机械零件可靠性的优化探究

宋健

【摘  要】自进入21世纪以来，在计算机技术蓬勃发展的大背景下，优化设计被广泛应用于机械设计各个领域，尤其是应用于多参数设计，不止能大大提高设计工作效率，更能保证设计方案精确度，弥补常规设计方法的不足，取得令人满意的设计方案。然而，从目前我国机械零件优化设计水平来看，仍存在着较多问题亟待解决，例如：难以把握设计参数自身随机性及模糊性等。同时，设计参数随机性作为概率层面非确定性设计变量，以取值随机性为不确定性的集中表现，客观上要求设计人员利用统计方法消除其不确定性，而设计参数自身模糊性与边界不清间存在着密切联系，是模糊性所产生的非确定性设计变量，属于事物发展阶段中出现中介技术状态的结果。鉴于此，本文针对机械零件可靠性优化设计的研究具有重要现实意义。

【关键词】机械零件;可靠性;优化措施

中图分类号：TH122  文献标识码：A

引言

机械设备的质量问题是人们一直所关注的问题，如何能够提高机械产品的使用寿命也是一直所讨论和追求的方向。在实际的应用中，往往在运行过程中会出现各种问题影响设备的使用，这便是零件的可靠性没有达到要求，从根本上来说是在设计阶段的可靠性分析没有达到要求。要想零件达到预期的质量，则需要进行可靠性的分析，这需要可靠性理论的支撑，对此，可靠性理论与可靠性设计方法对可靠性分析而言十分重要。

1可靠性分析理论

可靠性分析的理论基础是概率论、强度-干涉理论等统计学的基础理论知识和力学理论基础，之所以可靠性分析能够得到广泛应用，主要因为机械零件的可靠性分析在机械设计过程中给工程人员带来较大的便利，它最大的优势是设计机械零件参数时，能剔除人为因素，还考虑到很多外部因素对零件造成的影响，包括机械零件失效的可能性也在考虑范围内，因为可靠性分析考虑的全面性，所以能近似模拟出零件的实际工作情况，能有效预估风险，得到的数据具有实际意义而不是主观参数，这样就能真的做到指导实际工程应用，所以在未来，可靠性分析必定会得到更加广泛的应用。

一般认为，机械零件在实际工作中受到的外载荷是随机变量，这是机械零件无法像电器元件一样检测的主要原因。但是，通过不断的测试和计算发现，机械零件参数中的这些随机变量，都近似符合概率密度分布规则，即这些随机变量都能通过概率密度函数表示。不过，机械零件工作中受到的外载荷不同，导致外载荷等随机变量服从的概率密度函数也不相同，如零件在正常情况下的受力就与极限受力情况服从的函数不同，而在不同的截面上的受力服从的概率密度函数也不相同。因此，在求解不同部分的设计参数时，要通过强度-干涉理论对不同概率密度函数进行推断和计算，这样的参数设计出的外观尺寸更加可靠和规范。

2机械零件可靠性的优化措施

2.1可靠性灵敏度设计

可靠性灵敏度设计是在可靠性基础上进行灵敏度设计，充分反映各设计参数对机械产品失效影响的不同程度。机械零件在可靠性分析时存在很多的不确定因素影响着分析结果与产品质量，若是对多种不确定因素都进行可靠性分析，那么对于分析成本来说将大大提高，并且分析的准确性也会大大折扣，因此可以进行灵敏性分析的引入。灵敏性分析的特点为可以进行不确定因素在某一条件下变化程度的分析，例如模拟真实的工作环境，观察哪些不确定因素在该条件下的变化程度最大，得出一定条件下灵敏度的排序，在得出具体的灵敏度条件后进行可靠性的分析研究，可以按照灵敏度由大到小的顺序进行讨论研究，可以大大提高可靠性分析的效率与质量。对此，需要建立准确的灵敏度分析模型来进行相关的分析，提高机械零件的总体可靠性。

