可靠性论文_可靠性分析论文

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机械可靠性设计

1.机械可靠性技术的发展历程

可靠性技术的研究开始于20世纪20年代，在结构工程设计中的应用始于20世纪柏年代。可靠性技术最早应用在二战末期德国V一Ⅱ火箭的诱导装置上。德国火箭研究机构参加人之一R．Luer首先提出了利用概率乘积法则，把一个系统的可靠度看成该系统的子系统可靠度的乘积。自从1946年Freuenthal在国际上发表“结构的安全度”一文以来，可靠性问题扦始引起学术界和工程界的普遍关注与重视。从已有的资料了解到国内外机械产品可靠性研究状况如下：

美国的可靠性研究起步较早，在机械产品可靠性理论方面，一亚利桑那大学

D.Kececioglu教授为首。主要研究机械零件的可靠性概率设计方法。在机械故障预防和检测方面，以机械故障预防小组（MFPG）为代表对设计、诊断、监测、故障等进行研究，在可靠性数据的收集和分析方面取得了很大的进步，并且编制了一些可靠性设计手册和指南、可靠性数据手册。

日本的可靠性设计是从美国引进的，以民用产品为主，强调实用化，日本科技联盟是其全国可靠性技术的推广机构。在可靠性工程应用方面，比较重视可靠性试验、故障诊断和寿命预测技术的研究与应用，以及产品失效分析、现场使用数据的收集和反馈。原苏联对机械可靠性的研究十分重视，并有其独到之处。其可靠性技术应用主要靠国家标准推动，发布了一系列可靠性标准。他们认为可靠性技术的主要内容是预测，即在产品设计和样机试验阶段，预测和评估在规定的条件下的使用可靠性，研究各项指标随时间变化的过程。他们认为可靠性研究的方向主要有两个：一是可靠性数学统计方法和使用信息的统计处理技术，以及保证复杂系统可靠性的技术。二是适于机械制造行业，包括无力故障学机械零件的耐磨、耐热、耐蚀等设计方法以及保证可靠性的工艺的方法研究。

英国国家可靠性分析中心（NCRS）成立了机械可靠性研究小组，汇编出版了《机械系统可靠性》一书。从失效模式、使用环境、故障性质、筛选效果、实验难度、维修方式和数据积累等7个方面阐明了机械可靠性应用的重点，提出了几种机械系统可靠性的评估方法，并强调重视数据积累。

我国对机械产品可靠性研究起步较晚，20世纪80年代才得到较快发展，机械行业相继成立了可靠性研究的相关协会，各有关院所和高校也开展了机械产品可靠性研究，制定了一批可靠性标准，取得了较大的成果。但总的看来，理论研究多，实际应用少，与西方国家差距大，有些成果尚不能完整地成熟地应用在不同的机械系统中

2.广义可靠性的研究现状

广义可靠性包括：狭义可靠性与维修性，是指产品在其整个寿命期限内完成规定功能的能力。广义可靠性亦称随即模糊可靠性，是同时考虑，不确定因素中随机性和模糊性的总称，广义可靠性对于可能维修的产品和不可维修的产品有不同的意义，对于可能维修的产品来说，除了要考虑提高其可靠性外，还应考虑提高其维修性，而对不可维修的产品来说，由于不存在维修问题，只需考虑提高其可靠性。1 可靠性理论

1.1 常规的机械设计中，通常采用安全系数法或许用应力法，它的出发点是使作用在危险截面上的工作应力S小于或等于其许用应力[S]，而[S]是由极限应力S除以大于1的安全系数n而得到的；也可以使机械零件的计算安全系数n大于预期的许用安全系数

[n]。即：

S≤[S]=S/n n=S/n≥[n]

这种常规设计方法沿用了许多年，只要安全系数选用适当，是一种可行的设计方法，但是随着产品日趋复杂，对其可靠性要求愈来愈高，常规方法就显得不够完善。首先，大量的实验表明，现实的设计变量如截荷、极限应力以及材料硬度、尺寸等都是随机变量，都呈现或大或小的离散性，都应该依概率取值，不考虑这一点，设计出来的结果难免与实际脱节。其次，常规设计方法的关键是选取安全系数，过大，造成浪费，过小，影响正常使用，但在选取安全系数时常常没有确切的选择尺度，其结果是使设计极易受局部经验所影响。所以为了使设计更符合实际，应该在常规方法的基础上进行概率设计。概率设计的主要特点是：第一，概率设计与常规设计的关系不是对立的，而是继承和发展的，在概率设计中同样用到各种符合实际的力学模型、系数和经验公式，但是，概率设计所使用的数据是以统计数据为基础，要在统计分布的基础上观察所有设计变量。比如在选用材料时，只有均值高、标准差又得到控制的才是好材料。第二，概率设计用平均安全裕度（平均安全系数）和可靠度作为设计目标，尤以后者更为重要。因为可靠度综合考虑了各设计变量的统计分布特性，定量地用概率表达所设计产品的可靠程度，因而更能反映实际情况。第三，概率设计重视收集和积累各种可靠性数据，特别注意信息反馈，从而在客观上形成了良性循环，并能使设计和管理工作有机结合。最终使概率设计逐步走上实用化的道路。

