第6章 可靠性设计方法

1、第六章 可靠性设计方法6.1 概述可靠性问题是一种综合性的系统工程问题，是与产品设计、制造、装配、调试、运输、储存、使用、维修等各个方面紧密相关的。设计只是其中的一个环节，但是，设计却是保证产品可靠性的最重要的环节，它为产品的可靠性奠定了先天性的基础。因为产品的可靠性取决于其零部件（元器件）的结构形式与尺寸（型号与规格）、选用的材料及制造工艺、检验标准、维修的方便性以及各种安全保护措施等，而这些都是在设计中决定。设计决定了产品的可靠性水平，即产品的固有可靠度。产品的制造和使用固然也对其可靠性有极其重要的影响，但毕竟制造是按设计进行，制造和使用的主要任务是保证产品可靠性指标的实现。国外有关研究机

2、构在对某些电子仪表发生故障的原因进行分析之后作出统计，统计结果见表6.1。从表中可以看出：电子仪表整机发生故障，有40%是由于设计上的缺陷造成的，30%是由于元器件质量不佳造成的，而这些质量不佳的元器件的选用是由设计人员在设计阶段决定的。因此，这两项都直接与设计有关，它们占了造成仪表故障原因的70%。此外在设计时如能考虑到便于维修和维护保养，也能降低由于操作和维护上的原因而造成整机发生故障。由此可见，可靠性设计是十分重要的。表6.1 电子仪表整机故障原因统计故障原因所占比例(%)设计上的原因40元器件质量上的原因30操作和维修上的原因20制造上的原因10系统可靠性分析技术是在对电子产品研究的基

3、础上发展起来的，其中的许多技术不但适用于电子产品，也同样适用于非电子产品。一、可靠性设计经验（1）选择设计方案时尽量不采用还不成熟的新系统和零件，尽量采用已有经验并已标准化的零部件和成熟的技术。（2）结构简化，零件数削减。如日本横河记录仪表10年中无件数削减30%，大大提高了可靠性。（3）考虑功能零件的可接近性，采用模块结构等以利于可维修性。（4）设置故障监测和诊断装置。（5）保证零件部设计裕度（安全系数/降额）。（6）必要时采用功能并联、冗余技术。如日本的液压挖掘机等，采用双泵、双发动机的冗余设计。（7）考虑零件的互换性。（8）失效安全设计（Failure Safe），系统某一部分即使发生故

4、障，但使其限制在一定范围内，不致影响整个系统的功能。（9）安全寿命设计（Safe Life），保证使用中不发生破坏而充分安全的设计。例如对一些重要的安全性零件如汽车刹车，转向机构等要保证在极限条件下不能发生变形、破坏。（10）防误操作设计（Fool proof）（11）加强连接部分的设计分析，例如选定合理的连接、止推方式。考虑防振，防冲击，对连接条件的确认。（12）可靠性确认试验，在没有现成数据和可用的经验时，这是唯一的手段。尤其机械零部件的可靠性预测精度还很低。主要通过试验确认。二、可靠性设计辅助措施 为了使设计时能充分地预测和预防故障，把更多的失效经验设计到产品中，因而必须邦助设计人员掌握

5、充分的故障情报资料和设计依据。采取以下措施：（1）可靠性检查表，从可靠性观点出发，列出设计中应考虑的重点。设计时逐项检查。考虑预防的对策。（2）推行FMEA，FTA方法。FMEA（失效模式影响分析）和FTA（故障树分析）是可靠性分析中的重要手段。FMEA是从零部故障模式入手分析，评定它对整机或系统发生故障的影响程度，以此确定关键的零件和故障模式。FTA则是从整机或系统故障开始，逐步分析到基本零件的失效原因。这两种方法在国外被看作是设计图纸一样重要，作为设计的技术标准资料，它收集总结了该种产品所有可能预料到的故障模式和原因。设计者可以较直观地看到设计中存在的问题。（3）故障事例集。把过去技术上的

6、失败和改进的事例作成手册，供设计者随进参考。通常用简图表示，将故障和改进作对比。对故障的原因、情况附有简单说明。这手册是各公司积累的技术财富，视同设计规范同等重要。（4）数据库。广泛有效地收集设计、制造中的失败和改进经验，试验和实际用的数据形成检索系统和数据库，使设计者能超越本单位充分利用别人实践过的经验。如电子产品已形成世界性可靠性信息交换网。（5）设计、试验规范的不断充实、改善。从使用实际得来的故障教训要反馈到设计、试验方法的改进中，要将这些改进效果作为产品设计规范（包括材料选定，结构形式，许用应力，安全系数值）和试验标准的改进依据，使它们成为设计技术的一部分。随着可靠性工作开展。必须加强

7、设计、试验规范的研究，命名如试验规范的制定要以实地使用条件分析为基础，要调查出场的回收品和试验室加速试验件作对比，计算强化系数。通过失效分析反推，验证试验条件是否合适，从而不断改进试验方法和标准。因而这些规范都是公司的财富，对外不轻易泄密。如日本小松10年中试验标准增加三倍，丰田的试验标准有1500项之多。也可见各公司对试验的重视程度。三、加强失效物理技术研究 失效物理是研究故障的原因，材料劣化的机制，缺陷的检测和消除，寿命预测和强化寿命机理，以及应力分析等技术。对于机械来说，主要研究它的常见失效模式，如蠕变，冲击振动，疲劳、断裂、磨损、润滑、腐蚀等。近年来，失效物理技术日举国受到各国重视。例

