浅谈机械可靠性工程

浅谈机械可靠性工程

1绪论

1.1可靠性研究的历史

可靠性是一门新兴的工程学科。产品的可靠性已成为衡量产品质量的重要指标之一。近年来，世界各发达国家已把可靠性技术和全面质量管理紧密结合起来，有力地提高了产品的可靠性水平。

可靠性工程的诞生可以追溯到20世纪40年代，即第二次世界大战期间。当时，由于战争的需要，迫切要求对飞机、火箭及电子设备的可靠性进行研究。德国的科学技术人员在V-1火箭的研制中，最先提出了火箭系统的可靠性等于所有元器件可靠度乘积的理论。到了20世纪50年代初期，美国为了发展军事的需要，投入了大量的人力、物力对可靠性进行研究，先后成立了“电子设备可靠性专门委员会”、“电子设备可靠性顾问委员会（AGREE ）”等研究可靠性问题的专门机构。20世纪50年代，苏联为了保证人造地球卫星发射与飞行的可靠性，开始了可靠性的研究工作。同时，日本企业家认识到，要在国际市场的竞争中取胜，必须进行可靠性的研究，1958年，日本科学技术联盟成立了“可靠性研究委员会”。1961年，苏联发射第一艘有人驾驶的宇宙飞船，就在这一时期，苏联对可靠性问题展开了全面的研究。20世纪60年代是美国航空航天事业迅速发展的时期。NASA 和美国国防部接受并发展了20世纪50年代由“AGREE ”发展起来的可靠性设计及实验方案。随着计算机的发展，软件可靠性问题也在20世纪60年代末获得重视。20世纪70年代，电子设备或系统获得广泛应用，其可靠性问题日益获得人们的重视，同时，人们也开始了对非电子设备（如机械设备）可靠性的研究。

20世纪70年代由于我国国家重点工程的需要（元器件的可靠性问题），以及消费者的强烈要求（电视机的质量问题），各行各业开展了可靠性的研究，并获得巨大进步。20世纪80年代初，我国掀起了电子行业可靠性工程和管理的第一个高潮，组织编写可靠性普及教材，制订了相关标准，形成了一批研究可靠性的骨干队伍。20世纪90年代初，原机械电子工业部提出了“以科技为先导，以质量为主线”，沿着管起来-控制好-上水平的发展模式开展可靠性工作，兴起了我国第二次可靠性工作的高潮，取得了较大的成绩。我国可靠性工程虽然发展快，但应该看到，目前与发达国家相比还有很大差距，还应做出坚持不懈的努力。

1.2可靠性研究的重要性及其意义

产品的可靠性与企业的生命、国家的安全紧密相关；产品性能的优化、结构的复杂化要求有很高的可靠性；产品更新速度的加快，使用场所的广泛性、严酷性，要求有很高的可靠性；产品竞争的焦点是可靠性；大型产品的可靠性是一个企业、一个国家科技水平的重要标志。

1.3可靠性的定义和特征量

可靠性定义为，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。

表示产品总体可靠性水平高低的各种可靠性指标称为可靠性特征量。可靠性特征量的真值是理论上的数值，实际中是不知道的。根据样本观测值，经一定的统计分析可得到特征量的真值的估计值。估计值可以是点估计，也可以是区间估计。按一定的标准给出具体定义而计算值。

常用的可靠性特征量有可靠度()R t 、失效概率（或不可靠度）()F t 、失效率()t λ、平均寿命t 、可靠寿命()t R 与中位寿命等。

失效率曲线（浴盆曲线）反映了产品总体整个寿命期失效率的情况，它包括三个阶段：早期失效期、偶然失效期和耗损失效期。

可靠性特征量中()R t 、()F t 、可靠度函数的概率密度()f t 和()t λ是4个基本函数，只要知道其中的一个，则所有其他的特征量均可求得。

1.4机械可靠性设计的特点和内容

机械可靠性设计与以往的传统机械设计方法不同，机械可靠性设计具有自身特点：以应力和

强度为随机变量作为出发点；应用概率和统计方法进行分析、求解；能定量地回答产品的失效率和可靠度；有多种可靠性指标供选择；强调设计对产品可靠性的主导作用；必须考虑环境的影响；必须考虑维修性；从整体、系统的观点出发；承认在设计期间及其以后都需要可靠性增长。

