机械可靠性设计

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1、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

2、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

3、。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

4、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

5、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

6、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， 1 9 90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(Reliabi

7、lity)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

8、(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

9、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

10、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

11、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

12、 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

13、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

14、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 有着密切的联系。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

15、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

16、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。应用这些公式，就可以在给定可靠度条件下求出零部件的尺寸， 或在给定其尺寸的情况下确定其安全寿命。机械可靠性设计的主要特点：(1) 以应力和强度为随机变量作为出发点。这是由于载荷、强度、结构尺寸、工况等 餐具有变动性和统计本质；在数学上必须用分布函数来描述。(2) 应用概率和统计方法进行分析、求解。这是基于应力和强度都是随机变量这一客 观事实和认识。(3) 能定量地回答

17、产品的实效概率和可靠度。(4) 强调设计对产品可靠性的主导作用。(5) 必须考虑环境的影响。温度、振动、湿度、腐蚀、磨损等环境条件对应力有很大 量响。研究表明，应力分布的尾部比强度分布的尾部对可靠性的影响要大得多。因此， 对环境的质量控制比对强度的质量控制可能会带来大得多的效益。(6) 必须考虑维修性。从设计一开始，就必须将固有可靠性和使用可靠性联系起来作 为整体考虑，分析为了使设备或系统达到规定有效度，究竟是提高维修度还是提高可靠 度至刀苜埋。(7) 从整体的、系统的、人机工程的观点出发。考虑设计问题更重视产品在寿命期间 的总费用而不只是购置费用。6.1.4可靠性设计常用尺度指标可靠性的定义

18、只是一个一般的定性定义，并没有给出任何数量表示，而在产品可靠 性的设计、制造、实验和管理等多个阶段中都需要“量”的概念，因此可靠性设计的常 用数值指标非常重要。可靠性的数值指标就是可靠性的尺度，常用可靠度、失效率、寿命、维修度、有效 度和重要度等指标来表示。6.1.4.1 可靠度与不可靠度可靠度是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率，通常用R(t)表示，是时间t的函数，也称为可靠度函数。由于可靠度表示的是一个概率，所以R(t) 的取值范围为0，1。设有N个相同的产品在相同的条件下工作，到任一给定的工作时间t时，累积有n(t) 个产品失效，其余N- n(t)个产品仍能正常工作，

19、那么该产品到时间t的可靠度为：R(t)(6-1)N不可靠度是指产品在规定的条件下和规定的时间内丧失规定功能的概率，通常用F(t)表示，也称为失效概率函数。F(t)血(6-2)N由于失效和不失效是相互对立事件，根据概率互补定理，两独立时间的概率之和恒 等于1,因此可靠度和不可靠度之间有如下关系：R(t)+F(t) = 1(6-3)综上可知，产品开始使用(t=0)时，认为所有产品都是好的，即n(0)=0,固有R(0)=1， F(0)=0。随着工作时间的增加，产品的失效数不断增加，可靠度就相应地降低。所有产 品不管其寿命其寿命多长，最后总是要失效的。因此ng=N，R(w)=O，F()=l。即在 0，

20、-区间内，可靠度函数R(t)为递减函数，而F(t)为递增函数，如图6-1(a)所示。Jf.ll二亠楼厠餐帯占 电梯隔翹無宜(J%-1町靠度函数伐效密度函数与失效率(当失效率递増时)(a)可靠度画数与不可靠度函数匚(L)失效密度函数；(0)失殼率= 5) = 0(6-10)式中S工作应力；5强度。具有这样的应力一强度模型的机械零件是安全的，不会发生故障。当应力与强度的概率分布曲线发生干涉时，虽然工作应力的平均值卩。仍远小于极 限应力(强度)的平均值卩5,但不能绝对保证工作应力在任何情况下都不大于极限应 力。即工作应力大于零件强度的概率大于零：P(S 5) 0(6-11)当应力超过强度时，将产生故

21、障或失效。应力大于强度的全部概率则为失效概率一 不可靠度，并以下式表示：F = P(S3) = P(3 S) 0(6-12)当应力小于强度时，则不发生故障或失效。应力小于强度的全部概率即为可靠度， 并以下式表示：R = P(S 0(6-13)令f(S)为应力分布的概率密度函数,g(J为强度分布的概率密度函数，如图6-4所示，两者发生干涉。相应的分布函数为F(3)及G(3)(关于FQ)及G(3)的确定方法将在下面讨 论)，可按下述两种方法来计算零件破坏的概率和可靠度的一般表达式。/(S.)图6-4应力一强度分布干涉6.2.1.1概率密度函数联合积分法如图6-4所示，应力值落于S附近宽度为dS的小

