机械产品的可靠性设计方法研究

杨泳超

摘 要：在机械产品设计过程中，可靠性一直是设计人员需要考虑的核心因素之一。而为了保证机械产品的可靠性，就需要对设计、制造阶段的各个环节进行全面考虑，并采取合适的设计方法。基于此，本文首先对机械产品可靠性设计进行概述，然后对现阶段常见的几种机械产品可靠性设计方法进行探讨。

关键词：机械产品;可靠性设计;概率设计法;TTCP设计法;FMECA设计法

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）01-0035-02

Study on Reliability Design Method of Mechanical Products

YANG Yongchao

（Henan Vocational College of Agriculture， Zhengzhou Henan 471002）

Abstract： In the process of mechanical product design， reliability has always been one of the core factors that designers need to consider. In order to ensure the reliability of mechanical products， it is necessary to take all aspects of the design and manufacturing stages into consideration and adopt appropriate design methods. Based on this， this paper first summarized the reliability design of mechanical products， and then discussed several common reliability design methods of mechanical products at this stage.

Keywords： mechanical products;reliability design;probabilistic method;TTCP design method;FMECA design method

對机械产品来说，可靠性往往意味着产品投入使用后所能够发挥出的价值。而要想保证机械产品的可靠性，则需要对设计、制造阶段的各个环节进行全面考虑，并采取合适的设计方法。因此，加强对机械产品可靠性设计方法的研究具有重要的现实意义。

1 机械产品可靠性设计概述

1.1 可靠性设计的定义

可靠性设计是指以满足产品可靠性需求为前提的设计，也指对不可靠问题的解决。对机械产品来说，可靠性意味着其在既定条件下发挥自身功能的能力，可靠性越高，产品性能与配件质量就越高;反之，如果可靠性过低，那么不可靠问题自然也就会随之出现，并对产品功能的发挥造成不同程度的影响[1，2]。

1.2 机械产品的可靠性要求

可靠性设计是基于产品可靠性特点展开的，不同机械产品在具体的可靠性特点上虽然会存在一定差异，但从总体来看，仍然具有较多共同特征。首先，机械产品一般由多种零部件组成，很多零部件虽然在功能上十分类似甚至完全相同，但并不存在同一的标准，彼此之间也无法通用，因此会给设计带来一定的麻烦。其次，机械产品在使用过程中必然会对零部件造成不同程度的损耗，因而，随着使用时间的增加，产品出现损耗性故障的概率也会变得越来越高。基于此，机械产品的可靠性要求并不局限在固有可靠性上，而是要引入耐用性情况，确定并保证产品使用的可靠性与环境适应性。最后，设计虽然是影响产品可靠性的关键因素，但后续的产品加工、维修制度、维修方案、可靠性试验等也都会对机械产品的可靠性造成影响。因此，在进行机械产品的可靠性设计时，必须对生产、维修等阶段的实际情况进行预测和考虑。

1.3 机械产品的可靠性设计流程

可靠性设计实际上也可以看作是对产品、配件的不断试验与改进，并在这一过程中实现产品可靠性的提升，因此，其大体设计流程是相对固定的。一般来说，虽然产品中所有零部件都会对机械产品的可靠性造成影响，但部分零部件的影响却是最为关键的。因此，在机械产品可靠性设计中，通常会先对重要零部件展开试验，并根据试验结果进行针对性的设计改进。此外，当新部件设计完毕后，也同样需要进行相应的可靠性测试，以明确其是否能满足可靠性要求[2]。在重要配件设计完毕后，设计者通常还会对实际使用的环境进行模拟，并对组件的性能与可靠性展开测试，从而找到单独部件试验时无法暴露出来的可靠性缺陷。最后，要在各组件、配件组装完毕后对整个产品的可靠性、耐久性以及性能进行测试，并完成整体优化。

