浅谈机械可靠性设计的内涵与发展

张永

摘 要：機械的可靠性设计是保障机械产品质量及安全性能的重要方面，本文在对于机械可靠性内涵翔实分析研究的基础上，对于机械零件的传统设计与可靠性设计进行了综合比较，并探索了国内外机械可靠性设计发展概况，在此基础上，提出机械可靠性设计的未来展望。

关键词：机械；可靠性设计；内涵；发展

中图分类号：TH122 文献标识码：A

机械产品的设计为多一技术复杂型过程，涉及多个学科，对于机械产品的设计，其设计可靠性是保障机械产品质量以及安全性能的关键，也是提升机械产品综合竞争力的重要方面，因此，国内外诸多领域对于机械可靠性设计的提升进行了不断探索。机械可靠性设计，指的是在一定的时间、环境条件下，机械产品所能实现的功能及效益的情况。考虑到机械产品的性能参数受工程材料的离散型以及加工、安装工艺偏差等影响较为显著，且产品的设计对于产品的固有质量影响在75%左右，因此，机械产品的可靠性设计需综合考虑这种不可靠性的影响。而国内目前对于机械产品的可靠性设计仍处于初级阶段，难以达到“质量第一、质量取胜”的层次，且伴随我国加入WTO后，世界范围内机械产品强制认证制度的推行，机械产品的可靠性设计逐渐引起多方重视。

1.机械可靠性内涵

机械产品的可靠性设计对于产品的设计质量以及安全性能有着关键性影响，机械可靠性设计，指的是在一定的时间、环境条件下，机械产品所能实现的功能及效益的情况。机械产品可靠性设计是建立在常规设计方法的基础上的保障机械产品的质量及安全性能的一类全新的设计方法，将数学规划方法以及可靠性分析理论高效地结合起来进行设计可靠性分析，再结合最优化理论提出最优数值计算方法（概率意义下）。迄今为止，可靠性工程已有半世纪的历史，伴随机械化水平的不断提升，世界范围内逐渐引发对于机械可靠性的重视热潮。通常工程上利用可靠度来对于机械产品设计可靠性的概率进行度量，机械产品的可靠性设计涉及领域较广，且需要强大的数据库资源作支撑，因此实际机械产品可靠性设计发展水平还有待提升。

2.机械零件的传统设计与可靠性设计比较

2.1 机械系统可靠性特点

（1）机械系统结构及失效模式复杂，且故障情况较多，与电子产品故障不同的是，机械产品系统故障主要由部件磨损、疲劳而引起，且早期故障排除的难度较大，开展起来较为困难。

（2）考虑到机械产品应用环境的复杂性，其可靠性数据系统尚未健全。

（3）机械系统复杂，产品零部件难以实现标准化，失效率统计较为困难。

（4）由于机械产品寿命并不服从指数分布，因此机械产品的寿命和可靠性试验无法使用指数分布的统计试验方案。

2.2 两种设计之间的关系

传统设计通常由产品的性能以及机械性能要求出发展开设计，传统方法所进行的设计及安全系数的校核难以衡量产品设计的可靠度以及故障发生率，只是引用经验的安全系数，设计过程具有较大的盲目性。考虑到经验性的差异，对于产品的可靠性设计造成不利影响。

机械产品的可靠性，要求产品持续高效性能的实现，机械产品设计过程中，涵盖H应力和H强度两类故障因素，前者即包括环境因素以及外力在微元面积上产生的内力与微元面积比值的极限，环境因素包括温度、湿度等存在一定的散步性。后者指机械结构承受应力（多因素影响的随机变量）的能力。且应力及强度均存在一定分布规律，而传统设计过程并未考虑此类规律性参数条件，可靠性设计即在传统设计的基础上，采用概率统计的方法对于设计参数及影响因素进行统计特性分析，可使得机械产品的设计更加高效、合理，更加符合工程实际应用，且机械产品的寿命和失效率也可实现可预测性能。