22、区间内的概率等于该小噩间昕决 定的单元面积亠，即dSPS SSSS+dS =fS dS = Ai 2iJ ii强度6大于应力S1的概率为：P 6 考虑到f S1 dS与JSg d是两个独立的随机事件，它们同时发生的概率等于两个事件单独发生的概率的乘积，即：这个概率就是应力S在dS小区间内不会引起故障或失效的概率(因为6S)，如果 将S1变为随机变量S,则可得到对应于零件的所有可能应力值S,强度6均大于应力S 的概率，即可靠度为：(6-14a)可靠度也可以按应力始终小于强度这一条件进行计算。这时零件的可靠度为:(6-14b)(6-15)因R=1 -F，且二g d+ rg d，则由式(6-14a)

23、得相应的不可靠度或失效概率:这里，GS)=尸g(S)d6oO006.2.1.2强度与应力之差的概率密度函数积分法令y=5-S，式中零件的强度6及工作应力S均为随机变量，所以它们的差y也是随 机变量，称作干涉随机变量(又称为强度差)。设6与S均为独立的随机变量，分布区间为(0,),则干涉随机变量y的分布区间 为(-g，g)。这样，零件的可靠度可表示为R=P(yo)。根据概率论中的卷积公式，可得干涉随机变量y的概率密度函数为：0h(y) = J g(y + s)f(S)dss干涉随机变量 y0 的概率就是失效概率，故有：F = P(y 0 的概率就是可靠度，故有：R = P(y 0) = J0 h

24、(y)dy = J J g(y + S)f(S)dSdy(6-17)根据上述应力一强度分布干涉理论，为了计算零件的可靠度，首先应确定应力分布 与强度分布。6.2.2 零件工作应力分布的确定零件危险截面上的工作应力 S 与其承受的载荷、几何尺寸、温度、物理特性、时间 等参数有关，一般考虑工作应力S主要是载荷，P = ji及截面尺寸A的函数，即：nS = f(l Pt，A)i=1目前机械工程中采用的强度计算法的基本出发点是，认为强度计算载荷及其各组成 项都是确定量，因而零件截面上的工作应力也是确定量。实际上，强度计算载荷及其各 组成项都是随机变量且服从一定的分布规律，因而零件截面上的工作应力也是随

25、机变量 通常可采用代数法、矩阵法或蒙特卡洛模拟法把与应力有关参数的分布综合成应力分布 规律。在强度问题中，很多实际问题均可用正态分布来进行研究。根据概率论的中心极限 定理，我们知道，若影响应力分布的因素很多，且这些因素是彼此独立的，每一因素的影响并不比其他因素特别大，则应力的分布必服从正态分布N (卩)其概率密度 SS函数为：f( S)=1exp1(S s)22 Gs( 6-18)工作应力的分布参数(数学期望叽与均方差。S)应按各类机械的大量载荷或应力实测资料，应用数理统计方法，按以下公式计算：叮 k% 心2( 6-19)目前我国这方面的实测资料较少，因而难以提出确切数据。现为实用起见，建议按

26、下 列近似计算法来确定：(1) 对静强度计算：忍=%勺=叭(6-20)(2)对疲劳强度计算：匕=5勺=他(6-21)式中卩，。分别为零件危险截面上工作应力(对静强度计算为最大工作应力，S S对疲劳强度计算为等效工作应力)的数学期望和均方差；。,。分别为根据工作状态的正常载荷(或称第I类载荷)和根据工作状 I II态的最大载荷(或称第II类载荷)，按常规应力计算方法算得的零件危险截面上的等效 工作应力和最大工作应力；k工作应力的变差系数。工作应力的变差系数 k 值，应按实测应力试验数据统计得出，也可通过分析各项计算载荷的统计资料按下式近似计算：k =协iPJ2(6-22)式中 Pi 第 i 项载