8、如，由美国政府财政授助的机械故障研究小组（MFWG）的影响及大，它有四个技术咨询委员会：（1）诊断、检测；（2）故障；（3）设计；（4）现有技术的应用推广。研究的对象有系统为燃气轮机，叶片、轴、轴承、齿轮、接头、键槽、转动件、活塞等。该小组自60年成立之后，每年召开12次的技术讨论会，至今已有三十余届，许多失效预防和检测技术已投入实用。另外，国外企业都十分重视产品的失效分析工作，千方百计回收失效的零件和残骸加以分析。目的是找出失效原因，作出合更换改进决策，避免内类事故再发生。因而除各大企业配备有完善的失效分析设施外，还设有公共的失效分析中心。公司和保险机构的技术部门都承担分析的任务。 总之，为

9、确保产品可靠，少出故障，必须加强故障的事前（设计），事中（运行的故障诊断）和事后（失效分析）的分析研究工作。6.2 电子产品可靠性设计分析方法电子产品的可靠性设计分析工作首先是电子元器件的选择与使用，正确有效的开展此项工作是实现高可靠性水平系统设计的基础。在选用元器件时，元器件的降额设计是实现低成本高可靠性设计的一项重要措施。另外，对元器件和电路的容差分析也是实现可靠和健壮的电路设计的必要工作。电子产品的可靠性设计分析工作还应考虑到环境条件的影响。耐环境设计技术是其重要的手段。对电子产品来说，针对热环境的热设计热分析工作和针对电磁环境的电磁兼容性设计工作显得尤为重要。6.2.1 电子元器件的选

10、用电子元器件是电子、电气系统的基础部件，是能够完成预定功能且不能再分割的电路基本单元。元器件一般都有若干质量等级，目前我国电子元器件质量等级分一类、二类、三类。一类为军品，二类为工业品，三类为民品。每一类又可分为几个不同的级别。质量等级不同，器件的可靠性水平也不同；相同质量等级的不同类型的元器件，其质量要求有也所不同。对元器件的质量等级选择不当会造成系统可靠性水平不符合要求。为了保证系统可靠性，必须对元器件的选择进行控制。元器件的选用及控制准则如下：1) 选用的元器件必须满足相应产品的性能、结构、环境适应性和失效率水平等方面的要求。2) 部门及单位制订电子元器件优选手册。其原则是优先采用符合国

11、军标、国标和专业标准，并有可靠性指标的元器件。3) 优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、供货渠道可靠的标准元器件，杜绝使用已淘汰的元器件。4) 当必须使用进口元器件时，优先采用经美国军方认证通过的列入QPL目录中的元器件或美国宇航局（NASA）、欧洲空间局（ESTEC）等权威机构认证通过的元器件优选手册中的元器件。当选用价格较低但可靠性比军品略低的工业品时，应选用按先进工业标准生产、质量稳定、货源有保证并有可靠性指标的元器件。5) 压缩所选用的元器件品种、规格和生产厂家，以利于元器件的质量控制。元器件生产厂家应是通过ISO9000认证的。6) 必须按有关标准并根据产品具体情况对各类元器件进行

12、筛选和老炼，尽可能剔除具有早期失效的元器件。6.2.2 降额设计所谓降额设计是指在设计时有意识地降低元器件在工作时所承受的热、电、机械等各种应力，已达到改善元器件可靠性的目的。降额设计是提高产品可靠性的极为有效而又简便易行的措施。因此，在电子产品设计中被广泛采用。电子元器件的失效率与它所承受的环境应力和工作应力有关。环境应力包括温度、湿度、压力、辐射以及周围的化学物质等。不论元器件是否处于工作状态，它所承受的环境应力是客观存在的。而工作应力只有当元器件处于工作状态时长会出现，它们包括电压、电流、频率、元器件自身产生的热量、机械负荷等。对不同的元器件，降额的方法不一样；电阻器的降额方法是降低其功

13、率比，电容器是降低其工作电压，半导体器件是把工作功耗限制在额定功耗之下，而数字集成电路是通过周围环境和电负荷来降额等等。选择哪种应力降额最为恰当？降额多少才算合理？这些是电子元器件降额技术的关键问题。一般来说，电子元器件的降额系数可以用电压降额系数、电流降额系数和功率降额系数来表示。对半导体器件而言，通常将工作电压限制在额定值的60%左右，工作电流限制在额定值的75%左右。这样限制的结果，不仅对未知的瞬时峰值提供了裕度，而且也能保证功耗在额定值的50%以下，从而得到合理的可靠性。对电容器则不一样，影响电容器失效率的主要是施加于电容器上的工作电压。因此，降额设计通常将工作电压限制在额定电压的50

14、%以下对电阻器通常是将其工作损耗限制在额定功率的50%以下。降额设计对提高元器件的可靠性有很大的帮助，一般来说，降额度越大，元器件的寿命越长。但是，由于采用降额后有可能导致重量、体积和成本的增加，因此要全面合理地确定降额程度。6.2.3 容差分析在实际工作中，有时会碰到这种情况，产品在长期工作中，它的特性参数会出现漂移，当参数漂移超出允许范围时，就不能完成规定的功能，这时的失效称之为漂移失效。为了防治漂移性失效，使产品在整个寿命期内和规定的环境条件下处于正常状态，除了选用质量较好的元器件外，还应在电路设计上采用可靠性技术容差电路设计，它从电路和系统设计角度出发，采取适应参数漂移的措施，允许所用

