第四章可靠性设计

农业、工业、交通运输等行业的发展，对产品提出了质量可靠要求。因此，逐渐在很多场合下，提出了耐久性、寿命、稳定性、安全性、维修性等概念来进一步描述产品的质量问题。很显然，对于技术性能合格的产品来说，还有一个保持产品技术性能而不至于失效的问题，这就是产品的可靠性问题。可见，可靠性也是评价产品质量的一个重要指标。可靠性问题的严重性是在第二次世界大战反映出来的，从而引起有关国家的军事工业生产和科研部门的重视，并作为重大科研问题研究。4.1为什么研究可靠性一、可靠性的提出1、产品更新快，采用新技术等未成熟的实验即被采用。2、整机或系统复杂、零部件数量增多，发生故障的机会增多。3、工业化国家实行产品责任索赔办法，迫使生产厂家注重可靠性。4、产品或系统可靠性的提高可使用户获得较大的经济效益和社会效益。可靠性的发展

可靠性的研究开始于20世纪60年代美国的航天计划，起源于军用电子设备。机械和电子故障是NASA主要关心的问题，其中机械故障引起的事故多，损失大。如：1963年同步通讯卫星SYMCOMⅠ，高压容器断裂，引起卫星空中坠毁；1964年人造卫星Ⅲ号因机械故障而损坏1965年始，NASA开始三项机械可靠性工作用过载试验方法进行可靠性试验验证用随机动载荷验证结构和零件的可靠性在关键机械零件中采用概率设计方法，将可靠度设计到结构和机械零部件中从20世纪70年代起，西方工业发达国家全面开展可靠性工程实践和应用，可靠性技术变得越来越重要从航空、航天、尖端武器和电子等行业，逐步推广应用到各个行业：核能、机械、电气、冶金、化工、铁道、船舶、电站、建筑、水利、通讯、医药等从宇宙飞船到日用产品全面普及汽车、洗衣机、冰箱、复印机等NASA将可靠性工程技术列为登月成功的三大技术成就之一美国六七十年代就将可靠性技术引入汽车、发电设备、拖拉机、发动机等机械产品。80年代，美国罗姆航空研究中心专门作了一次非电子设备可靠性应用情况的调查分析。美国国防部可靠性分析中心（RAC）收集和出版了大量的非电子零部件的可靠性数据手册。以美国亚利桑那大学D.Kececioglu教授为首的可靠性专家开展机械可靠性设计理论的研究，积极推行概率设计法，提出开展机械概率设计的十五个步骤。日本以民用产品为主，大力推进机械可靠性的应用研究,1958年，日本成立了“可靠性研究委员会”，1973年成立“电子元件可靠性中心”日本科技联盟的一个机械工业可靠性分会将故障模式影响（FMEA）等技术成功地引入机械工业的企业中。日本企业界普遍认为：机械产品是通过长期使用经验的累积，发现故障，经过不断设计改进获得的可靠性。日本一方面采用成功的经验设计，同时采用可靠性的概率设计方法的结果以及与实物试验进行比较，总结经验，收集和积累机械可靠性数据根据日本统计资料介绍，在1971～1981年的10年中，电子产品可靠性水平显著提高，工程机械产品平均无故障时间提高了3倍。前苏联对机械可靠性的研究十分重视，50年代后期，前苏联开始可靠性研究在其二十年科技规划中，将提高机械产品可靠性和寿命作为重点任务之一。发布了一系可靠性国家标准，这些标准主要以机械产品为对象，适于机械制造和仪器仪表制造行业的产品。在各类机械设备的产品标准中，还规定了可靠性指标或相应的试验方案。苏联还充分利用丰富的实际经验，研究并提出典型机械零件的可靠性设计可经验公式，专门出版《机械可靠性设计手册》。苏联还十分重视工艺可靠性和制造过程的严格控制管理，认为这是保证机械产品可靠性的重要手段。80年代以来机械可靠性研究在我国开始受到重视，我国有关可靠性问题的研究。但是可靠性技术在一般工业和企业中的应用还不广泛，与先进工业国家还存在较大的差距。从1986年起，机械部已经发布了六批限期考核机电产品可靠性指标的清单，前后共有879种产品已经进行可靠性指标的考核1990年11月和1995年10月，机械工业部举行了两次新闻发布会，先后介绍了236和159种带有可靠性指标的机电产品1992年3月国防部科工委委托军用标准化中心在北京召开了“非电产品可靠性工作交流研讨会”2005年国家机械标准改版，增加机械可靠性内容阶段阶段成果第一阶段(1943—1958)，又称为铅笔一纸阶段研究认为，产品故障的发生及其原因是随机事件，随机性是事物的内在性质，具有不可避免性。第二阶段(1958—1968年)重新确定了故障原因随机性及其不可避免性的概念；对一些偶然故障找到了自身的解释；确定了产品设计、结构、工艺与故障间的关系；产品的可靠性信息更加完整，对故障本质的认识更加深入。第三阶段(1968年以后)形成了可靠性试验方法与数据处理方法；颁布了有关可靠性标准；建立了预防维修体系和可靠性管理机构；并使可靠性的教育更加普及。可靠性发展历史可靠性学科，就目前所涉及的内容来讲，大致有以下几个方面：

