机械产品可靠性设计

[摘 要]当今机械系统的发展速度非常快,尤其是在现代科技的带动之下,很多新的技术和理念不断涌现,为了跟上这样的步伐,就要求我们的从业人员更加努力的来研究和提高各种机械产品的可靠性.机械可靠性问题是一个直接关系到整个机械系统运行的一个关键的质量和产品性能问题,有时候甚至会直接关系到人们的生命和财产安全,所以必须要得到足够的重视才行.

[关 键 词]机械可靠性、机械产品、机械系统运行

中图分类号：TH122文献标识码：B文章编号：1009-914X（2014）42-0107-01

一、前言

机械产品是众多学科相互交叉的高新技术载体.能否确保产品安全可靠的运行,是机械产品竞争的焦点,产品“物美、价廉”等优点必须以其可靠性来为后盾.所谓机械可靠性,也即是机械产品在规定的时间内、规定的使用条件下完成规定功能的能力.目前国内机械产品可靠性设计水平还远不及国外的水平,这也成了制约我国机械行业发展的重要瓶颈,严重影响了企业产品的开发质量,使“质量取胜、质量第一”的战略无法在机械产品中得到充分发挥.随着全球经济一体化的不断深入,机械产品强制认证制度得到了广泛推行,同时也使得企业和政府部门清醒认识到投放市场产品质量的重要性,以及可靠性设计思路在机械产品研发中的重要性.

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”.

1.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.

2.实践应用方面

可靠性工程的诞生已近半个世纪的历史,以电子产品可靠性设计为先导的可靠性工程迄今发展得比较成熟,已形成一门独立的学科.世界各国对可靠性研究也越发重视.相比之下,机械产品的可靠性设计与研究则起步较晚.虽然国内外都投入了研究力量,取得了一定的进展,但终因机械产品可靠性涉及的领域太多、可靠性研究的范围大、基础性数据缺乏等原因,机械产品可靠性设计在工程实际中应用得并不如电子产品成熟.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、食品加工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、机械可靠性的发展

可靠性技术的研究开始于20世纪20年代,在结构工程设计中的应用始于20世纪40年代.可靠性技术最早应用在二战末期德国V-Ⅱ火箭的诱导装置上.德国火箭研究机构参加人之一R.Lusser首先提出了利用概率乘积法则,把一个系统的可靠度看成该系统的子系统可靠度的乘积.自从1946年Freuenthal在国际上发表“结构的安全度”一文以来,可靠性问题开始引起学术界和工程界的普遍关注与重视.当前,在确定性有限元基础上发展起来的随机有限元法已成为对随机参数结构进行不确定分析的十分有效的数值方法.张义民等应用随机有限元法和一阶可靠性技术对随机结构可靠性问题进行了研究,开辟了以一次二阶矩法、摄动技术、有限元理论和实用概率统计学为基础的现代结构可靠性分析与设计理论的新途径.

四、机械产品可靠性设计思路

任何机械产品,从其建立初期的方案开始到后来的生产制造,必须经过的关键过程也即是设计过程.随着新技术、新方法、新材料、新知识、新工艺的不断涌现和发展,机械产品更新换代的周期也大大缩短,尤其是随着顾客对产品的性能、质量、功能等方面的要求不断提高,加之知识成为技术、技术发展为产品的时间缩短,这就要求设计过程必须加快步伐,必须缩短设计的周期,进而提升设计的质量.另外,产品设计的合理与否,对产品的使用价值、力学性能、制造成本等也均会造成直接的影响.因此,如何提高产品的设计质量、改进设计技术、发展设计理论以及加快设计的过程,已成了当前机械设计发展的必然趋势和方向.产品最佳可靠性将直接影响到国家能源和资源的合理利用,机械产品设计优化的最主要目的就是根据相关的安全需要和预定需求,以最优形式实现产品.通常将可靠性优化设计分为三方面：成本、质量和可靠度,将产品总体的可靠度作为产品性能约束的优化,会产生与合理安全性相互协调的平衡设计,即在给定产品质量和结构布局或成本之下,使产品获得最大的可靠性.

机械产品系统模型修改、产品优化设计、系统动力控制、结构参数识别估计变化和工程近似分析中,灵敏度分析和再设计成了机械产品多功能的设计工具.在进行机械产品可靠性设计时,各因素对产品失效带来的影响程度也有所不同,因此机械产品可靠性灵敏度的研究具有很重要的现实意义.可靠性的灵敏度设计,也即是以机械产品可靠性为基础,并在此基础上进行的灵敏度设计,并以此得出一个用以确定设计参数,以此来改变对产品可靠性的评价及影响,并以此来反映各设计参数对产品失效影响的程度.可靠性的灵敏度设计在可靠性优化设计、可靠性修改和设计、可靠性维护等方面的应用意义重大.

3.稳健设计

文件设计是一种高质量和低成本的设计方法和思想,对机械产品的质量、性能、成本进行综合考虑,并选出最佳的设计方案,这样一来不仅可以提高产品的质量,同时还可有效降低产品的制造成本.正确运用稳健设计方法和理论,可有效使产品在使用及制造中,或在规定寿命期限中,即便是设计因素出现了微小变化也可确保产品的质量稳定.当前随着计算机技术、CAD技术以及优化技术的发展,可将稳健设计方法分为以下两类：

（1）以工程模型为基础同时与优化技术相结合的稳健优化设计方法,包括灵敏度法、容差多面体法、随机模型法、变差传递法等；

（2）以经验设计为基础的稳健设计方法,包括响应面法、田口方法、广义模型法等.

机械产品的稳健设计也即是在可靠性设计、优化设计、灵敏度设计的基础之上展开的可靠性稳健设计,它是将可靠性灵敏度融入到优化设计模型当中,同时将稳健性设计归结为满足机械产品可靠性要求的多目标优化的问题中.机械产品设计过程中,科学恰当的运用稳健性设计方法,可使产品在各种干扰因素下,依然保持其可靠性稳定,以此来实现产品可靠性设计对设计参数变化的不敏感性,以此来提高产品鲁棒稳健性和安全可靠性.

五、结束语

综上所述,产品可靠性的保证是产品性能与质量的竞争的重要组成部分,就我国与世界先进国家的差距来看,我们应该清醒地认识到,可靠性技术必须要渗透到产品的设计、制造、安装与使用等各个流程当中.因此,必须面对上述这些现实,应以可靠性理论研究为先导,以现实国情为基础,结合我国机械可靠性实践的具体情况,以达到产品可靠性增长和提高企业经济效益为目的,探求出一条具有中国特色的机械可靠性设计工作的发展之路.