15、元器件的参数在一定范围内变化，而仍能保证性能指标达到规定的要求。对电子产品进行容差分析即可以直接进行试验，也可以先建立产品的数学模型，在进行理论计算分析，容差分析方法包括最坏情况试验法、最坏情况分析法、蒙特卡洛法、伴随网络法和阶矩法，其中出最坏情况试验法外，其余都是理论计算分析法。下面将简单介绍各种分析方法。 一、 最坏情况试验法使电路处于环境、大气压、电源电压、电网频率、元器件参数、信号源幅度和频率等主要因素的上下限值的条件下，通过试验测试电路性能实际参数偏差。这种方不需要建立电路的数学模型，但必须在实际电路上才能进行试验，试验的结果作为测试数据。一般在电路可靠性要求高，成本不严格限制时采用

16、此分析方法。二、 最坏情况分析法根据所建立的电路数学模型，在电路组成部分参数最坏组合情况下，分析电路性能参数偏差的一种非概率统计方法。它是按元器件性能参数可能出现的极限值来设计电路的。如果在最坏的情况下求出的参数都落在允许范围内，则表示可以确保所设计的电路具有足够的容差和漂移可靠性。由于具体算法的差别，最坏情况分析法又分为线性展开法和直接代入法。线性展开法适用于分析精度要求较低的电路，直接代入法适用于分析精度要求较高的电路。总的来说，最坏情况分析法简便、直观、是一种非常保守而又万无一失的设计方法，因此常用于一些重要的线路或部件设计中。其缺点是将在很大程度上提高对元器件的要求增加费用。三、 蒙特

17、卡洛法蒙特卡洛法是一种计算机模拟法。它的理论基础是概率论的大数定律。用蒙特卡洛法进行模拟的程序是：首先按每个元件的分布，随机地抽取一个随机数，组成一个随机数组，然后代入特性方程中，算出特性值，再将它与给定值进行比较，判断是否落在给定值范围内，若是，则记为成功，否则失败。然后再抽取并运算，一般要在数百次以上，最后统计成功的概率，如果成功的概率超过要求值，说明元件选择得当，否则重新选择元件再进行计算，直到满足要求为止。蒙特卡洛法运用于电路十分复杂的情况。如果能给出符合元件实测数据的元件分布，并能准确地定义要求的特性值，即使形式很复杂，采用蒙特卡洛法进行计算也并不困难，而且这种方法最后能给出特性值的

18、分布，是其它方法所不及的。四、 伴随网络法伴随网络法是通过求原电路网络及其伴随网络的支路电压、电流获得电路输出响应对支路元件的灵敏度及偏差来进行容差分析的方法。这种方法要建立支路的电流、电压方程和伴随网络的阻抗矩阵和导纳矩阵，以此构成电路的数学模型。电路各组成部分参数取值为额定值偏差，通过求解方程得到的分析结果为电路输出参数偏差。伴随网络法只适用于线性、时恒电路，能分析较复杂的此类电路，但计算复杂，可以采用计算机辅助分析。五、 阶矩法阶矩法是根据电路组成部分的参数值的均值和方差来分析电路性能参数偏差的一种概率统计法。该法根据电路组成部分的均值和方差，求出电路性能参数的均值和方差，分析电路性能参

19、数容许偏差出现概率。这种方法要建立电路组成部分的参数和电路输出参数之间的数学模型，根据数学模型推导出电路组成部分的参数均值和电路输出参数均值之间的关系，以及电路组成部分的参数方差和电路输出参数方差之间的关系，并据此进行计算。阶矩法适用于线性电路或非线性电路，但要求电路组成部分的参数的随机漂移是在标称值附近不大范围内，而且假设电路性能参数近似为正态分布，因此在使用中受到一定的限制。以上几种容差分析方法的适用范围有所不同，其中最坏情况试验法适用于所有电路，最坏情况分析法和蒙特卡洛法适用于所有模拟电路，而伴随网络法和阶矩法适用于线性模拟电路。由于最坏情况试验法成本高，实现起来复杂，所以除非有特殊要求

20、，一般不采用这种方法。因此，在进行容差分析时首先选择最坏情况分析法和蒙特卡洛法。目前，以已有专门的工具软件支持最坏情况分析法和蒙特卡洛法。6.2.4 热设计技术电子设备的温度来自两个方面：一是电子设备本身工作时，由电能转换成热能使元器件发热而造成温升；二是电子设备工作的周围环境温度通过传导、辐射、对流等方式传给电子设备。此外，电子设备中机械部件在运动时摩擦也会产生温升。电子元器件的寿命和失效率与温度是密切相关的。因此，如何把电子设备内的热量散发出去，成为电子设备可靠性设计中的一个重要问题。对于电子设备的温度或温升进行有效控制，以维持设备在允许的温度范围内，使其正常地、可靠地进行工作的设计内容，

21、称为热设计。热设计的目的就是要减小或限制电子元器件及整机的温升，通过对系统热交换过程的分析和热场的计算或测量，从热源、热流、散热等方面对电子产品进行热控制。以达到减少参数漂移，保持电器性能稳定，提高产品可靠性。因此，对电子设备进行热设计的要求为：通过热设计在满足性能要求下尽可能减少仪器内部的热量；通过热设计法减少热阻，以利发热元件的散热；通过热设计能保证设备和元器件在较低的温度条件下工作，以达到减少参数漂移，保持电器性能的稳定，提高产品可靠性。电子设备一方面由于本身固有的规律要发出热量而使温度升高，另一方面，受到材料和元器件耐热性的限制又不允许温升超过一定的范围，设计人员分析两者之间的关系，以

