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机械系统设计中的可靠性问题
机械系统设计中的可靠性问题
摘要：随着科学技术的发展，对产品的要求不断提高，不仅要具有好的性能，更要具有高的可靠性水平。
采用可靠性设计弥补了常规设计的不足，使得设计方案更加贴近生产实际。
文章对机械可靠设计进行了概述，对其发展现状进行了分析，同时又介绍了机械可靠性设计的特点和原则。
关键词：可靠性设计 机械产品 设计原则
机械产品大多是众多学科交叉的高新技术的载体。
能否保证产品在运行过程中的安全可靠是机械产品竞争的焦点，这种竞争主要体现在产品可靠性的竞争，可见“物美、价廉”必须以可靠性工程作为后盾。
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，使“质量第一、质量取胜”的经济战略方针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。
1 机械可靠性简述
1.1定义
可靠性的定义：所谓可靠性是指“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”。
可靠性的概率度量称为可靠度。
1.2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。
2 机械系统可靠性设计的特点
2. 1 机械系统可靠性设计预计困难
机械产品具有复杂且多变的失效机理和准确、完整的数据尺寸要求，这导致了机械系统的可靠性较难预计;由于建立机械系统的可靠性模型具有一定的难度，多数依据机械系统可靠性模型的预计手段也难以运用于机械系统可靠性的预计之中。
2.2 机械系统故障模式多样化与复杂化
机械制造的材料、具体的结构、载荷的性质与大小对机械系统的故障具有极大的影响，故障模式彼此之间还具有一定的关联性。
为了实现一致的功能，机械结构常采用不同的形式，以达到改变机械产品中关联零部件应力的目标，这就使机械系统可能出现的故障形式多样化。
机械故障可引起机械产品损坏、失调、泄漏、老化、堵塞等状况。
由此可见，机械的零部件可出现多种故障模式，同一种故障也有可能在不同的部位出现，这大大增加了机械系统故障模式分析的难度与复杂度。
2.3 机械零部件通用化与标准化程度低
多数零部件的非标准化导致大部分零部件存在功能与结构上的差别。
机械系统设计人员在进行设计时，应当依据其具体的结构、负荷性质及几何尺寸等要求进行零部件的设计。
但机械系统可靠性设计由于缺乏制造材料与载荷分布的准备数据，无法编制出具有实用性的机械零部件故障准则。
2.4 机械零部件的故障具有不确定性，既有偶然性故障，又有耗损性故障
机械零部件故障分为偶然性故障与耗损性故障 2 种类型。
耗损性故障多与机械的磨损、疲劳以及侵蚀和老化等因素密切相关，是一个渐变的过程。
机械的故障率可以用时间的函数表达出来，机械渐变性的失效一般是以极限状态准则加以判断的。
电子元器件则以偶然性故障为主，与耗损性故障有着极大的不同，因此用故障率作为常数构建数学建模，对电子元器件进行描述也受到了一定局限。
所以为延长机械产品的使用寿命，应当对其进行耐久性设计。
3 机械系统可靠性设计的原则
3.1 传统设计和可靠性设计相结合
机械系统传统设计具有安全系数直观、设计简单、易于掌握和设计的工作量较少等优点，且多数情况下能够确保机械系统的可靠性。
所以，在对机械系统进行可靠性设计时不可完全摒弃传统设计方法。
目前，机械系统可靠性设计较为实际的操作方式是先以传统设计方法对机械的零部件材料、结构、尺寸等加以确定，然后依据与之相应的模型对其可靠性进行定量计算，倘若还不能满足预计的可靠性需求，则可修改机械的结构、尺寸甚至是更换材料，最后再对其进行可靠性的校核，直到能够满足需求。
3. 2 定性设计和定量设计相结合
由于定量设计无法完全解决机械系统可靠性的问题，故对那些难以定量计算的机械零部件要进行可靠性的定性设计，以获得更加合理与有效的解决方案。
所以机械系统可靠性设计工作中，必须将定性设计和定量设计结合起来，先对其进行FMECA(FailureMode Effectand Criticality Analysis)和FTA(Fault Tree Analysis)等分析，找出机械系统当中的关键件与重要件，对产品和零部件存在的重要故障模式以及失效机理进行确定，而后根据不一样的故障模式和失效机理进行定量抑或是定性设计。
3. 3 可靠性设计与耐久性设计相结合
机械系统应当具备可靠性与耐久性，所以在进行可靠性设计的同时，也应当进行耐久性设计。
可靠性设计主要解决的是机械的偶然性故障，而耐久性设计主要解决的是机械的渐变性故障。
4 结语
现在可靠性设计技术越来越受到各行各业的重视，同样可靠性设计技术也应该是我国机械工程学科与行业迅速发展和十分重要的研究方向之一，这种研究可以帮助工程设计人员合理地建立产品的安全容限和控制随机参数对产品安全的影响，使产品的预测工作性能与实际工作性能更加符合，得到既有足够的安全可靠性，又有适当经济性的优化产品。
应用这些研究成果对机械产品进行可靠性设计，可以节省大量的人力、物力和-财力，可以提高设计水平，缩短设计周期，对合理安排试验项目，验证可靠性设计的合理性，指出产品的薄弱环节有着重要的作用，可以节省材料，加强质量，减少能耗，降低成本，有显著的经济效益和社会效益。
参考文献
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[4]滕启,刘军棋. 可靠性设计的新发展[J]. 组合机床与自动化加工技术 , 2002,(03)
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