機(jī)械的可靠性設(shè)計(jì)與維修性設(shè)計(jì)

15/15可靠性定義及其度量指標(biāo)【大綱考試內(nèi)容要求】：

1、了解機(jī)械失效三個(gè)時(shí)期和維修度、有效度、平均無故障工作時(shí)刻；

2、熟悉可靠性、故障率、可靠性可能、人機(jī)界面設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

【教材內(nèi)容】：

第四節(jié)機(jī)械的可靠性設(shè)計(jì)與維修性設(shè)計(jì)

一、可靠性定義及其度量指標(biāo)

(一)可靠性定義

所謂可靠性是指系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)刻內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。

那個(gè)地點(diǎn)所講的規(guī)定條件包括產(chǎn)品所處的環(huán)境條件(溫度、濕度、壓力、振動(dòng)、沖擊、塵埃、雨淋、日曬等)、使用條件(載荷大小和性質(zhì)、操作者的技術(shù)水平等)、維修條件(維修方法、手段、設(shè)備和技術(shù)水平等)。在不同規(guī)定條件下，產(chǎn)品的可靠性是不同的。

規(guī)定時(shí)刻是指產(chǎn)品的可靠性與使用時(shí)刻的長(zhǎng)短有緊密關(guān)系，產(chǎn)品隨著使用時(shí)刻或儲(chǔ)存時(shí)刻的推移，性能逐漸劣化，可靠性降低。因此，可靠性是時(shí)刻的函數(shù)。那個(gè)地點(diǎn)所規(guī)定的時(shí)刻是廣義的，能夠是時(shí)刻，也能夠用距離或循環(huán)次數(shù)等表示。

(二)可靠性度量指標(biāo)

1．可靠度

可靠度是可靠性的量化指標(biāo)，即系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)刻內(nèi)完成規(guī)定功能的概率?？煽慷仁菚r(shí)刻的函數(shù)，常用R(t)表示，稱為可靠度函數(shù)。

產(chǎn)品出故障的概率是通過多次試驗(yàn)中該產(chǎn)品發(fā)生故障的頻率來可能的。例如，取N個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，若在規(guī)定時(shí)刻t內(nèi)共有Nf(t)個(gè)產(chǎn)品出故障，則該產(chǎn)品可靠度的觀測(cè)值可用下式近似表示：

R(t)≈[N—Nf(t)]／N

(4—7)

與可靠度相反的一個(gè)參數(shù)叫不可靠度。它是系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)刻內(nèi)未完成規(guī)定功能的概率，即發(fā)生故障的概率，因此也稱累積故障概率。

不可靠度也是時(shí)刻的函數(shù)，常用F(t)表示。同樣對(duì)N個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)到瞬間的故障數(shù)為Nf(t)，則當(dāng)N足夠大時(shí)，產(chǎn)品工作到t瞬間的不可靠度的觀測(cè)值(即累積故障概率)可近似表示為：

F(t)≈Nf(t)／N

(4—8)

可靠度數(shù)值應(yīng)依照具體產(chǎn)品的要求來確定，一般原則是依照故障發(fā)生后導(dǎo)致事故的后果和經(jīng)濟(jì)損失而定。

2．故障率(或失效率)

故障率是指工作到t時(shí)刻尚未發(fā)生故障的產(chǎn)品，在該時(shí)刻后單位時(shí)刻內(nèi)發(fā)生故障的概率。故障率也是時(shí)刻的函數(shù)，記為γ(t)，稱為故障率函數(shù)。

產(chǎn)品的故障率是一個(gè)條件概率，它表示產(chǎn)品在工作到t時(shí)刻的條件下，單位時(shí)刻內(nèi)的故障概率。它反映t時(shí)刻產(chǎn)品發(fā)生故障的速率，稱為產(chǎn)品在該時(shí)刻的瞬時(shí)故障率且γ(t)，適應(yīng)稱故障率。

故障率的觀測(cè)值等于N個(gè)產(chǎn)品在t時(shí)刻后單位時(shí)刻內(nèi)的故障產(chǎn)品數(shù)△Nf(t)／△t與在t時(shí)刻還能正常工作的產(chǎn)品數(shù)Ns(t)之比，即：

γ(t)＝△Nf(t)／[Ns(t)·△t]

(4——9)

故障率(失效率)的常用單位為(1／106h)。

產(chǎn)品在其整個(gè)壽命期間內(nèi)各個(gè)時(shí)期的故障率是不同的，其故障率隨時(shí)刻變化的曲線稱為壽命的曲線，也稱浴盆曲線，如圖4—6所示。

