(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 河南 新鄭 451100)

1.機(jī)械可靠性的設(shè)計(jì)方式

1.1 機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)械產(chǎn)品從初始方案建立到真正的生產(chǎn)制造需要經(jīng)過一個(gè)時(shí)間比較長的設(shè)計(jì)過程。近年來，科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步發(fā)展，各種新的制造技術(shù)與制造工藝逐漸興起并且廣泛應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的制造中。機(jī)械產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度也非常快，客戶對機(jī)械產(chǎn)品的要求也越來越高。所以說必須要發(fā)展設(shè)計(jì)理論、對設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)并且加量加快設(shè)計(jì)過程。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)逐漸出現(xiàn)，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)融合了數(shù)學(xué)規(guī)劃和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，兩者的融合能夠有效解決一些復(fù)雜的設(shè)計(jì)問題，提升機(jī)械設(shè)計(jì)水平。

圖1 機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)框圖

機(jī)械產(chǎn)品的可靠性問題直接影響到機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用，和機(jī)械產(chǎn)品產(chǎn)生的綜合效益。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)能保證機(jī)械產(chǎn)品的各方面質(zhì)量，在最短的加工時(shí)間內(nèi)制造出最優(yōu)的機(jī)械產(chǎn)品。機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容，分別是：質(zhì)量、成本以及可靠度。可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目的就是通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，在最大程度上提升機(jī)械產(chǎn)品的可靠性?？煽啃詢?yōu)化設(shè)計(jì)框圖如上圖1所示。

1.2 機(jī)械可靠性靈敏度設(shè)計(jì)

在機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)中，對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)或者進(jìn)行工程近似分析，都需要應(yīng)用靈敏度分析。一般來說，在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中都要對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行測試試驗(yàn)分析，如果在設(shè)計(jì)過程中機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案發(fā)生了變化就必須要進(jìn)行第二次測試試驗(yàn)分析，而測試試驗(yàn)分析的整個(gè)過程需要耗費(fèi)大量的人力物力，而且工作效率也比較慢。另外，對于一些復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品來說，它們的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)十分復(fù)雜，涉及的幾何參數(shù)和物理參數(shù)非常多，而可靠性設(shè)計(jì)就是要研究這些具體的參數(shù)對產(chǎn)品特性的影響，其實(shí)從本質(zhì)上來說就是研究機(jī)械產(chǎn)品特性對這些參數(shù)的靈敏度。其實(shí)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，靈敏度分析主要是為機(jī)械產(chǎn)品可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。目前，機(jī)械可靠性靈敏度設(shè)計(jì)分析方法有很多種，常用的有：直接分析法、伴隨變量法以及Green函數(shù)法等。

機(jī)械可靠性靈敏度設(shè)計(jì)簡單來說就是在可靠性基礎(chǔ)上的靈敏度設(shè)計(jì)，通過靈敏度分析結(jié)果來確定一個(gè)具體的參數(shù)，從而提升產(chǎn)品的整體性能。機(jī)械可靠性靈敏度設(shè)計(jì)對于可靠性設(shè)計(jì)來說意義重大，能夠有效的降低機(jī)械產(chǎn)品參數(shù)分析復(fù)雜程度。機(jī)械可靠性靈敏度設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 機(jī)械可靠性靈敏度設(shè)計(jì)框圖

1.3 機(jī)械可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)

在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造中，保證機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量非常關(guān)鍵，而不論是什么產(chǎn)品其總體質(zhì)量都可以分為兩個(gè)部分，其中一個(gè)部分為外部質(zhì)量，另外一個(gè)部分為內(nèi)部質(zhì)量。外部質(zhì)量主要是指用戶能夠直接感受到的一些質(zhì)量特性，內(nèi)部質(zhì)量主要是指產(chǎn)品的整體性能以及產(chǎn)品的穩(wěn)健性。所以說，機(jī)械可靠性穩(wěn)健性設(shè)計(jì)作為一種高質(zhì)量的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思想能夠?yàn)闄C(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量提供有力的保障。

機(jī)械可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法主要有兩種，其中一種是根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或者是以半設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，常用的設(shè)計(jì)方法有：田口法、響應(yīng)面法以及廣義模型法等。另外一種穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法主要是指以工程模型為基礎(chǔ)，結(jié)合優(yōu)化技術(shù)的設(shè)計(jì)方法，常用設(shè)計(jì)方法有隨機(jī)模型法和變差傳遞法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及CAD技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，以工程模型為基礎(chǔ)的穩(wěn)健設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)水平進(jìn)一步提高。機(jī)械可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)需要靈敏度設(shè)計(jì)的配合，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中需要靈敏度分析的支持，通過靈敏度分析能夠在最大程度上控制影響產(chǎn)品質(zhì)量的不確定因素，從而就能夠提升產(chǎn)品的穩(wěn)健性。

