机械零件结构设计的可靠性分析

（力神动力电池系统有限公司，天津 300384）

摘 要：机械零件结构设计的可靠性设计就是可靠性分析，是对机械零部件进行概率设计，其对传统的机械设计进行了改进。机械零件结构和常规电器元件有所不同，因其自身独有的特性，无法借助实验取得可参考数据，所以只有对机械零件结构进行可靠性分析，才能保证机械零件结构设计的实用性和规范性。文章对机械零件结构设计特点、设计分析进行了着重说明，为以后机械零件的可靠性设计提供参考。关键词：机械零件；结构设计；可靠性中图分类号：TH122 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2019）09-0207-02

作者简介：张如星(1989—)，男，硕士，研究方向：结构设计和焊接技术。

机械零部件可靠性设计是现代机械零部件生产的主要依据，飞机、汽车和船舶等重工业产品和机械类产品内部的重要零部件都是建立在零件可靠性上进行生产的。另外，我国的核电仪控自动化系统中也离不开零部件的结构设计。因此，我国相关部门对机械零件结构可靠性设计非常重视。机械零件结构可靠性设计能力的提升，加速了我国工业水平的发展速度。

1 机械可靠性及其工作的特点

1.1 机械可靠性的特点

当机械处于正常运行时，必须确保其稳定可靠，如果在使用的过程中出现问题，会造成不必要的损失，所以机械的可靠性尤为重要。在机械产品运行的过程中，不可避免地会发生摩擦、损耗等情况，导致机械零件破损，以至于不能满足正常使用要求，进而影响工作效率以及质量。机械是由众多零件组合而成的，在众多的零件当中，非标准零部件所占比例尤为显著，并且这些零部件的失效统计值非常分散，不易统计。正是因为这个原因，在平时的工作中很难对机械产品的失效数据准确收集、统计。所以在进行机械的可靠性分析时，并不能对实际情况进行分析，只能针对机械的失效模式进行分析，从而近似得到想要的结果。1.2 机械可靠性工作的特点

要想对机械的可靠性进行分析，要对机械中各部分零件进行可靠性分析，通过失效模式分析以及工作经验，得到相对比较准确的结论，并提供给进行产品研发的有关部门。进行机械产品的可靠性分析时，为了避免在分析的过程中出现失效现象，首先要做失效模式分析；其次要对机械产品的重要零件和关键零件进行可靠性的设计工作；最后要制定该产品的产品操作要点，并对产品的维修进行说明。

2 机械可靠性设计方法

2.1 优化设计分析

优化设计分析是在确保零部件的可靠性保持不变的情况下，根据其现在的工作方法、工作环境等多方需求对机械的零部件结构进行调整和优化，以便零部件能够更加高质量、高效率地完成工作。在对机械可靠性进行优化的过程中，应对机械零件的强度、刚度等性能进行

了解，然后运用数学知识构建数学模型，并且进行计算。2.2 灵敏度设计分析

在进行机械可靠性设计时，其中比较重要的是灵敏度设计。该设计是在可靠性设计基础之上，依据灵敏度参数，计算出对机械产品失效影响的不同数值，找出对机械零件可靠性设计中敏感性影响比较大的变量，根据这些变量造成的工作效果进行新一轮的评估，根据评估结果对相应灵敏度的参数进行调整，以防机械产品在使用过程中因为一些外在因素变差而失去灵敏性。在灵敏度进行设计的过程中，可以根据灵敏度的计算公式进行计算，以此确定设计参数的灵敏度，根据这些数值进行产品设计，可以提高机械产品的灵敏度，从而减少灵敏度对产品可靠性的影响，使机械零件结构的可靠性得到充分保证。

2.3 稳健性设计分析

对机械零部件进行可靠性设计，在最大程度上减少机械外部环境或意外情况的发生而使机械零部件的可靠性发生变化。在机械设计的过程中，一定做好优化工作，如此机械在使用时即使机械零件发生了意外情况，也影响不到机械的正常运转。就机械本身而言，在进行设计和投入使用后，一些外在的原因发生会导致机械无法正常工作。如果对机械进行稳健性设计，就可以抵消这些外在原因对其产生的影响，使机械始终处在相对稳定工作状态，不会因外界因素影响工作，确保机械性能得到最大发挥。 2.4 实验分析

当对机械零部件进行可靠性设计后，要对它的可靠性进行试验，保证其在以后使用过程中不会出现各种各样的问题。在进行试验的过程中，要采集各种零部件在不同工作状态下的运行数据，通过对这些数据的分析，找出产品设计、原材料和加工工艺中的不足之处，进行进一步的调整，使产品进一步完善，从而提高产品成功率，还可以减少维修养护的成本。为了使机械产品的使用寿命更长，必须提高机械每个零件的产品质量。如果试验过程中出现故障，要对出现的故障进行认真的分析和研究，针对故障发生的根源，制定有效的处理方案，同时尽可能地在实际应用过程中规避同样的问题。如果可靠性设计出现更改，就意味着实验工作又要重新开始，不仅会浪费一定的资源，还会浪费较多时间。因此合理进行模拟实验能够提高可靠性设计的效率，使资源得到合理的利用。 （下转第209页）

