机械零部件可靠性分析及其优化设计研究

赵蓉

摘要：机械零部件可靠性设计是分析参数对零部件可靠性的影响，估测规定工况条件下的状态，通过机械零部件可靠性设计可以避免传统设计保守性，降低零部件失效频率，具有显著的经济社会效益。是衡量产品质量的重要指标，科技的发展，不断提高机械产品可靠性，必须从设计上解决产品的可靠性问题。机械零部件设计要与时俱进，把握零部件质量保证与可靠性优化设计方法。本文介绍了机械零部件可靠性设计方法，对机械零部件设计方法进行了评述，为机械行业提供可靠性设计技术方法参考。

关键词：机械设计;零部件;可靠性;优化设计

0  引言

GJB451-90标准阐述的可靠性是产品在规定使用条件下，完成规定功能的性质，机械产品可靠性与设计、运输、使用等各环节密切相关，设计是保证产品可靠性的重要环节，机械产品可靠性与零部件结构形式、选用的材料、制造工艺等有关。设计决定产品的可靠性水平，机械产品可靠性由其重要零部件决定，机械零部件可靠性设计尤为重要。机械零部件由于自身材料性能，使用时间变化及各种因素影响，其可靠性隨着使用时间增加逐渐减弱，可靠性减弱是动态的过程，结构的可靠性应考虑时间因素，机械零部件可靠性灵敏度设计应随时间变化，可靠性分析在可靠性设计、维护等方面具有重要的作用。机械产品稳健设计是关于产品质量成本的工程设计方法，使产品具有对设计参数变化不敏感，其思想是设计参数发生微小变差，使用中能保证产品设计的稳健性。可靠性设计监理在灵敏度分析基础上，可靠性与时间有关，稳健设计是动态设计过程。本文对机械设计零部件的可靠性分析及优化设计方法进行了研究，探讨机械零部件优化设计的科学方法。建立机械动态可靠性稳健设计动态多目标模型基础上，提出基于灰色关联分析多粒子群协同动态多目标优化算法，解决动态可靠性设计多目标模型求解难题。

1  机械零部件可靠性概述

可靠性设计是以形成产品可靠性为目标的设计技术，将外荷载、零部件尺寸等设计参数视为随机性变量，应用数理统计，力学理论，得出避免零部件出现破坏的共识，形成符合实际的零部件设计。控制失效的发生率在可接受范围。改良设计作用体现在分析计算数据，使设计者对零部件有清晰的了解[1]。

机械发展的可靠性是其重要基础，机械产品可靠性不强，则产品质量出现很大的问题，机械产品失效主要原因是耗损型失效，如设备出现老化现象，及强度退化等为损耗型失效。机械产品销量随着时间不断变化，但变化非恒定值，符合特征分布的形式有多种，如对数正态分布等。机械产品每个零部件有很多重要的设想模式，机械产品由零部件组成，零部件大多为非标准零件，导致失效统计值分散。如电子产品难以进行失效率的统计。可靠性分析需要对失效模式相关性进行考虑。

机械产品可靠性工作特点是统计，根据以往工程经验为基础制定可靠性准则，结合系列失效模式分析产品可靠性设计准则，得出分析结果为部门进行产品研发设计使用。进行保险设计使要注意失效模式的分析，防止出现失效的可能。需要根据可靠的关键件进行概率设计工作。产品研发中必须重视其可靠性试验，可以在现场进行实验收集失效信息，保证机械产品可靠。机械产品可靠性分析包括失效模式确定，与计算失效模式发生率。可靠度计算是可靠性分析的目的，失效模式确定的功能函数建立是可靠度计算的基础。

2  机械零部件可靠性设计的发展

传统机械零部件设计中采用载荷等数取其平均值，未考虑设计的分散性，为保证可靠性对计算荷载等乘以安全系数，不能保证可靠性的天宫。随着机械破坏机理认识的深化，及改良统计论在机械零部件的应力方面的应用等，为机械零部件可靠性设计提供了理论基础。