1）可靠性工程：指导工程实际的可靠性活动的一门学科。

2）可靠性物理：从机理的角度去研究产品造成不可靠的原因。

3）可靠性数学：作为可靠性活动的基础。

4）可靠性教育与管理：研究如何推行可靠性活动的一门学科。5）可靠性基础理论：包括可靠性数学和失效学两个研究领域。概率论与数理统计是可靠性研究的理论基础。6）可靠性应用技术：包括可靠性设计和预测，可靠性评价与验证，可靠性标准等。

1）可靠性理论应用到产品的可靠性评价方面，有可靠性评估与可靠性预测。

2）可靠性理论应用到产品、零件的设计上，有概率工程设计或可靠性设计。

3）将可靠性设计与优化理论结合起来，综合各方面的因素，考虑设计的最佳效果，有可靠性分配与可靠性优化。4）考虑设备的维修因素之后的可靠性问题，有系统的可维护性与可利用性的估计。5）作为以上各分支的基础，有可靠性试验及其数据处理。可靠性工程所包含的内容1）方案论证阶段：确定可靠性指标，对可靠性和成本进行估算。2）审批阶段：对可靠度及其增长初步评估、验证试验要求、评价和选择试制厂家。3）设计研制阶段：主要进行可靠性预测、分配和故障模式及综合影响分析，进行具体结构设计。4）生产及试验阶段：按规范进行寿命试验、故障分析及反馈、验收试验等。5）使用阶段：收集现场可靠性数据，为改型提供依据可靠性工程的一般步骤

产品质量是产品的一组固有特性满足顾客和其他相关要求的能力。产品可靠性是产品性能随时间的保持能力，换言之，要长时间地保持性能不出故障或出了故障能很快维修是产品很重要的质量特性。产品可靠性是产品最重要的质量指标之一，是产品技术性能和经济性的基本保证，并决定着产品在市场中的竞争能力。工程机械产品质量包括：技术性能、可靠性、工艺性、人机工程学特性、外观质量等特性。可靠性与产品质量

二、可靠性出现的原因传统的机械零件设计是以计算安全系数为主要内容的，即零件的安全系数（n）＝零件的强度（F）/零件的应力（S），且强度及压力均为单值来进行计算，但事实并非如此。虽然有较高的安全系数，但由于材料强度与应力分布并非单值的，因此，当处于某种情况时，应力S>材料强度F，这样零件就可能发生失效。传统的安全系数设计法的局限性：若应力和强度分布的标准差σS和σF保持不变，而以相同的比例K改变两个分布的平均值μS和μF，当K>1时，μS和μF右移，此时安全系数n＝μS/μF虽然没变，但是可靠性却提高了。当K<1时，情况正好相反。若保持应力和强度均值μS和μF不变，而各自的标准差σS和σF发生变化，也会发生故障概率的变化。原分布曲线，失效概率较大。

