第六章,机械系统可靠性设计
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第六章
概述
机械系统可靠性设计
系统可靠性模型 机械系统可靠性预测 机械系统可靠性分配 系统可靠性最优化
6.1 概述
系统可靠性这一术语，在可靠性工程中是经常遇到
的。对系统进行可靠性分析，在整个可靠性理论与实践
中占有很重要的地位。
随着科学技术的发展，系统的复杂程度越来越高， 而系统越复杂则其发生故障的可能性就越大，因此，迫 使人们必须提高组成系统的零部件的可靠度。 假如组成系统的零部件的可靠度都等于99.9%，那
6.1.3 系统可靠性模型建立 建立其可靠性模型主要步骤: 1. 确定系统所要的功能 一个复杂的机械系统，往往具有完成多种功能的能 力，而针对完成功能的不同，其可靠性模型也相应 变更。 2. 确定系统的故障判据 故障（或失效）判据是指影响系统完成规定功能的故 障（或失效）。此时应该找出导致功能不能完成和影 响功能的性能参数及性能界限，即故障（或失效）判 据的定量化。
3. 确定系统的工作环境条件 一个系统或产品往往可以在不同的工作环境下使用， 但不同的使用环境条件又对系统完成功能的程度产生 较大的影响，在建立系统可靠性模型时可以采用以下 方法来考虑工作环境条件的影响。 （1）同一系统用于多种工作环境条件下的情况。此 时该系统的可靠性框图不变，可仅用不同的环境因子 去修正其故障（或失效）率。 （2）当系统为了完成其规定的功能，需经历阶段不 同的环境条件时，则可按每个工作阶段建立可靠性模 型且做出预估，然后综合到系统可靠性模型中。
4. 建立系统可靠性框图
在完全明了系统的情况后，确定系统中所有子系统（
或单元）的功能关系，即可建立系统可靠性框图。 5. 建立相应的数学模型 对已建好的系统可靠性框图，建立系统与子系统（或 单元）之间的可靠性逻辑关系和数量关系—数学模型
。数学模型用数学表达式系统可靠性与子系统（或单
元）可靠性之间的函数关系，以此来预测系统可靠性
机械系统可靠性设计的目的，就是要使机械系统在满
足规定的可靠性指标、完成预定功能的前提下，使该系 统的技术性能、质量指标、制造成本及使用寿命等取得 协调并达到最优化的结果，或者在性能、质量、成本、 寿命和其他要求的约束下，设计出高可靠性机械系统。
系统可靠性设计方法：
（1）按照已知零部件或各单元的可靠性数据，计算系统的 可靠性指标，称为可靠性预测。通过对系统的几种机构模型 的计算、比较，以得到满意的系统设计方案和可靠性指标。 （2）按照已经给定的系统可靠性指标，对组成系统的单元
进行可靠性分配，并在多种设计方案中比较、选优。
6.1.2系统的结构框图与可靠性框图
对于系统，常用的系统可靠性分析方法是根据系统的结构组
成和功能绘出可靠性逻辑图，建立系统可靠性数学模型，把系统 的可靠性特征量（例如可靠度、MTTF等）表示为零部件可靠性 特征量的函数，然后通过已知零件的可靠性特征量计算出系统可 靠性特征量。 系统的结构框图：是表示组成系统的部件（分系统）之间的 物理关系和工作关系；是绘制可靠性框图依据。 系统的可靠性框图：是描述系统的功能和组成系统的部件(分 系统)之间的可靠性功能关系。为计算系统的可靠度提供数学模 型。
例如，由两个阀门及一根导管所组成的简单系统，其结构框 图如图6-1所示。如果要把这一简单系统画成可靠性框图，就需要 进一步考虑了。因为阀门元件的失效为两态（即关不上和打不开 ），再加上正常工作状态，共为三态。对于具有多态元件的系统 ，其可靠性逻辑框图的确定，应首先考虑确定系统的功能，对于 不同的功能要求，其系统的可靠性框图是不一样的。 A B
么，有40个零部件组成的串联系统其可靠度约等96%
，而由400个零部件组成的串联系统其可靠度约等于 67%。
6.1.1 机械系统可靠性概念
系统由某些彼此相互协调工作的零件、子系统组成，以完 成某一特定功能的综合体。组成系统相对独立的机件通称为单 元。系统与单元的含义均为相对的概念，由研究对象而定。例 如，将汽车作为一个系统时，则其发动机、离合器、变速箱、 传动轴、车身、转向、制动等，都是作为汽车这一系统的单元 而存在的；当驱动桥作为一个系统进行研究时，则主减速器、 差速器、驱动车轮的传动装臵及桥壳就是它的组成单元。因此 ，系统的单元是相对的，系统的单元可以是子系统、机器、总 成、部件或零件等。 系统的可靠性不仅与组成该系统各单元的可靠性有关，而 且也与组成该系统各单元间的组合方式和相互匹配有关。