机械零部件可靠性设计不同于传统设计方法，采用可靠度指标保证其可靠性，对失效的可能性认识较为合理。国内外很多学者积极投入到机械零部件可靠性的设计中研究中[2]。随机有限元法最初与蒙特卡罗法结合，80年代，Handa等运用Taylor级数展开方法，提出随机有限元法，在考虑随机变量的波动性时，提出摄动随机有限元法。应用于复杂结构的应力分析中，Shinozuka将纽曼开展法与蒙特卡洛法结合，提出纽曼开展蒙特卡洛随机有限元法[3]。

目前对机械零件可靠性设计研究仍存在一些难点，主要包括机械产品结构功能非严格串联关系，需精确统计零部件故障率难度较大，机械产品承受荷载具有多样性，使得参数选取具有一定困难。可靠性优化设计产品试验周期较长，数据结果应用受到限制。可靠性设计未来发展向定性与定量结合，传统设计方法与可靠性设计结合，无故障涉及与耐久性设计方向发展。

3  机械零部件可靠性设计的研究

工程设计是探索性创造过程，是按既定目标进行分析评价优化的过程。要定义系列设计参与如荷载、强度等许多工程事物描述，机械原理方案设计及结构造型拟定，参数选择等需要工程技术人员凭借经验推断决策。机械系统分析设计需建立可供分析设计的数学模型，要对复杂机械系统简化，简化后的数学模型与实际机械系统相比存在误差。

工程实际中遇到的不确定性包括不固定性、不可靠性、不完全性等。机械设计中通常用确定结构参数数学模型计算分析，实际工程中通常存在材料性能参数，计算模型，结构部件接头相关误差等。误差与不确定性结合使结构相应产生较大偏差。设计变量带有不确定性，工程分析设计中按其来源分为物理性、统计性与模型不确定性。工程实际中不确定性划分随机性、模糊性、未知性。不确定性特点为表现具有两面性，某些事物表现具有单一不确定性，确定性与不确定性两重性。由于科技的发展，使得交叉学科趋势加强，要求解决复杂的技术问题，解决相关的经济资源等多方面的问题，模糊数学等非精确数学方法可以处理非确定性问题。

可靠性的概念由来已久，人们是社会活动中经常遇到事物可靠性的评论，是同事物是否达到预期功能，当前可靠性技术成为重要的系统工程。最初起源于军用电子装备工业，1957年美国国防部电子设备顾问委员会发表可靠性报告，系统阐述可靠性理论基础，可靠性从军用到民用，航空航天等领域逐步发展。机械可靠性是可靠性分析学科的重要部分，可靠性的研究源于40年代，1971年A.M.Freudenthal教授提出构件强度可靠性设计应力干涉模型，此后在结构可靠性研究等方面处于领先地位。由于影响机械设备因素众多，机械产品批量较少，机械可靠性在60年代未全面展开。可靠性技术引入比电子系统晚20年，主要原因是机械零部件通用性较差，机械系统承受应力状态复杂，机械产品可靠性试验难以进行。

4  机械零部件可靠性设计方法

机械零部件可靠性设计需要与时俱进，机械零部件可靠性设计基于传统设计方法，机械产品具有不同的功能结构，可靠性设计方法选择需要因地制宜。

权衡设计是对可靠性等要素综合衡量后制定最佳方案[4]，考虑零部件在寿命周期可能遇到的环境影响因素，包括运输的碰撞，设备保养合理程度等，通过因素分析，在零部件生产用料上优化，保证零部件及机械设备的可靠性。机械设备运作是整体运作，实现整体功能大于部分功能，首先要优化零部件可靠性，机械设备零部件需要优先选用标准件，选用前要对零部件进行分析验证，以成熟的经验验证方案[5]。