σS和σF均变大。

σS和σF均变小，

σS变大，σF变小。

σS变小，σF变大。若μS、μF、σS和σF均发生变化，失效概率变化更大。可靠性设计方法举例例1：设某零件的可靠度服从正态分布，并已知其平均寿命μt＝5000小时，标准差σ＝400小时，试求该零件工作4000小时后的可靠度。本问题即为求解t>4000小时的概率。即：解：1、计算联结系数Z。2、两种求解方法：计算法与查表法。计算法查表法当联结系数Z为负数时，查表获得的数值为可靠度R(t)＝99.38％。当μ和σ均服从正态分布时，则差值大于零的概率可以用下面参数关系式计算：上式为联结方程的另一种表达形式，这里可称为机械零件的可靠度方程。例2：设已知某零件的强度μF＝250MPa，标准差σF＝16MPa，又知道零件所受得应力μS＝210MPa，标准差σS＝20MPa，且均符合正态分布，试求零件的可靠度R。解：1、由于该零件的强度与所受应力数值均符合正态分布。根据联结方程（机械零件的可靠度方程）：2、查表可得该零件的失效概率Q：Q＝0.06＝6％，R＝1-Q＝94％，由此可以看出，虽然零件强度大于其受到的应力，但是，在实际情况下，仍然有6％的失效概率。这也是传统单值设计方法不足之处。可靠性包括两部分内容：可靠性理论基础和可靠性实用技术。可靠性设计是可靠性学科的重要分支，它的重要内容之一是可靠性预测，其次是可靠性分配。可靠性预测可靠性预测是一种预测方法，即从所得的失效数据预报一个零部件或系统实际可能达到的可靠度，预报这些零件或系统在规定的条件下和在规定的时间内，完成规定功能的概率。三、可靠性预测4.2可靠性1、可靠性：产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。“规定条件”包括使用时的环境条件和工作条件。产品的可靠性和它所处的条件关系极为密切，同一产品在不同条件下工作表现出不同的可靠性水平。（例如:汽车不同路行驶）“规定的时间”这个时间是广义的，除时间外，还可以是里程、次数等。产品的可靠性和时间的关系呈递减函数关系。“规定的功能”指的是产品规格书中给出的正常工作的性能指标。2、产品可靠性分类：1．固有可靠性----产品在设计、制造中赋予的，是一种固有特性，也是产品的开发者可以控制的。

2.使用可靠性----产品在实际使用过程中表现出的一种性能的保持能力的特性，它除了考虑固有可靠性的影响因素之外，还要考虑产品安装、操作使用和维修保障等方面因素的影响。3．基本可靠性—--产品在规定条件下无故障的持续时间或概率，它反映产品对维修人力的要求。因此在评定产品基本可靠性时应统计产品的所有寿命单位和所有故障，而不局限于发生在任务期间的故障，也不局限于是否危及任务成功的故障。4.任务可靠性—产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。提高任务可靠性可采用冗余或代替工作模式，不过这将增加产品的复杂性，从而降低基本可靠性，因此设计时要在两者之间进行权衡。2、产品可靠性分类：3可靠性与维修性的常用度量1．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称为可靠度，一般用R（t）表示。若产品的总数为N0，工作到t时刻产品发生的故障数为r（t），则产品在t时刻的可靠度的观测值为：2．工作到某时刻尚未发生故障（失效）的产品，在该时刻后单位时间内发生故障（失效）的概率，称之为产品的故障（失效）率，也称瞬时故障（失效）率。故障率一般用λ(t)表示：t时刻后,Δt时间内发生故障的产品数在t时刻没有发生故障的产品数所取时间间隔