2 机械产品可靠性设计的常见方法

2.1 概率设计法

概率设计法是一种以基本变量作为随机变量的设计计算方法，在机械产品可靠性设计方法中属于最为常见也最为基本的一种方法。从具体来看，概率设计法会对机械产品的性能、材料强度、配件尺寸等基本数据进行采集，之后根据这些数据建立应力强度模型，最终从概率分布的角度确定失效概率。通过这种方法，能对机械产品的耐热度、强度、耐磨度、刚度、精确度等性能实现有效评测。而在明确机械产品或零配件性能的情况下，自然也就能准确判断出机械产品的可靠性是否符合相关要求，并针对存在的可靠性缺陷进行机械产品的设计优化。从整体上来看，由于是从概率分布的角度进行分析和运算的，因此，概率设计法能将机械产品的可靠度与各方面故障概率量化为具体数值，这一点对设计方案比对与优化来说是非常重要的[3]。同时，精确的数值还能将产品材料的固定性能充分发挥出来，达到降低能耗、减轻零件质量等效果，从而使机械产品的生产成本降低、性能提升。但是，需要注意的是，概率设计法所采集的数据都是当下机械产品的参数，而这些数据在产品使用过程中是会不断变化的，这样一来，就会出现只考虑固定可靠度，而忽视使用可靠度的情况，从而影响设计的合理性。

2.2 TTCP设计法

TTCP设计法是一种专门针对机械产品特性所研究出的设计方法，其能将机械产品的零配件细化分解为各种基础零件。这样一来，即便机械产品的结构与功能不同，但在所使用的基础零件上也同样会存在很大的相似度。之后，再对这些基础零件的故障模式、危害性等可靠性影响因素进行分析，就能将基础零件的各项参数与故障率联系起来，而通过将各基础零件的故障率相加，则可以得到机械产品的总故障率，并对产品可靠性进行衡量。这样的设计思路非常清晰，在具体执行时也会比较简单，在面对结构复杂的机械产品时，也同样可以计算出产品故障率。因此，在进行可靠性试验之前，其往往能起到非常大的作用。但是，由于机械产品结构大多比较复杂，因而，在进行基础零件的可靠性数据收集与分析时十分烦琐。

2.3 FMECA设计法

FMECA设计法是对机械产品故障模式、危害性及故障影响进行分析的设计方法。其中，对故障模式的分析主要用于对机械产品进行分类;而对危害性与故障影响的分析则是为了准确衡量不同的故障模式。按照该思路，设计者就能确定不同故障模式的危害程度与故障发生概率，并找出机械产品存在和可靠性缺陷;同时，根据分析结果，对机械产品进行全面优化，最终使产品的可靠性得到有效提升[4]。FMECA设计方法具有很强的系统性，在设计过程中，其基于故障模式收集的数据与分析结果，既能够应用于可靠性缺陷判断、维修性维系，也可以用于对设计方案的优化以及对产品质量的控制，因此，在准确性与合理性上具有较为突出的优势。但是，由于不同机械零件的功能与结构差异较大，因而，要想明确每一种故障模式的危害性与故障影响，就必须要依靠长期的积累，一旦设计经验不足，设计工作就很难进行下去。此外，对这种单因素分析的设计方法来说，一旦机械产品故障原因比较复杂，分析起来就会具有较大的难度。

2.4 故障树分析法

故障树实际上就是对机械产品所有故障影响因素的列举与综合分析。在设计过程中，设计者需要从機械产品的运行环境、人为操作、零配件、软件系统等多个角度来寻找故障隐患，并根据这些故障影响因素画出故障树，以准确呈现各种情况下的故障发生概率、故障发生原因以及损害方式，构建相应的可靠性模型，最终完成对产品整体故障概率的计算。该设计方法考虑的因素较为全面，能准确计算出常规设计方法不易发现的可靠性缺陷与故障隐患，但对设计人员的专业水平要求较高，设计人员只有在高度熟悉机械产品的情况下，才能准确、全面地找到各种故障影响因素，否则就很容易出现疏漏，进而影响分析结果的准确性。同时，由于不同机械产品的故障影响因素并不确定，因此，一旦机械产品的结构过于复杂，可能存在的故障影响因素就会较多，进而使工作量大大增加。

3 结语

机械产品的可靠性分析方法还有很多，如平均累计故障率方法、稳健性设计方法等。这些方法具有各自的优势，但同时也都存在一定的不足。因此，在实际设计工作中，还要结合机械产品的实际情况具体选择设计方法。

参考文献：

[1]张广辉.浅谈机械可靠性设计的内涵与递进[J].民营科技，2018（9）：14.

[2]何威.机械零件可靠性设计理论与方法研究[J].湖北农机化，2018（3）：57-59.

[3]张琦.机械产品可靠性设计探讨[J].山东工业技术，2017（7）：298.

[4]周银晓，杨建江.可靠性设计在机械设计中的应用[J].科技资讯，2017（8）：115-116.