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可靠性定义及其度量指标
【大纲考试内容要求】：
1、了解机械失效三个阶段和维修度、有效度、平均无故障工作时间；
2、熟悉可靠性、故障率、可靠性预计、人机界面设计要点。
【教材内容】：
第四节机械的可靠性设计与维修性设计
一、可靠性定义及其度量指标
(一)可靠性定义
所谓可靠性是指系统或产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。
这里所说的规定条件包括产品所处的环境条件(温度、湿度、压力、振动、冲击、尘埃、雨淋、日晒等)、使用条件(载荷大小和性质、操作者的技术水平等)、维修条件(维修方法、手段、设备和技术水平等)。在不同规定条件下，产品的可靠性是不同的。
规定时间是指产品的可靠性与使用时间的长短有密切关系，产品随着使用时间或储存时间的推移，性能逐渐劣化，可靠性降低。所以，可靠性是时间的函数。这里所规定的时间是广义的，可以是时间，也可以用距离或循环次数等表示。
(二)可靠性度量指标
1．可靠度
可靠度是可靠性的量化指标，即系统或产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的概率。可靠度是时间的函数，常用R(t)表示，称为可靠度函数。
产品出故障的概率是通过多次试验中该产品发生故障的频率来估计的。例如，取N个产品进行试验，若在规定时间t内共有Nf(t)个产品出故障，则该产品可靠度的观测值可用下式近似表示：
R(t)≈[N—Nf(t)]／N (4—7)
与可靠度相反的一个参数叫不可靠度。它是系统或产品在规定条件和规定时间内未完成规定功能的概率，即发生故障的概率，所以也称累积故障概率。
不可靠度也是时间的函数，常用F(t)表示。同样对N个产品进行寿命试验，试验到瞬间的故障数为Nf(t)，则当N足够大时，产品工作到t 瞬间的不可靠度的观测值(即累积故障概率)可近似表示为：
F(t)≈Nf(t)／N (4—8)
可靠度数值应根据具体产品的要求来确定，一般原则是根据故障发生后导致事故的后果和经济损失而定。
2．故障率(或失效率)
故障率是指工作到t 时刻尚未发生故障的产品，在该时刻后单位时间内发生故障的概率。故障率也是时间的函数，记为γ(t)，称为故障率函数。
产品的故障率是一个条件概率，它表示产品在工作到t 时刻的条件下，单位时间内的故障概率。它反映t 时刻产品发生故障的速率，称为产品在该时刻的瞬时故障率且γ(t)，习惯称故障率。
故障率的观测值等于N个产品在t时刻后单位时间内的故障产品数△Nf(t)／△t与在t时刻还能正常工作的产品数Ns(t)之比，即：
γ(t)＝△Nf(t)／[Ns(t)·△t] (4——9)
故障率(失效率)的常用单位为(1／106h)。
产品在其整个寿命期间内各个时期的故障率是不同的，其故障率随时间变化的曲线称为寿命的曲线，也称浴盆曲线，如图4—6所示。
由图可见，产品的失效过程可分为以下3个阶段：
(1)早期故障期。产品在使用初期，由于材质、设计、制造、安装及调整等环节造成的缺陷，或检验疏忽等原因存在的固有缺陷陆续暴露出来，此期间故障率较高，但经过不断的调试和排除故障，加之相互配合件之间的磨合，使故障率较快地降下来，并逐渐趋于稳定运转。
(2)偶发故障期。这个期间的故障率降到最低，且趋向常数，表示产品处于正常工作状态。这段时间较长，是产品的最佳工作期。这时发生的故障是随机的，是偶然原因引起应力增
加，当应力超过设计规定的额定值时，就可能发生故障。
(3)磨损故障期。这个时期的故障迅速上升，因为产品经长期使用后，由于磨损和老
化，大部分零组部件将接近或达到固有寿命期，所以故障率较高。
3．平均寿命(或平均无故障工作时间)
对非维修产品称平均寿命，其观测值为产品发生失效前的平均工作时间，或所有试验产品都观察到寿命终了时，它们寿命的算术平均值；对于维修产品来说，称平均无故障工作时间或平均故障间隔时间，其观测值等于在使用寿命周期内的某段观察期间累积工作时间与发生故障次数之比。
4．维修度
维修度是指维修产品发生故障后，在规定条件(备件贮备、维修工具、维修方法及维修技术水平等)和规定时间内能修复的概率，它是维修时间τ的函数，用M(τ)表示，称为维修度函数。
5．有效度
狭义可靠度R(t)与维修度M(f)的综合称为有效度，也称广义可靠度。其定义是，对维修产品，在规定的条件下使用，在规定维修条件下修理，在规定的时间内具有或维持其规定功能处于正常状态的概率。
二、系统或产品的可靠性预计
产品的可靠性预计是根据零组部件的可靠性数据来预算产品的可靠性指标，如可靠度、故障率或平均寿命等。
