李 昊

（曹妃甸職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063200）

制造業(yè)的迅速發(fā)展，使得更多領(lǐng)域?qū)C械零件提出更為嚴(yán)格的要求，機械零部件可靠性設(shè)計是現(xiàn)代機械零部件生產(chǎn)的主要依據(jù)，航空航天、汽車工業(yè)與大型機械設(shè)備等重工業(yè)產(chǎn)品和機械類產(chǎn)品內(nèi)部的重要零部件都是建立在零件可靠性基礎(chǔ)上進行生產(chǎn)的。由于機械零件被廣泛使用并且需要具有更高的可靠性，機械零件需要在設(shè)計中進行多方面優(yōu)化與可靠性分析。因此，我國制造業(yè)對機械零件設(shè)計的可靠性分析十分重視，機械零件設(shè)計可靠性分析能力的增強，加速了我國工業(yè)水平的提升。

1 機械零部件可靠性設(shè)計相關(guān)理論

1.1 機械零部件可靠性概述

機械零部件可靠性是指在一定條件下、一定時間內(nèi)，機械零部件能夠完成規(guī)定的功能，而不發(fā)生失效的能力。在機械系統(tǒng)中，機械零部件可靠性是保證整個系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵因素之一。機械零部件的可靠性受到多種因素的影響，包括零部件初始設(shè)計、零件材料、制造加工工藝、所處的應(yīng)用環(huán)境條件等。在機械設(shè)計和制造過程中，需充分考慮這些因素，以提高機械零部件可靠性。在機械零件設(shè)計中進行可靠性分析主要是靠建立數(shù)學(xué)模型或者功能函數(shù)模型，對傳統(tǒng)設(shè)計中所用到的參數(shù)通過如概率論和模糊理論等的分析，對強度-干涉理論、靈敏度分析進行了理論處理并建立了變量參數(shù)計算公式，由此構(gòu)造了合理的數(shù)學(xué)模型。

1.2 機械零部件可靠性設(shè)計的理論研究基礎(chǔ)

可靠性分析的最大優(yōu)點在于其在機械零件參數(shù)設(shè)計過程中，能夠排除人為因素，同時考慮了許多外部因素給零件帶來的沖擊，其中機械零件發(fā)生故障的概率也被考慮進去。由于在可靠性分析中考慮全面，可近似模擬部件的真實工作狀態(tài)，能夠有效地對風(fēng)險進行預(yù)估，所獲數(shù)據(jù)比主觀的理論參數(shù)更有現(xiàn)實意義，可以實現(xiàn)指導(dǎo)實際工程應(yīng)用的目標(biāo)。具體可以從以下幾個方面的理論來闡述[1]：

1）可靠性工程理論?？煽啃怨こ淌菣C械零部件可靠性設(shè)計的理論基礎(chǔ)。它包括可靠性概念、可靠性指標(biāo)、可靠性數(shù)學(xué)模型、可靠性增長模型等內(nèi)容?？煽啃怨こ汤碚摓闄C械零部件的可靠性設(shè)計提供了基本的理論框架和方法論。

2）材料力學(xué)。材料力學(xué)是機械零部件可靠性設(shè)計的重要基礎(chǔ)。它包括材料的強度、韌性、疲勞性能、斷裂行為等方面的研究。通過對材料的力學(xué)性能進行分析和測試，可以為零部件的材料選擇、設(shè)計和制造提供基礎(chǔ)支撐。

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計是機械零部件可靠性設(shè)計的核心內(nèi)容。它包括零部件的幾何形狀設(shè)計、受力分析、應(yīng)力分析、變形分析等方面。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以使零部件在各種工況下具備足夠的強度和剛度，從而提高其可靠性。

4）制造工藝。制造工藝對機械零部件的可靠性設(shè)計具有重要影響。合理的制造工藝可以滿足零部件的尺寸精度、表面質(zhì)量、內(nèi)部組織等方面的要求，從而提高零部件的可靠性。

