浅谈机械可靠性设计发展

盛浩

摘要：机械产品可靠性设计是解决机械产品可靠性的重大课题。本文研究的目的是在总结、归纳工程经验的基础上，研究目前机械可靠性设计中突出的重要技术问题，为日后工作中遇到的机械产品的可靠性设计进行分析，指导型号可靠性工作，提供实用方法和技術支持。

关键词：机械设计；可靠性；研究方法；应用实例

引 言

随着现代科技的不断进步，人们在对产品的要求也就更高，在对产品设计的时候，只有不断的增强产品的可靠性，才能使在数烈竞争的过程中求得生存和发展，因此我们必须正视产品可靠性的设计。而我国机械产品的可靠性设计水平与国际先进水平相比还有相当大的差距，这已成为制约我国机械工业迅速发展的瓶颈，造成企业开发的产品质量的先天不足，“质量第一、质量取胜”的经济战略方计在机械产品中难以充分体现。随着我国加入世界贸易组织，机械产品强制认证制度的推行，企业应该保证投放市场产品的质量，这种激烈竞争的状况将使政府部门和企业清醒地认识到可靠性工程在机械产品研发过程中的重要性。

一、机械可靠性研究的发展

可靠性问题最早是由美国军用航空郁门提出的，他们首先认识到不可靠性的代价实在太大。例如，在第二次世界大战期间，美国空军由于飞行故障而损失的飞机达21000架，比被击落的多1.5倍。随着现代工业技术的飞速发展，机械产品日趋复杂化、大型化、高参数化，对各种产品的要求越来越高，使产品发生故障的机会增多，其中灾难性的事故亦时有发生。如1985年8月，日航123航班波音美国747客机坠毁，使520人丧生；1986年1月，“挑战者”号航天飞机，因为火箭助推器内的橡胶密封围因温度低而失效，结果引起航天飞机爆炸，造成了7名宇航员全部遇难和重大的经济损失。各种故障和失效不仅威胁若航空工业，也给造船、桥梁、交通运输、动力机械、化工机械、工程机械等造成威胁。至于机械中的曲轴、连杆、齿轮、轴承及焊铆接件等的损坏事故就更无法统计了。

近50年来，在机械设计领域中，出现了不少现代设计方法及相应的科学研究。现在，计算机辅助设计、优化设计和可靠性设计等在理论上和方法上都达到了一定的水平，并在应用中取得了一定的经济效益。它们的出现，对整个机械设计学科和机械设计实践都产生了十分深刻的影响，使过去许多难以解决的设计问题获得了重大突破。可以说它们正在引起机械设计领域里的一场重大变革，正在受到人们日益广泛的重视。随着世界科学技术的迅速发展，机械可靠性设计工作也出现了崭新的局面，大大提高了设计水平与速度，特别是对于结构复杂，使用条件要求高的产品，改变了设计难度大而不能设计或设计的质量低、周期长的状况。

二、机械可靠性概述

根据国家标准的定义，可靠性是指“产品在规定时间内，在规定的使用条件下，完成规定功能的能力或性质”。

（一）理论研究方面

在理论研究方面，机械可靠性属于边缘性学科，然而其本身内涵相当丰富，所涉及到的学科和专业比较广。机械可靠性设计方法是在常规设计方法的基础上发展起来的一种全新的设计方法，它将可靠性分析理论与数学相关方法有机地结合在一起，运用最优化方法得到在概率意义下的最佳设计的一种数值计算方法。从工程实用性角度来看，机械可靠性设计方法是较传统设计方法更为合理的设计模式，并且它能在实际应用中明显地提高设计质量和获得明显的经济效益，因此对可靠性设计方法的研究已成为目前国内外学者积极探索和研究的重要课题之一。

（二）实践应用方面

自可靠性的科学定义建立以来，在世界范围内，可靠性设计的新理论、新方法与新技术不断涌现，从而大大提高了设计水平与速度，并且广泛地应用于航空、航天、冶金、石油、化工、造船、铁路、医疗、交通运输、等各个工业部门之中，其发展之迅速，应用之广泛，远非一般应用科学所可以比拟。

三、现代机械可靠性方法分析

（一）基于灵敏度的可靠性设计方法

对于灵敏度的分析非常重要，这也是现代机械设计中的一种非常实用的设计方法，灵敏度分析主要就是对机械产品特性的设计参数的敏感度，在设计复杂的机械产品结构的时候，需要考虑不同的物理和几何参数，如果设计方案要修改，关于那些参数也就要进行修改，这也就会对产品的特性产生巨大影响，同时也就需要设计人员能够了解这些情况。对于灵敏度分析的过程，对这些影响因素要进行严格控制，是产品安全可靠性得到保障。像这种可靠性设计，对机械可靠性设计的效果以及准确性的提高有很人帮助，使产品的性能特性得以优化，从而使其寿命得以延长。

（二）基于稳健性的可靠性设计方法

根据灵敏度的可靠性设计方法，可以递进到稳健性的可靠性的设计方法，可以使灵敏度极小化，在以往的设计方案中，对设计方案进行修改之后，进行测试分析，要投入更多的人力物力，而基于总健性的可靠性设计方法在很大程度上使这些不必要的损失得人避免，也使得可靠性设计能够更加顺利的进行。

（三）基于理论基础的可靠性设计方法

机械可靠性设计理论可以使可靠性设计的准确性得到保障，根据产品的功能不同，对可靠性设计理论和方法也就不同。例如，广义可靠性概率理论以及方法都是在可靠性理论基础上进行研究，响应面法以及随机有限元法等都属于可靠性设计的具体方法，涉及到的内容包括静强度设计、有限寿命设计以及疲劳强度设计等，还有机械产品可靠性设计，如对象关联结构系统、振动系统以及机构系统等。

四、我国机械可靠性设计发展及现状

在我国可靠性研究开始于上世纪60年代，我国机械可靠性的理论研究，主要集中在机械行业学会、研究院所与高等院校中，一些科技研究人员和工程设计人员投入到可靠性工程的研究之中，制定了一批可靠性标准，取得了较大的成果。但总的来说，机械产品的可靠性设计水平仍然很低，与国外先进水平相距甚远，可靠性管理体系基本上没有在企业中建立起来，可靠性设计技术基本上没有在设计部门推广使用。可靠性水平提高速度较慢和可靠性设计能力较低，主要是限于可靠性工程理论的发展与传播和工程设计人员对可靠性设计方法的理解与掌握。

参考文献：

[1]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）.

[2]陈连，邹广萍.机械可靠性的最优化方法及其应用研究[J].

[3]王安麟，刘广军，姜涛.广义机械优化设计[M].武汉：华中科技大学出版社，2008.

[4]孙志礼，陈良玉.实用机械可靠性设计理论与方法[M].北京：科学出版社，2003.