3．平均失效（故障）前时间（MTTF）MTTF=当产品的寿命服从指数分布时，

MTTF=4．平均故障间隔时间（MTBF）MeanTimeBetweenFail可修复产品，MTBF==完全修复的产品，MTBF=MTTF=

5．产品在规定条件下贮存时，仍能满足规定质量要求的时间长度称为贮存寿命。产品出厂后，不工作，在规定的条件下贮存，产品也有一个非工作状态的偶然故障率，非工作的偶然故障率一般比工作故障率小得多，但贮存产品的可靠性也是在不断下降的。因此，贮存寿命是产品贮存可靠性的一种度量。6．平均修复时间:在规定的条件下和规定的时间内，产品在规定任一规定的维修级别上，修复性维修总时间与在该级别上被修复产品的故障总数之比。简单的说就是排除故障所需实际直接维修时间的平均值，（这里不包括维修保障的延误时间，例如等待备件等）。其观测值是修复时间t的总和与修复次数之比。4浴盆曲线大多数产品的故障率随时间的变化曲线形似浴盆（图4-1）,故将故障率曲线称为浴盆曲线。产品故障机理虽然不同,但产品的故障率随时间的变化大致可以分为三个阶段:早期故障期,偶然故障期,耗损故障期。早期故障期偶然故障期耗损故障期使用寿命维修后故障率下降规定的故障率λ（t）t图4-1产品典型的故障率曲线§4.3、系统的可靠性设计一个机械系统常常由许多子系统组成，而每个子系统又可能由若干个单元（零、部件）组成，因此，单元的功能及实现其功能的概率都直接影响系统的可靠度。系统的可靠性设计有两个方面：系统可靠性的预测和可靠性的分配。系统可靠性预测：按系统的组成形式，根据已知单元和子系统的可靠度计算求得。单元→子系统→系统，是一种合成方法。

系统可靠性分配：将已知系统的可靠性指标合理分配到各个单元和子系统上去。系统→子系统→单元，是一种分解方法。

系统模型及可靠度求解：1、串联系统：系统由相互独立可靠性的单元组成，当任一单元失效后，都会导致产品或整个系统失效。

串联系统的可靠度计算－概率乘法定律：RS(t)是系统的可靠度，Ri(t)是单元i的可靠度若在串联系统中，各单元的可靠度函数服从指数分布，则系统的失效率等于各组成单元失效率之和，即：则整个系统的可靠度为：例1：某电子产品有8个部件串联组成，可靠度服从指数分布，失效率λs(t)分别如表所示。预测该产品1000h及10h的可靠度。

产品代号12345678失效率（×10-6）1201001451070252018解：1、产品的失效率是各部件失效率的总和。2、产品1000小时和10小时的R为：

对于串联系统，虽然提高其组成单元的可靠度或降低他们的失效率可以提高整个系统的可靠度，但是提高单元可靠度必将提高产品的制造成本，因此，对于该系统来说，其总体可靠度较低，组成单元数目越多，其可靠性越低。

2、并联系统：只有当组成单元都失效时，整个系统才失效，因此，可以把同种零部件进行并联组合，在不提高零件可靠度的条件下，大幅度提高产品或系统的可靠度。

并联系统的失效率计算：概率乘法定律：QS(t)是系统的失效概率，Qi(t)是单元i的失效概率并联系统的可靠度计算：若在并联系统中，各单元的可靠度函数服从指数分布，则整个系统的可靠度为：对于并联系统，它的可靠度总是大于系统中任一个单元的可靠度，或者说，各单元的可靠度均低于系统的可靠度，另外，并联系统的组成单元越多，系统的可靠度越大，或者说，每个单元的可靠度可以越低。这对于降低产品成本是非常有帮助的。例2：某飞机有3台发动机驱动，只要有一台发动机工作，飞机就不致坠落，各台发动机的失效率分别为0.01％/小时，0.02％/小时，0.03％/小时，每航行一次飞行10小时，预测此飞机的可靠度。

