李豐紅

（呂梁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西孝義　032300）

機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究

李豐紅

（呂梁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西孝義032300）

近年來，隨著機(jī)械生產(chǎn)技術(shù)要求越來越高，機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)正在不斷面臨著極大的挑戰(zhàn)，而機(jī)械性能的穩(wěn)定性直接影響到工業(yè)生產(chǎn)的正常運(yùn)行。因此工廠針對機(jī)械可靠性的研究，并根據(jù)機(jī)械運(yùn)行情況制定出相應(yīng)的優(yōu)化策略，可以確保機(jī)械可靠生產(chǎn)，從而維持工廠穩(wěn)定生產(chǎn)。本文針對機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行研究，提出了一些具體優(yōu)化策略，以期對提升機(jī)械安全可靠運(yùn)行有所裨益。

機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

可靠性、穩(wěn)定性是衡量機(jī)械產(chǎn)品的重要指標(biāo)，也是工業(yè)生產(chǎn)中機(jī)械正常運(yùn)行的可靠性保障。工業(yè)的發(fā)達(dá)是依靠科技推動(dòng)的，科技推動(dòng)工業(yè)發(fā)展的承載點(diǎn)則表現(xiàn)在機(jī)械產(chǎn)品中。因此，在科技高速發(fā)展的今天，對于機(jī)械產(chǎn)品的可靠性要求變得越來越高，那么在實(shí)際工作中要想提升機(jī)械產(chǎn)品的可靠性與穩(wěn)定性則必須加入機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)。將機(jī)械產(chǎn)品與日常工作環(huán)境聯(lián)系起來，然后展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，并及時(shí)更新機(jī)械零部件的性能配置，實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品可靠性提升。本文針對機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)問題進(jìn)行研究，以實(shí)際機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化案例進(jìn)行分析，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械可靠性優(yōu)化提供相應(yīng)指導(dǎo)。

1　機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性

機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)時(shí)以成品的可靠性作為基準(zhǔn)，將外載力、零部件尺寸、承受能力等各項(xiàng)參數(shù)融合起來考慮。然后應(yīng)用力學(xué)理論、概率理論、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)等做出機(jī)械可靠性保障方案。傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法又被稱為安全系數(shù)法，其在機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候只要確保安全設(shè)計(jì)系數(shù)大于規(guī)定的數(shù)值即可，但是在實(shí)際應(yīng)用中機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)往往忽略了設(shè)計(jì)參數(shù)的隨機(jī)性。因此在實(shí)際研究中應(yīng)注意將力學(xué)作為隨機(jī)變量，機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)中認(rèn)為各個(gè)受力因素會(huì)受到環(huán)境的影響，因?yàn)榄h(huán)境因素也是一個(gè)變量，還存在著一定的規(guī)律性可循［1］。機(jī)械強(qiáng)度受到材料的性能、加工精度、工藝環(huán)節(jié)的波動(dòng)等影響，也呈現(xiàn)出一種波動(dòng)性規(guī)律變化。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的不同的要求選取不同的特征函數(shù)，注意在計(jì)算的時(shí)候應(yīng)考慮其離散性，使用概率統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算求解。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)考慮到各個(gè)參數(shù)的隨機(jī)分布，還應(yīng)據(jù)此來分析出機(jī)械的實(shí)際工作狀況。

2　機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)案例

本次機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)研究選取蝸桿減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)作為研究的主要內(nèi)容，一級蝸桿減速器的主要失效形式有：渦輪齒面點(diǎn)蝕、渦輪齒折斷、鍵壓潰、軸折斷、軸承實(shí)效等幾類。針對蝸桿進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，其優(yōu)化模型為：Rs=Rcf·Rch·Rz·Rj·Rg。其中Rcf表示蝸輪齒根彎曲疲勞的可靠度；Rch表示渦輪齒面接觸疲勞可靠度；Rz表示輪軸的可靠度；Rg表示滾動(dòng)輪軸可靠度；Rj表示鍵可靠度。蝸桿減速器進(jìn)行變量設(shè)計(jì)的時(shí)候，將蝸桿的模數(shù)定為m，蝸桿直徑系數(shù)為q、蝸桿軸直徑ds、蝸桿頭數(shù)zl、傳動(dòng)比i、渦輪軸長度L?？煽啃栽O(shè)計(jì)變量表示如圖1所示，其中X=｛m，z1、q、L、i、ds｝。