22、保证电子设备正常工作，通常处理这种关系的热设计方法有： 提高元件、材料的允许工作温度； 减少设备的发热量；为达到此目的应尽量采用小功率的能源和小功率的执行元件。如用晶体管代替真空管，选用小功率变压器、微型电机和微功耗器件等。在电路设计中尽量减少发热元件的数量； 用冷却的方法改变环境温度并加快散热速度。6.2.5 电磁兼容设计电磁兼容性是指系统、子系统、设备在共同的电磁环境中能协调地完成各自功能的共存状态。即设备不会由于处于同一电磁环境中的其它设备的电磁干扰而导致性能降低或故障，也不会由于自身的电磁干扰处于同一电磁环境中的其它设备产生不允许的性能降低或故障。电磁兼容性是电子产品一项重要指标，它包

23、含系统间和系统内的电磁兼容两个方面。按照电磁兼容性的要求，处在电磁环境中的设备既有一定的抗电磁干扰的能力，同时也不能产生超过允许的电磁干扰。因此，电磁兼容设计的基本原则是：分析并找出系统所有的人为干扰源和自然干扰源；尽可能消除或抑制干扰源；采用屏蔽、滤波等手段从各种传播途径上抑制干扰耦合采用接地和搭接技术。在对电磁干扰源进行控制的基础上，主要的抗电磁干扰的措施有：接地、搭接、屏蔽、滤波。6.2.6 耐环境设计技术一、 环境条件及其对产品可靠性的影响环境条件是指产品贮存、运输和使用过程中可能遇到的所有外界影响因素。环境条件极大地影响着产品的可靠性，设计人员必须首先研究各种环境的特性，分析环境对产

24、品可靠性的各种影响，以便进行产品的耐环境设计。常见的环境因素及其分类如表6.2，各种环境因素对产品可靠性的影响是不同的，既可能是功能故障，也可能是永久性的损坏，主要环境因素所产生的影响及其典型的故障模式如表6.2所示。 表6.2 环境因素的影响及其典型的故障模式环境因素主要影响典型故障模式高温热老化绝缘失效金属氧化接点接触电阻增大，金属材料表面电阻增大结构变化橡胶、塑料裂纹和膨胀设备过热元件损坏、着火、低熔点焊锡缝开裂，焊点脱开黏度下降、蒸发丧失润滑能力低温增大黏度和浓度丧失润滑能力结冰电器机械性能变化脆化结构强度减弱，电缆损坏，橡胶变脆物理收缩结构失效，增大活动件的磨损，引起泄露元器件性能改

25、变蓄电池容量降低，石英晶体不振荡高湿度吸收湿气物理性能下降，电强度降低，电介常数增大，绝缘电阻降低电化反应机械强度下降锈蚀电气性能下降，增大绝缘体的导电性电解干燥干裂机械强度下降脆化结构失效粒化电气性能变化沙尘磨损增大磨损、机械卡死堵塞过滤器阻塞、电气性能变化静电荷增大产生电噪声吸附水分降低材料的绝缘性能冲击机械应力结构失效、机件断裂、电子设备瞬间短路温度冲击机械应力结构失效和强度下降、密封破坏、电器元件封装损坏盐雾化学反应增大磨损、机械强度下降、电器性能变化蚀除和腐蚀绝缘材料腐蚀电解产生电腐蚀、结构强度减弱风力作用结构失效、影响功能、机械强度下降材料沉积堵塞、加速磨损热量增加(高速)加速高温

26、影响热量损失(低速)加速低温影响雨物理应力结构失效浸渍增大失热、电气失效、结构强度下降锈蚀破坏表面镀层、表面特性下降腐蚀加速化学反应振动机械应力、疲劳引线、管脚、导线折断，金属构件断裂、变形、结构失效电路中产生噪声连接器、继电器、开关瞬间断开，电路瞬间短路、断路高压机械应力结构失效、密封破裂二、 环境防护原则1. 热环境防护基本原则l 保证热控制系统具有良好的冷却功能，使电子设备在规定的热环境中正常工作。l 保证热控制系统具有良好的可靠性，在规定的工作期限内温控系统应比其所防护的电子设备可靠性高。特别是对于强迫冷却系统和蒸发冷却系统，应视情采用储备方案。l 保证热控制系统具有良好的适应性。l

27、保证热控制系统具有良好的维修性。温控系统应便于测试、维修和更换，设备中的关键元器件应具备较好的可达性。2. 力学环境防护的基本原则l 提高设备的耐振和抗冲击能力，控制振源，减小振动。如进行运动部件的静平衡和动平衡试验，达到最大限度的平衡。l 隔离振源，改善工作环境。当设备本身是振源时，通过积极隔振，减小传到支撑结构上的振动力。当设备本身不是振动源时，可以通过消极隔振，减小从支撑结构上传来的振动力的影响。l 避免共振，减小系统响应。如对电子设备进行刚性化安装，提高系统的刚度和质量，改变系统的干扰频率，提高设备抗振性。3. 电磁防护的基本原则l 分析系统所处的电磁环境，找出周围可能存在的人为干扰源

28、和天然干扰源。l 抑制干扰源，尽量去掉对系统工作作用不大的潜在干扰源，适当地选择工作模式、天线及脉冲形状。l 抑制干扰耦合，如缩短干扰耦合路径，避免布线和结构件的天线效应等。l 采用搭接和接地技术。如减少设备间的电位差,防止静电荷累积，防止雷电冲击等。三、 耐环境设计措施31. 振动与冲击防护措施l 消除相关振源l 提高结构刚度，防止低频激振l 采用隔离措施，防止高频激振l 采用去耦措施，优化固有频率l 采用阻尼减振技术2. 防潮措施l 采用防水材料等保护涂层，并采用圆形边缘，以使保护涂层均匀l 采用排水和空气循环系统，防止潮气聚集l 采用干燥装置吸收湿气l 采用密封垫等密封器件l 改变材料的

