浅谈机械可靠性设计的概述与发展

王成龙 卢楠 黄建章

摘 要：机械的可靠性设计是产品质量和系统安全的重要保障，在实际应用中与人身安全、经济效益等密切相关，其作用不容忽视，因此受到研究人员的密切关注。文章通过对机械可靠性设计的概述，對机械零件的可靠性设计与传统设计进行了比较，并对了国内外机械可靠性设计的发展状况进行了探讨。

关键词：机械可靠性设计;传统设计方法;发展;应用

引言

1机械可靠性设计的概述

所谓可靠性，是指产品在规定的时间内和规定的条件下，完成规定功能的能力。因此可靠性设计能够估计或预测产品在规定工作条件下的工作能力，判断产品是否具备具有所需的可靠性。可靠性是零件设计必须考虑的一项重要指标，由于必须使零件或系统具备足够的可靠性和稳定性，使其在规定期限内能够正常的完成预期功能，因此我们必须考虑不确定性因素对零件可靠性的影响，唯有如此，才能设计出满足要求且工作良好的零件。可靠性同样是衡量产品质量的一项重要指标，产品质量的好坏直接由零件的可靠性决定，因此可靠性也直接关乎产品的经济效益，故机械可靠性设计的重要性不言而喻，在未来会愈加重要，定会备受设计人员的关注。

随着时间的发展，机械可靠性设计已经不限于美国军事方面的应用，更是在电子设备、空间科学宇航技术甚至一般工业部门的民用。可见机械可靠性设计在各行各业、方方面面都有所拓展应用，换言之各行各业都离不开它。机械可靠性设计直接关乎一个产品的质量，直接关乎一个企业的行业竞争力，直接关乎一个企业的兴衰，因此可靠性设计应为研究的重中之重。

2机械可靠性设计与传统设计方法的比较

传统设计方法通常指安全系数法，无论是机械设计还是其他方面的设计，安全系数法都是一种最为常用的设计方法。安全系数法基本思想如下：计算的安全系数小于许用安全系数。因为这种方法使用起来简便快捷，因此安全系数法使用的很广泛，且在一定程度上可以作为符合要求的设计方法使用。尽管安全系数法最为常用，但是机械设计中使用安全系数并不是已经考虑了产品的可靠性，故可能出现安全系数过大从而使设计的产品过重且浪费材料的保守设计;也可能会出现安全系数过小的危险设计。综合来看，选用安全系数并不能完全代替可靠性设计，产品的可靠度也不能仅仅由安全系数来确定。

从可靠性角度出发，应力和强度是影响机械产品故障的两种主要因素，应力大于强度时故障就会发生，但实际工作中上应力和强度都不是恒定的，而是跟随时间推移变化的，故安全系数方法的局限性和不足之处就暴露出来了。可靠性设计法认为应力、强度是随机变量，因此非常符合实际工况，其合理性大大优于传统设计方法。由于影响应力和强度的因素都具有随机性，因此可靠性设计更具体分析了其分散特性，判断了强度与应力随时间发展而产生的强度关系，因此可靠性设计更为合理。

其次安全系数设计准则和可靠性设计准则不同，前者认为只需计算应力小于许用应力即可。它表示零件的强度储备和安全程度是一个确定不变的量，没有反映影响零件强度的许多非确定因素。而后者是以强度大于应力所发生的概率来设计的。由于之前分析的，由于随着时间的发展，零件会在动载荷、腐蚀、磨损、疲劳载荷等的长期作用下使强度逐渐衰减，从而导致应力超过强度而产生不可靠问题。因此综合来看，明显机械可靠性设计方法更为合理可靠。

3国内外机械可靠性设计发展状况

3.1国外发展状况

可靠性的概念最早是由美国军方提出的，因为在第二次世界大战期间，无论是美国空军由于飞行故障而损失的架数，还是说飞机上运输的电子仪器由于运输而故障的数量都远远超过被敌军直接破坏的数量。其次，这些产品在实际的使用中失效率极高，而且难以维护，这几种原因使得产品成本大大增加，使经济效益大大下降，严重加剧了美国军方的经济负担，因此这些事实引起了美国军方的高度重视，故美国最早开始研究这些意外事故发生的概率，并首先提出了对产品可靠性的定量要求。