机械设备和系统的可靠性设计内容最基本的有以下几方面：研究产品的故障物理和故障模型；确定产品的可靠性指标及其等级；可靠性预测；合理分配产品的可靠性指标值；以规定的可靠性指标值为依据对零件进行可靠性设计。

1.5机械可靠性定性设计准则

机械可靠性设计由于产品的不同和结构的差异，可以采用的可靠性设计方法也不同：简单化设计准则；模块化、组件化、标准化设计准则；降额设计和安全裕度设计准则；合理选材准则；冗余设计准则；耐环境设计准则；失效安全设计准则；防错设计准则；维修性设计准则；人机工程设计准则。

2可靠性数学基础

可靠性学科的数学基础主要是概率论和数理统计，包括随机事件与概率、随机变量、常用的概率分布、参数估计和假设检验。为了观察工程中大量随机事件的规律，确定产品的可靠性的特征量以及对机械系统和零部件进行可靠性设计与分析，必须根据概率统计的方法来建立有关的数学模型和进行必要的计算。

3机械可靠性设计原理与可靠度计算

3.1安全系数设计法与可靠性设计方法

3.1.1安全系数设计法

在机械结构的传统设计中，产品的设计主要从满足产品使用要求和保证机械性能要求出发进行产品设计。在满足这两方面要求的同时，必须利用工程设计经验，使产品尽可能可靠，这种设计不能回答所设计产品的可靠度或发生故障概率是多少。当设计者不能确定设计变量和参数时，为了保证所设计产品的结构安全可靠，一般情况下在设计中引入一个大于1的安全系数，试图以此来保证机械产品不会发生故障，所以传统设计方法一般也称“安全系数法”。 安全系数法的基本思想是：机械结构在承受外在负荷后，计算得到的应力小于该结构材料的许用应力，即

σσ≤计算许用

=

n σσ极限计算

式中，n 为安全系数；σ极限为极限应力。 极限应力σ极限可从手册查到，σ极限选取的一般原则：计算塑性材料静强度时，σ极限为屈服极限；计算脆性材料静强度时，σ极限为强度极限；计算疲劳强度时，σ极限为疲劳极限。 在传统设计中，只要安全系数大于某一根据实际使用经验规定的数值就认为是安全的。因此，安全系数法对问题的提法是：“这个零件的安全系数是多少”。但安全系数就实质而言，仍是一个“未知”的系数。安全系数的概念本身包含着一些无法定量表示的影响因素。在具体零部件设计时，安全系数究竟取多大，在很大程度上是由设计者的经验决定的。不同的设计者由于经验的差异，其设计的结果有的可能偏于保守，有的可能偏于危险。一些没有经验可参照的新零部件的设计，更可能趋于“保守”或“危险”设计。众所周知，“保守”设计会导致结构尺寸过大、重量过重、费用增加，在使用空间和重量受到限制的地方，这种设计是难于接受的；而“危险”设计则可能使产品故障频繁，甚至出现“机毁人亡”的事故，这是绝对不容许的。因此，安全系数法在实质上也没有能回答所设计的零件究竟在多大程度上是安全的，同样也不能回答所设计的零件在使用中究竟发生故障的概率是多大。

从可靠性的角度考虑，影响机械产品故障的各种因素可概况为“应力”和“强度”两类。“应力”大于“强度”时故障发生。“应力”不仅仅指外力在微元面积上产生内力与微元面积比值的极限，而且包括各种环境因素，例如温度、湿度、腐蚀、粒子辐射等。“强度”是指机械结构承受压应力的能力，因此，凡是能阻止结构或零部件故障的因素，统称为强度，如材料力学性能、加工精度、表面粗糙度等。

在实际工程中，外载荷、温度、湿度等都是具有一定分布的（图3-1）。因而应力是一个受