29、吸水性能和亲水性能l 用高强度和绝缘性能好的材料填充绝缘材料、线圈等中间的空隙、小孔、毛细管等3. 防盐雾措施l 采用非金属材料等耐盐雾材料（如塑料）l 在接触处采用相同的材料l 进行密封，采用干燥剂l 元部件采用相应防护措施（涂三防漆）4. 防沙尘措施l 采用空气过滤器，规定允许通过的灰尘颗粒大小l 密封设计l 对设备表面进行耐磨耐蚀涂层处理。6.3 机械产品可靠性设计分析方法6.3.1 概述一、 机械产品可靠性的特点1. 机械产品的可靠性与电子产品相比具有以下特点： 机械产品的失效主要是耗损型失效（如疲劳、老化、磨损、腐蚀、强度退化等），而电子产品的失效主要是偶然因素造成的。 耗损型失效的

30、失效率随时间增长，所以机械产品的失效率随时间的变化一般不是恒定值。 机械产品的失效模式很多，甚至同一零件有多种重要的失效模式。机械产品的失效模式一般可以划分为以下几种类型：l 损坏型失效模式：如断裂、变形过大、塑性变形、裂纹等l 退化型失效模式：如老化、腐蚀、磨损等l 松脱型失效模式：如松动、脱焊等l 失调型失效模式：如间隙不当、行程不当、压力不当等l 堵塞或渗漏型失效模式：如堵塞、漏油、漏气等l 功能型失效模式：如性能不稳定、性能下降、功能不正常等4. 机械产品的组成零件多是非标准的，其失效统计值很分散，造成失效数据的统计困难。 机械产品的不同失效模式之间往往是相关的，在进行可靠性分析时需要

31、考虑失效模式相关性。2. 机械可靠性设计的特点机械可靠性设计与以往的传统的机械设计方法不同，机械可靠性设计具有以下基本特点： 以应力和强度为随机变量作为出发点认识到零部件所首的应力和材料的强度均非定值，而是随机变量，具有离散性质，数学上必须用分布函数来描述，这是由于载荷、强度、结构尺寸、工况等都具有变动性和统计本质 应用概率和统计方法进行分析 能定量地回答产品的失效概率和可靠度首先承认所设计的产品存在一定的失效概率，但不能超过技术文件规定的允许值。并能定量地给出所设计产品的失效率和可靠度。 有多种可靠性指标供选择传统的机械设计方法仅有一种可靠性评价指标是安全系数；而机械可靠性设计则要求根据不同

32、产品的具体情况选择不同的、最适宜的可靠性指标，如失效率、可靠度、平均无故障工作时间（MTBF）维修度、有效度等。开始设计阶段就应当选定可靠性指标以及评价方法等。 强调设计对产品可靠性的主导作用强调产品的可靠性从根本上来说，是由设计决定，设计决定了产品固有的可靠性。如果设计不当，则不论制造工艺有多好，管理水平有多高，产品都是不可靠的。在设计中赋予零件以足够的固有可靠性，该零件就会本质上可靠。 必须考虑环境因素高温、低温、冲击、振动、潮湿、盐雾、腐蚀、沙尘、磨损等环境条件对应力有很大影响，进而对可靠性有很大影响。研究表明，应力分布的尾部比强度分布的尾部对可靠度的影响要大得多，因此，对环境的质量控制

33、比对强度的质量控制会带来大得多的效益。 必须考虑维修性以有效度为可靠性指标的产品，如对于工程机械等，不论产品设计得固有可靠性有多好，都必须考虑维修性，因为它与使用和环境等一同影响产品的使用可靠性。否则不可能使产品维持高的有效度。因此，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。 从整体的、系统的观点出发从整体的、系统的、人机工程的观点出发考虑设计问题，并更重视产品在全寿命周期内总费用而不只是购置费用。 承认在设计期间及其以后都需要可靠性增长产品的最初设计、研制、试验期间，产品的可靠性会经常得到改善，这种改善是由于一些因素的变化，例如，在发生故障后，分析其原因就提供了改善可

34、靠性的信息，并且在设计、研制过程中随经验的积累也会改进设计、制造工艺、提高产品的可靠性。因此，如果在产品设计、研制、试验、制造的初始阶段，定期地对产品的可靠性进行评估，将会发现可靠性特征量会逐步提高，可靠性得到了改善，这种现象称为“可靠性增长”。GB3187-82关于可靠性增长的定义是：“随着产品的设计、研制、生产各阶段工作的逐步进行，产品的可靠性特征量逐步提高的过程”。当可靠性水平接近于设计的固有可靠性时，可靠性增长将趋于饱和。可靠性增长的这些这些预测和报告给出了达到可靠性目标的进程。二、 机械可靠性设计的主要内容 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 合理分配产品的可

35、靠性指标 以规定的可靠性指标为依据对零件进行可靠性设计三、 机械可靠性设计的方法与步骤由于现代的复杂昂贵的零件和系统要求高可靠度，所以必须保证把规定的目标可靠度设计到零件中去，从而设计到系统中去。所以，机械可靠性设计方法包括以下步骤：(1) 提出设计任务，规定详细指标包括技术、性能及可靠性指标。(2) 确定有关的设计变量和参数。这些变量应该是对设计结果有影响的，相互独立的，且在试验前后和进行期间都能够度量的。(3) 进行失效模式影响及致命度分析（FMECA）。(4) 确定零件的失效模式的独立性。若一种失效模式的性质受到另一种失效模式的影响，则受影响的失效模式下的应力于强度应加以修正，使计算出来

