因可靠性引发的实例

机械可靠性工程——案例

1.内燃机可靠性设计的重要性

70年代石油危机后，同功率档次发动机之间的燃油经济性计。用可靠度来确保结构的安全性，把失效差距缩小，用户在选购新发动机时，就把可靠性看的比燃油经济性和价格更重要。同时，内燃机使用中可靠性对产品的经济效益影响很大。首先，内燃机可靠性低，故障频频出现，使维修费增加。大修寿命缩短，农用小型柴油机的大修期通常只有1．5～2实际上零部件的载荷、几何尺寸、材料性能等都是随机变年，车用内燃机的大修寿命也只有国外先进水平的1／3左右。于内燃机的可靠性差，使配套机械不能正常运转，造成直接的运行经济损失，如农场中联合收割机出故障使谷物不能抢在雨季前收割而霉烂在田野，汽车出故障造成运输费的损失。从国内已有的统计数据表明，内燃机的故障次数占配套机械总的故障次数的比例是较高的，如装载机上内燃机的故障数占整机的60～70％，汽车上内燃机的故障数占1／3左右。手扶拖拉机和轮式拖拉机上内燃机的故障数分别占26 8％和24．5％．联合收割机上内燃机的故障数占22％。为此，内燃机配套机械厂在选用动力机械时，把内燃机的可靠性作为最主要的性能指标。

实际上零部件的载荷、几何尺寸、材料性能等都是随机变量，是某种概率分布的统计量，可靠性设计正是考虑设计参数分散性，在常规设计公式的基础上，引了可靠度或其他可靠性指标，不单纯用一个安全系数来衡量零件的强度，用概率统计的方法来处理各个设计变量，

同时对系统失效的可能性进行定量分析和预测。可靠性设计的目标是零件的强度h大于工作应力S的概率要大于或等于所要求满足的可靠度R。可靠性设计准则(或基本方程) P(h>s)≥R或P{h—s>0}≥R这里的强度h，狭义地讲是零件材料单位面积能承受的最大作用力，广义地讲是指阻止零件(系统)失效的因素，称强度。这里的工作应力s，狭义地讲是指单位面积所受外力的大小，广义地讲是指引起零件(系统)失效的因素，简称应力，由于零件的强度h和工作应力S都是随机变量，所以具有一定的概率密度函数。

概率密度函数中可存在的应力分布：

(1)强度的最大值h小于应力的最小值S，这样，零件一旦投入使

用必然失效，故R=0。这种情况应避免出现。

(2)应力的最大值s小于强度的最小值h，此时零件的可靠度R=1。

这种情况下零部件完全可靠，但结构庞大、成本费用高。

(3)h为强度的均值，S为应力的均值，即使当h>s时，这两条概率

密度曲线有部分重叠的地方，出现h

际设计问题中经常遇到的。

基于以上分析，内燃机可靠性设计可分为以下几个步骤：

(1)应进行综合权衡得失、全面分析各种矛盾因素之间的轻重缓

急，确定发动机的可靠性目标值。

(2)进行可靠性分配，将发动机可靠性目标值分配到部件和零件

性。

(3)可靠性预测，即对每一个设计方案进行可靠性特征值的估算，

并与给定的可靠性目标值作比较。

(4)可靠性分析，即对产品的设计方案进行故障模式、影响及后

果分析(即FMECA法)和故障树分析(即FTA法)，确定故障模

式，找出故障原因，从而改进设计方案。

(5)用等部门代表对发动机设计方案进行评议和审查，以使设计

错误进行设计评审，在设计各个阶段，组织设计、生产、使

在设计阶段尽量得以纠正。

2．伊拉克战争中部署在科威特的"爱国者"导弹击落了英国的"狂风"战斗机；F-16攻击"爱国者"导弹阵地；英军"挑战者"坦克互射；美军A-10袭击英军装甲车等。据初步分析，造成这些误击事件的主要原因可能包括：

(1)技术原因在超视距作战和"非接触战争"中，敌我识别工作完全依靠技术设备予以完成。在复杂、多变的现代战场环境下，现有的敌我识别技术还不十分可靠。在分析"爱国者"误击"狂风"战斗机的原因时，有很多专家怀疑是"爱国者"的目标识别系统发生了故障。没有将飞行速度有很大差别的"飞毛腿"导弹与"狂风"战斗机区别开。

3.台湾军方发生过M110自行榴炮炮口意外爆炸事故，有可能就是因为“麻膛”造成引信提前引爆所致。美军在1965年参加越战，初期美军仍使用M14步枪，在1967年美军全面配发M16自动步枪，但服役不久就发现机械故障与“麻膛”现象严重。美军为克服这个难题，下令人手1瓶枪械防锈油，只要战事稍有间歇必须

