机械零部件可靠性设计方法研究

机械零部件可靠性设计方法研究

作者：常秀旺宋晓艳

来源：《汽车世界·车辆工程技术（中）》2019年第07期

摘要：随着经济的发展以及科技的进步，人们对于机械产品的要求也越来越高。所以机械产品在满足功能性和多样性的同时，更需要满足可靠性的要求，所以本文针对机械产品的可靠性设计方面加以阐述分析。

关键词：机械零件;可靠性;设计

1 机械零部件的可靠性概述

零部件在机械设备中起到负载、部件联动、动力传输的重要作用，在设备长时间工作状态下，零部件易发生是失效现象，令机械设备产生故障。当零部件发生损毁现象时，例如老化、堵塞、松脱等，将增加联动部件的运行压力，提升零部件故障检测的难度。此外，机械设备加工工艺、工作原理存在差异性，在零部件基准参数方面难以进行统一，只有少部分密封件、阀门、泵体等零部件实现通用化、标准化。为此，在对零部件的可靠性进行设计时，零部件的荷载分布能力、材料强度等则应作为主要突破点。

2 可靠性设计方法

可靠性优化设计主要采用的方法有鲁棒设计法和降额设计法。

2.1 鲁棒设计法

鲁棒设计法，是由日本的机械设计师田口玄一首次提出，以统计分析为基础，主要是根据产品的不可用性为用户产生的损失来评判设计的可靠性。其中的损失指的是流失的可用性与合格可用性的比值，流失的可用性越大则可靠性越差，即产品合格性越差，说明产品质量不合格。因此，降低流失可用性是关键因素，也是提升产品质量的重点，可以通过严格审核产品设计、加强生产材料质量检验，优化生产加工工艺、强化产品调试试验等提升产品可靠性。

任何一种机械产品都具有不同程度的敏感性，这是因为，机械产品设计功能的实现受到制造因素、使用环境因素以及使用年限等因素的影响。产品在制造过程中如温度等可变因素有很多，使用过程中环境中的粉尘、烟雾、高温等可变因素也很多，由于产品使用的时间变长，产品的结构会发生变化，某些参数可能会发生改变，系统不可避免地会老化，以上种种因素都会使得产品变得敏感，这种设计方法正是以降低这种敏感性为主要目的。

2.2 降额设计

跟踪机械产品的应用过程，获悉大量的数据，分析表明故障率较低的产品在使用时的实际工作压力都小于额定工作压力。所以为了获取最佳的降额方法，需要在反复的实践过程中，将产品以及内部的各个零件的平均应力减小，将尽可能多的零件的强度提高。这样就可以提高机械产品的可靠性。总而言之，降额设计的宗旨就是首先确保产品的所有零部件实际承受的应力都在额定的范围之内，然后再进一步降低所有零部件的应力以提高产品的质量。

3 机械零部件的可靠性设计研究

3.1 定性、定量设计相融合

定性与定量结合的设计模式，定量设计是针对零部件的可靠性来进行量化分析、通过内部参数的精准核对来完成计算，令可靠性设计实现科学化、精细化，在定性设计的实际应用下，可令可靠性设计偏向于智能化、自动化，以增强零部件在各项工作环节中运行的合理性。在进行融合设计模式下，应注意以下几点：（1）在对可靠性进行分析时，应依据零部件的性能、工作机理来进行研究，并从质量、效率、生命周期、故障发生率等方面提出定性、定量等方面的需求。（2）保证可靠性设计与整体设备运行基础参数相符合，机械设备中的零部件在运行过程中，其内控措施是保障设备正常运行的基础，为此，定性设计应建立在成功方案的基础上，以保证可靠性设计的科学性、合理性。（3）定量设计应对零部件工作过程中的各项数据参数进行采集与整合，并将其作为定量设计体系中的基准参数值，以为可靠性体系的建设提供精准数据保障，进而推动下一步设计程序的开展。（4）在对零部件可靠性设计时，应利用故障模式分析模型（FMECA）软件来建立拟态化工作模型，找出零部件在联动系统运行中的故障类型以及潜在故障风险，然后设计人员再依据故障参数来制定相应的方案，以降低零部件失效现象产生的几率。

3.2 传统、可靠性设计相融合

在可靠性设计体系尚未成熟之前，大部分机械零部件是以传统设计模式为主，具有直观性、简便性、工作量小等优势，可基本满足机械零部件运转模式，在稳定性方面，也为机械设备提供基本保障。在科学技术以及检测设备的应用下，对传统的安全系数法设计模式进行优化，通过线性函数来进行概率类算法，通过对零部件工作情况下的数据参数进行采集整合，以概率算法提升故障检测的精准度。

3.3 系统、零部件的可靠性设计相结合

在精细化加工过程中，零部件的精度、衔接度等作为机械设备运行的基准，零部件基准化统一范围较窄，内部结构、功能、形态、工作机理等存在较大的差异性，在进行可靠性设计时，应保证零部件单元故障发生几率在可控范围内。通过对零部件的连接形式、负载特性、工作环境、润滑因素等进行立体化分析，以得出较为精准的数据参数，进而逐步完善可靠性设计体系。

3.4 使用及维修的可靠性设计

机械产品使用过程对产品的可靠性影响具有举足轻重的地位。因此，首先，在机械产品设计过程中需要针对产品的特点确定合理的使用年限，明確使用环境要求。其次，需要针对进行有效维修设计。通过对产品使用状况的综合评估，明确可以进行维修的内容，可以选择的维修方式，明确零部件可能出现的故障类型，各种故障类型出现的平均周期，设计合理的维修方案。产品在使用过程中针对实际的环境条件再加以合理性评估与维修方案加以整合，提出切实可行的维修策略，保证整个产品的可靠性满足最优化要求。

4 结束语

文章对机械零部件的可靠性进行分析，并从定性、定量设计相融合，传统、可靠性设计相融合，系统、零部件的可靠性设计相结合等方面，对机械零部件的可靠性设计进行研究。通过对机械设备在实际工作过程中的参数、性能分析，来对零部件进行定期维护，可有效提升零部件的工作稳定性，进而为机械设备的运行质量提供保障。

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