27、荷。对静强度计算按最大载荷取值，对疲劳强度计算按等效载 荷取 值。各项载荷的具体计算方法应针对各类机械，参照有关专业书刊进行；k.第i项载荷的变差系数，可按计算零件的实际载荷分布情况，应用数理统计 方法来确定。在确定工作应力的变差系数k值时，若缺乏足够的统计资料难以计算时，也可按各类专业机械提供的经验数据近似取值。通过上述计算可以求出零件危险截面上工作应力的分布参数卩及。将卩及。SSSS代入式(6-18),即可求出其概率密度函数f(S)。6.2.3 强度分布的确定零件承载能力(强度6)的分布规律一般服从正态分布率N(Us，s)。其概率密度 函数为：2g(s) exp 2(1)(6-23)、阿S

28、2承载能力的分布参数(数学期望笔s与均方差OS)较精确的确定方法是，根据大量 零件样本试验数据，应用数理统计方法，按下列公式计算：1中i=1冬=叫沉(6-24)但在大多数情况下，这样的数据是难以取得的。因此，为实用起见，可通过材料的 机械特性资料，并考虑零件的载荷特性及制造方法对零件承载能力的影响，近似地确定 分布参数。建议方法如下。6.2.3.1 对静强度计算抵=叽(6-25)式中，卩及。分别为材料样本试件拉伸机械特性的数学期望及均方差。5050材料的强度极限。及屈服极限。大都服从于正态分布律的，通常从相关手册中查 bs得的数值，一般是强度值的数学期望，强度值的均方差经统计约为数学期望值的

29、10%。k1为计及载荷特性及制造方法的修正系数，匚=?(6-26)勺式中勺一一按拉伸获得的机械特性转化为弯曲或扭转特性的转化系数，对钢质零件可按 表 61 选用；空一一考虑零件锻(轧)或铸的制造质量影响系数。它考虑了材料的不均匀性，内部可能的缺陷，以及实际尺寸与名义尺寸的误差等因素。对锻件和轧制件可取82=1.1 ；对铸件可取吁13。表6-1钢质材料机械特性转化系数耳值载荷特性零件截面形状及材料6截面为圆形和矩形的碳钢1.2弯曲除圆形和矩形以外的截面的碳钢，各种截面的合金钢1.0扭转圆形截面的碳钢和合全钢0.6由此可得出零件静强度承载能力分布参数的近似计算公式：对塑性材料：保=烈2力=0叭=0

30、1呼)珥匕2(6-27)对脆性材料：保=2叫=0叭=01(?)爲七2(6-28)6.2.3.2 对疲劳强度计算叫=Fs)空=花2%1)(6_29)式中卩 和。分别为材料样本试件对称循环疲劳极限的数学期望和均方差。材 (0-1)(0-1)料的疲劳极限也可以认为是服从于正态分布规律的，通常从相关手册中查得的。T值是 对称循环疲劳极限值的数学期望，按现有资料统计，对称循环疲劳极限的均方差为数学 期望值的4% 10%,对于一般计算可以近儆地取为8%。K2为疲劳极限修正系数，按表 6-2 所列公式计算。表6-2疲劳极限修正系数k2的计算公式2(1r)K + 乃(1 + r)rWl对称循环(r=-1)脉动

31、循环(r=0)12kk +r=-82rr1(1r)K + 乃(1 + r)注：r 一应力循环不对称系数，T = omin/omax； k-有效应力集中系数。具体取值可参阅有关书刊资料；n 材料对应力循环不对称性的敏感系数。对碳钢、低合金钢n=0, 2；对合金钢n=0. 3。由此可得出零件疲劳强度承载能力分布参数的近似计算公式如下：仏=阮as = 0.08s = 0.08k2ai(6-30)在求得了零件承载能力的分布参数后,代入式(6-23),即可求出其概率密度函数g( 6 )。6.2.4典型强度一应力分布模式的可靠度计算 上面讨论了应力、强度分布发生干涉时可靠度的一般表达式，当应力、强度分布模式确定之后，可由其计算出相应的可靠度。下面给出其他几种典型应力、强度分布的可 靠度计算公式。6.2.4.1应力和强度均呈正态分布时的可靠度计算根据概率论的研究，当应力S和强度6均呈正态分布时，其差y= 6 -S也呈正态分布， 其数学期望纵与均方差，分别为：可靠度：R =丄严ezTdz人“殛 J 心s 2(6-34)零件破坏的失效概率为：F = P(y R=0.97该轴的疲劳强度可靠度指标满足要求。