试论机械工程的可靠性优化设计

孙全芳

摘 要：改革开放以来，我国的机械制造业取得了突飞猛进的进展，机械工程在我国经济建设的各种领域中占有十分重要的地位和作用，是国民经济的重要支柱。在机械制造业中，机械工程的可靠性优化设计显得尤为重要。探讨了在机械设计中的可靠性优化设计，从几个方面研究了可靠性优化设计应当注意的一些问题及我国在可靠性研究方面所存在的不足之处。

关键词：机械工程；可靠性

一、产品可靠性设计的现状和研究背景

1.产品可靠性设计的现状

由于各种历史原因，我国机械制造业相对西方国家相对落后，而在可靠性方面的研究更是相对滞后。直到上个世纪80年代，我国在可靠性方面的研究才有了一些成效，个别行业还有了专门研究可靠性的组织机构，并培养了一批可靠性方面的技术性人才，制定了一系列的可靠性标准。但从整体上来看，这些可靠性的研究都偏向理论，在实际生产中运用较少，与制造业发达的西方国家相比还存在很多的不足之处。

2.产品可靠性设计的研究背景

当今社会，科学技术发展日新月异，产品的更新换代速度越来越快，人们不仅拥有了更多的选择产品的权利，而且现在人们更多追求产品的质量和产品的可靠性，所以自然出现了一种有关产品可靠性的设计，并得到迅速发展和广泛应用。

随着科学技术的高速发展，制造出来的产品结构也往越来越复杂的方向发展，由于高新技术不断运用在产品制造当中及产品复杂性的逐渐提高，产品更新换代速度也大大超越以往。我们在设计一种产品的时候，需要有一个不断深化认识、逐步改进和完善的过程。刚开始生产出来的产品在投入使用中有一个试验的前提，也就是说初始产品必须经过初试后才能投入市场，这是因为初始产品很多存在不可靠性，存在许多设计和工艺方面的缺陷。因此，一个生产产商在某种产品生产初期必须通过对产品设计和工艺规程进行有计划的改进设计，以达到把故障问题根除在萌芽状态的目的，从而提高产品的可靠性水平，逐步达到预期的目标，于是一种可靠性设计研究便应运而生了。

在研究可靠性设计技术之前，我们必须先对产品的可靠性的含义有一定的了解。可靠性可以这么定义：“产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。”定义中的“产品”范围较广，可以把某个元件当着试验对象，也可以是器件、设备或系统，这里面甚至可以包括人的作用。

在可靠性设计当中，在满足功能、花费、时间的前提下，使设计的产品的可靠性达到足够的满意程度，这就是产品的可靠性设计。可靠性设计涉及范围极广，不仅包括了一些传统设计技术，还与系统工程、环境工程、质量控制技术和计算机技术等有着很大的关联。因此，它是一个集多方面学科技术于一体的现代化新兴技术。它不但在产品的设计过程中有运用，而且在初产品到成品的各个工艺生产环节都有涉及。因，可靠性设计技术在军事、航天、电子、机械等一些重要领域都应用的极为广泛，具有极为重要的作用。

二、可靠性的发展过程

从人们开始进行可靠性技术研究起，至今已经有将近70年的历史。研究其发展过程，可归纳为早期研究、过程发展和国际化三个阶段。

1.早期研究阶段：在第二次世界大战当中，英美的战斗机和军舰等一些军事上重要的装备在战场上频繁出现机械故障，导致战争上的被动，这就引起了人们开始思考机械设备的可靠性问题，于是有关机械可靠性的研究开始了筹划阶段，以用来减少战争中的那些机械故障问题。接着英美德等国家针对不同军事装备提出了相应的可靠性指标。1942年，美国麻省理工学院在真空管的可靠性研究上取得了相当大的成效。上述这些都表明我国在机械制造可靠性研究上已经进入初期研究阶段，并取得了一定的成效。

2.过程发展阶段：当机械工程可靠性研究由早期的研究阶段开始进入了一个相对成熟的研究过程阶段，我们把这个过程称为过程发展阶段。在这个阶段中，制造业相对发达的一些国家，如美国、前苏联、德国、日本等对可靠性开始进行了一些较为深入的研究工作，并在研究中获得了很大的成功，这使得可靠性研究的未来发展方向得到了保证，使可靠性研究进入了一个新的发展阶段。在这一过程中，可靠性研究的很多方面都得到了良好的发展和完善，例如：研究范围已经从原来的机械产品过渡到电子产品，且范围还在不断的扩大；理论研究不断深入，已经从原来的较为简单的产品研究往更复杂多变的产品研究阶段深入，为可靠性设计技术的进一步发展打下了坚实的基础。

3.国际化阶段：可靠性研究在经过了最初的简单研究到进一步深入的过程发展阶段，可靠性技术的应用已经越来越广泛，它所展现的一些优点已经逐渐被世界各国所关注，许多国家已经陆续在这方面开展了研究工作并在人力物力上作出了很大的投入，使得可靠性研究开始了国际化进程。可靠性技术的国际化主要体现在各种国际学术组织的确立、国际可靠性和可维护性技术委员会的成立。

三、可靠性设计在机械中的应用

产品的可靠性在产品的设计和使用周期内的各个环节中都具有重要的作用，这些环节包括：产品设计、产品制造、产品使用、售后维修等等。

在设计环节中可靠性设计的应用。机械产品设计包括整体装配设计及组装零件设计。对整机产品可将其作为一个整体进行设计，设计主要分为两种方式：（1）先对整个系统有一个大致了解，分析各个零部件的可靠性程度，并推断整体可靠性程度，这就是整体设计的可靠性预测，预测结果必须满足设计指标；（2）把整体所要求的可靠性程度指标分配到各个零件设计上，只要各个零件满足可靠性要求即可，可靠性分配方法主要有四种：等分配法、再分配法、比例分配法、综合评分分配法。在进行单个零件设计过程中，我们挑选的零件尽可能采用国家规定的标准件或已经在生产中大量使用的零件，并对重要性不同的零件分别用不同的设计方法进行设计，一些关键部件必须进行可靠性试验。对产品的可靠性应当进行反复验证和修改，直到满足可靠性设计要求为止。另外，还要进行人机系统的设计，这方面主要包括操作舒适性和适应性设计。