立即对M16步枪进行保养，所以美军士兵几乎天天在保养枪械，并且发现所有机枪、迫炮、榴炮、坦克炮等轻重武器极易出现锈蚀并产生“麻膛”现象。美军经调查后发现造成武器易锈蚀的主要原因在东南亚地区所处的环境，因为当地平均相对湿度在80—90%，任何武器只要摆放数小时后就会生锈。同时也发现美军各式武器保养用品：如清洁液、润滑油、防锈油，其清洁、润滑、防锈的功能在亚热带环境中几乎完全失效。而美军官兵为了解决武器锈蚀问题，除无限量地使用各式保养油外，还用大量使用柴油以及柴油机油混合油（6：4）清洗装备，而柴油可将黄油与各种武器保养油溶解，如此不仅使武器保养用油暴增，柴油中的硫分子将会使枪炮“麻膛”现象更为恶化。武器的保养油大量消耗，损耗严重的武器被大量送往后方，这种恶性循环使美军后勤体系感到无法支撑。美军为了尽快解决这一问题，开始向民间厂商征求新的武器保养用油，并要能符合下列要求：提升枪炮性能与可靠度。简化保养步骤。降低后勤补给压力。降低保养成本（用油、耗材以及人力成本）。延长枪炮使用寿命。但美军这项需求非常笼统，并无明确的参数，因为美军所面对是一片未知领域。这项规范公布后整整6年后，1977年由美国布雷克－弗瑞（BREAK－FREE INC）公司向美军提交了一种GLP3合1复合保养油，美军在收到这批保养油后立即交付部队进行武器实测，测试环境是在极地、沙漠、热带雨林、海上高盐份等恶劣环境下射击数百万发炮弹后再以3合1保养油进行保养，随后评估弹头初速、炮管磨蚀、防

锈成效等项目，该实弹测试历经3年。最后美军惊讶发现此CLP 3合1保养油的效能远远超过美军制定的规范，所以美军首次将民间厂商的产品规格修订为军用规格，并定订MIL－L－63460标准。CLP3合1保养油之所以称为3合1的原因是此种油已取代过去清洁、润滑、防锈3种单一功效武器保养油，所以只要使用CLP3合1保养油即能兼具3种功能。美军在制定MIL－L－63460标准后，正式公告此CLP3合1保养油的规格可取代下列油品：MIL－C－372（RBC）“麻膛”清洁液、MIL－32033：VV－L－800（PLS）防锈油、MIL－L－3150（PLM）防锈油、MIL－L－14107（LAW）润滑油、MIL－L－46000（LSA）润滑油，并正式声明上述油品决不能取代CLP3合1保养油的功能。并在1999年将性能规范提升为MIL－PRF －63460E标准，这逐年的性能提升，最主要是各项物理性能的提升，其中最显著的项目：湿度测试：由900小时提升为1 200小时，5%盐雾测试：由100小时提升为150小时以上，FALEX载重测试：由承载362.25千克运转0秒提升为134秒。在1979年美军正式采用BREAK－FREE公司的3合1保养油后，美军通过军事交流使北约各国纷纷采用这种保养油，现今全球已有34个国家列为制式武器保养油，并且确定BREAK－FREE3合1保养油为全区域通用保养油，无论极地酷寒至热带丛林皆能适应。BREAK－FREE 公司成功的业绩也引来其它厂商的竞争，1985年美国皇家润滑油公司（ROYAL LUBRICANTS，INC）也生产出符合MIL－L－63460D 标准的CLP3合1保养油，美军后勤采购单位也采购此油以供军队

使用。但经各国测试发现，ROYAL厂生产的CLP油是矿物油，对火药残渣的清除效果不够理想，同时也使防锈效果大打折扣，最严重的是油中成份含奈与硫酸盐类化合物，除会对皮肤造成伤害外，它的挥发物质会对肺部与呼吸粘膜组织造成伤害，这对处于密闭空间保养武器或在坦克炮塔内的士兵会造成身体伤害，最后北约各国都没采用ROYAL厂生产的的CLP保养油，仅有东南亚两个国家与美军后勤单位采用。但如果通过军售渠道购买CLP保养油，美国定会先将ROYAL所生产的CLP油售出，而不会出售BREAK －FREE所生产的CLP油，因为美军已将CLP武器保养油分为D、E 级（矿物油、合成油），除非指明生产油厂与等级（D级、E级）和成份（矿物油、合成油），否则美方不会主动将E级油售出，这主要是为了消化库存次级油品。

4.伊拉克战争既是一场沙漠地区特殊作战环境条件下的战争，又是一场高技术战争。人们看到，特殊的作战环境条件难以使高技术武器装备正常发挥威力，可极大地削弱和限制其作用的发挥。这种特殊的环境条件对作战和保障都产生了不同程度的影响，尤其对综合保障影响更大。沙漠地区温度高，昼夜温差大（白天高达40℃~50℃，夜间降至2℃），风沙也大，水源短缺，容易产生各种疾病，造成大量非战斗减员。在沙漠酷热条件下甚至可能会引起钢材变形，使橡胶或金属构件产生松动、膨胀和断裂等，风沙和高温还会使精密的电子装备运转不正常或失灵，电子线路被热化后粘在一起；零配件也会磨损加快，坦克、飞机及车辆耗油