1.2 应力--强度干涉模型概率设计所依据的模型主要是应力--强度干涉模型。在常规设计中，将强度γ和应力S都视为常量，然而，零件本身的固有强度要受许多偶然因素的影响。比如，零件材料和金相不均匀、零件表面光洁度具有离散性、零件尺寸加工具有随机误差等等，因此实际中强度是一个随机变量。当然工作应力由于温度、载荷、湿度及振动等偶然因素的影响，在实际中也是一个随机变量。这样机械零件的强度和工作应力在实际中都服从一定的概率分布，两者的pdf曲线通常都部分重叠或称干涉。其重叠程度或干涉面积直接反映了可靠度的大小，应用应力与强度的干涉模型提出的一种概率设计理论是进行概率设计的基本依据。

3.机械产品可靠性设计的几大难点

与电子产品可靠性设计相比，机械产品可靠性设计呈现出以下特点，也是设计中的难点。

（1）机械产品故障模式多，且复杂。电子产品的失效模式比较简单，而机械产品的失效模式比较复杂，多元化，主要表现为疲劳、磨损、腐蚀、老化等。

（2）故障原因复杂，多为关联故障。电子产品在使用过程中发生的故障主要是由偶然因素造成的，而机械产品在使用过程中发生的故障原因比较复杂，有许多不定因

素引起的，多为关联故障。

（3）工作应力变化大，材料本身也存在区别。电子产品的应力容易预计而机械产品的应力波动比较大，材料的强度难以预计。

（4）早期故障不易排除。电子产品可以通过筛选等排除早期失效，在经济上是合理且有效的，而机械产品要开展这项工作在经济上是困难的。

（5）难以采用标准零部件。一般情况下组成电子产品的元器件是标准件，其基本失效率接近常数，应此可按指数分布进行处理。一旦获得其基本失效率数据、考虑环境因子等，则可进行电子产品的可靠性预计，而组成机械产品的零部件除标准件外有许多是非标准件，由于工作和使用环境的变化性，即使是标准件，在不同的情况下，它的失效率也不一样，而且很难测定分布情况。

（6）维修方式也存在区别。电子产品常常用更换的方式进行维修，而机械产品常用修复和更换相结合的方式进行。

（7）试验方案相差巨大。电子产品的可靠性试验方案比较成熟，而机械产品的寿命和可靠性试验一般是小子样，试验时间长，且无公认的可靠性鉴定试验统计方案，不同的机械产品其可靠性试验方案也存在差别。

（8）可靠性数据比较缺乏。电子产品的可靠性数据已经形成若干手册或文件，而机械产品的可靠性数据还十分缺乏，这为机械可靠性研究带来困难。

4.现有的可靠性设计方法

将规定的可靠性各种指标设计设计到零件中去，从而提高产品的可靠性的各种方法统称为可靠性设计方法。它包括定性分析和定量计算两种，有代表性的机械产品可靠性的设计方法有TCCP法、概率设计法、平均故障率法、稳健性设计、FMECA分析和FTA分析。2 应用实例由常规设计得到的转轴结构，其危险截面的参数如表1所示。轴的材料为45钢。由手册查得σ=650N/mm，σ=300N/mm，试按可靠度R=0.999来设计I—I截面的轴径（按正态分布计算）。解：