1.3 機械零部件可靠性設(shè)計的研究現(xiàn)狀

機械零部件可靠性設(shè)計是指在設(shè)計階段充分考慮零部件在整個使用壽命周期內(nèi)的可靠性，以確保其在各種工作條件下都能正常運行的一種設(shè)計方法。目前，機械零部件可靠性設(shè)計在理論研究和實際應(yīng)用方面都取得了一定進展，總結(jié)如下[2]：

1）多學(xué)科綜合設(shè)計。隨著工程復(fù)雜性的增加，機械零部件的可靠性設(shè)計需要考慮多個學(xué)科領(lǐng)域的知識，如材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)等。因此，如何實現(xiàn)多學(xué)科綜合設(shè)計，協(xié)調(diào)各個學(xué)科之間的矛盾與沖突，是當(dāng)前可靠性設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)之一。

2）先進材料和制造技術(shù)的應(yīng)用。隨著材料科學(xué)和制造技術(shù)的不斷進步，新型材料和制造工藝不斷涌現(xiàn)。然而，如何將這些先進材料和制造技術(shù)應(yīng)用到機械零部件的設(shè)計中，提高零部件可靠性，是當(dāng)前可靠性設(shè)計的發(fā)展方向之一。

3）可靠性仿真技術(shù)的發(fā)展。隨著計算機仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，可靠性仿真技術(shù)已成為機械零部件可靠性設(shè)計的重要手段。然而，如何提高可靠性仿真技術(shù)的精度和準(zhǔn)確性，以更好地指導(dǎo)設(shè)計和優(yōu)化，是當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)之一。

4）復(fù)雜工況下的可靠性設(shè)計。在實際工程中，機械零部件往往需要在復(fù)雜的工況下工作，如高溫、高壓、高速等。如何在這些復(fù)雜工況下實現(xiàn)機械零部件的可靠性設(shè)計，是當(dāng)前的研究熱點和挑戰(zhàn)之一。

2 機械零部件可靠性設(shè)計方法

2.1 可靠性優(yōu)化設(shè)計

機械可靠性優(yōu)化設(shè)計是指在機械設(shè)計的過程中，通過優(yōu)化設(shè)計方案和采用可靠性工程的方法，提高機械產(chǎn)品的可靠性和安全性，降低故障率和維修成本[3]。一般機械零件可靠性分析就是在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，對零件的質(zhì)量、尺寸及安全性等各項指標(biāo)進行改進，使機械零件的整體性能得到有效提升，使機械零件能夠更好地適應(yīng)機械運行環(huán)境，有效保證機械設(shè)備的正常運行。以某機械設(shè)備零件的扭轉(zhuǎn)軸為例，其零件結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。扭轉(zhuǎn)軸的可靠性變化曲線如圖2所示，由曲線圖可知，可靠度隨時間變化而遞減，變化趨勢由緩慢下降到急劇下降再到緩慢下降，最后趨于穩(wěn)定，主要受材料影響，如鋼鐵、鋁合金等，具有良好的耐磨性。扭轉(zhuǎn)軸在制造過程中，還受到載荷力以及工作環(huán)境等因素的影響。

表1 扭轉(zhuǎn)軸相關(guān)參數(shù)

圖1 某機械設(shè)備零件的扭轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)

通過優(yōu)化設(shè)計方案和采用可靠性工程的方法，可以提高機械產(chǎn)品的可靠性和安全性，降低故障率和維護成本，提高機械產(chǎn)品的性能和競爭力。

2.2 可靠性靈敏度設(shè)計

機械零部件可靠性靈敏度設(shè)計是指在機械零部件設(shè)計過程中，通過對設(shè)計參數(shù)的靈敏度分析，找出對零部件可靠性影響最大的參數(shù)，并對這些參數(shù)進行合理的設(shè)計，以提高零部件可靠性。機械零部件可靠性靈敏度設(shè)計的主要內(nèi)容包括[5]：