可靠性预计的目的是为可靠性设计选择最佳设计方案提供可靠依据，且在产品定型投产之前就可以对新产品的可靠性做出估计，若达不到预定指标，就可以针对发现的问题及时进行改进设计，从而取得事半功倍的效果。
(一)串联系统的可靠性预计
串联系统的可靠性表示系统中所有单元均正常时，系统才能正常工作。
串联系统的可靠性有如下特点：
(1)串联系统中单元数越多，则系统的可靠性越低；各单元本身的可靠性越低，则系统的可靠性越低。
(2)串联系统的可靠性Rs(t)总是小于系统中可靠度最低单元的可靠性Rimin，而且其寿命取决于该单元的寿命。
(二)并联系统的可靠性预计
并联系统可靠性表示系统中只要有一个单元能正常工作，系统就能正常工作。
并联系统的可靠度好像钢丝绳的可靠性，只有当所有钢丝绳均断裂，钢丝绳才能完全断开。当然，当断丝数达到一定数量就得降级使用或报废。钢丝绳的寿命是由寿命最长的那股钢丝决定的，故并联系统又称绳索模型。
(三)串并联系统的可靠性预计
任何一个串一并联系统总可以看成是由一些串联式和并联式子系统组合而成。在进行串一并联系统的可靠性预计时，只要用上述方法分别求出各子系统的可靠度，就可以使系统可靠性框图逐步简化，最后总可以简化成一个简单的串联系统或并联系统，于是可求出整个系统的可靠度。
机械设备结构可靠性设计要点
三、机械设备结构可靠性设计要点
(一)确定零件合理的安全系数
安全系数是指零件在理论上计算的承载能力与实际所能承担的负荷之比值。确定安全系数时应考虑以下几个因素：
(1)环境条件的影响如温度、湿度、冲击、振动等；
(2)使用中发生超负荷或误操作时的后果；
(3)为提高安全系数所付出的经济代价是否合算等。
安全系数的提高应通过优化结构设计来达到，而不是简单地通过增加构件尺寸、增加重量或增加费用等方法来实现。
(二)贮备设计(冗余设计)
贮备设计是指将若干功能相同的零组部件作为备用机构，当其中某个零组部件出现故障时，备用机构马上启动工作，使机器仍能保持正常工作。例如，滚动轴承中的双排滚珠，当其中一排损坏时，另一排仍可以维持正常工作。
采用贮备设计的产品，一般是有剧毒的化工设备、故障率较高的设备、流水生产线上的关键设备或一旦出现事故损失较大的设备。
贮备设计的目的在于提高可靠性，如果盲目采用，或设计不当将会因增加体积、重量和费用而导致相反的效果。
(三)耐环境设计
在产品设计时要考虑环境条件的影响，应进行耐机械应力(振动、冲击等)设计和抗气候条件(高温、低温、潮湿、雨淋、日晒、风化、腐蚀等)设计。设计时就应预计产品实际使用的环境条件，并采取相应的耐环境措施。为此，在设计、试制阶段要进行实验室模拟或现场作预计环境条件下的可靠性试验，如耐久性试验、寿命试验、环境试验、可靠性测定和可靠性验证等试验。
(四)简单化和标准化设计
产品简单化和标准化是提高可靠性的关键，即产品在满足功能要求的前提下，其结构越简单越好，因为这时零件数少了，发生故障的机会就少了。
在简单化和标准化设计中应注意如下几点：
(1)应避免单纯追求高水平及复杂化，尽量选用标准件。
(2)要处理好极限设计，设计时应考虑并保证产品在各种恶劣条件下工作的可靠性，可以通过保险机构、连锁机构等安全装置或安全措施来解决。
(五)提高结合部的可靠性
机械产品都是由若干零部件组成，故零部件间的结合部位很多。结合部位的配合性质有相对静止的，也有相对运动的，还有要求密封的，所以相应的有各种连接方式，如有螺栓螺母连接、焊接连接、销子或键连接、齿轮齿条连接、滑板与导轨连接或主轴与轴承连接以及法兰、密封圈与转轴或箱体连接等。这些结合部位的故障率一般都比较高，所以极易诱发其他故障的发生。为此，在可靠性设计时应特别注意设法提高结合部位的可靠度，即保证结合部的连接强度、刚度及配合精度和密封要求等。
(六)结构安全设计
在结构设计时，要做到结构合理，从根本上消除危险与有害因素，使操作者彻底从危险部位或危险状态下解脱出来，是提高产品可靠性和安全性的根本出路。例如，铁路上两节车厢之间的联接器，传统的方法用的是连杆插销联接器，工人在脱开或连接两节车厢时，必须接近两节车厢之间进行拔出或插入销子的操作，这时工人就处于可能被两节车厢撞击或挤伤的危险部位中，随时都可能被撞伤。而现在使用的车辆自动联接器，不需工人到两节车厢之间直接操作，而是利用低速相碰触自动连接。因为根除了危险因素，当然也就不会发生被车厢撞伤的事故了。
(七)设置齐全的安全装置
作为可靠性较高的现代化机械设备，已具备也必须具备必要的安全装置，以便用来防止超载、超行程、超温、超压、误操作、误接触、外部环境突变(如停电、停气等)而引起的事故以及限制事故的扩大。一般都是通过在线监测仪器及时捕捉异常信号的变化，当超限时立即发出警报信号、故障显示或自动停机等。这是设计、制造部门应完成的任务，绝不应把危险与有害因素等事故隐患留给用户。
