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标  题: 机械结构可靠性设计(转自白云黄鹤站）
发信站: 哈工大紫丁香 (2004年04月06日16:25:35 星期二), 站内信件

发信人: donob (生活需要慢镜头), 信区: Manufacture
标  题: 机械结构可靠性设计
发信站: 武汉白云黄鹤站 (2004年03月24日19:02:24 星期三), 站内信件

可靠性的概念
    可靠性的经典定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力
产品：指作为单独研究和分别试验对象的任何元件、设备或系统，可以是零件、部件，
也可以是由它们装配而成的机器，或由许多机器组成的机组和成套设备，甚至还把人的
作用也包括在内。在具体使用“产品”这一词时，其确切含义应加以说明。例如汽车板
簧、汽车发动机、汽车整车等。
规定条件：一般指的是使用条件,环境条件。包括应力温度、湿度、尘砂、腐蚀等，也包
括操作技术、维修方法等条件。
    规定时间：是可靠性区别于产品其他质量属性的重要特征，一般也可认为可靠性是
产品功能在时间上的稳定程度。因此以数学形式表示的可靠性各特征量都是时间的函数
。这里的时间概念不限于一般的年、月、日、分、秒，也可以是与时间成比例的次数、
距离。例如应力循环次数、汽车行驶里程。
    规定功能：道德要明确具体产品的功能是什么，怎样才算是完成规定功能。产品丧
失规定功能称为失效，对可修复产品通常也称为故障。怎样才算是失效或故障，有时很
容易判定，但更多情况则很难判定。当产品指的是某个螺丛，显然螺栓断裂就是失效；
当产品指的是某个设备，对某个零件损坏而该设备仍能完成规定功能就不能算失效或故
障，有时虽有某些零件损坏或松脱，但在规定的短时间内可容易地修复也可不算是失效
或故障。若产品指的是某个具有性能指标要求的机器，当性能下降到规定的指标后，虽
然仍能继续运转，但已应算是失效或故障。究竟怎样算是失效或故障，有时要涉及厂商
与用户不同看法的协商，有时要涉及当时的技术水平和经济政策等而作出合理的规定。

    能力：只是定性的理解是比较抽象的，为了衡量检验，后面将加以定量描述。产品
的失效或故障均具有偶然性，一个产品在某段时间内的工作情况并不很好地反映该产品
可靠性的高低，而应该观察大量该种产品的工作情况并进行合理的处理后才能正确的反
映该产品的可靠性，因此对能力的定量需用概率和数理统计的方法。
按产品可靠性的形成，可靠性可分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是通过设计
、制造赋予产品的可靠性；使用可靠性既受设计、制造的影响，又受使用条件的影响。
一般使用可靠性总低于固有可靠性。

可靠性的技术
    可靠性的技术基础范围是相当广泛的，大致分为定性和定量的两大类方法。
　　定量化的方法要从故障（失效）的概率分布讲起，如何能定量地设计、试验、控制
和管理产品的可靠性。定性方法则是经验为主，也就是要把过去积累处理失效的经验设
计到产品中，使它具有免故障的能力。定性和定量方法是相辅相成的。可靠性设计和试
验分析技术，其目的是在设计阶段预测和预防所有可能发生的故障和隐患，消除于未然
，把可靠性设计到产品中去。事中分析指产品在运行中的故障诊断、检测，和寿命预测
技术，以保持运行的可靠性。事后分析指产品发生故障或失效后的分析，找出产品故障
模式的原因，研究预防故障的技术。尤其是事前分析，这便是可靠性研究重点的重点，
美国工业中90%的可靠性成本用于设计上，而且在提高可靠性方面已积累了不少经验和技
术，以下作简单介绍。
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1～2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。
在机械结构的传统设计中，产品的设计者主要从满足产品使用要求和保证机械性能要求
出发进行产品设计。在满足这两方面要求的同时，必须利用工程设计经验，使产品尽可
能可靠，这种设计不能回答所涉及产品的可靠程度或发生故障概率是多少。
    当设计者不能确定设计变量和参数时，为了保证所设计的产品的结构安全可靠，一
般情况下在设计中引入一个大于1的安全系数，试图一次来保证机械产品不会发生故障。
所以传统设计方法一般也称“安全系数法”。
    安全系数法的基本思想是：机械结构在承受外载荷后，计算得到的应力应该小于该
结构材料的许用应力。