36、的每种失效模式的可靠度相互独立。(5) 确定失效模式的判据。机械零件可能的失效模式很多，如：材料屈服、断裂、疲劳、过度变形、压杆失稳、腐蚀、磨损、蠕变、噪声过大、振幅过大等。常用的判据有：最大正应力、最大剪应力、最大变形能、最大应变能、最大应变、最大变形、疲劳下的变形能、疲劳下的最大总应变、最大许用腐蚀量、最大许用磨损量、最大许用振幅、最大许用蠕变等。(6) 确定应力函数及每种失效模式下的应力分布(7) 确定强度计算公式及每种失效模式下的强度分布(8) 确定每种致命的失效模式下与应力分布和强度分布相关的可靠度(9) 确定同时考虑所有失效模式的零件的整体可靠度(10) 确定零件可靠度的置信度。可

37、靠度是对于零件而言的，置信度是对于样本试验结果而言的。(11) 按照上述步骤求出系统中所有关键零部件的可靠度(12) 对系统进行故障树分析（FTA）(13) 计算子系统和整个系统的可靠度(14) 如果必要，可以对整个设计的内容进行优化。6.3.2 静强度概率设计法一、 应力和强度的随机分布从可靠性的角度考虑，“应力”是指引起失效的负荷。它不仅包括外力在微元面积上产生的内力与微元面积比值，而且包括各种环境因素。而强度则是指抵抗失效的能力。由于影响应力和强度的因素具有随机性，所以应力和强度具有分散性。在传统设计中往往使用安全系数来考虑这种分散特性的影响。由于对不同分散特性(分布类型和参数)没有区分

38、，所以这种考虑是粗糙的，如为了安全，安全系数往往取值很大，得部不到很好的设计。机械可靠性设计理论根据应力和强度实际存在的分散特性，应用概率论和数理统计的方法，分析计算机械产品得可靠度。机械结构常见的应力分布和强度概率分布类型有:正态分布：一般机械零件的静强度、材料性能、尺寸偏差等基本上可归纳为正态分布。它是机械结构中最常见的一种分布。对数正态分布：结构的疲劳强度常呈现这种分布。威布尔分布：由于它有三个参数（即形状、位置、尺寸参数），特别是由于有形状参数，对于连续型随机变量，它是一种适应性最好的一种分布。但由于该分布有三个参数，它应用起来较复杂，从而使它在一些统计推断和可靠性统计的使用中受到限制

39、。图6.1 结构可靠性随时间的变化另外，应该看到：随着机械运转或者存放时间的增加，由于疲劳、磨损或老化变质等因素的影响，应力与强度分布的位置也随着变化。例如图5.1表现了这种变化对结构可靠性变化的影响。在图6.1中可以看出，在时间t=0时，全部结构强度大于应力，结构在完全可靠地工作，而当时间变化到t1时刻，由于强度分布的下降，部分结构强度小于应力，不能可靠地工作。机械结构的这种变化在设计时应予以足够的重视。二、 确定应力和强度随机分布的方法由于应力和强度具有随机性，所以在应用干涉理论进行可靠性分析时需要先确定应力和强度的随机分布。1. 应力分布的确定 用FMECA确定需要进行可靠度计算的重要失

40、效模式，如静强度断裂、屈服、失稳、疲劳、磨损、腐蚀等； 针对不同的失效模式确定相应的失效判据； 针对不同的失效判据，应用材料力学、弹塑性理论、有限元分析、断裂力学和实验应力分析等方面的知识计算其应力。 要根据实际受力情况，用修正系数对计算的名义应力进行适当的修正，得到相应应力分量的最大值，常用的应力系数有：应力集中系数、载荷系数、表面处理应力系数、热处理应力系数等。 确定应力方程中每个参数和系数的分布，通过概率运算、矩阵或蒙特卡罗法得到相应的应力分布。2. 强度分布的确定 建立与失效应力判据相对应的强度判据。常用的强度判据如上所述； 确定名义强度 用适当的修正系数修正名义强度。零件的强度与试件

41、的强度差别需用修正系数进行修正，通常考虑的修正系数有尺寸系数、表面质量系数、应力集中系数等。 确定方程中所有参数和系数的分布，通过概率运算、矩阵或蒙特卡罗法得到相应的强度分布。图6.2 应力和强度分布三、 干涉理论及可靠度计算根据传统的设计方法，安全系数为“平均强度/平均载荷”，或者“最小强度/最大载荷”。若取安全系数CxS/xL，图6.2(a)、(b)、(c)和(d)中具有相同的xS和xL数值，故具有相同的安全系数，但其可靠性却具有很大的差异。图(a)和(b)最大应力小于最小强度，应力和强度分布曲线无干涉区，因此Ra=Rb=1；图(c)和(d)最大应力大于最小强度，应力和强度分布曲线有干涉区

42、（图中阴影部分），因此RdRcxL)令给应力xL在一个区间xLdx/2，xLdx/2内取值，根据概率论理论，面积A1表示应力在这个区间的概率，即PxLdx/2XL XL= f2(xs)dxA2因为 xLdx/2 XL XL为两个独立实验，且要结构不发生破坏，这两个事件都要发生。按概率乘法定理，两独立事件同时发生的概率等于两事件单独发生概率的乘机，则区间xLdx/2 XL xLdx/2内的可靠性dR为：xLdRf1(xL)dxf2(xs)dx对于整个应力分布的可靠度R为Rf2(xs)dxf1(xl)dxdx当已知应力和强度的概率密度函数时,根据上式即可求得可靠度.5.3.3 疲劳强度可靠性设计机

