现代机械设计可靠性研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 11 日 作者简介：魏德斌（1989），男，汉族，黑龙江庆安人，大学本科学历，蒂普拓普（天津）橡胶技术有限公司，初级工程师，研究方向为现代机械设计可靠性研究。-1-现代机械设计可靠性研究 魏德斌 蒂普拓普（天津）橡胶技术有限公司，天津 300000 摘要：摘要：机械结构的可靠度是确保装备系统在使用年限内能够正常工作的关键。在现代工业生产中，随着生产工艺的不断进步，对机械设备的可靠性提出了更高的要求。为提高装备的可靠性、延长其使用寿命、减少维修费用，对其进行了合理的设计与优化。在此基础上，本文对现代机械设计可靠性进行研究，通过本项目的研究与应用，能够为工程设计人员与企业提供科学的参考依据与决策依据，对提升机械结构的可靠性与综合性能具有重要意义。关键词：关键词：机械工程；可靠性；优化设计 中图分类号：中图分类号：TH122 0 引言 随着技术水平的不断提高，企业对机械装备的可靠性提出了越来越高的要求。以往的机械设计仅注重功能性、功能性，却忽视了可靠性。然而，一旦设备失灵或停机，将给企业带来很大的损失。因此，对机械工程进行可靠度优化设计的研究具有十分重要的意义。1 机械工程可靠性优化设计的现状 机械结构可靠性优化设计就是为了提高机械设备的使用性能，延长其使用寿命，减少维修费用。目前，这方面的研究与应用已有一定的发展，但仍然面临若干亟待解决的问题。在可靠性分析与评价中，目前已经有了较为成熟的方法，主要有失效机理与影响分析、可靠性预测与实验验证等。该方法能使工程技术人员迅速地找出失效的类型，找出可能存在的安全隐患，制定出最优的设计方案。但是，现实中的机械系统通常比较复杂，对模型的要求也比较高。从材料选择、结构优化和工程优化等多个角度对其进行了深入的研究。在综合考虑各种因素如强度、刚度及耐久性的基础上，对整机进行了优化设计，以提高整机的可靠性。但是，对于具体的优化策略与方法，还有待于针对实际问题逐一进行研究与验证。在进行可靠度优化设计时，应将维修决策与维修费用相结合。因此，如何减少维修费用，并使维修与更新变得更加容易，也是目前的研究热点。在工业 4.0、物联网等新时代背景下，如何将可靠性工程和智能技术有机地融合起来，对设备进行智能监测、远程诊断、预测维修等方面的研究也受到了广泛的关注。2 现代机械设计可靠性方法 2.1 计算机辅助设计（CAD）CAD 是现代机械设计中不可或缺的一部分，它是工程技术人员进行数字化设计的必备工具。CAD 软件的应用，不但可以提高产品设计的准确性和效率，还可以大大减少产品的研发费用和时间。同时，CAD 软件提供的虚拟试验与模拟功能，使工程人员能够在生产前对其进行全面评价，提升产品的质量与耐用性。在今后的机械设计中，这种 cad 技术仍将起到很大的作用1。2.2 计算机辅助工程（CAE）计算机辅助工程（CAE）是现代机械设计的一个重要组成部分。本课程包含了有限元法、计算流体动力学等工具的应用。该软件可对机械系统进行准确的仿真与分析。CAE 技术的应用，使工程师能够在生产之前发现并排除可能存在的问题，减少试验费用，提高产品的可靠性与品质。技术的成功实施，将为新型机械结构的研发提供重要的理论支撑，同时也将促进工程领域的革新与发展。2.3 网络技术 在机器领域，很多人以为自动化和互联网没有关系，其实不然。互联网时代，互联网已成为人类成长与沟通的重要平台，而机械设计也不例外。在今后的中国科技期刊数据库 工业 A-2-发展过程中，将计算机网络技术和自动设计技术紧密地融合在一起，以掌握产业发展的最新动向，为将来的产品研发创造有利条件。2.4 数字技术 数字技术已成为一种对生产与服务产生正面影响的科技。在自动机床的研制和制造中，产生了海量的生产数据。通过对这些数据的有效分析，可以实现对设备的实时监测，发现设备出现的故障及安全隐患。3 机械可靠性优化设计原则 3.1 机械产品复杂多变性原则 随着科技的进步，经济的发展，市场的竞争也日趋激烈，人们对产品的性能、品质提出了更高的要求。