3.国内外机械可靠性设计发展

3.1 国内发展现状

国内对于机械产品的可靠性研究起步相对较晚，20世纪80年代，相继成立机械产品可靠性设计研究协会，制定可靠性设计标准，机械产品可靠性设计研究逐渐得到重视。

对于机械产品可靠性设计的研究方法主要包括以下几方面：基于概率密度函数矩不等式的契贝雪夫点法，由陈立周等学者提出，该方法的研究是针对一次二阶矩法精度低以及广义模拟优化法存在的计算复杂而展开的，能够高效地保证概率计算的精度；广义随机空间内考虑随机变量相关性的结构可靠度实用分析方法，其应用于工程实践，扩展了当前计算方法的适用范围；基于随机模糊性的结构优化设计方法，由王光远等人提出并应用于抗震设计，取得良好成效；原始空间内的可靠性分析方法主要适用于隐式随机变量的概率分布函数的可靠性研究；4次高阶矩法能够高效提升计算精度；通过国内可靠性研究方法的分析，学者们也给出了系统可靠性评价指标以及设计依据，但实际应用方面的研究相对较少，总体上与发达国家的差距较大，目前存在的问题包括：对于机械可靠性设计理解不够深入，实际研究中没有考虑机械产品设计的特殊性，结合概率统计进行可靠性设计的思路及方法不够熟练，且国内也缺乏机械产品可靠性设计的实用技术手册，给可靠性的设计及研究带来困难；目前可靠性设计试验研究存在周期长、难度大的特点，因此也给可靠性产品的试验研究造成障碍。

3.2 国外发展现状

对于可靠性设计研究的关注始于“结构的安全度”的发表，由于机械产品的需求量及功能性要求较高，也引发了对于机械可靠性的研究。19世纪60年代，美、日、英等国在机械可靠性研究的基础上，初步建立起机械产品可靠性研究理论，并应用于工程实践，相继成立可靠性设计研究组等对于结构可靠性进行研究。

目前，国外机械可靠性设计已广泛应用于航天、土木、车辆等众多领域，西方发达国家由于工业化起步早，也率先建立起机械产品可靠性设计理论基础，并有效地指导了工程实践。对于机械零部件的可靠性概率设计方法的研究中，成立专门研究组，进行机械故障的预防以及检测方面的分析，在大量数据的基础上，形成可靠性分析大数据库，如NPRD、NPs、ADA163900等数据手册。日本的可靠性设计更偏向于实用化，并通过实验的开展，不断优化目前可靠性理论，积累大量可靠性设计经验，因而对于工程实践应用也起到较好的指导作用。前苏联的可靠性设计研究中，重点关注机械产品可靠性和寿命的提升，并制定一系列国家标准，对于产品的设计以及实验研究方面进行深入分析。可靠性研究方向：基于概率统计理论之上的可靠性设计、适用于机械制造业的工艺可靠性研究方法。英国国家可靠性分析中心发布《机械系统可靠性》系统化分析了机械可靠性的研究方向，并基于大量数据提出多种可靠性评估方法，欧洲可靠性数据库协会具有强大的可靠性数据分析网络，给工程规划和设备的研发、风险评估提供参考。

结语

目前机械产品可靠性设计逐渐引起多方重视，机械产品的可靠性设计作为一门边缘性学科涉及领域及应用范围较广，且具有极为丰富的内涵。然而，国内对于机械可靠性设计的研究尚处于起步阶段，各方面发展技术还欠成熟。由于机械可靠性设计作为一种更加合理的设计模式，实践工程应用表明该方法可有效提升机械设计性能以及经济效益，因此国际范围内也展开了对于机械可靠性研究的热潮，相信这一理论将会得到更加广泛的推广与应用。

参考文献

[1]张祖明.论机械可靠性设计工作的发展途径[J].机械设计与制造，2011（2）：99-101.

[2]汪胜陆.机械产品可靠性设计方法及其发展趋势的探讨[J].机械设计，2007（5）：121-123.