机械可靠性设计-基础

6 可靠性设计6.1概述可靠性是衡量产品质量的一个重要指标。

可靠性设计是一种很重要的现代设计方法。

目前，这一设计方法已在现代机、电产品设计中得到愈来愈广泛的应用，它对提高产品的设计水平和质量，降低成本，保证产品的可信性、安全性起着极其重要的作用。

长期以来，一切讲究产品信誉的厂家，为了争取顾客都在追求其产品具有好的可靠性。

因为只有那些可靠性好的产品，才能长期发挥其使用性能而受到用户的欢迎。

不仅如此，有些产品如汽车、轮船iiE机，如果其关键零部件不可靠，不仅会给用户带来不便，耽误时间、推迟日程，造成经济损失，甚至还可能直接危及使用者的生命安全。

美国“挑战者”号航天飞机、前苏联切尔诺贝利核电站等发生的大的可靠性事故所引起的严重后果，都足以说明产品的可靠性差会引起一系列严重问题，甚至会危及国家的荣誉和安全。

1957年苏联第一颗人造卫星升天，1969年美国阿波罗Ⅱ号宇宙飞船载人登月等可靠性技术成功的典范，不仅为其国家带来荣耀，而且说明了高科技的发展要以可靠性技术为基础，科学技术的发展又要求高的可靠性。

早期，人们对“可靠性”这一概念的理解仅仅从定性方面，而没有数值量度。

但为了更好地表达可靠性的准确台义，不能只从定性方面来评价它，而应有定量的尺度来衡量它。

6.1.1可靠性科学的发展可靠性设计是可靠性学科的一个重要分支，而对可靠性学科的系统研究则始于1952年。

二战期间雷达系统已发展很快，而通讯设备、航空设备、水声设备中的电子元件却屡出故障，因此美国开始研究电子元件和系统的可靠性问题。

为此，美国国防部研究与发展局于1952年成立了“电子设备可靠性顾问团咨询组”( Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment，AGREE)，其下设9个任务小组，对电子产品的设计、试制、生产、试验、储存、运输、使用等各个方面的可靠性问题，作了全面的调查研究，并于1957年提出了“电子设备可靠性报告”，即AGREE报告。

该报告正式地将可靠性的定义确定下来，全面地总结了电子产品的失效原因与情况，提出了比较完整的评价产品可靠性的一套理论和方法，从而为可靠性科学的发展奠定了理论基础。

在20世纪60、70年代，随着航空航天事业的发展，可靠性问题的研究取得了长足的进展，引起了国际社会的普遍重视。

许多国家相继成立了可靠性研究机构，对可靠性理论进行了深入的研究。

美国宇航局( NASA)以1965年起开始进行机械可靠性研究，例如，用超载负荷进行机械产品的可靠性试验验证；在随机动载荷下研究机械结构和零件的可靠性；将预先给定的可靠度目标值直接落实到应力分布和强度分布都随时间变化的机械零件的设计中去，等等。

日本科学技术联盟于1958年设立了可靠性研究委员会，1960年成立了可靠性及质量控制专门小组，并于l971年在日本召开了第一届可靠性学术讨论会。

日本将可靠性技术推广应用到民用工业部门取得很大成功，大大地提高了其产品的可靠度，使其高可靠性产品，例如汽车、彩电、照相机、收录机、电冰箱等，畅销到全世界，带来巨大的经济效益。

英国于1962年出版了《可靠性与傲电子学）(Reliahility And Microelectronics)杂志。

法国国立通讯研究所也在1962年成立了”可靠性中心”，进行数据的收集与分析，并于1963年出版了《可靠性》杂志一国际电子技术委员会( IEC)于1965年设立了可靠性技术委员会，1977年又改名为可靠性与可维修性技术委员会它对可靠性方面的定义、用语、书写方法、可靠性管理、数据收集等，进行了国际间的协调工作。