圖1　蝸桿減速器變量優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

蝸桿減速器的體積主要受到蝸輪、蝸輪軸、蝸桿等因素的影響，因此取三者的體積作為目標(biāo)函數(shù)：

Minf1（x）=π/4｛B2（mz2）2+L1（mq）2+m2（q-2.4）2（0.9mz2-L1）+ds2［L-（1.5ds-B2）］｝。其中蝸輪齒寬度為B2=［m（q+2）-0.5m］sina+0. 8m。a=50°，a表示蝸輪齒寬度。則根據(jù)蝸桿可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)計(jì)算，必須建立相應(yīng)的約束條件，其中，其中式子中的H］［σ表示蝸桿允許的接觸應(yīng)力。蝸輪軸的強(qiáng)度為。其中式子中的MD表示危險(xiǎn)截面積的彎矩均值。

3　機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)建議

3.1權(quán)衡和耐環(huán)境設(shè)計(jì)

針對機(jī)械進(jìn)行耐環(huán)境和權(quán)衡和設(shè)計(jì)，有利于設(shè)計(jì)者找出機(jī)械相對可靠的設(shè)計(jì)方案，并對機(jī)械的質(zhì)量、成本、體積以及可靠性等完成優(yōu)化。耐環(huán)境設(shè)計(jì)主要是基于綜合考慮的一種設(shè)計(jì)方式，從機(jī)械的零部件出發(fā)，將零部件的壽命周期內(nèi)的各種環(huán)境考慮進(jìn)去［2］。

3.2預(yù)防故障設(shè)計(jì)法

機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行與否關(guān)系到機(jī)械設(shè)備的整體運(yùn)作功能是否在完整的串聯(lián)中各自發(fā)揮出自身的作用。整體功能大于部分功能將成為機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中首先要重視機(jī)械設(shè)備的可靠性，并對零部件進(jìn)行嚴(yán)格的需求控制和選擇控制。預(yù)防故障法設(shè)計(jì)中應(yīng)對選用的零部件和通用不見進(jìn)行驗(yàn)證分析，最大限度對故障進(jìn)行分析。

3.3簡化以及余度設(shè)計(jì)優(yōu)化

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，簡化設(shè)計(jì)作為一種基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)思路明確，即零部件的數(shù)量應(yīng)盡可能避免冗余，減少故障出現(xiàn)。機(jī)械的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)中必須對其錯(cuò)誤故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從小故障處理做起盡可能保障機(jī)械的可靠性。通過簡化和余度設(shè)計(jì)優(yōu)化可以有效提升可靠性生產(chǎn)以及避開故障的能力。簡化優(yōu)化設(shè)計(jì)即對機(jī)械生產(chǎn)中的一些不必要方式進(jìn)行優(yōu)化，減少一些超標(biāo)負(fù)荷承載工作，調(diào)整機(jī)械各個(gè)部件的生產(chǎn)情況。

4　結(jié)語

機(jī)械可靠性關(guān)系著機(jī)械日常生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此其重要性不言而喻，那么在實(shí)際工作中必須對機(jī)械可靠性進(jìn)行優(yōu)化。通過優(yōu)化機(jī)械可靠性運(yùn)行模式，使得機(jī)械在日常工作中發(fā)揮出其主要功用，為保持機(jī)械穩(wěn)定生產(chǎn)做出努力。本文針對機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)問題進(jìn)行研究，針對蝸桿減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)案例進(jìn)行分析，最后提出了一些建設(shè)性意見與相關(guān)研究同仁共同學(xué)習(xí)和交流。

［1］趙啟焱，羅明生，黃超.機(jī)械CAD技術(shù)在機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前瞻［J］.河南科技，2013（14）：105.

［2］王霄琳.機(jī)械CAD技術(shù)在機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.中國科技信息，2014（16）：146-147.

李豐紅（1962—），男，山西汾陽人，本科，畢業(yè)于太原理工大學(xué)，高級工程師，研究方向：煤機(jī)液壓。