之后有关可靠性的早期工作大体上可以分为摇篮期、奠基期和普及期三个时期。摇篮期：在二战期间，一位德国专家通过把各子系统的可靠度乘积作为火箭系统的可靠度，最终得出该火箭的可靠度为0.75，历史上首次定量的表达了产品的可靠性。奠基期：1952年在美国国防部成立了电子设备可靠性咨询委员会，1955年AGREE开始实施全面的可靠性发展计划，并在1957年发表了著名的“军事电子设备的可靠性报告”，从9个方面阐述了可靠性设计、试验及管理的程序及方法，确定了美国可靠性工程的发展方向，成为可靠性发展的奠基性文件。从此，对可靠性问题的研究逐渐发展成为一门新兴的独立学科。普及期：主要为五十年代开始应用于电子设备;六十年代应用于空间科学宇航技术;七十年代以后应用于一般工业部门和民用。在八十年代，日本等国从美国引进可靠性工程技术后，在民用产品上的应用非常成功，其生产的汽车等系列产品能够畅销全球的根本原因是由于其质量和可靠性高。例如知名的小松机械企业原本江河日下，但最终加大研究力度研究可靠性设计，使得可靠性水平显著上升，从而大大提高了产品的质量，大大提升了用户的使用体验，从而在激烈的竞争当中脱颖而出，带来了巨大的经济效益，使得企业起死回生，在之后的很长一段时间大放光芒。

一直到现在，国外例如英国、日本等国家都一直在为机械可靠性设计而花费大量人力物力展开研究，使得可靠性方面的发展大大提升，大大提高了经济效益，可见长远来看，研究可靠性设计是一件非常明智的决定。

3.2国内发展状况

国内对于机械的可靠性研究起步较晚，严重滞后于国外。80年代以来机械可靠性研究在我国才开始受到重视，因此我国对于可靠性设计的研究从起跑线上就落户了别人一大步，这就需要我们付出更多的努力尽力追赶。我国首先在仪表、汽车方面大力进行可靠性技术的研究与应用，并且已获得成效，但是我们仍然与外国具有一定的差距。但是相关的研究人员已经意识到了它的重要性，并已经投入了更多的精力和时间，因此我相信在未来机械可靠性设计将得到更为广泛的应用和发展。

总体而言，可靠度的设计理论很多，但是在实际中的运用缺少之又少，而且些许研究成果的实际运用效果不佳，与外国取得的成果投入使用水平存在较大差距。由于我国机械设计技术本身与外国存在差距，造成了目前我国可靠性研究滞后的现状。

结语

机械可靠性设计是保证产品质量和稳定性的保障，在实际应用中起着极其重要的作用，我们理应花费更多的精力和时间投入研究。虽然机械可靠性并非主要学科，但是其本身的内涵却极其丰富，所涉及到的学科和专业也比较多。从工程角度而言，机械可靠性设计方法较相比传统设计方法而言更加合理可靠，并且它明显的提高了产品质量，提升了用户使用产品的体验，因此怎样逐步提高机械可靠性设计已经成为了目前国内外学者积极探索和研究的重要课题之一，而且可靠性设计也值得我们做进一步更为深入的研究。

参考文献

[1]张永.浅谈机械可靠性设计的内涵与发展[J].中国新技术新产品，2017

[2]邹腾.机械可靠性设计的内涵与发展[J].科技创新与应用，2017

作者简介：

一作：王成龙（1998.12），性别男，民族汉，籍贯河南省巩义市，郑州市中原区郑州大学机械工程专业本科生

二作：卢楠（1998.03），性别男，民族汉，籍贯河南省虞城县，郑州市中原区郑州大学机械工程专业本科生

三作：黄建章（1999.05），性别男，民族汉，籍贯河南省信阳市，郑州市中原区郑州大学机械工程专业本科生

（郑州大学  河南郑州  450000）