机械可靠性设计的内涵与发展

王爱民，刘洋

（1.辽宁石化职业技术学院，辽宁 锦州 121001；2.锦州恒大科技有限公司，辽宁 锦州 121003）

对于机械可靠性研究而言，最早发生于20世纪中叶的电子产品当中。各个国家在机械可靠性研究方面均以航天、军工领域为主。由于经济与科技的持续发展，可靠性研究逐步从军工转变为民用范围，且逐步转变为经济竞争的重心。

传统机械设计主要在于强度，而可靠性设计主要集中于产品材料、规格乃至其对于载荷状况下体现出来的随机性、分散性等层面。传统设计可靠性主要体现于载荷与机械产品强度之间，假如工作载荷小于材料强度则表示安全，否则则为不安全，而新的可靠性设计则为注重机械安全使用机率乃至实现预定使用时间的机率方面，这类新型可靠性设计理念将概率作为条件进行发展。

1 机械可靠性概念

机械可靠性指的是机械方面的产品及系统在规定时间乃至工作环境中可以执行的功能的一种体现，是机械产品品质的一个主要评价标准。

（1）对于可靠性设计对象而言，就机械产品及系统广义而言，其对象不仅能够为整套系统设备，也能够为一个子系统甚至为一个设备、部件。

（2）可靠性设计的核心为规定的时间，可靠性身为一个评价产品时间品质的标准，影响到产品品质可以持续的时间，通常状况下，会由于时间的增多而降低可靠性。

（3）机械使用条件成为可靠性设计的条件，可靠性设计会通过实际使用环境的改变而改变，不具备使用环境，则会令可靠性设计意义全无。

（4）可靠性设计的本质则为设计规定的功能，令其使用功能可以延伸至尽量长的时间。

2 机械可靠性设计的发展

由于可靠性的产生，对于机械可靠性研究的全新技术、理念、思想持续被提出和验证，并较大程度提升了产品设计能力与产品性能，其应用范畴更加扩大至航天、航空、石油、化工、造船、铁路、医疗、交通等不同工业领域。

由于科技的进步，使得研究机械可靠性愈发紧迫。机械可靠性设计能够良好提升产品性能与品质，需要把可靠性设计融入到产品的总体周期当中，这也包含了产品的设计、制作、安装、使用等所有方面。例如：在二战当中，美国空军由于飞机故障原因失去了两万多架飞机，这令其深深体会到机械可靠性欠缺所造成的损失，并领先提出可靠性研究的课题。在此以后，由于现代工业技术的进步，并且由于机械产品的繁琐化、大型化，使得产品性能标准愈发提升，机械可靠性欠缺的问题愈发突出。又比如由于机械可靠性欠缺而使得日本航班波音747客机坠毁，导致520名人员丧生；再比如美国挑战者航天飞机，由于机械可靠性欠缺使得航天飞机最终爆炸，酿成7名宇航员丧生的悲剧。

机械可靠性欠缺会使得机械出现故障，严重影响到各个行业的安全运转。所有行业强烈迫切地需要提升产品的品质以及机械可靠性。推动可靠性技术，能够构成庞大的经济效益与社会效益，提升产品的性能及竞争力[1]。

自从进行机械可靠性研究之后，确定了通过有效增强产品品质，降低产品重量，降低产品成本，提升稳定性及作业效率的目标。在国际方面，欧美等国家的机械可靠性研究位于全球前茅，并对技术进行封锁，而我国的机械可靠性研究尚处在初级阶段，因此，在我国机械制造方面，难免存在核心技术欠缺的问题，严重束缚了我国机械工业的发展及经济的提升。

3 机械可靠性设计的特征

3.1 品种较多，可靠性标准不同

由于机械可靠性推广至不同行业，其用途也尤为繁琐，这也使得机械结构及运行原理具有差别，对于不同的使用标准以及不同的零件设计，掌握机械可靠性需要分开研究，仔细核算，制作出符合标准与可靠性机械的产品。

3.2 应用环境复杂，荷载较难确定

由于所有行业的机械操作氛围均具有较大的差别，设计产品的可靠性需要有效融合产品在应用系统中所需的性能，有效考量产品的载荷类别与大小。

3.3 外界环境影响较大

对于机械可靠性研究，除却需要考量设计因素以外，还要注重周边环境的影响，不确定环境因素会为可靠性产品设计造成一定的影响，还会对产品的可靠性造成损坏。

3.4 机械零件连接状态变动较大

由于时代的不断发展，繁琐机械所需的零件愈发增多，对于零件性能标准也愈发严苛，并且零件相互间的连接状态变化过大，也成为机械可靠性受影响的主要方面，假如零件连接状态不好，会对产品的可靠性造成影响，甚至会对产品的总体质量造成影响 。

4 机械可靠性设计的常用方式

4.1 概率设计法

概率设计法作为设计机械零部件以及构件的方式，通过概率设计理论进行引导。先要进行原材料强度、性能以及零部件规格等概率分布的统计，之后再通过应力强度干涉模型进行核算，再以零部件设计计算模型的协助下，获得零部件规格、可靠度、使用时间。将设计变量作为随机变量，在应力强度干涉模型协助下，确保所设计的零部件可以完成预定的可靠度指标。传统设计方式是通过安全系数为基准，由此可见，概率设计法具备其特有的优势[3]。

（1）概率设计法可以较好的确保机械产品的可靠度。这是由于此方法并非使用最小强度超过最大应力的标准，而是对机械产品的应力及强度描写透过概率分布进行，如此便可良好抵制传统方法由于强度及应力并非毫无变动而形成的设计可靠性的不足。

（2）概率设计法可以符合定量可靠度的标准。这是由于此方法预见且承认了设计零部件会具有一些故障，且可以对产品故障率与可靠程度给予定量回答，而传统方法并不能预测出可靠度的定量。

4.2 稳健性设计法

稳健性设计法是日本著名机械设计师田口玄一提出，此方法将统计分析作为设计基础，为了尽量确保产品性能的稳定性以及最大程度提高产品应用时间，这则需要在设计当中考量到制造过程以及使用过程中，外部因素的变异以及产品自身参数、结构等方面的变化，且提出预见性解决方法。

此方法判断产品设计的可靠性，主要是通过产品对用户形成的损失大小。损失指的是产品在实际功能及预期目标相互间的差距。假如差距较大，用户损失则越大，并且也体现出产品品质较差。严格控制产品材料及产品工艺则可以有效降低偏差，以此提高产品品质。稳健性设计框图见图1。

图1 稳健性设计的框图

5 结束语

由此可见，机械可靠性设计属于持续发展的过程，会随着科技的发展而发展，相关人士应当以实际经验为基础，持续学习心得理念，不断研究机械产品的可靠性设计，令机械产品可以在更长的时期内给予更为良好的功能服务。

[1]闫欣，肖春英，朱春来，徐东，贾建国. 浅谈机械可靠性设计发展 [J]. 舰船防化，2011.（02）：33～37.

[2]贺鑫，韩旺，史世攀. 机械设计各个阶段中可靠性包含的工作[J]. 湖南农机，2011.（7）：34～35.

[3]张义民.机械可靠性设计的内涵与递进[J].机械工程学报，2010.（14）：167～188.