机械零部件使用中受到外界条件影响，强度逐渐退化，必须引入时间概念用随机过程描述强度变化历程。文献运用随机过程原理建立合资啊与强度变化动态可靠模型，采用随机摄动法进行零部件动态可靠性指标计算。

简化设计是满足特定条件下设计合理简化，结构过于复杂容易出现故障，无法进行可靠性优化。是避开故障的有效方式。简化非依靠少部分超负荷承载大部分功能，零部件简化需从整体把握，余度设计从整体下手，通过对完成规定功能设置重复结构等[6]，机械设备整体系统保存规定的功能。

5  机械零部件可靠性分析

机械优化设计分析主要以机械零部件原有可靠性为首要条件，根据其所需工作方式，及现场工作环境等多方面工况对机械零部件结构优化，使其使用性能满足使用条件，达到理想使用效果。使机械在规定环境中发挥强大的作用。

环境变化时需对群离子重新设置初始值，由于材料强度随时间推移呈现下降趋势，最近时间段得到最优解为接近下一时间段最优解，在全局极值附近选取50%粒子为初始值，为更好搜索全局最优解，剩下50%粒子随机产生。最优设计尺寸在部件服务初期稳定，中后期零部件强度随时间减弱，保证部件可靠性指标要求，说明可靠性随时间推移递增趋势，可依据服役期间要求通过模型选择最佳设计尺寸。

对机械可靠性优化中，要利用部分数学知识进行数学模型构建[7]，了解零部件的强度等性能，使其成为约束的条件，计算中利用函数知识对模型进行计算，通过计算分析得出结果作为设计依据优化机械设计可靠性。

灵敏度设计是机械可靠性的重要基础，是可靠性中重要的部分，进行可靠性灵敏度设定首先根据其机械零部件找出反应强烈的影响因素，根据因素造成的工作效果进行评估[8]，对灵敏度參数进行调整。可以降低对零部件灵敏参数响应，可靠性灵敏度设计中需利用相关数据计算敏感参数值，为灵敏度提供准确的参考条件，使其灵敏度降低对靠性影响[9]。

实验分析是机械零件可靠性的最后工作，进行可靠性设计后需进行系列的实验工作，才能保证工作中不出现各种问题。可以通过实验得出机械零部件工作状态下的运行数据，根据数据反映问题进行改进。检验机械是否合理，实验分析中得出数据可提高机械零部件生产质量，延长机械的使用寿命。实验中如遇到一些故障，需进行仔细分析研究，根据研究结果制定有针对性的解决措施，杜绝工作中出现类似现象[10]。机械零部件设计方案出现变更时，需进行重新试验，为降低试验成本，可以利用计算机软件进行模拟实验，测试出机械零部件的使用效果。

参考文献：

[1]刘廷.基于混合GA的考虑中介状态时机械零部件可靠性优化研究[D].重庆交通大学，2017.

[2]庄月皎.机械零部件可靠性设计算例系统研究开发[D].河北科技大学，2015.

[3]冉虎珍. 新型接触网检修作业车车轴齿轮箱可靠性优化设计[D].兰州交通大学，2014.

[4]徐祺祥.机械产品的可靠性分析—— 介绍FMEA和FTA分析法[J].机械设计与研究，1984（1）.

[5]何周琴.机械零部件可靠性设计之概率设计法[J].自动化与仪器仪表，2010（3）.

[6]王新刚，张义民，王宝艳.机械零部件的动态可靠性分析[J].兵工学报，2009（11）.

[7]王正.零部件与系统动态可靠性建模理论与方法[D].东北大学，2007.

[8]赵淑莹，杨晨升.基于可靠性的机械零部件设计研究[J].机械工程师，2010（3）.

[9]王新刚.机械零部件时变可靠性稳健优化设计若干问题的研究[D].东北大学，2009.

[10]于繁华，刘仁云，张义民，张晓丽，孙秋成.机械零部件动态可靠性稳健优化设计的群智能算法[J].吉林大学学报（工学版），2017，47（06）：1903-1908.