机械结构可靠性设计与传统安全系数法机械设计的关系
    在传统设计中，只要安全系数大于某一根据实际使用经验规定的数值就认为是安全
的。但安全系数本身就实质而言，仍是一个“未知”的系数。安全系数的概念本身包含
着一些无法定量表示的影响因素。不同的设计者由于经验的差异，其设计的结果有可能
偏于保守或危险，前者会导致结构尺寸过大，重量过重，费用增加，后者则可能使产品
故障频繁，甚至产生严重“机毁人亡”后果。
    从可靠性角度考虑，影响机械产品故障的各种因素可概括为“应力”和“强度”。
“应力”大于“强度”时，故障发生。应力包括各种环境因素，例如：温度、适度、腐
蚀、粒子辐射等。应力使一个受多种因素影响的随机变量，具有一定的分布规律。受材
料的讥刺恶性能、工艺环节的波动和加工精度等的影响，强度也是具有一定分布规律的
随机变量。在这种情况下，研究机械结构的可靠性问题就是机械概率可靠性设计。
    一概率论和树立统计位理论基础的可靠性设计方法比常规的安全系数法更合理，可
靠性设计能得到所要求的恰如其分的设计，能得到较小的零件尺寸、体积和重量，从而
节省原材料、加工时间，可以是所设计的零件具有可预测的寿命和失效概率，而安全系
数则不能。
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。

机械可靠性的设计方法
    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。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，可以采用提高平均强度（如通过大加安全系数实现
）、降低平均应力，减少应力变化（如通过对使用条件的限制实现）和减少强度变化（
如合理选择工艺方法，严格控制整个加工过程，或通过检验或试验剔除不合格的零件）
等方法来提高可靠性。对于涉及安全的重要零部件，还可以采用极限设计方法，以保证
其在最恶劣的极限状态下也不会发生故障。
    4.余度设计
    余度设计是对完成规定功能设置重复的结构、备件等，以备局部发生失效时，整机
或系统仍不致于发生丧失规定功能的设计。当某部分可靠性要求很高，但目前的技术水
平很难满足，比如采用降额设计、简化设计等可靠性设计方沙土，还不能达到可靠性要
求，或者提高零部件可靠性的改进费用比重复配置还高时，余度技术可能成为叭一或较
好的一种设计方法，例如采用双泵或双发动机配置的机械系统，但应该注意，余度设计
往往使整机的体积、重量、费用均相应增加。余度设计提高了机械系统的任务可靠度，
但基本可靠性相应降低了，因此采用余度设计时要慎重。
    5.耐环境设计
    耐环境设计是在设计时就考虑产品在整个寿命周期内可能遇到的各种环境影响，例
如装配、运输时的冲击，振动影响，贮存时的温度、湿度、霉菌等影响，使用时的气候
、沙尘振动等影响。因此，必须慎重选择设计方案，采取必要的保护措施，减少或消除
有害环境的影响。具体地讲，可以从认识环境、控制环境和适应环境三方面加以考虑。
认识环境指的是：不应只注意产品的工作环境和维修环境，还应了解产品的安装、贮存
、运输的环境。在设计和试验过程中必须同时考虑单一环境和组合环境两种环境条件；
不应只关心产品所处的自然环境，还要考虑使用过程所诱发出的环境。控制环境指的是
：在条件允许时，应在小范围内为所设计的零部件创造一个良好的工作环境条件，或人
为地改变对产品可靠性不利的环境因素。适应环境指的是：在无法对所有环境条件进行
人为控制时，在设计方案、材料选择、表面处理、涂层防护等方面采取措施，以提高机
械零部件本身耐环境的能力。
    6.人机工程设计
    人机工程设计的目的是为减少使用中人的差错，发挥人和机器各自的特点以提高机
械产品的可靠性。当然，人为差错除了人自身的原因外，操纵台、控制及操纵环境等也
与人的误操作有密切的关系。因此，人机工程设计是要保证系统向人传达的住处的可靠
性。例如，指示系统不仅显示器靠，而且显示的方式、显示器的配置等都使人易于无误
地接受；二是控制、操纵系统可靠，不仅仪器及机械有满意的精度，而且适于人的使用
习惯，便于识别操作，不易出错，与安全有关的，更应有防误操作设计；三是设计的操
作环境尽量适合于人的工作需要，减少引起疲劳、干扰操作的因素，如温度、湿度、气
压、光线、色彩、噪声、振动、沙尘、空间等。
    7.健壮性设计
    健壮性设计最有代表性的方法是日本田口玄一博士创立的田口方法，即所谓的一个
产品的设计应由系统设计、参数设计和容差设计的三次设计来完成，这是一种在设计过
程中充分考虚影响其可靠性的内外干扰而进行的一种优化设计。这种方法已被美国空军
制定的RM2000年中作为一种抗变异设计以及提高可靠性的有效方法。
    8.概率设计法
    概率设计法是以应力一强度干涉理论著基础的，应力一强度干涉理论将应力和强度
作为服从一定分布的随机变量处理。本书第3、4章将介绍这方面内容。
    9.权衡设计
    权衡设计是指在可靠性、维修性、安全性、功能重量、体积、成本等之间进行综合
权衡，以求得最佳的结果。
    10.模拟方法设计
    随着计算机技术的发展，模拟方法日趋完善，它不但可用于机械零件的可靠性定量
设计，也可用于系统级的可靠性定量设计。
    当然，机械可靠性设计的方法绝不能离开传统的机械设计和其它的一些优化设计方
法，如机械计算机辅助设计、有限元分析等。

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