2.機(jī)械可靠性的設(shè)計(jì)原理

機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)是以物理學(xué)研究為基礎(chǔ)的，通過可靠性試驗(yàn)以及可靠性數(shù)據(jù)分析結(jié)果確定相應(yīng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而提升產(chǎn)品的整體性能與整體質(zhì)量。在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段能夠根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)原理對機(jī)械制造需要參照的可靠性指標(biāo)進(jìn)行確定。而且通過機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)還能夠給對機(jī)械的主要零件以及主要部件的使用壽命和工作性能進(jìn)行確定。在此基礎(chǔ)上通過機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，就能夠?qū)C(jī)械主要零件以及主要部件的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而提升機(jī)械產(chǎn)品的整體性能以及使用壽命。根據(jù)物理指標(biāo)設(shè)計(jì)，機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)方法可以分為兩種，其中一種是定性設(shè)計(jì)方法，另外一種是定量設(shè)計(jì)方法。

機(jī)械可靠性定性設(shè)計(jì)方法就是指在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中借鑒相關(guān)成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，或者以失敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)為參考，提升機(jī)械設(shè)計(jì)的水平，盡量避免機(jī)械設(shè)計(jì)缺陷。具體來說，就是在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中，首先對機(jī)械產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)的故障以及可能影響機(jī)械產(chǎn)品的因素進(jìn)行綜合考慮分析，之后通過機(jī)械可靠設(shè)計(jì)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，盡量消除影響機(jī)械產(chǎn)品正常運(yùn)行的因素。

機(jī)械可靠性定量設(shè)計(jì)法主要是以應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型為基礎(chǔ)，以功能失效的狀態(tài)函數(shù)理論為前提條件。在機(jī)械可靠性定量設(shè)計(jì)中，將機(jī)械強(qiáng)度、機(jī)械應(yīng)力等看作是隨機(jī)變量，然后應(yīng)用相應(yīng)的概率方法，根據(jù)隨機(jī)變量對機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)效概率以及機(jī)械產(chǎn)品的可靠度進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果評估機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)是否合理。

3.機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的應(yīng)用

通常來說機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍越來越廣，現(xiàn)階段主要是集中于大功率機(jī)械產(chǎn)品、機(jī)械產(chǎn)品中易磨損件以及機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)上面。保證機(jī)械產(chǎn)品可靠性的基礎(chǔ)就是機(jī)械產(chǎn)品之中的主要零件，這些主要零件的運(yùn)轉(zhuǎn)功率都比較大。通常情況下，機(jī)械產(chǎn)品的大功率零件在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)受到應(yīng)力作用的影響，出現(xiàn)銹蝕、磨損以及疲勞等現(xiàn)象，從而對機(jī)械產(chǎn)品正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及可靠性產(chǎn)生影響。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的應(yīng)用就是綜合考慮，機(jī)械產(chǎn)品應(yīng)力、強(qiáng)度分布以及機(jī)械產(chǎn)品的可靠度，然后在概率意義上將三者聯(lián)合起來，為機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)計(jì)算提供依據(jù)。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)計(jì)算主要應(yīng)用耦合方程開展計(jì)算，計(jì)算完成后再集合對機(jī)械產(chǎn)品零部件的復(fù)雜程度，具體使用環(huán)境以及相似產(chǎn)品的失效記錄確定機(jī)械產(chǎn)品零部件的可靠性指標(biāo)。在機(jī)械產(chǎn)品零件的制造過程中就按照這個(gè)可靠性指標(biāo)進(jìn)行制造。

4.總結(jié)

綜上所述，機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)是一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)工程，主要的目的就是保證機(jī)械產(chǎn)品的正常穩(wěn)定運(yùn)行。在機(jī)械零件的設(shè)計(jì)中必須要考慮可靠性因素，因?yàn)橹挥斜ＷC機(jī)械零件具有可靠性，才能夠保證機(jī)械產(chǎn)品的整體性能。本文研究分析了機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)方式與原理，首先從可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性靈敏度設(shè)計(jì)以及可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)三個(gè)方面介紹了機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的方式，然后說明了機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的原理。希望通過以上分析能夠讓大家對機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)有一個(gè)比較全面的了解。