R5 R1 R2 R3 R4 R6
液压系统可靠性框图
R7
R8
R9
例如，汽车可分为下列五大子系统，发动机、变速箱、制动 、转向及轮胎。为了保证一辆汽车能正常工作，此五大系统 缺一不可。因此，汽车系统的可靠性框图如图6-4所示。
发动机
变速箱
Βιβλιοθήκη Baidu制动
转向
轮胎
汽车系统的可靠性框图
综上所述，系统的结构关系、功能关系及可靠性逻 辑关系，各有不同的概念。在对系统进行可靠性分析、 建立可靠性模型时，一定要弄清系统的结构关系、功能 关系及可靠性逻辑关系，然后才能画出可靠性框图。
或进行系统可靠性设计。
6.1.4 系统可靠性模型的应用
1. 复杂系统可靠性分析与预测 对于复杂系统，以一个整体去分析和预测其可靠性是几乎不可 能的。先对复杂系统相对简单的子系统或单元进行可靠性分析 ，进而采用其系统可靠性模型对复杂系统进行可靠性分析和预 测则较容易做到。
机械系统：是指由若干个机械零件组成并相互 有机地组合起来，为完成某一特定功能的综合体， 故构成该机械系统的可靠度取决于以下两个因素： （1）机械零部件本身的可靠度，即组成系统 的各个零部件完成所需功能的能力。 （2）机械零部件组合成系统的组合方式，即 组成系统各个零件之间的联系形式。 机械零部件相互组合有两种基本形式，一种为串 联方式，另一种为并联方式，而机械系统的其它更 复杂的组合基本上是在这两种基本形式上的组合或 引申。
管子阀门系统结构框图
A A B B
系统截流时的可靠性框图
系统通流时的可靠性框图
1
a)
2 3
b)
1
2
3
1
2 3 3
c)
2 1
a) 系统原理图 b) 电阻串联可靠性框图 c) 三中取二系统的可靠性框图
↑ ↓
↑
某液压功能系统图
↑
分析保证该液压系统正常工作时各单元的工作状
态，可以画出系统的可靠性框图：
概述
机械系统可靠性设计
系统可靠性模型 机械系统可靠性预测 机械系统可靠性分配 系统可靠性最优化
6.1 概述
系统可靠性这一术语，在可靠性工程中是经常遇到
的。对系统进行可靠性分析，在整个可靠性理论与实践
中占有很重要的地位。
随着科学技术的发展，系统的复杂程度越来越高， 而系统越复杂则其发生故障的可能性就越大，因此，迫 使人们必须提高组成系统的零部件的可靠度。 假如组成系统的零部件的可靠度都等于99.9%，那
6.1.3 系统可靠性模型建立 建立其可靠性模型主要步骤: 1. 确定系统所要的功能 一个复杂的机械系统，往往具有完成多种功能的能 力，而针对完成功能的不同，其可靠性模型也相应 变更。 2. 确定系统的故障判据 故障（或失效）判据是指影响系统完成规定功能的故 障（或失效）。此时应该找出导致功能不能完成和影 响功能的性能参数及性能界限，即故障（或失效）判 据的定量化。
3. 确定系统的工作环境条件 一个系统或产品往往可以在不同的工作环境下使用， 但不同的使用环境条件又对系统完成功能的程度产生 较大的影响，在建立系统可靠性模型时可以采用以下 方法来考虑工作环境条件的影响。 （1）同一系统用于多种工作环境条件下的情况。此 时该系统的可靠性框图不变，可仅用不同的环境因子 去修正其故障（或失效）率。 （2）当系统为了完成其规定的功能，需经历阶段不 同的环境条件时，则可按每个工作阶段建立可靠性模 型且做出预估，然后综合到系统可靠性模型中。
4. 建立系统可靠性框图
在完全明了系统的情况后，确定系统中所有子系统（
或单元）的功能关系，即可建立系统可靠性框图。 5. 建立相应的数学模型 对已建好的系统可靠性框图，建立系统与子系统（或 单元）之间的可靠性逻辑关系和数量关系—数学模型
。数学模型用数学表达式系统可靠性与子系统（或单
元）可靠性之间的函数关系，以此来预测系统可靠性
机械系统可靠性设计的目的，就是要使机械系统在满
足规定的可靠性指标、完成预定功能的前提下，使该系 统的技术性能、质量指标、制造成本及使用寿命等取得 协调并达到最优化的结果，或者在性能、质量、成本、 寿命和其他要求的约束下，设计出高可靠性机械系统。