少拆迁，不占或少占良田，施工、运行管理方便。

新建水厂位置均选择在地势平坦开阔、相对高程较高、周围没有污染源、紧邻公路、交通便利、靠近镇政府以及便于管理的地带。

3 工程设计

周口市农村饮水安全工程均采用集中式供水。

（1）管井设计。根据拟建水源井附近有现有水源井水文地质资料，水源井设计参考附近的现有水源井成井资料。规划井与参考井处地层岩性、含水层厚度、地下水类型、埋深、水压、出水量、水质相差不大，可参考附近的现有水源井成井资料进行设计。（2）水源井设计成果。周口市水源井设计深度大部分为450m，成孔直径均为550mm，单井出水量不小于50m3/h。（3）水泵选型。水泵设计流量根据项目区最高日工作时用水量确定，考虑到水厂的中、远期供水目标，使水源井充分发挥效益，水泵设计流量按井的出水量确定。水泵设计扬程应满足调节水池的最高设计水位要求。（4）输水工程设计。输配水管网采用树枝状管网，输水管网设计均在实测资料的基础上进行，按照相关技术要求选择输水线路、布置管道。（5）配水工程设计。配水管网采用树枝状管网，管材采用PE管。（6）水厂工程设计。水厂设计规模根

7）管

管网水头损失。由于在管网水力计算时仅计算到行政村（不是最不利点），以行政村为控制点，所以控制点自由水头取15～20m。控制点选取时根据水厂供水村平面位置图选定几个距离水厂远、用水量大的供水村为可能的控制点，分别计算出水厂供水压力，选取其中最大的出厂压力所对应的控制点为最不利点，计算出各管段管径和管网水头损失。

4 结束语

周口市农村饮水工程不同于城市供水工程，因为其供水区域分散，供水线路长且地形条件复杂，根据供水区的实际情况，创新性地按照“集中连片，适度规模，因地制宜”的原则，确定工程的工程型式为新建水厂供水和管网延伸供水。水厂根据实际状况选择合适的工艺流程，水厂运行实现全自动化。管网敷设结合实际地形选择不同的敷设方式和材料。该工程实施后，均实现供水到户。经过近些年的实际运行，证明工程取得的效果非常好。

参考文献：

[1] SL 310-2004,村镇供水工程技术规范[S].

[2] SL 256-2000,机井技术规范[S].

[3] GB 50296-99,供水管井技术规范[S].

（上接第207页）

3 机械零部件可靠性分析方法

在对机械零部件的可靠性进行设计时，通常采用概率法。概率法虽然比较传统，但计算的结果十分精准。概率方法分三种，即响应面法、蒙卡洛法和一次二阶矩法。

3.1 响应面法

响应面法是利用近似函数与对数函数进行相互交替的方法，首先需要确定一个未知零部件，然后通过曲面方式将其表现出来，得到想要的结果。如果这个结果能够在功能函数中较好地计算，基本上就可以确定通过此方法分析出来的结果是没有问题的。在运用响应面法进行可靠性设计时，为了保证计算结果的准确性，可以减少函数的待定系数，以便更快地进行计算。另外，为了计算简便，可以选用一个比较合适的函数公式进行计算。

3.2 蒙卡洛法

蒙卡洛法利用计算机进行模拟实验，通过实验结果计算出可靠度的数值。其计算结果的准确度会随着实验次数的增加而不断提升，此方法较为精准和便捷。

3.3 一次二阶矩法

一次二阶矩法相对于前面两种方法简单并且实用。一次二阶矩法主要用到两个数据，一个是一节变量矩，另一个是二阶矩，通过这两个数据构建一次函数，得到相对准确的可靠性分析结果。除此之外，在使用一次二阶矩法的过程中，还需要另外两种方法的辅助。只有通过多种方法相互配合，才能够使分析结果更加精准，得到精准的正态分布形式，以便根据函数的类型或者是线性函数进行相关的计算工作。

4 结束语

可靠性对机械产品性能起着重大作用，在进行机械设计时，充分考虑其零件的可靠性有利于机械结构设计更加合理。目前我国可靠性设计还处于发展阶段，在今后随着可靠性设计理论的逐渐成熟，其势必会应用到不同的领域中，为我国的经济发展发挥重要作用。

参考文献：

[1]彭民泰.浅谈机械零部件的动态可靠性灵敏度[J].中国高

新区,2017(23):132.

[2]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].沈阳:东北大学,2009.

[3]张大基.对机械零件可靠性设计理论与方法分析[J].数码

世界,2018(6):258-259.

[4]莫才颂,千学明.机械零件强度的模糊可靠性设计分析[J].

机械设计与制造,2007(4):33-34.

[5]冯昕宇,祝锡晶.机械零件结构设计可靠性分析[J].设备

管理与维修,2019(4):43-44.