宋健

【摘 ?要】自進(jìn)入21世紀(jì)以來，在計算機(jī)技術(shù)蓬勃發(fā)展的大背景下，優(yōu)化設(shè)計被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計各個領(lǐng)域，尤其是應(yīng)用于多參數(shù)設(shè)計，不止能大大提高設(shè)計工作效率，更能保證設(shè)計方案精確度，彌補(bǔ)常規(guī)設(shè)計方法的不足，取得令人滿意的設(shè)計方案。然而，從目前我國機(jī)械零件優(yōu)化設(shè)計水平來看，仍存在著較多問題亟待解決，例如：難以把握設(shè)計參數(shù)自身隨機(jī)性及模糊性等。同時，設(shè)計參數(shù)隨機(jī)性作為概率層面非確定性設(shè)計變量，以取值隨機(jī)性為不確定性的集中表現(xiàn)，客觀上要求設(shè)計人員利用統(tǒng)計方法消除其不確定性，而設(shè)計參數(shù)自身模糊性與邊界不清間存在著密切聯(lián)系，是模糊性所產(chǎn)生的非確定性設(shè)計變量，屬于事物發(fā)展階段中出現(xiàn)中介技術(shù)狀態(tài)的結(jié)果。鑒于此，本文針對機(jī)械零件可靠性優(yōu)化設(shè)計的研究具有重要現(xiàn)實意義。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械零件;可靠性;優(yōu)化措施

中圖分類號：TH122 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

引言

機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量問題是人們一直所關(guān)注的問題，如何能夠提高機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命也是一直所討論和追求的方向。在實際的應(yīng)用中，往往在運行過程中會出現(xiàn)各種問題影響設(shè)備的使用，這便是零件的可靠性沒有達(dá)到要求，從根本上來說是在設(shè)計階段的可靠性分析沒有達(dá)到要求。要想零件達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量，則需要進(jìn)行可靠性的分析，這需要可靠性理論的支撐，對此，可靠性理論與可靠性設(shè)計方法對可靠性分析而言十分重要。

1可靠性分析理論

可靠性分析的理論基礎(chǔ)是概率論、強(qiáng)度-干涉理論等統(tǒng)計學(xué)的基礎(chǔ)理論知識和力學(xué)理論基礎(chǔ)，之所以可靠性分析能夠得到廣泛應(yīng)用，主要因為機(jī)械零件的可靠性分析在機(jī)械設(shè)計過程中給工程人員帶來較大的便利，它最大的優(yōu)勢是設(shè)計機(jī)械零件參數(shù)時，能剔除人為因素，還考慮到很多外部因素對零件造成的影響，包括機(jī)械零件失效的可能性也在考慮范圍內(nèi)，因為可靠性分析考慮的全面性，所以能近似模擬出零件的實際工作情況，能有效預(yù)估風(fēng)險，得到的數(shù)據(jù)具有實際意義而不是主觀參數(shù)，這樣就能真的做到指導(dǎo)實際工程應(yīng)用，所以在未來，可靠性分析必定會得到更加廣泛的應(yīng)用。

一般認(rèn)為，機(jī)械零件在實際工作中受到的外載荷是隨機(jī)變量，這是機(jī)械零件無法像電器元件一樣檢測的主要原因。但是，通過不斷的測試和計算發(fā)現(xiàn)，機(jī)械零件參數(shù)中的這些隨機(jī)變量，都近似符合概率密度分布規(guī)則，即這些隨機(jī)變量都能通過概率密度函數(shù)表示。不過，機(jī)械零件工作中受到的外載荷不同，導(dǎo)致外載荷等隨機(jī)變量服從的概率密度函數(shù)也不相同，如零件在正常情況下的受力就與極限受力情況服從的函數(shù)不同，而在不同的截面上的受力服從的概率密度函數(shù)也不相同。因此，在求解不同部分的設(shè)計參數(shù)時，要通過強(qiáng)度-干涉理論對不同概率密度函數(shù)進(jìn)行推斷和計算，這樣的參數(shù)設(shè)計出的外觀尺寸更加可靠和規(guī)范。

2機(jī)械零件可靠性的優(yōu)化措施

2.1可靠性靈敏度設(shè)計

可靠性靈敏度設(shè)計是在可靠性基礎(chǔ)上進(jìn)行靈敏度設(shè)計，充分反映各設(shè)計參數(shù)對機(jī)械產(chǎn)品失效影響的不同程度。機(jī)械零件在可靠性分析時存在很多的不確定因素影響著分析結(jié)果與產(chǎn)品質(zhì)量，若是對多種不確定因素都進(jìn)行可靠性分析，那么對于分析成本來說將大大提高，并且分析的準(zhǔn)確性也會大大折扣，因此可以進(jìn)行靈敏性分析的引入。靈敏性分析的特點為可以進(jìn)行不確定因素在某一條件下變化程度的分析，例如模擬真實的工作環(huán)境，觀察哪些不確定因素在該條件下的變化程度最大，得出一定條件下靈敏度的排序，在得出具體的靈敏度條件后進(jìn)行可靠性的分析研究，可以按照靈敏度由大到小的順序進(jìn)行討論研究，可以大大提高可靠性分析的效率與質(zhì)量。對此，需要建立準(zhǔn)確的靈敏度分析模型來進(jìn)行相關(guān)的分析，提高機(jī)械零件的總體可靠性。