1）參數(shù)靈敏度分析。通過分析各種設(shè)計參數(shù)的變化對零部件可靠性的影響，找出對零部件可靠性影響最大的參數(shù)。

2）靈敏度設(shè)計方案。重點考慮對零部件可靠性影響最大的參數(shù)，進行合理的方案設(shè)計，以提高零部件可靠性。

3）靈敏度試驗驗證。通過實驗驗證，驗證參數(shù)變化對零部件可靠性的影響，驗證靈敏度設(shè)計方案的有效性。

其中，機械零部件可靠性靈敏度設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個方面：

1）靈敏度分析方法。采用合適的數(shù)學(xué)模型和分析方法，對設(shè)計參數(shù)的變化對零部件可靠性的影響進行準(zhǔn)確分析。

2）參數(shù)設(shè)計優(yōu)化方法。通過優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，提高零部件可靠性，降低零部件對設(shè)計參數(shù)變化的敏感度。

3）實驗設(shè)計方法。通過實驗設(shè)計方法，驗證參數(shù)變化對零部件可靠性的影響，為靈敏度設(shè)計提供依據(jù)。

例如，圖3 為圖1 所示零件的扭轉(zhuǎn)軸均值靈敏度變化曲線，由圖可知，變量D和r的均值隨時間變化對可靠度影響為正，說明增加D和r將提高可靠度；變量T、h和d的均值對可靠度影響為負(fù)，說明增加T、h和d將降低可靠度。均值靈敏度的絕對值隨時間變化先增大后減小，說明隨時間變化各參數(shù)均值對可靠度影響先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定。

圖3 扭轉(zhuǎn)軸均值靈敏度變化曲線

2.3 可靠性穩(wěn)健設(shè)計

機械零部件可靠性穩(wěn)健設(shè)計是指在機械零部件設(shè)計過程中，考慮到各種不確定因素和變化，通過合理的設(shè)計方法和策略，使零部件在面對這些不確定因素和變化時依然能夠保持穩(wěn)定的性能和可靠性?？煽啃苑€(wěn)健設(shè)計旨在提高零部件的抗干擾能力和適應(yīng)性，從而降低因外部環(huán)境變化或制造過程中的不確定因素而引起的性能波動和可靠性降低。機械零部件可靠性穩(wěn)健設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容包括[6]：

1）不確定因素分析。對零部件設(shè)計過程中可能存在的各種不確定因素進行分析，包括材料性能的波動、工藝參數(shù)的變化、外部環(huán)境因素的影響等。

2）穩(wěn)健設(shè)計策略。采用合適的設(shè)計策略和方法，對零部件的設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化和調(diào)整，以提高零部件對不確定因素的抗干擾能力和適應(yīng)性。

3）穩(wěn)健性驗證。通過實驗和仿真驗證，驗證零部件設(shè)計在面對不確定因素時的穩(wěn)健性能，確保零部件在各種不確定因素下依然能夠保持穩(wěn)定的性能和可靠性。

這一設(shè)計方法有助于提高零部件的抗干擾能力和適應(yīng)性，降低因外部環(huán)境變化或制造過程中的不確定因素而引起的性能波動和可靠性降低。在實際工程中，機械零部件可靠性穩(wěn)健設(shè)計是提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的重要手段。

2.4 可靠性試驗

機械零部件的可靠性試驗是為了驗證零部件在實際使用條件下的可靠性表現(xiàn)而進行的一系列測試和評估活動。通過可靠性試驗，可以評估零部件在特定環(huán)境和負(fù)載條件下的壽命、故障率、可靠性指標(biāo)等，從而為機械零部件的設(shè)計、制造和維護提供重要的數(shù)據(jù)支持[7]。1）可靠性壽命試驗：通過在實際使用條件下對零部件進行長期運行試驗，觀察和記錄零部件的壽命特性，包括故障發(fā)生的時間、模式和原因等，從而評估零部件可靠性指標(biāo)。2）可靠性加速試驗：在實驗室條件下，通過提高環(huán)境溫度、濕度，加大振動等方式，加速零部件的老化和故障，以評估零部件在短時間內(nèi)的可靠性表現(xiàn)。3）可靠性環(huán)境試驗：通過模擬零部件在不同環(huán)境條件下的使用情況，如高溫、低溫、潮濕、腐蝕等，評估零部件在不同環(huán)境條件下的可靠性表現(xiàn)。