我国对可靠性科学的研究与应用工作予以了高度重视。

1986年1 1月25日原机械工业部发布的《关于加强机电产品可靠性工作的通知》加速了我国机电产品可靠性工作的推广和应用，1990年，原机械电子工业部印发的“加强机电产品设计工作的规定”中明确指出：可靠性、适虚性、经济性三性统筹作为我国机电产品设计的原则。

如今，可靠性的观点和方法已成为质量保证、安全性保证、产品责任防预等不可缺少的依据和手段，也是我国工程技术人员掌握现代设计方法所必须掌握的重要内容之一：6.1.2可靠性的概念人们对于可靠性( Reliability)的一般理解，就是认为可靠性表示零件、部件或系统等产品，在正常使用条件下的工作是否长期可靠，性能是否长期稳定的特性，即可靠性是产品质量的重要指标，它标志着产品不会丧失工作能力的可靠程度：可靠性的定义是：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。

它包括四个要素：(1)研究对象。

产品即为可靠性的研究对象，一般包括系统、机器、部件等等，可以是非常复杂的东西，也可以是一个零件。

如果对象是一个系统，则不仅包括硬件，而且也包括软件和人的判断、操作等因素在内。

(2)规定的条件。

它包括使用时的环境条件（如温度、湿度、气压等）、工作条件（如振动、冲击、噪声等）、动力、负荷条件（如载荷、供电电压、输出功率等）、储存条件、使用和维护条件等。

“规定的条件”不同，产品的可靠性也不同。

例如，同一机械使用时载荷不同，其可靠性也不同；同一设备在实验室、翳外（寒带或热带、干燥地区或潮湿地区）、海上、空中等不同环境条件下的可靠性也是各不相同的；同一产品在不同的储存环境下储存，其可靠性也各不相同。

(3)规定的时间。

时间是表达产品可靠性的基本因素，也是可靠性的重要特征。

一般情况下，产品“寿命”的重要量值“时间”是常用的可靠性尺度：一般说来，机械零部件经过筛选、整机调试和跑合后，产品的可靠水平经过一个较长的稳定使用和储存阶段后，便随着使用时间的增长而降低。

时间愈长，故障（失效）愈多。

对于一批产品，若无限制的使用下去，必将全部失效，也就是说它们的失效概率是100%。

(4)规定的功能。

它是指表征产品的各项技术指标，如仪器仪表的精度、分辨率、线性度、重复性、量程等。

不同的产品其功能是不同的，即使同一产品，在不同的条件下其规定功能往往也是不同的。

产品的可靠性与规定的功能有密切关系，一个产品往往具有若干个功能。

完成规定的功能是指完成这若干项功能的全体，而不是指其中的一部分。

6.1.3可靠性设计的内容和特点可靠性科学是研究产品失效规律的学科。

由于影响失效的因素非常复杂。

有时甚至是不可捉摸的，因而产品的寿命（即产品的失效时间）只能是随机的。

对此，只有用大量的实验和统计办法来摸索它的统计规律，然后再根据这个规律来研究可靠性工作的各个方面。

因此，应用概率论与数理统计理论，对产品的可靠性进行定量计算，是可靠性理论的基础。

利用概率论的方法可把产品发生故障的规律作为随机现象来研究。

所以，通常所说的可靠度，一般不是指某一特定具体产品的可靠程度，而是对该种型号产品总体的可靠程度而言。

当然，就一些单个的产品而言，如果能在其长期运行的条件下，观测其故障规律，则不仅能够估计出一些产品的可靠性，也能估计出该种产品总体的可靠性。

可靠性理论在科学实验、生产实践和人们的日常生活等方面都有很重要的意义。

经过多年的补充和发展，逐步形成了今天的可靠性学科。

可靠性学科就目前所涉及的内容来讲，大致有以下几方面：(1)可靠性数学：是可靠性研究最重要的基础理论之一，主要研究与解决各种可靠性问题的数学方法和数学模型，研究可靠性的定量规律。