2.2可靠性穩(wěn)健設(shè)計

該設(shè)計方式是在優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上不斷形成發(fā)展而來的，它與靈敏度設(shè)計相結(jié)合，共同提高零件的可靠性。對于機(jī)械設(shè)備的裝配，需要使得整體運行可靠，達(dá)到生產(chǎn)要求，需要可靠的零件給予支撐，但是要選擇可靠的零件并不一定選擇最貴、質(zhì)量最好的。一方面是經(jīng)濟(jì)成本的限制，另一方面即使是最昂貴的零件進(jìn)行裝配也并不一定能夠達(dá)到希望的效果，可靠性穩(wěn)健設(shè)計即是集中解決能夠滿足裝配質(zhì)量要求的零件。對零件進(jìn)行相關(guān)的靈敏度設(shè)計以及可靠性試驗后，進(jìn)行改進(jìn)提升性能，則需要穩(wěn)健性設(shè)計來進(jìn)行零件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的一定評判，使其能夠滿足裝配的最低質(zhì)量要求。

2.3可靠性試驗

可靠性理論是建立在可靠性試驗的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，目前的可靠性理論已經(jīng)較為成熟，可以根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析并得出理想的結(jié)果，但是目前存在的問題是可靠性試驗的發(fā)展并沒有跟上腳步?？煽啃栽囼炇前l(fā)現(xiàn)機(jī)械零件缺陷的基礎(chǔ)，若是可靠性試驗的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性難以把握，那么即使有完備的可靠性模型理論也難以得出正確的結(jié)果。在實驗過程中，一方面要獲取可靠性數(shù)據(jù)，另一方面要通過產(chǎn)品在試驗中發(fā)生的各種故障，找出其原因并進(jìn)行細(xì)致的分析和研究以提高產(chǎn)品的可靠性，但是實驗過程中試驗條件的改變、方案的改變等都對試驗產(chǎn)生著影響。對此，需要制定嚴(yán)格有效的實驗方案。

3機(jī)械零件可靠性分析的具體方法

3.1威布爾分布法

這是一種比較常用的可靠性分析方法，能夠順利獲取概率值，實現(xiàn)對各項參數(shù)的準(zhǔn)確評估，使機(jī)械零件可靠性分析的質(zhì)量得到有效提升。在應(yīng)用威布爾分布法進(jìn)行機(jī)械零件可靠性分析的時候，整個過程要充分利用圖解法及解析法，其中圖解法的運用較為簡單，對檢測人員的技術(shù)水平要求不高，但是無法對機(jī)械零件的各項參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確核算;而解析法能夠充分發(fā)揮計算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢，使機(jī)械零件可靠性的試驗和分析更加精確，但是對檢測人員的技術(shù)水平有一定要求。因此，為保證能夠全面掌控機(jī)械零件的各項參數(shù)，需要充分利用解析法，使機(jī)械零件可靠性分析的質(zhì)量得到有效保障。

2.2回歸分析法

將回歸分析法應(yīng)用到機(jī)械零件的可靠性分析中，需要利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計原理，對機(jī)械零件的各項參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性處理，確定因變量與自變量之間的相互關(guān)系式，以回歸方程的形式充分體現(xiàn)所要分析的內(nèi)容。就回歸分析法的應(yīng)用情況來看，可以將其劃分為一元回歸分析法及多元回歸分析法。在應(yīng)用回歸分析法進(jìn)行機(jī)械零件可靠性分析的時候，需要及時明確機(jī)械零件各個參數(shù)中的因變量及自變量，建立相應(yīng)的回歸方程，掌握機(jī)械零件各個參數(shù)的回歸概念。同時，需要針對性的分析機(jī)械零件的應(yīng)用年限參數(shù)，建立相應(yīng)的樣本容量，實現(xiàn)對機(jī)械零件失效年限及失效概率的估計?？傊谶M(jìn)行機(jī)械零件的可靠性分析中，通過回歸分析法能夠掌控該零件各項數(shù)據(jù)中的線性關(guān)系，使工作人員能夠?qū)C(jī)械零件的各項參數(shù)進(jìn)行精確控制。

2.3最大似然法

這是一種由德國數(shù)學(xué)家提出的參數(shù)統(tǒng)計法，能夠利用概率學(xué)對測試對象進(jìn)行隨機(jī)抽查，對整體樣本情況進(jìn)行全面的分析和評估，使機(jī)械零件的整體性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。就目前來看，最大似然法的應(yīng)用過程較為簡單，其本身就體現(xiàn)出較高的實用性。在利用這種方法進(jìn)行機(jī)械零件的可靠性分析時，需要及時確定機(jī)械零件的設(shè)計變量，將SUMT內(nèi)點法使用到機(jī)械零件的設(shè)計中，建立明確的失效年限變量參數(shù)關(guān)系。

結(jié)束語

總而言之，優(yōu)化設(shè)計大大增強(qiáng)機(jī)械零件自身承載能力，控制總體成本投入，是保證機(jī)械零件設(shè)計質(zhì)量的有力手段。在機(jī)械零件可靠性研究不斷深化的大背景下，相關(guān)數(shù)據(jù)日趨完善，促使可靠性優(yōu)化設(shè)計得到越來越多從業(yè)人員的關(guān)注及重視。

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（作者單位：哈爾濱城林科技股份有限公司）