机械装备的可靠性是生产效率、产品质量以及企业形象的重要组成部分。在机械行业中，对产品的要求越来越高。比如，汽车工业对汽车零部件的可靠性提出了更高的要求，既要确保其在复杂路况下的工作性能，又要确保其安全；航空工业对飞行器的可靠性提出了更高的要求。要保证在恶劣的环境及高风险的环境中的飞行安全；在能源方面，对动力装置、发电机组的可靠性提出了更高的要求3。通过对可靠度的最优，可以全面地考虑系统的可靠性。首先，在设计过程中，要对产品进行合理的规划，对所需的材质、规格进行合理的选用，并采取适当的加工技术，使其具有较高的可靠性与使用寿命。其次，在运行与维修阶段，要针对企业的实际状况，制定出定期检修、更换备件的方案，以减少维修费用，减少失效的风险。同时，采用先进的监测技术与智能化方法，对设备的运行状况进行实时监测，并对可能发生的故障进行预警，从而提升系统的运行效率。3.2 机械市场实际发展原则 在激烈的市场环境下，顾客的需求也在发生着改变，这就要求企业在激烈的竞争中，提高产品的可靠性。顾客对商品的信赖度和品质都有了更高的要求。消费者不再仅仅关注产品的功能和价格，还要有好的性价比，还要有更长的使用时间，以及更好的使用经验。消费者期望采购高可靠性、低维护频率的产品，以降低由于失效所造成的时间与费用损失。这样，就能使产品的可靠性得到最大程度的提高，从使其能够更好地满足顾客对高品质产品的要求；在激烈的市场竞争中，企业要想获得持续的竞争优势，就需要不断提高自己的竞争力。通过对可靠性进行优化设计，保证了产品在工作中的稳定性、可靠性，减少了故障率，减少了维修费用，提升企业的综合性能与经济效益。帮助企业在市场中树立良好的声誉，获得更多的顾客和合作者。3.3 机械设计环保原则 随着环保意识的增强，可持续发展的设计在现代机械设计中占有重要地位。工程师们需要把材料的选择，节能，以及垃圾处理融入到设计中去，从而降低对环境的不利影响。这些措施包括大力使用可再生能源，减少物料浪费，以及推行精益制造，以发展更加绿色及永续的机器系统及装备。这既是对未来可持续发展的要求，又是对机械设计发展的一个重要方向。机械设计以环保为宗旨，致力于环保与永续发展2。4 机械工程可靠性优化设计的运用 4.1 机械工程产品设计环节可靠性优化设计 可靠度需求：在产品的最初设计阶段，必须清楚地界定可靠度的目的和需求。根据不同的产品及使用环境，选择合适的故障率、寿命、维修周期等可靠度指标，并转换成特定的设计需求。故障模式与效应分析(FMEA)：运用 FMEA 进行失效模式的分析，找出失效模式，并对系统的运作与运作造成的影响。依据 FMEA的分析结果，对结构进行了优化，减少了失效的可能性，减小了对结构的冲击；设计选型及可靠性评价：选用适当的材料、结构及工艺，以提升产品的可靠性。同时，采用可靠性预测、试验验证等多种可靠性评价手段，对各设计方案进行评价与对比，优选出最优方案。引入容错设计和冗余设计，并对其进行了改进。比如，对重要零件使用双备份，当其中一份发生故障时，另外一份仍然能起作用。4.2 机械工程产品制造中的可靠性优化设计 规范与流程管理：制订合理的工艺流程并严格实施，保证各项技术指标在生产中的稳定、准确。在此基础上，采用了自动化生产线和传感器等有效的工艺控制手段，保证了所生产的每一件产品符合相应的技术规范；品质检验：公司拥有完善的品质监控及测试系统，对原材料、零件及成品进行严格检验，并及时排除制造中出现的瑕疵及问题。可靠性试验，包括寿中国科技期刊数据库 工业 A-3-命试验和可靠性试验等，都是用来检验其在真实使用情况下的可靠性。供应链管理：强化对供应商的管理，保证零部件及原料的质量及可靠性4。与供应商建立长期、稳定的伙伴关系，对供应链中存在的风险进行评估，并对其进行及时的发现和处理，以最大限度地降低负面效应。4.3 机械工程产品的使用与维修的可靠性优化设计 维护计划的制定：制订保养计划，包括预防性维护和修复性维护，以保证机器的长期稳定运转。根据不同的装备、使用环境，采取定期检查、润滑、更换易损件等维修措施，使装备工作在最佳状态，减少失效的可能性。故障诊断与远程监测：利用先进的故障诊断与监测技术，对设备的工作状况进行实时监测，及时发现问题，并及时采取相应的对策。