量会比一般条件下增大，造成过滤器的沙堵。风沙还会使飞行员难以辨认远处地平线上的沙漠和天空，使地面车辆失去目视联系，从而导致飞行事故和出现行驶问题，这些都需要综合科技保障的有力支持。

5.1958年2月，英国纽伯里“格林汉姆·科曼空军基地”，一架美国空军B-47重型轰炸机在起飞不久因发动机突然发生故障，不得不把两个各装着1700加仑高爆航空燃油的备用油箱从8000英尺高空紧急抛下。然而，两个油箱没有抛出安全区，却在另一架携带原子弹的B-47轰炸机后面爆炸！冲天的大火整整燃烧了16个小时，引爆了其中一枚原子弹的高爆炸药，炸毁了紧挨着停放的另两架同样携带有原子弹的轰炸机，两名飞行员死于非命，重伤8人。最可怕的是，三架重型轰炸机上携带的近十枚原子弹差一点被引爆(原子专家估计，如果这些原子弹全部被引爆的话，那么英伦三岛将不复存在)。虽说这些原子弹最终万幸地没有发生爆炸，但原子弹被破坏时抛出的放射性物质，包括浓缩铀却被炸得满基地都是，清理人员后来在基地外还找到了整整20克的浓缩铀！在最危险的关头，附近的一个机库也遭严重损坏，救援人员不得不把机库里的其它轰炸机全部推倒在地，以防大火产生的炙热再引爆这些飞机。这场大火最后还是自己熄灭的，空气中怪异的气味好几天不散，该基地顺风方向的一个英国城镇后来癌症的发生率突然暴升。

1961年1月16日，英伦三岛再经核恐怖。驻英国的美国空军“快速反应部队”一架F-100战斗机在试启动

发动机的时候突然起火，当时这架战斗机上携有用以对付前苏联的一枚热核武器。在最可怕的时候，大火团团包围了机身中部装载有原子弹的弹舱，在大火被扑灭前，原子弹舱被烧得变了形！美国空军后来在一份绝密的事故报告中声称：“一旦这枚原子弹发生意外爆炸的话，那么英国将面临着一场日本广岛式的核灾难！”

1977年11月28日，一架携带核武器的美国陆军CH-47直升机在德国基地起飞，因1号引擎突然着火坠毁，飞机最后坠入离起飞现场200至300米远的树林里，核武器没有受到严重损坏，但美国政府仍对此事件守口如瓶。1961年10月中旬到1962年8月之间，意大利至少四次经历美国核武器的死亡威胁———携有140万吨当量热核弹头的“朱庇特”导弹在意大利美军基地内遭雷电闪击。在每次事故中，热核导弹的电池均被启动，在其中两次更严重的事故中，辐射气体渗入核弹头的部件，实际上部分启动了核弹的爆炸程序！直到第四次事故发生后，美国军队才开始在意大利和土耳其所有导弹基地架设避雷针，但美国国防部直到今天仍把四次事故的资料列为最高机密。

根据美国国防部绝密报告——《1950年至1980年涉及美国核武器事故简报》的内容透露，在短短30年间光是被列为“断箭级”的核武器事故就多达32起！所谓的“断箭级”核事故是美军最严重的核武器事故，包括核武器丢失、核武器着火、核武器误射，而次一级的核武器事故代号分别为“折矛”、“钝刃”和“空箭筒”。而1981年的核事故则分为两类：一类是不得不公开的核武器事故，另一

类是放射性物质溢出美军基地范围的事故，这些核武器事故既有发生在美国本土的基地，也有发生在某国的美军基地。每次发生事故的时候，只要放射性物质不超出美军基地，美国人就遮掩而不说，比如说1981年发生的核武器事故中，至少有7起直到今天仍没有公开。据透露，肯尼迪总统1961年曾接到国防部报告说，从第二次世界大战结束到60年代，美国先后发生60起核武器事故，其中最严重的两起是误射两枚“装有核弹头的防空导弹”！

到了90年代，美军发生的重大核武器事故的次数就更加惊人了：从1965年至1977年，仅美国海军就发生383起核武器事故；1985年，美国总审计署的一份绝密报告解释说，1965年至1983年，美国核武器特大事故发生了233起；美国桑迪亚国家实验室的秘密报告更加惊人：1950年至1968年间，美军核武器事件或者事故总次数高达1250次，其中272次为特大核武器事故，包括数起核武器炸弹被引爆的千钧一发的事故。在这272起特大事故中，107枚核导弹或者原子弹在储存、组装或者装载的过程中突然落地，弹体损毁；48枚核弹头在发射台或者发射井中突然脱落；41枚原子弹与装备其的飞机一同坠毁；26枚核弹头在储存、组装或者装载的过程中在其容器内发生事故；24件核武器被飞机或者舰艇误射或者误投；22件核武器在地面运输过程中，运输工具发生交通事故；4件核武器被撞坏。

1988年至今的情况也不比当年好到哪里去，至少发生了96起核武器事故，事故的危险程度从弹体外部撞坏到高爆炸药被引爆不等。