43、械产品或结构在静载荷作用下会发生静强度失效，而在交变载荷作用下往往发生疲劳失效。疲劳过程就是由于载荷的重复作用导致零件内部的损伤累积过程。其发生破坏的最大应力水平低于极限静强度，且往往低于材料的屈服极限。因此，疲劳破坏和静强度破坏不同，它是结构在低于结构强度的交变应力的反复作用下，发生裂纹和扩展，最后突然断裂。其主要特征为：l 无论结构由脆性材料还是由塑性材料构成，疲劳断裂都表现为无显著塑性变形的脆性断裂。l 由于外力传递、几何突变、温度差别、材料缺陷等因素使结构产生局部高应力或高应变，疲劳破坏常常发生在这些区域。因此，局部的设计和工艺措施可显著提高结构的抗疲劳性能。l 疲劳破坏是一个累计损伤

44、过程，又可分为裂纹形成、裂纹扩展和迅速断裂三个阶段。对承受交变载荷的多数机械结构来说，机械静强度可靠性设计不能反映它们的实际载荷情况，因此对这些机械零件必须进行疲劳强度可靠性设计。疲劳设计的安全准则经历了以下演变过程：l 无限寿命设计，要求设计应力低于疲劳极限，这是最早的疲劳安全设计准则；l 安全寿命设计，要求零件或结构在规定使用期限内不能产生任何疲劳裂纹；l 破损安全设计，要求裂纹被检测出之前，裂纹不会导致整个结构破坏。这要求裂纹要及时被检测出来，并发展速度较慢。l 损伤容限设计，此方法首先假设结构中预先存在裂纹，再用断裂力学的方法计算分析这些裂纹的扩展规律。此种方法使用于裂纹扩展速率较慢，

45、且具有高韧性的材料。疲劳可靠性设计与分析主要包括两个方面的内容，一是在规定的寿命条件下，对结构进行满足可靠性要求的强度设计，二是在给定载荷和结构条件下，进行可靠寿命的预测。一、 基本概念1. 交变应力稳定变应力 不稳定变应力 随机性应力图6.4 变应力类型SmSa疲劳载荷的形式很多，但一般可分为确定的和随机的两种。前者是一种按一定规律变化且重复的载荷，其加载规律可用数学公式表达，它又可以分为稳定变应力和不稳定变应力（如图6.4所示）；而随机载荷只能进行统计描述。表示稳定循环载荷特征的参数r定义为：r(SmSa )/ (SmSa)式中：Sm循环应力的应力幅值 Sa循环应力的平均应力当r1时，为恒

46、定静载荷；r0时，为脉动载荷；r1时，为对称循环载荷。2. 载荷谱将实测的载荷（应力）-时间历程经统计后得出载荷的大小与其出现频次的关系。表示随机载荷的大小与其出现频次关系的图形、数字、表格、矩阵等称为载荷谱。为了使产品设计和疲劳强度试验研究建立在反映实际使用时的载荷工况的基础上，就要采集该产品在各种典型使用工况下的载荷-时间历程，经统计分析和处理后编制工作载荷谱，根据工作载荷谱编制模拟试验用的加载谱，对所设计的产品或零件按加载谱加载，进行疲劳寿命试验来验证设计。因此，载荷谱是产品与零件疲劳试验的依据，也是产品可靠性设计的载荷依据。1102104106N图6.5 载荷谱与程序载荷谱载荷谱常用的

47、一种图形表达式如图6.5所示的累积频数曲线。工作载荷谱的载荷幅值是连续变化的，可用一阶梯形曲线来近似它。这一梯形曲线就是程序载荷谱。在疲劳试验中利用程序载荷谱加载就更容易实现。由图6.5可见，程序载荷谱的程序块容量越小，块数越多，就越接近工作载荷谱，就越接近连续变化的载荷-时间历程，但计算工作量太大。实际工程中经常都采用8级程序载荷谱。3. S-N及P-S-N疲劳曲线无限疲劳寿命有限疲劳寿命疲劳破坏图6.6 S-N曲线的一般形式为测试某零件的平均寿命，将许多试样在不同应力水平的载荷下进行试验直至失效。其结果可画在坐标纸上，以应力为纵坐标，相应的循环次数为横坐标。所得的疲劳曲线简称为S-N曲线。

48、如图6.6所示在一定的循环特征r下，材料可承受无限次应力循环而不发生破坏，此时的最大应力称为在这一循环特征r下的“持久疲劳极限”，通常r=1时的持久疲劳极限最小，因此习惯上讲材料的持久疲劳极限指r=1时的最大应力。S-N曲线可以给出以下三种疲劳强度数据：给定寿命下的疲劳极限；给定应力水平下的疲劳寿命；持久疲劳极限。S-N曲线一般是按试验数据的平均值绘制的，即S-N曲线为破坏概率为50%的疲劳曲线。由于疲劳数据的分散性较大，若要设计高可靠性的抗疲劳结构，则需要根据已确定的可靠性指标，绘制相应的破坏概率的疲劳曲线。因此，在疲劳强度的可靠性设计中，把S-N曲线扩展成一个分布带，如图6.7所示。P-S

49、-N曲线与S-N曲线相比，它给出了对应寿命下的疲劳强度的随机特性分布和对应疲劳强度下的疲劳寿命的分散特性。P-S-N曲线可以提供以下三种疲劳强度分布数据：给定寿命下的疲劳强度的分布数据；给定应力水平下的疲劳寿命的分布数据；持久疲劳极限的分散特性。图6.8 一维疲劳应力强度干涉模型图6.7 P-S-N曲线3p210图10.8 3p211图10.10二、 稳定循环变应力下规定寿命的疲劳强度可靠性设计疲劳强度可靠性设计的理论基础是应力-强度干涉理论。稳定循环变应力下的疲劳可靠性设计比较简单，是其它载荷情况下疲劳可靠性分析的基础。其它载荷情况下，可以根据一定的规则把其向稳定循环变应力转换。如果仅考虑应