通过对系统进行故障预警与远程维修，可以缩短系统失效周期，降低系统的维护费用，提高系统的可靠性与可用性。零部件可更换性：在产品设计时，要充分考虑到零部件的可互换性，并能迅速地将破损的零部件替换掉。采用模块化和标准化的结构，大大简化了维修过程，提高了工作效率和可靠性。所以，在进行机械产品可靠性的最优设计时，应充分考虑到其自身的特性，预先制订维修方案，以引导其在实际应用中的应用。对其寿命进行了科学的规划，制定了相应的淘汰条件，以防止有高失效风险的产品仍在使用，造成了一定的安全风险。在设计文档和说明文档中要清楚地标明产品的维修、维修和维护措施，在制订维修计划时，还要将费用因素纳入考量，以免造成运营和维修费用太高，从而降低了企业的市场竞争力。在此基础上，进行了多个层面的系统的可靠性优化，从而提高了系统的可靠性。4.4 机械可靠性灵敏度设计 在可靠性设计过程中，要对各种信息进行分析，以便得到每个部件的最佳状况，而这种最佳状态实际上是敏感度，一个装置的灵敏度越高，它的可靠性就越显著。因此，将敏感性的概念引进，是为了提高各种参数分析的效率和品质，常用的敏感性分析方法有：直接分析法、伴随变量法和函数法等。机械可靠度的设计，实质上是以可靠度为依据进行敏感性设计，利用敏感性分析的结果，决定某一特定的参量，以提高产品的综合性能。结构的可靠性敏感性设计是结构可靠性设计的重要组成部分，它可以减少结构的计算复杂性。当某些因子敏感性不高时，其对机器的可靠度的影响就越大，因此，必须在生产工艺中加以严格的控制。当某些因子具有很高的敏感性，而对机器的可靠度没有显著的影响时，就可以把它当作一个定值来对待。5 机械设计可靠性的未来发展 现代机器的设计已不再局限于制造出具有完整功能的产品，而是要综合考虑性能，成本，可维护性等多方面因素。5.1 可靠性和质量管理是紧密联系 采用更为准确的计算方法对其进行了分析，为今后此类构件的规范化设计提供了依据。国内有些机床在设计时还使用“经验”式机床，这种机床使用起来简便，但易出错，影响了机床的实用性。可靠性和质量管理是紧密联系在一起的，它们是相互依存的。可靠性是指在一定工况下，产品能够正常工作的能力。质量管理是企业生产过程中的一个重要环节。在此基础上，有针对性的、有计划的、有步骤的、有条理的、有规律的实施，包括采用合适的统计质量控制手段、设置过程控制图等，以降低质量变异并保证产品质量稳定性，对产品进行可靠性评价，以验证优化方法的有效性。可以有效地发现、分析机械产品存在的问题，为企业进行质量管理奠定基础。5.2 改进机器设备的环境保护 机械产品的绿色设计，主要是为了体现目前的可持续发展战略，在设计机械产品的同时，也要对各类能量和资源进行有效的利用，如此设计出来的机械产品，才能更好地符合环保的需求，降低消耗，降低排放。要达到这个目的，就需要将环保理念和重机械产品的设计思想结合起来，既要对环境进行保护，又要对各种产品的品质与性能进行改进，采用新技术和新能源，达到节能、减少排放的目的。在装置操作时，无需再降低对环境的污染与损害。在新产品开发中融入环境保护的概念，不单是现今机器研究与开发的需求，更是所有产业发展的趋势。6 结束语 文章对机械工程中的可靠性优化问题进行了综述，中国科技期刊数据库 工业 A-4-并指出了在目前的工程实际中，如何提高其可靠性。通过对其进行合理的设计与优化，以达到提高其可靠性、延长其使用寿命、减少维修费用的目的。但是，由于缺乏有效的失效数据，目前对其进行建模与分析的研究仍处于起步阶段。因此，在今后的工作中，还需对其进行更多的研究，以便更精确可靠地进行可靠性设计，提升我国机械行业的可持续发展。参考文献 1孙华岩.机械工程产品可靠性优化设计要点分析J.中国新技术新产品,2017(15):36-37.2张义民.机械可靠性设计的内涵与递进J.机械工程学报,2010,46(14):167-188.3高金梅.确保机械工程产品可靠性的优化设计研究J.黑龙江科技信息,2015(10):111-112.4史荣贵.现代优化设计方法在粮食机械设计中的应用J.畜牧产业,2022(12):68-72.