浅谈机械工程的可靠性优化设计

张阔 程玉印

摘 要：自新中国建立以来，为了促进经济的发展，国民经济水平的提高，我国的机械工程行业得到了很大扶持，并且也实现了前所未有的发展。而我国的机械工程的可靠性设计水平却没有明显的提高。在机械工程的制造过程中，由于产品种类繁多，而且工艺比较复杂，同时在可靠性的要求上也容不得丝毫的马虎，因此实行机械工程的可靠性优化设计就变得十分必要了。

关键词：机械工程；可靠性；优化设计

所谓的机械工程产品的可靠性就是指产品能够真正地实现其所标榜的产品的功能。这一点，隨着社会需求的不断扩展也变得越发地重要了，因为大多数的人在对产品提出更多的需要的同时对其产品功能实现的真实性也变得越发地看重了。因此，机械工程的可靠性优化设计也就变得十分地必要了。其中可靠性优化设计也要遵循相应的法则，即必须要在满足时间、经费及相应的使用性能的基础上进行，使得产品能够实现其可靠性。这样的技术除了涉及到传统技术的改革之外，还与环境等多个领域有着不可分割的关系。

1 可靠性设计及其发展

为了了解可靠性设计技术，我们必须首先了解什么是产品的可靠性。可靠性的经典定义是：“产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。”定义中的“产品”是作为单位研究和分别试验对象的任何元件、器件、设备或系统，甚至可以把人的作用也包括进去。

在产品设计中，应用可靠性的理论和技术、根据需要和可能、优先考虑可靠性要求。在满足性能、费用、时间等条件下，使设计的产品具有满意的可靠性要求，这就是产品的可靠性设计。可靠性设计不仅涉及传统设计技术，而且还与系统工程、价值工程、环境工程、工程心理学、质量控制技术和计算机技术等密切相关。因此，它是一个多学科、多技术相融合的新兴技术。它不但应用于产品的设计过程，而且还广泛应用于产品的制造生产、试验、使用、维护、管理等各个环节。因此，这项新兴技术在军工、航空、航天、电子、机械等工业领域得到广泛的应用。

1.1 可靠性的发展史

人类从开始研究可靠性技术至今，大约经历了60余年的历史。研究其发展过程，可归纳为初期研究、形成发展和进一步国际化三个阶段。

（1）初期研究阶段（20 世纪30～40 年代）：二次世界大战爆发后，美国参战的飞机、军舰等重要军事装备常因故障贻误战机，为此军事装备的可靠性问题逐渐引起了人们的关注，开始着手研究如何避免和减少这些“意外”事故的发生并最早提出了产品的定量可靠性问题。接着美国、德国的专家针对飞机、V-Ⅱ火箭诱导装置的可靠性又提出了相应的指标。1942 年美国麻省理工学院的一个研究室对真空管的可靠性进行了相当深入的研究。所有这些都表明可靠性研究已进入了定量研究的初期阶段。

（2）形成发展阶段（20 世纪50～60 年代）：在这一时期，世界上一些工业发达的国家，如美国、前苏联、原西德、日本等对可靠性开始了有组织的研究工作，并取得了许多重要成果，基本上确定了可靠性研究的理论基础和研究方向，使可靠性研究进入了一个新的发展阶段。这一时期，研究范围不断扩大，从电子产品扩展到机械产品，从军工产品扩展到民用产品，可靠性技术进一步完善，理论研究不断深入，为可靠性设计技术的进一步国际化奠定了基础。

（3）国际化阶段（20 世纪70 年代后）：随着可靠性技术的不断发展和广泛应用，其优越性越来越受到世界各国的高度重视，并相继投入了大量的人力物力开展这项研究工作。各种国际学术会议的召开、国际可靠性和可维护性技术委员会的成立，标志着可靠性设计技术已经进入了国际化时代。

1.2 我国可靠性研究现状

我国对可靠性的研究起步较晚，直到20 世纪80年代才得到了较快发展，个别行业还成立了可靠性学术组织，开展了对可靠性技术人才的培养，制定了一系列的可靠性标准。但从总体来看，理论研究较多，实际应用较少，与工业发达国家相比还有较大差距。

2 可靠性设计在机械中的应用

产品的可靠性贯穿于其整个寿命周期，目前机械工程设计中的可靠性设计主要应用在产品的设计、制造、使用和维修等方面。

2.1 机械产品的设计

机械产品设计包括整机产品设计及其零部件设计。对整机产品可将其作为一个系统进行设计，设计的方式主要有以下两种：第一种方式是根据零部件的可靠性预测结果，计算产品系统的可靠性指标，这就是系统的可靠性预测，其结果只要满足指标要求即可，如果不能满足要求就要按第二种方式进行设计；第二种方式是对零部件进行可靠性分配，即把系统指标分配到各个零部件上，可靠性分配方法主要有等分配法、再分配法、比例分配法和综合评分分配法四种。零部件设计时，应尽量采用标准件或质量成熟的零件，一般零部件可按类比法设计，重要的零件按概率法设计，对一些关键零部件还应进行可靠性试验。对产品的可靠性应进行评审、修改、再评审、再修改，直到满足指标要求为止。另外，还要进行人机系统的设计，这方面主要包括操作性和适应性设计。

2.2 制造过程可靠性设计

制造过程的可靠性设计是保证产品质量的关键，除了要选用可靠性好的先进加工设备和工艺装备外，重点是对工艺方案和工艺流程的设计。产品的工艺流程相当于一个系统，每一个工艺方案或工序相当于一个子系统。每一个子系统的可靠度设计都要综合考虑设备、工艺装备、工艺材料及操作人员的素质等因素，确定出合理的子系统可靠度指标，然后按子系统之间的关系（串联、并联或混联）得出系统的预测可靠度（如自动线、流水线等的设计）。

2.3 使用维修的可靠性设计

产品以可靠性为中心维修应采用逻辑分析决断法，科学地制定维修内容和优选维修方式，合理确定使用期，以控制机械设备使用的可靠性。

机械产品的可维修性与可靠性一样，其是机械设备本身的一个可靠性指标。在对产品进行可靠性设计时就要考虑其维修性，使设计的产品在使用过程中做到故障易发现、易检查、易修复，力求防患于未然。

对产品进行维修性设计时要以最低的费用来维护和提高设备的可靠性水平，尽量减少排除故障所用的维修时间。因此，要在可靠性理论的基础上制定合理、经济的维修规则，采用先进的故障诊断技术和合理的维修方式（如视情维修方法、监控事后维修方法），使用标准的维修工具及设备，提高维修人员的技术水平，使机械维修工作进一步走向科学化和现代化。

3 结束语

常规优化设计方法在设计中没有考虑可靠性指标，因此不能反映产品运行的真实情况；而可靠性设计方法在设计中不考虑成本、重量、体积等指标。对某些设计问题，仅采用优化设计方法或仅采用可靠性设计方法，都很难得到理想的设计结果，而可靠性优化设计方法将优化技术与可靠性设计理论有机地结合在一起，弥补了各自的不足。随着机械产品的日益大型化、复杂化，可靠性优化设计方法在机械工程产品设计中的应用将会越来越广泛。

参考文献

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