3 機械零部件可靠性分析方法

3.1 響應(yīng)面法

機械零部件的響應(yīng)面可靠性分析方法是一種將響應(yīng)面方法和可靠性分析方法相結(jié)合的分析方法，旨在確定機械零部件在設(shè)計空間內(nèi)的可靠性指標(biāo)，以及設(shè)計參數(shù)對可靠性的影響程度[8]。該方法將響應(yīng)面方法和可靠性分析方法相結(jié)合，可以有效地評估機械零部件可靠性并優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，以提高機械零部件可靠性。同時，將可靠性分析方法應(yīng)用于響應(yīng)面模型，以評估機械零部件在設(shè)計空間內(nèi)的可靠性指標(biāo)。響應(yīng)面可靠性分析方法的步驟包括：1）確定設(shè)計參數(shù)和響應(yīng)變量。確定機械零部件的設(shè)計參數(shù)和響應(yīng)變量，并進行實驗測量。2）建立響應(yīng)面模型。通過響應(yīng)面方法建立機械零部件的響應(yīng)面模型，以預(yù)測機械零部件在設(shè)計空間內(nèi)的響應(yīng)變量。3）確定可靠性分析方法。根據(jù)機械零部件的可靠性要求，確定可靠性分析方法，如概率分布分析、可靠性指標(biāo)分析等。4）對響應(yīng)面模型進行可靠性分析。將可靠性分析方法應(yīng)用于響應(yīng)面模型，以評估機械零部件在設(shè)計空間內(nèi)的可靠性指標(biāo)。5）優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。根據(jù)可靠性分析結(jié)果，優(yōu)化機械零部件的設(shè)計參數(shù)，以提高機械零部件的可靠性。

3.2 回歸分析法

機械零部件的回歸分析法是一種基于統(tǒng)計學(xué)原理的分析方法，用于評估機械零部件的可靠性[9]。1）通過實驗測量和數(shù)據(jù)采集，確定機械零部件的設(shè)計參數(shù)和響應(yīng)變量。2）利用回歸分析建立機械零部件的數(shù)學(xué)模型，描述設(shè)計參數(shù)與響應(yīng)變量之間的關(guān)系?；貧w分析可以幫助確定設(shè)計參數(shù)對響應(yīng)變量的影響程度以及它們之間的函數(shù)關(guān)系。3）應(yīng)用可靠性分析方法，如概率分布分析、可靠性指標(biāo)分析等，對回歸分析模型進行評估，以確定機械零部件在設(shè)計空間內(nèi)的可靠性指標(biāo)。4）根據(jù)可靠性分析結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，以提高機械零部件的可靠性。

3.3 最大似然法

這種方法由德國數(shù)學(xué)家提出，是一種參數(shù)統(tǒng)計法，利用概率學(xué)對測試對象進行隨機抽查，對整體樣本情況進行全面的分析和評估，從而使機械零件的整體性能達到標(biāo)準(zhǔn)要求。目前來看，最大似然法的應(yīng)用過程相對簡單，具有較高的實用性[10]。在進行機械零件可靠性分析時，需要及時確定機械零件的設(shè)計變量，并將SUMT 內(nèi)點法應(yīng)用到機械零件的設(shè)計中，建立明確的失效年限變量參數(shù)關(guān)系。同時，在應(yīng)用這種方法進行機械零件可靠性分析時，需要充分利用相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，以確保機械零件可靠性分析及評估結(jié)果更加準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語

綜上所述，機械零部件可靠性分析在設(shè)計過程中具有重要的意義。通過應(yīng)用可靠性分析方法，可以評估機械零部件在設(shè)計空間內(nèi)的可靠性指標(biāo)，并優(yōu)化設(shè)計參數(shù)以提高機械零部件的可靠性。這種方法有助于提高機械零件質(zhì)量和市場競爭力，對于工程應(yīng)用和生產(chǎn)制造具有重要意義。在機械零部件設(shè)計中，可靠性分析應(yīng)被視為一個不可或缺的環(huán)節(jié)，以確保機械零部件的可靠性和穩(wěn)定性。因此，對于機械零部件的設(shè)計者和制造商來說，了解和應(yīng)用可靠性分析方法是至關(guān)重要的。