环境比较敏感的产品，相同的机械设备在不同的区域表现出不同的运行结果，比如在印尼和我国大庆区域使用，就会因为地质条件产生巨大的差异。因此在具体设计上，应根据机械产品的使用环境进行设计，这样才能确保产品可靠性。

2 可靠性设计在机械设计中的应用

2.1 系统设计方法在机械设计中的应用

可靠性设计中，系统设计方法主要用于机械产品总体方案的论证及确定。产品总体方案论证与确定的先进及可行性很大程度上决定产品的成败以及产品的可靠性，在论证及确定产品总体设计的阶段，要求设计人员深入分析顾客需求，确定总体设计方案，完成产品结构及零部件设计与加工工艺，使产品可靠性与市场潜力不断提升。

在各种机械产品中，发动机往往是最为关键的设计内容，汽车发动机的振动频率如果较高，往往无法通过发动机的底座对振动进行隔离，使一些汽车产生结构上的共振，这必然会影响驾驶的舒适度，使汽车故障率明显提升，并且还增加车辆的保养费用。此外，还有汽车驾驶杆的共振问题，在汽车运行过程中，驾驶杆的固有频率相当于汽车空挡时发动机的二阶振动，这样在空挡的情况下驾驶杆会发生剧烈振动，即便在驾驶杆上装有减震器，减震效果也不是很明显，为了解决发动机以及驾驶杆的振动问题，考虑从车辆发动机与驾驶杆的系统设计上出发，将设计的重点放在如何避免发动机与驾驶杆发生剧烈振动上，针对抖动问题进行有针对性地处理。在可靠性设计上，在不改变原有设计的基础上，增加减震器的重量能够降低驾驶杆的振动频率，并且驾驶杆的性能不会发生改变，顺利解决驾驶杆振动问题，使驾驶员获得优越的驾驶感受。

2.2 参数设计方法在机械设计中的应用

参数设计常常在系统设计完成后进行，设计的基本思路是实现各个部件的最佳组合，减少各个机械运作的相互干扰，使产品质量在较小的范围内进行波动，具有较高的可靠性。此外，在参数设计阶段，还应选用性价比高以及环境适应能力强的机械元件进行设计，这样能够保证机械产品在质量及价格上都得到相应的优化及改善。

对于材料参数的设计，以钛合金为例，由于其具有良好抗腐蚀性能、高强度以及重量轻等优势，在现代航空、航天以及造船等行业都得到了广泛使用，但是由于钛合金材料的导热系数小、抗氧化能力低。因此其耐磨损能力较差，因此参数的优化主要是优化钛合金磨削工艺相关参数。根据钛合金材料生产相关经验，选择对表面粗糙度影响较大的因子作为磨削工艺参数可控因子，进行实验分析，进而能够获得更高可靠性。

2.3 容差设计方法在机械设计中的应用

当完成系统设计以及参数设计后，确定了产品的可控因素，然后对产品进行容差设计，此时各个零部件的质量水平往往较低，参数的波动范围也较宽。

进行容差设计时，需要遵循以下设计思路：应根据产品各个参数的具体波动对产品质量特性影响大小，并从经济性的角度考虑是否有必要对影响较大的参数给予较小的容差范围，这样做的目的是减少产品质量特性的波动范围，提升产品的可靠性，减少生产过程的质量损失，并且还能够提高各个零部件的质量水平，使产品的成本收益不断提升。所以在进行容差设计过程中，应考虑如何减少参数设计，增加容差成本进行设计，权衡利弊，选择最佳的设计决策。

容差计算主要借助质量损失函数进行。质量损失函数通过计算产品质量损失，根据“使质量损失与成本之和最小”原则，并且在保证产品可靠性的基础上来确定合适的容差范围。

2.4 降额设计方法在机械设计中的应用

在机械设计中，降额设计主要是使机械产品中各个零部件的应力低于额定应力，这样能够延长机械产品的使用寿命，并且保证机械产品在日常工作中少出现因应力增加造成的机械损坏的情况。相关机械产品设计案例也证明，如果机械产品中各个零部件在运行过程中所承受的应力小于额定应力，在运行过程中故障率将明显下降，可靠性也将不断提升。因此，在设计过程中，就应该重视机械产品的降额设计，并且可以采取提高平均强度、降低平均应力以及减少强度变化等方法来减少各个零部件的应力，从而提升机械产品的可靠性，这样能够确保机械产品在恶劣的状态下正常运作。

2.5 耐环境设计方法在机械设计中的应用

耐环境设计关注的是产品的使用效率与产品整体寿命，比如机械产品在装配及运输过程中往往会受到巨大的冲击，并且机械设备受不同的温度、湿度等影响，经常会出现损坏的情况，因此必须慎重并合理进行耐环境设计。具体设计上，可以从认识环境、控制环境以及适应环境3个方面进行考虑，其中认识环境主要是了解产品生产、工作、维修、安装、存储以及运输环境；控制环境则在条件允许范围下，创造出机械零部件良好的工作环境条件，并且还可以通过认识环境改造提高产品可靠性；适应环境主要是为机械产品设计方案、材料选择、表面处理等措施，从而不断提高机械零部件本身耐环境能力。

3 结语

总之，产品设计的可靠性受生产环境的影响，在机械设计过程中，应高度重视产品设计质量，保证以及提高产品的可靠性，使机械产品的使用效率与竞争力不断提升。

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