(2)可靠性物理：又称失效物理，是研究失效的物理凶素与数学物理模型、检测方法与纠正措施的一门可靠性理论。

(3)可靠性工程：是对产品的失效及其发生的概率进行统计、分析，对产品进行可靠性设计、可靠性预测、可靠性试验、可靠性评估、可靠性检验、可靠性控制、可靠性维修及失效分析的一门综合运用多种学科知识的工程技术学科。

6.1.3.1可靠性设计的基本内容可靠性设计是可靠性工程的一个重要分支，因为产品的可靠性在很大程度上取决于设计的正确性。

在可靠性设计中要规定可靠性和维修性的指标，并使其达到最优。

目前，进行可靠性设计大致包括以下几个方面：(1)根据产品的设计要求，确定所采用的可靠性指标及其量值。

(2)进行可靠性预测。

可靠性预测是指在设计开始时，运用以往的可靠性数据资料计算机械系统可靠性的特征量，并进行详细设计。

在不同阶段，系统的可靠性预测要反复进行多次。

(3)对可靠性指标进行合理的分配。

首先，将系统可靠性指标分配到各子系统，并与各子系统能达到指标相比较，判断是否需要改进设计。

然后，再把改进设计后的可靠性指标分配到各子系统。

按照同样的方法，进而把子系统分配到的可靠性指标分配到各个零部件。

采用最优化万法进行系统的可靠性分配，是当前可靠性研究的重要方向之一，称为可靠性优化设计。

(4)把规定的可靠性直接设计到零件中去。

6.1.3.2可靠性设计的特点可靠性设计具有以下特点：(1)传统设计方法是将安全系数作为衡量安全与否的指标，但安全系数的大小并没有同可靠度直接挂钩，这就有很大的盲目性。

可靠性设计与之不同，它强调在设计阶段就把可靠度直接引进到零件中去，即由设计直接确定固有的可靠性。

(2)传统设计方法是把设计变量视为确定性的单值变量并通过确定性的函数进行运算，而可靠性设计则把设计变量视为随机变量并运用随机方法对设计变量进行描述和运算。

(3)在可靠性设计中，由于应力和强度都是随机变量，所以判断一个零件是否安全可靠，就以强度大于应力的概率大小来表示。

(4)传统设计与可靠性设计都是以零件的安全或失效作为研究内容，因此，两者间又有着密切的了解。

可靠性设计是传统设计的延伸与发展。

在某种意义上，也可以认为可靠性设计只是在传统设计的方法上把设计变量视为随机变量，并通过随机变量运算法则进行运算而已。

6.1.3.3机械可靠性设计机械可靠性设计又称为机械概率设计，是可靠性工程学的主要内容之一，是可靠性工程学在机械设计中的应用。

由于对机械破坏机理认识的日益深化，对机械故障概率资料的逐步累积，以及概率与统计在机械零件的应力与强度分析方面的应用等等，都为机械可靠性设计提供了理论基础和实践经验，使可靠性理论的应用扩展到结构设计、强度分析、疲劳研究等方面。

在采用传统的机械设计方法进行机械设计时，不能预测零部件在运行中破坏的概率，一是因为在设计中所采用的材料性能等数据，是它们的平均值，没有考虑数据的分散性；二是为了保证机械的可靠性，往往对计算载荷、选用的强度等分别乘以各种系数，例如载荷系数尺寸系数等，最后还要考虑安全系数。

这种传统方法是人们对这些因素的随机变化所作的经验估计。

同时表明由于对这些随机变化情况无法进行精确计算，只好将机械的尺寸、重量等作经验的但又不精确的放大。

即使如此，传统的机械设计方法，用于某些可靠性要求高的产品设计上，仍不能令人放心。

相比之下，采用机械可靠性设计方法，所得结果则更接近亍实际情况。

在机械可靠性设计中，将载荷、材料性能与强度及零部件的尺寸，都视为属于某种概率分布的统计量，应用概率和统计理论及强度理论，求出在给定设计条件下零部件不产生破坏的概率公式。