①工作应力计算，由于轴径d未知，只计算V取V=0.13，V=0.12

由变差系数公式得V==0.11

②计算极限应为。暂取综合影响系数

K=3.5，V=0.04，Vσ=0.06则

σ===85.71N/mm

V=V+V+V•V）=（0.06+0.04+0.06×0.04）=0.087

tgθ=•==2.19906

p===5420.05

σ=－p=－5420.05=38.84N/mm

σ=•σ=93.83N/mm

③计算R=0.999下轴能承受的工作应为σ。此时取V=Vσ=0.087，由于R=0.999查表得β=Φ（R）=3.090，故

β=1－βV=1－3.090×0.087=0.92773

β=1－βV=1－3.090×0.11=0.88447

σ=ι==61.15N/mm

④设计轴径d=()=(•）=67.94mm

若取d=68mm，或70mm可以保证R=0.999

5.机械可靠性发展展望

可靠性的思想与目前最先进的6&管理思想不谋而合，同样是以精确的数字为标准对质量、性能进行控制，二者从不同角度提高产品质量，不同于以往模糊的定性的方法。当前对于机械产品的可靠性预计方法还处于静态预测，不能考虑衡量其磨损老化过程，国外提出的可靠性概率——物理模型，应用失效机理的物理参数作为预计参数，为机械产品可靠性的预计指出了研究方向。

机械产品可靠性是小样本，有时候甚至是零失效，因此利用其老化数据的获取对小样本或无失效数据的可靠性评估方法的研究也是一个重要的发展方向。

机械产品有着复杂的环境应力，因此环境引力对机械系统材料老化、损耗过程的影响和机械材料失效机理与环境的关系研究也是非常重要的。

可靠性增长目前还没有具体的解决模型，对于机械类产品，应用高应力进行加速可靠性增长试验是非常有必要的。

微型零件在其他领域的应用日趋广泛微型机械的失效机理和宏观的失效机理有很大不同，因此微型机械的可靠性问题也是可靠性未来发展的一个焦点问题。

综上表明：只有把宏观上的可靠性统计、试验、技术等问题和微观上材料的失效机理及其老化过程等问题研究结合起来，共同解决才会更有助于推进机械可靠性技术的发展。

结束：

机械结构的可靠性是由设计决定的，而由制造、安装和管理来保证的。因此将概率设计理论和可靠性分析与设计方法应用于机械结构设计中，才能得到既有足够安全可靠性又有适当经济性的优化结构。

[15] 牟致忠.机械零件可靠性设计[M].北京:机械工业出版社,1988.[16] 叶永烈,苏智剑等.现代设计方法概论[M].郑州:河南科学技术出版社,1996.[17] 刘惟信.机械可靠性设计[M].北京：清华大学出版社,1996.[18] 臧勇.现代机械设计方法[M].北京:冶金工业出版社,1998.[19] 王成焘.现代机械设计思想与方法[M].上海:上海科学技术文献出版社,1999.[20] 高社生，张玲霞.可靠性理论与工程应用[M].北京：国防工业出版社，2002.[21] 朱文予.机械可靠性设计[M].上海：上海交通大学出版社，1992

[22] 年致忠.机械零件可靠性设计[M].北京：机械工业出版社，1988.[23] 丁宗海,董丽筠等.中国机械工业科学技术发展后30年[M].(1991年-2020年)北京:北京机械工业出版社,1993.[26] 王时任，陈继平.可靠性工程概论[M].武汉：华中理工大学出版社，1983.[27] 张小勤，莫才颂.机械零部件的可靠性设计分析[J].茂名学院学报，2008（2）,29-31.[28] 王启,王文博.常用机械零部件可靠性设计[M].北京:机械工业出版社,1996.7］王梓坤.概率论基础及应用[M].北京：科学出版社，1979

［8］东北大学《机械零件设计手册》编写组.机械零件设计手册.北京：冶金工业出版社，1994

［9］孙志理，陈良玉.实用机械可靠性设计理论与方法［M］.北京：科学技术出版社，2003 ［10］金星，洪延姬，沈怀荣等.可靠性数据计算及应用［M］.北京：国防工业出版社，2003

［11］刘品编著.可靠性工程基础［M］.北京：中国计量出版社，2008

［12］吴波，黎明发.机械零件与系统可靠性模型[M ].北京: 化学工业出版社，2003 ［13］叶永，田斌.结构可靠度分析方法探讨[J ].云南水利发电，2003，20(1)：48255 ［27］赵永翔.低周疲劳短裂纹行为和可靠性分析[M].成都：西南交通大学出版社，2006 ［28］谢里阳，何雪浤，李佳.机电系统可靠性与安全性设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006

［29］高镇同.疲劳应用统计学[M].北京：国防工业出版社，1986

［30］杨为民，盛一兴.系统可靠性数字仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，1990 ［31］孙志礼，陈良玉.实用机械可靠性设计理论与方法[M].北京：科学出版社，2003 ［32］Ernst G Frankel，Systems Reliability and Risk Analysis，Marionus Nijjboff Pub.，1984

[5] Bazovsky I Reliability Theory and Practice[M].New York: Academic Pre., 1968.