对机械零件可靠性设计理论与方法分析

张大基 青岛高测科技股份有限公司

关键字：机械零件 可靠性设计 设计理论 设计方法

1 机械零件可靠性设计理论

我国对机械零件可靠性的研究相比于西方国家来说起步比较晚，随着机械设计行业的不断发展，在上世纪80年代机械零件可靠性设计才开始受到我国人民的重视。在机械零件可靠性设计时，最初的理论基础是概率论，使用概率可靠性方法来解决设计中的偶发事件，但是设计中除了会碰到不确定性事件以外，还有一种模糊信息，随后开始提出了以模糊理论与概率论为基础的可靠性设计，但是这种设计模型的需要大量数据作为支撑去建立各种函数，在计算时十分复杂，导致设计的难度很高，而且这些数据的来源与准确性还需要核实，一旦数据出现问题那么设计模型就根本不能成立。后来推出的机械零件可靠性设计理论，它改变了原有的计算难度高、数据信息不可靠的缺点，将概率论、模糊理论和非概率设计理论的优点相结合。在这种理论基础上只需要少量的数据信息就可以完成模型的建立，大大降低了计算的难度，而且也提高了数据的利用率。

2 机械零件可靠性设计原则

2.1 传统设计与可靠性设计相结合

在机械零件可靠性设计时要发挥传统设计方法结构简单的优点，首先使用安全系数法将零件的质量、尺寸和结构等参数设定出来，然后通过可靠性设计将这些数据建立的模型进行优化计算，将不满足可靠性标准的内容进行改进，反复校对，直到全部符合可靠性要求。

2.2 定性设计和定量设计相结合

机械零件可靠性影响因素具有多样性和复杂性的特点，如果每个因素都需要采取定量的设计方式来进行计算的话，那么设计工作效率将大打折扣。因此在某些不重要的情况或者因素非常复杂难以定量分析的情况下，我们可以采用定性的设计方式，让设计更加的高效。因此在进行可靠性设计时咱们要将定量设计和定性设计统一起来，利用FMECA、FTA分析影响机械零件的主要因素和次要因素，然后针对这些出现的情况进行定性设计或者定量设计，清除零件的故障和失效原因，完成机械零件的可靠性设计。

2.3 可靠性设计和耐久性设计相结合

机械零件的设计不能只斟酌零件的可靠性，零件的耐久性也需要我们斟酌，才能延长零件的使用寿命。保证零件的可靠性是为了避免零件出现偶发性的故障，而耐久性是为了防止零件出现渐变性的故障。机械设备在运转过程中，零件会出现磨损、老化，这些故障将直接影响到机械设备的正常使用，因此提高零件的耐久性也是非常重要的。偶然性故障和渐变性故障的原因是不一样的，因此我们在设计时要将可靠性设计和耐久性设计结合起来。

3 机械零件可靠性设计方法

3.1 概率方法

概率设计方法在现在机械零件可靠性设计中应用的很广泛，是一种最简单直接的设计方法。概率设计方法中将零件的承载值、零件尺寸、零件材料等看成随机变量，这些因素会服从一定的概率分布，应用概率论理论将这些影响因素推导出一个目标函数，就可以得出满足零件实际情况的设计可靠度值。在概率设计时，首先要确定设计变量和参数，然后在明确零件失效的原因，推导出导致零件失效的荷载和强度的概率分布情况，最后遵照标准的可靠性指标，确定出这些随机变量的设计值。

3.2 模糊方法

当对机械零部件的失效标准没有明确的规定或者规定比较模糊的情况下，我们可以采用模糊设计方法。在模糊设计方法中，将可靠性设计处理的内容从随机性延伸到了模糊性，可以让机械零件可靠性设计更加贴近现实。我们将零件不发生失效的情形作为模糊事件，建立目标函数，将模糊可靠性设计问题变为求解函数零值的最小解问题。将机械零件的尺寸、结构特征等作为设计变量，将设计变量的取值范围作为函数的约束条件。在一定的约束条件下当设计变量发生变化时，函数值的变化会呈现一定的规律，函数值的变化也就是设计可靠度值的变化，找出最优解即可。

3.3 随机有限元法

随机有限元法中先假设在均值位置随机量会出现小幅度的变化，因此我们将随机变量分为变化和稳定两部分。有限元变动会形成一个函数，在此基础上我们将其转化成一组线性方程式。根据数理统计知识利用相关数据进行计算，得出有限元变动的特性，然后找出应力的变化规律，进而判断设计的可靠度值是否达到可靠性指标值。

4 结束语

机械零件的可靠性直接关系到零件的安全性和使用性能，因此在机械零件的设计时我们就要做好可靠性研究工作。由于影响零件可靠性的因素很多，我们需要从多个角度进行分析和计算，坚持机械零件可靠性设计原则，根据机械零件的特点找到最高效的设计方法，提高设计的效率并且保证设计的可靠性，保证零件设计的结果更加的符合实际运用，以期能够全面提升机械零件的可靠性设计水平。