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摘要：机械零件的可靠性对机械系统的正常运行有着较大的影响作用，只有保证了机械零件的可靠性，才能够发挥其应有的作用，使其能够更好的服务于我国人民的生活生产。但是在机械零件使用之前，很难直接判断机械零件的可靠性，这就需要将理论作为基础，从设计层面对机械零件的可靠性进行深入了解，通过各种方法对机械零件的可靠性进行分析，使机械零件的可靠性达到预定要求，使机械系统的正常运行得到有效保障。本文就针对机械零件可靠性的设计理论进行分析，对机械零件可靠性分析提出一些具体方法，希望能为机械零件可靠性分析提供有效参考依据。
关键词：机械零件；可靠性；分析方法
引言
随着我国社会经济的迅速发展，我国对机械工具的应用需求逐渐提高，对机械零件的可靠性提出了更高要求。但是在传统的机械零件可靠性分析过程中，大部分技术人员都比较依赖自身的工作经验，并未确定规范的衡量指标，难以保证机械零件可靠性分析的准确性，不利于机械零件的制造和使用。同时，在机械制造技术的迅速发展背景下，机械零件的结构更加复杂，给机械零件可靠性分析带来更大挑战，仅仅依靠传统的方法很难对机械零件可靠性进行正确的分析和判断，甚至出现不同程度的偏差，给机械零件的制造及使用带来更多隐患。面对这种情况，必须要深入了解机械零件可靠性的设计理论，采取更加有效的方法进行机械零件可靠性分析，为机械制造业及社会发展提供有利支持。
1、机械零件可靠性设计理论
随着可靠性理论引入到机械产品设计环节，机械零件的可靠性逐渐得到提升，对机械零件的制造及使用起到了较好的积极影响作用。就目前来看，可靠性理论在机械产品设计中的运用体现在以下几个方面。
1.1可靠性优化设计
一般机械零件可靠性分析就是在数据分析的基础上，对零件的质量、尺寸及安全性等各项指标进行改进，使机械零件的整体性能得到有效提升，使机械零件能够更好的适应机械运行环境，有效保证机械设备的正常运行。机械零件的可靠性优化设计是现代机械设计理论中的重要部分，需要建立相应的计算模型，通过运算对机械零件的整体进行把控，找出机械零件中存在的缺陷，进而对其进行补偿，使机械零件的各项属性达到规定标准的要求，并对其进行仿真分析，确认其是否满足使用要求，反之就要再次进行处理。（图1）
图 1 机械零件的可靠性优化设计图
1.2可靠性灵敏度设计
机械零件的可靠性灵敏度设计是基于可靠性的基础上，进行灵敏度设计，以此充分反映各项参数对机械的影响程度。在进行机械零件可靠性分析的时候，普遍存在诸多影响因素，难以保证可靠性分析的结果，若是对所有的影响因素进行可靠性分析，势必会带来较大的成本，且可靠性分析的准确性也无法保障，这就需要引入灵敏性分析。通过灵敏性分析能够对某些不确定因素在不同条件下的变化情况进行分析，比如模拟机械零件的使用环境，找出不确定影响在具体条件下的变化，并对其进行排序，之后依据灵敏度条件进行机械零件的可靠性分析，使机械零件可靠性分析的效率及质量得到有效提升。
1.3可靠性稳健设计
这是一种基于机械零件优化设计基础上发展出来的设计方式，能够与灵敏度设计相结合，使机械零件的可靠性得到有效提升。在机械设备的装配方面，想要保证机械运行的可靠性，就需要选择可靠的机械零件，使其能够充分满足生产活动的要求，但是这并非是要选择最贵的机械零件。通过可靠性稳健设计就能够对机械零件方面的问题进行集中解决，在完成机械零件的可靠性及灵敏度试验后，进一步改进零件性能，使机械零件能够满足机械装配的基本要求，有效保证机械的稳定运行。
2、机械零件的设计内容
2.1零件的静强度
在设计机械零件静强度时，主要是将材料的静载特性作为基础，将不同种类的金属材料用作试验对象，对其材料应力进行试验对比，以此获取材料的静拉强度数据，从而保证机械零件具有良好的静强度。
2.2机械零件的设计特点
在常规的机械零件设计中，对其疲劳强度的设计是以承受循环荷载材料的疲劳特性为前提下展开的。由于常规机械零件的疲劳强度与其自身使用寿命有着紧密联系，因此，合理设计疲劳强度，使其得到有效提高也是保证零件使用寿命的关键。但由于机械零件与常规机械零件的使用特点不大相同，所以对其疲劳强度的设计也具有一定差异，其设计的主要特点包括以下两方面：第一，在设计其静强度时，应遵循机械零件静强度设计准则所提的要求对其进行设计；第二，在设计疲劳强度时，应遵循与机械零件相匹配的设计原则展开设计，针对其中可能存在的特殊情况，需制定特殊的设计计划。
3、机械零件可靠性优化设计的要点
通常情况下，机械参数可靠性优化设计指设计机械零件结构、公差、尺寸及材料等设计参数的过程，即可靠优化设计关键零件、可靠设计非关键重要零件、常规设计非关键非重要零件。相较于传统机械设计，机械产品可靠性设计理念认为应力（S）及强度（R）均不属于确定值且纳入随机变量范畴，设计期间立足于用户实际需求及设计要求，选择适应的特征函数进行描述，兼顾平均值及离散性，基本实现利用概率统计法求解目标。同时，机械产品可靠性设计认为所有机械设计均存在着失效可能性，设计期间主张结合实际需求最大程度降低失效概率增强其可靠程度，综合考虑各个设计参数随机性及分布规律。与常规安全系数法，可靠性设计法以用户要求及实际情况为出发点制定科学合理的设计方案，兼顾设计结构，不止大大节约加工材料及加工时间，更为企业赢得更多的经济效益，但是常规安全系数法设计理念过于传统保守，早已与时代发展相脱节。同时，机械零件可靠性优化设计能延长零件自身使用年限大大降低其失效概率，弥补常规安全系数法的不足，但是受加工材料自身强度分布及荷载分布资料欠缺的影响，一定程度上阻碍可靠性优化设计广泛应用。从理论及实践角度来看，机械材料特性及机械构件运作荷载条件、破坏过程均存在着不同程度的随机性。
图 2 基于粒子群算法的机械零件多目标优化设计流程图
由图2可见，机械零件自身物理量、几何尺寸、荷载、强度及应力均属于多值参数且呈现相应的分布状态，尤其是强度分布及应力分布往往被视为正态分布。可靠性优化设计途径较为单一，以指定性能指针为约束大大增强机械零件可靠度，甚至以可靠度为标准促使零件指定指针呈现最优化体现，并且二者相比后者方法适用性更强。因此在实际设计的过程中，技术人员必须建立体积最小、重量最轻及成本最低的目标函数，结合几何尺寸、刚度、可靠度及强度等设计要求，搭建相应的可靠性优化设计数学模型，再依据数学模型的复杂程度、形态及规模选择出最为适宜的优化方法求出其最终优化设计变量。
结束语
总而言之，优化设计大大增强机械零件自身承载能力，控制总体成本投入，是保证机械零件设计质量的有力手段。在机械零件可靠性研究不断深化的大背景下，相关数据日趋完善，促使可靠性优化设计得到越来越多从业人员的关注及重视。
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论文作者:田赟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/26
标签：机械零件论文; 可靠性论文; 强度论文; 优化设计论文; 机械论文; 对其论文; 零件论文; 《建筑学研究前沿》2018年第36期论文;