系统可靠性设计方法：
（1）按照已知零部件或各单元的可靠性数据，计算系统的 可靠性指标，称为可靠性预测。通过对系统的几种机构模型 的计算、比较，以得到满意的系统设计方案和可靠性指标。 （2）按照已经给定的系统可靠性指标，对组成系统的单元
进行可靠性分配，并在多种设计方案中比较、选优。
6.1.2系统的结构框图与可靠性框图
对于系统，常用的系统可靠性分析方法是根据系统的结构组
成和功能绘出可靠性逻辑图，建立系统可靠性数学模型，把系统 的可靠性特征量（例如可靠度、MTTF等）表示为零部件可靠性 特征量的函数，然后通过已知零件的可靠性特征量计算出系统可 靠性特征量。 系统的结构框图：是表示组成系统的部件（分系统）之间的 物理关系和工作关系；是绘制可靠性框图依据。 系统的可靠性框图：是描述系统的功能和组成系统的部件(分 系统)之间的可靠性功能关系。为计算系统的可靠度提供数学模 型。
例如，由两个阀门及一根导管所组成的简单系统，其结构框 图如图6-1所示。如果要把这一简单系统画成可靠性框图，就需要 进一步考虑了。因为阀门元件的失效为两态（即关不上和打不开 ），再加上正常工作状态，共为三态。对于具有多态元件的系统 ，其可靠性逻辑框图的确定，应首先考虑确定系统的功能，对于 不同的功能要求，其系统的可靠性框图是不一样的。 A B
么，有40个零部件组成的串联系统其可靠度约等96%
，而由400个零部件组成的串联系统其可靠度约等于 67%。
6.1.1 机械系统可靠性概念
系统由某些彼此相互协调工作的零件、子系统组成，以完 成某一特定功能的综合体。组成系统相对独立的机件通称为单 元。系统与单元的含义均为相对的概念，由研究对象而定。例 如，将汽车作为一个系统时，则其发动机、离合器、变速箱、 传动轴、车身、转向、制动等，都是作为汽车这一系统的单元 而存在的；当驱动桥作为一个系统进行研究时，则主减速器、 差速器、驱动车轮的传动装臵及桥壳就是它的组成单元。因此 ，系统的单元是相对的，系统的单元可以是子系统、机器、总 成、部件或零件等。 系统的可靠性不仅与组成该系统各单元的可靠性有关，而 且也与组成该系统各单元间的组合方式和相互匹配有关。
R5 R1 R2 R3 R4 R6
液压系统可靠性框图
R7
R8
R9
例如，汽车可分为下列五大子系统，发动机、变速箱、制动 、转向及轮胎。为了保证一辆汽车能正常工作，此五大系统 缺一不可。因此，汽车系统的可靠性框图如图6-4所示。
发动机
变速箱
Βιβλιοθήκη Baidu制动
转向
轮胎
汽车系统的可靠性框图
综上所述，系统的结构关系、功能关系及可靠性逻 辑关系，各有不同的概念。在对系统进行可靠性分析、 建立可靠性模型时，一定要弄清系统的结构关系、功能 关系及可靠性逻辑关系，然后才能画出可靠性框图。
或进行系统可靠性设计。
6.1.4 系统可靠性模型的应用
1. 复杂系统可靠性分析与预测 对于复杂系统，以一个整体去分析和预测其可靠性是几乎不可 能的。先对复杂系统相对简单的子系统或单元进行可靠性分析 ，进而采用其系统可靠性模型对复杂系统进行可靠性分析和预 测则较容易做到。
机械系统：是指由若干个机械零件组成并相互 有机地组合起来，为完成某一特定功能的综合体， 故构成该机械系统的可靠度取决于以下两个因素： （1）机械零部件本身的可靠度，即组成系统 的各个零部件完成所需功能的能力。 （2）机械零部件组合成系统的组合方式，即 组成系统各个零件之间的联系形式。 机械零部件相互组合有两种基本形式，一种为串 联方式，另一种为并联方式，而机械系统的其它更 复杂的组合基本上是在这两种基本形式上的组合或 引申。
管子阀门系统结构框图
A A B B
系统截流时的可靠性框图
系统通流时的可靠性框图
1
a)
2 3
b)
1
2
3
1
2 3 3
c)
2 1
a) 系统原理图 b) 电阻串联可靠性框图 c) 三中取二系统的可靠性框图
↑ ↓
↑
某液压功能系统图
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分析保证该液压系统正常工作时各单元的工作状
态，可以画出系统的可靠性框图：