解：1、先计算各台发动机的可靠度。λ1＝0.01％/小时，则当t＝10h时，同时其服从指数分布，则有

2、计算该飞机的可靠度。3、混联系统：由一些串联的子系统和一些并联的子系统组合而成的，可以分为两种：串－并联系统（先串联后并联）；并－串联系统（先并联后串联）。

混联系统的可靠度计算混联系统是由串联和并联系统的组合，它们的可靠度计算可直接参照串联和并联系统的公式进行。

并联系统可靠度串联系统可靠度4、表决系统：如果组成系统的n个单元中，只要有K个单元不失效，系统就不会失效，这样的系统称为n中取K系统，简写成K/n系统。n中取K系统分为两类：一类称为n中取K好系统，此时要求组成系统的n个单元中有K个以上完好，系统才能正常工作，记为K/n[G]；另一类称为n中取K坏系统，此时要求组成系统的n个单元中有K个以上失效，系统就不能正常工作，记为K/n[F]；5、备用冗余系统（储备系统）：一般来说，在产品或系统的构成种，把同种功能单元或部件重复配置以作备用，当其中一个单元或部件失效时，用备用的来代替（或自动或手动）以继续维持其功能。也称为等待系统，或旁联系统，或并联非贮备系统。该系统的特点是有一些并联单元，但他们并非同一时刻全部运行。

备用冗余系统的可靠度计算假定贮备单元在储备期时间t内不发生故障，且转换开关（自动或手动）是完全可靠的，则当各单元的可靠度函数是指数分布，并且λ1(t)＝λ2(t)＝…＝λn(t)＝λ时，系统的可靠度为：

5、复杂系统：非串并联系统和桥式网络系统都属于复杂系统。4.4故障（失效）分析1故障的定义及分类国标对故障的定义为：产品不能执行规定功能的状态，通常称为功能故障。与故障相应的失效的定义为：产品丧失规定功能能力的事件。1）按故障原因分：（1）误用故障：不按规定条件（2）本质故障：元件在规定条件下是有，因为自身原因造成的故障。（3）初次故障：一个产品的故障不是由另一个产品的故障而直接或间接引起的故障。（4）诱发故障：由另一个元件引起的故障。（5）独立故障：不是由另一个元件引起的故障而引起的故障。（6）早期故障：元件在寿命周期的早期因设计、制造、装配的缺陷引起的故障，其故障率随寿命单位的增加而降低。（7）偶然故障：由偶然因素引起的故障。（8）耗损故障：因疲劳、磨损、老化等原因引起的故障。其故障率随寿命单位的增加而增加。2）按故障的急速程度划分（1）突然故障：通过事先的测试或监控不能预测的故障。（2）渐变故障;通过事先的测试或监控可以预测的故障。3）按故障后果的严重划分（1）间歇故障；产品在发生故障后不经修复，而在规定时间内能自行恢复的故障（2）轻度故障：不致引起复杂元件完成规定功能能力降低的产品组成单元的故障（3）严重故障：导致元件不能完成规定任务的故障，有时称致命故障。（4）灾难故障：导致人员伤亡、系统毁坏、重大财产损失的故障。4）按功能划分（1）功能故障：某项目（或含有此项目的设备）不能满足规定的性能指标的故障。（2）潜在故障：元件或其组成部分即将不能完成规定功能的可鉴别状态。4.4.2故障（失效）分析1．故障（失效）分析的概念故障（失效）分析是指当产品发生故障（失效）后，通过对产品及其结构、使用和技术文件等进行逻辑系统的研究，即鉴别故障模式，确定故障原因和故障机理的研究。故障（失效）模式是指相对于给定的规定功能，故障元件的表现形式，它一般是能被观察到的一种故障现象，如电路的短路、开路，机械产品的工件断裂，过度损耗等。2.故障（失效）的分析作用故障的分析作用如下：（1）通过失效分析得到改进设计、工艺或应用理论。（2）通过了解引起故障的物理现象得到预测可靠性模型公式。（3）为可靠性实验条件提供理论依据和实际分析手段。（4）在处理工程中元器件质量问题时，为是否整批采用提供决策依据。（5）通过实施故障分析的纠正措施，可以提高成品率和可靠性。3.故障分析的步骤故障分析步骤可以总结为以下几步：（1）确认故障现象；（2