(八)人机界面设计
人机界面是人与机器交换信息的环节，如果人机界面设计不当，人与机器相接触造成能量逸出，将直接会导致事故发生。所以在人机界面设计时，即人机工程设计时，必须考虑人的生理、心理因素，考虑人机协调关系，如人的正常生理能力和允许限度。要求所设计的显示器，长时间观察或监听而不易疲劳；操纵机构应设计成在操作时需要用的操作力不大，有“手感”而不沉重；控制器和显示器应尽量少而集中，配置合理，避免操作失误；
且设有连锁保护装置，做到即使误操作某一控制器也不会引起事故。
一、单选题:
1、 在（），机器的故障率降到最低，且趋向常数，这段时间较长，这时发生的故障是随机的，是偶然原因引起应力增加，当应力超过设计规定的额定值时，就可能发生故障。
A. 早期故障期
B. 偶发故障期
C. 正常工作期
D. 磨损故障期
A B C D
你的答案： 标准答案：b
本题分数： 16.67 分，你答题的情况为 错误 所以你的得分为 0 分
解 析：
--------------------------------------------------------------------------------
2、 （）是系统或产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的概率。
A. 可靠性
B. 成功率
C. 完成率
D. 可靠度
A B C D
你的答案： 标准答案：d
本题分数： 16.67 分，你答题的情况为 错误 所以你的得分为 0 分
解 析：
--------------------------------------------------------------------------------
3、 故障率是指工作到t 时刻尚未发生故障的产品，在该时刻后（）时间内发生故障的概率。
A. 一定
B. 单位
C. 相同
D. 较短
A B C D
你的答案： 标准答案：b
本题分数： 16.67 分，你答题的情况为 错误 所以你的得分为 0 分
解 析：
--------------------------------------------------------------------------------
4、 以下有关串并联系统说法正确的是（）
A.串联系统中单元数越多，则系统的可靠性越高
B.串联系统的可靠性总是大于系统中可靠度最低单元的可靠性
C.并联系统可靠性表示系统中所有单元都能正常工作，系统才能正常工作。
D. 任何一个串一并联系统总可以看成是由一些串联式和并联式子系统组合而成
A B C D
你的答案： 标准答案：d
本题分数： 16.67 分，你答题的情况为 错误 所以你的得分为 0 分
解 析：
--------------------------------------------------------------------------------
5、 现在使用的车辆自动联接器，不需工人到两节车厢之间直接操作，而是利用低速相碰触自动连接，从而不会发生被车厢撞伤的事故，这是应用了（）。
A. 耐环境设计
B. 结构安全设计
C. 简单化和标准化设计
D. 提高结合部的可靠性
A B C D
你的答案： 标准答案：b
本题分数： 16.67 分，你答题的情况为 错误 所以你的得分为 0 分
解 析：
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二、多选题:
6、 安全系数是指零件在理论上计算的承载能力与实际所能承担的负荷之比值。确定安全系数时应考虑的因素有：（ ）
A、对人危害程度大小
B、环境条件的影响
C、使用中发生超负荷或误操作时的后果
D、为提高安全系数所付出的经济代价是否合算
E、操作人员技术水平
A B C D E
你的答案： 标准答案：b, c, d
本题分数： 33.33 分，你答题的情况为 错误 所以你的得分为 .00 分
解 析：
--------------------------------------------------------------------------------
7、 以下是机械设备结构可靠性设计要点的是：（）。
A. 确定零件合理的安全系数
B. 经济合理性设计
C. 冗余设计
D. 设置齐全的安全装置
E. 耐环境设计
A B C D E
你的答案： 标准答案：a, c, d, e
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