50、力幅Sm和平均应力Sa的分散特性，载荷循环特征值r为常数时，在疲劳极限图的等r线上，可以给出复合疲劳应力的分布f(sf)和相应的复合疲劳强度的分布f(Sf)，构成了一维应力-强度干涉模型。此时，疲劳可靠性的计算与前面所述的静强度干涉模型相同。从图6.8中可以看出，在恒定r值下的复合疲劳强度Sf(Sm2Sa2)1/2其均值： Sf(Sm2Sa2)1/2标准差：复合疲劳应力： sf(sm2sa2)1/2其均值： sf(sm2sa2)1/2标准差：可靠度系数：=可靠度：R()5.3.4 磨损和腐蚀的概率计算磨损和腐蚀是机械产品的主要失效模式之一。磨损和腐蚀的概率计算是在常规磨损和腐蚀的即基础之上，考

51、虑参数的分散特性进行的，其可靠度计算的基本原理同样是干涉理论。一、 磨损量与时间的关系在组成摩擦副的两个对偶件之间，由于接触和相对运动而造成其表面材料不断损失的过程称为磨损。有磨损所造成的摩擦副表面材料质量的损失量称为磨损量。磨损量是时间的函数。磨损量随时间的变化率称为磨损速度。显然影响磨损的因素很多，但大量的试验结果表明，磨损量和磨损速度随时间变化具有如图6.9所示规律。为使摩擦副正常工作，必须保证使其通过磨合期而保持在稳定磨损期工作。由于稳定磨损期内磨损速度恒定，所以磨损量等于磨损速度与进入稳定磨损阶段的磨损时间的乘积。而稳定磨损阶段的磨损速度与载荷、摩擦表面正压力、摩擦表面相对滑动速度、

52、表面材料特性及加工处理润滑情况等有关。磨损速度和磨损量具有分散特性，其分散特性的分布参数可参阅5p283。二、 给定寿命下的耐磨可靠度计算1. 耐磨可靠度的定义在给定的工作时间t内，摩擦副表面磨损总量W小于等于其允许的最大磨损量Wmax的概率，即摩擦副在给定寿命t下的耐磨可靠度为：RP(W(t)Wmax)2. 耐磨可靠度的计算方法由于总磨损量W(t)可看成正态随机变量，则耐磨可靠度由下式可求得RP(W(t)Wmax)Wmax (W1+ut)/ (W12+u2t2)1/2式中：W1、W1磨合期初始磨损量的均值和方差； u、u 稳定磨损期磨损速度的均值和方差；t 给定工作时间3. 给定耐磨可靠度时

53、可靠寿命的计算此问题可根据连续方程解决。由连续方程得：Wmax (W1+ut)/ (W12+u2t2)1/2上式唯一的未知数是工作时间，方程符合工程意义的解就是可靠寿命的值。5.3.5 机构功能可靠性 机械可靠性一般可分为结构可靠性和机构可靠性。结构可靠性主要考虑机械结构的强度以及由于载荷的影响使之疲劳、磨损、断裂等引起的失效；机构可靠性则主要考虑的不是强度问题引起的失效，而是考虑机构在动作过程由于运动学问题而引起的故障。 机械可靠性设计可分为定性可靠性设计和定量可靠性设计。所谓定性可靠性设计就是在进行故障模式影响及危害性分析的基础上，有针对性地应用成功的设计经验使所设计的产品达到可靠的目的。

54、所谓定量可靠性设计就是充分掌握所设计零件的强度分布和应力分布以及各种设计参数的随机性基础上，通过建立隐式极限状态函数或显式极限状态函数的关系设计出满足规定可靠性要求的产品。 机械可靠性设计方法是常用的方法，是目前开展机械可靠性设计的一种最直接有效的方法，无论结构可靠性设计还是机构可靠性设计都是大量采用的常用方法。可靠性定量设计虽然可以按照可靠性指标设计出满足要求的恰如其分的零件，但由于材料的强度分布和载荷分布的具体数据目前还很缺乏，加之其中要考虑的因素很多，从而限制其推广应用，一般在关键或重要的零部件的设计时采用。 机械可靠性设计由于产品的不同和构成的差异，可以采用的可靠性设计方法有： 1.预

55、防故障设计 机械产品一般属于串联系统.要提高整机可靠性,首先应从零部件的严格选择和控制做起。例如，优先选用标准件和通用件；选用经过使用分析验证的可靠的零部件；严格按标准的选择及对外购件的控制；充分运用故障分析的成果，采用成熟的经验或经分析试验验证后的方案。 2.简化设计 在满足预定功能的情况下，机械设计应力求简单、零部件的数量应尽可能减少，越简单越可靠是可靠性设计的一个基本原则，是减少故障提高可靠性的最有效方法。但不能因为减少零件而使其它零件执行超常功能或在高应力的条件下工作。否则，简化设计将达不到提高可靠性的目的。 3.降额设计和安全裕度设计 降额设计是使零部件的使用应力低于其额定应力的一种设计方法。降额设计可以通过降低零件承受的应力或提高零件的强度的办法来实现。工程经验证明，大多数机械零件在低于额定承载应力条件下工作时，其故障率较低，可靠性较高。为了找到最佳降额值，需做大量的试验研究。当机械零部件的载荷应力以及承受这些应力的具体零部件的强度在某一范围内呈不确定分布时，可以采用提