2.2可靠性稳健设计

该设计方式是在优化设计的基础上不断形成发展而来的，它与灵敏度设计相结合，共同提高零件的可靠性。对于机械设备的装配，需要使得整体运行可靠，达到生产要求，需要可靠的零件给予支撑，但是要选择可靠的零件并不一定选择最贵、质量最好的。一方面是经济成本的限制，另一方面即使是最昂贵的零件进行装配也并不一定能够达到希望的效果，可靠性稳健设计即是集中解决能够满足装配质量要求的零件。对零件进行相关的灵敏度设计以及可靠性试验后，进行改进提升性能，则需要稳健性设计来进行零件质量标准的一定评判，使其能够满足装配的最低质量要求。

2.3可靠性试验

可靠性理论是建立在可靠性试验的基础之上进行的，目前的可靠性理论已经较为成熟，可以根据试验数据进行有效的分析并得出理想的结果，但是目前存在的问题是可靠性试验的发展并没有跟上脚步。可靠性试验是发现机械零件缺陷的基础，若是可靠性试验的数据准确性难以把握，那么即使有完备的可靠性模型理论也难以得出正确的结果。在实验过程中，一方面要获取可靠性数据，另一方面要通过产品在试验中发生的各种故障，找出其原因并进行细致的分析和研究以提高产品的可靠性，但是实验过程中试验条件的改变、方案的改变等都对试验产生着影响。对此，需要制定严格有效的实验方案。

3机械零件可靠性分析的具体方法

3.1威布尔分布法

这是一种比较常用的可靠性分析方法，能够顺利获取概率值，实现对各项参数的准确评估，使机械零件可靠性分析的质量得到有效提升。在应用威布尔分布法进行机械零件可靠性分析的时候，整个过程要充分利用图解法及解析法，其中图解法的运用较为简单，对检测人员的技术水平要求不高，但是无法对机械零件的各项参数进行准确核算;而解析法能够充分发挥计算机技术的优势，使机械零件可靠性的试验和分析更加精确，但是对检测人员的技术水平有一定要求。因此，为保证能够全面掌控机械零件的各项参数，需要充分利用解析法，使机械零件可靠性分析的质量得到有效保障。

2.2回归分析法

将回归分析法应用到机械零件的可靠性分析中，需要利用数据统计原理，对机械零件的各项参数数据进行线性处理，确定因变量与自变量之间的相互关系式，以回归方程的形式充分体现所要分析的内容。就回归分析法的应用情况来看，可以将其划分为一元回归分析法及多元回归分析法。在应用回归分析法进行机械零件可靠性分析的时候，需要及时明确机械零件各个参数中的因变量及自变量，建立相应的回归方程，掌握机械零件各个参数的回归概念。同时，需要针对性的分析机械零件的应用年限参数，建立相应的样本容量，實现对机械零件失效年限及失效概率的估计。总之，在进行机械零件的可靠性分析中，通过回归分析法能够掌控该零件各项数据中的线性关系，使工作人员能够对机械零件的各项参数进行精确控制。

2.3最大似然法

这是一种由德国数学家提出的参数统计法，能够利用概率学对测试对象进行随机抽查，对整体样本情况进行全面的分析和评估，使机械零件的整体性能达到标准要求。就目前来看，最大似然法的应用过程较为简单，其本身就体现出较高的实用性。在利用这种方法进行机械零件的可靠性分析时，需要及时确定机械零件的设计变量，将SUMT内点法使用到机械零件的设计中，建立明确的失效年限变量参数关系。

结束语

总而言之，优化设计大大增强机械零件自身承载能力，控制总体成本投入，是保证机械零件设计质量的有力手段。在机械零件可靠性研究不断深化的大背景下，相关数据日趋完善，促使可靠性优化设计得到越来越多从业人员的关注及重视。

参考文献：

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[2]杨娜.单向相关下的机械零件动态可靠性分析[J].制造技术与机床，2018（03）：72-75.

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（作者单位：哈尔滨城林科技股份有限公司）