由圖可見，產(chǎn)品的失效過程可分為以下3個(gè)時(shí)期：

(1)早期故障期。產(chǎn)品在使用初期，由于材質(zhì)、設(shè)計(jì)、制造、安裝及調(diào)整等環(huán)節(jié)造成的缺陷，或檢驗(yàn)疏忽等緣故存在的固有缺陷陸續(xù)暴露出來，此期間故障率較高，但通過不斷的調(diào)試和排除故障，加之相互配合件之間的磨合，使故障率較快地降下來，并逐漸趨于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2)偶發(fā)故障期。那個(gè)期間的故障率降到最低，且趨向常數(shù)，表示產(chǎn)品處于正常工作狀態(tài)。這段時(shí)刻較長(zhǎng)，是產(chǎn)品的最佳工作期。這時(shí)發(fā)生的故障是隨機(jī)的，是偶然緣故引起應(yīng)力增

加，當(dāng)應(yīng)力超過設(shè)計(jì)規(guī)定的額定值時(shí)，就可能發(fā)生故障。

(3)磨損故障期。那個(gè)時(shí)期的故障迅速上升，因?yàn)楫a(chǎn)品經(jīng)長(zhǎng)期使用后，由于磨損和老

化，大部分零組部件將接近或達(dá)到固有壽命期，因此故障率較高。

3．平均壽命(或平均無故障工作時(shí)刻)

對(duì)非維修產(chǎn)品稱平均壽命，其觀測(cè)值為產(chǎn)品發(fā)生失效前的平均工作時(shí)刻，或所有試驗(yàn)產(chǎn)品都觀看到壽命終了時(shí)，它們壽命的算術(shù)平均值；關(guān)于維修產(chǎn)品來講，稱平均無故障工作時(shí)刻或平均故障間隔時(shí)刻，其觀測(cè)值等于在使用壽命周期內(nèi)的某段觀看期間累積工作時(shí)刻與發(fā)生故障次數(shù)之比。

4．維修度

維修度是指維修產(chǎn)品發(fā)生故障后，在規(guī)定條件(備件貯備、維修工具、維修方法及維修技術(shù)水平等)和規(guī)定時(shí)刻內(nèi)能修復(fù)的概率，它是維修時(shí)刻τ的函數(shù)，用M(τ)表示，稱為維修度函數(shù)。

5．有效度

狹義可靠度R(t)與維修度M(f)的綜合稱為有效度，也稱廣義可靠度。其定義是，對(duì)維修產(chǎn)品，在規(guī)定的條件下使用，在規(guī)定維修條件下修理，在規(guī)定的時(shí)刻內(nèi)具有或維持其規(guī)定功能處于正常狀態(tài)的概率。

二、系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠性可能

產(chǎn)品的可靠性可能是依照零組部件的可靠性數(shù)據(jù)來預(yù)算產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，如可靠度、故障率或平均壽命等。

可靠性可能的目的是為可靠性設(shè)計(jì)選擇最佳設(shè)計(jì)方案提供可靠依據(jù)，且在產(chǎn)品定型投產(chǎn)之前就能夠?qū)π庐a(chǎn)品的可靠性做出可能，若達(dá)不到預(yù)定指標(biāo)，就能夠針對(duì)發(fā)覺的問題及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而取得事半功倍的效果。

(一)串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性可能

串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性表示系統(tǒng)中所有單元均正常時(shí)，系統(tǒng)才能正常工作。

串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性有如下特點(diǎn)：

(1)串聯(lián)系統(tǒng)中單元數(shù)越多，則系統(tǒng)的可靠性越低；各單元本身的可靠性越低，則系統(tǒng)的可靠性越低。

(2)串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性Rs(t)總是小于系統(tǒng)中可靠度最低單元的可靠性Rimin，而且其壽命取決于該單元的壽命。

(二)并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性可能

并聯(lián)系統(tǒng)可靠性表示系統(tǒng)中只要有一個(gè)單元能正常工作，系統(tǒng)就能正常工作。

并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度看起來鋼絲繩的可靠性，只有當(dāng)所有鋼絲繩均斷裂，鋼絲繩才能完全斷開。因此，當(dāng)斷絲數(shù)達(dá)到一定數(shù)量就得降級(jí)使用或報(bào)廢。鋼絲繩的壽命是由壽命最長(zhǎng)的那股鋼絲決定的，故并聯(lián)系統(tǒng)又稱繩索模型。

(三)串并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性可能

任何一個(gè)串一并聯(lián)系統(tǒng)總能夠看成是由一些串聯(lián)式和并聯(lián)式子系統(tǒng)組合而成。在進(jìn)行串一并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性可能時(shí)，只要用上述方法分不求出各子系統(tǒng)的可靠度，就能夠使系統(tǒng)可靠性框圖逐步簡(jiǎn)化，最后總能夠簡(jiǎn)化成一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)系統(tǒng)或并聯(lián)系統(tǒng)，因此可求出整個(gè)系統(tǒng)的可靠度。機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)要點(diǎn)三、機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)要點(diǎn)(一)確定零件合理的安全系數(shù)安全系數(shù)是指零件在理論上計(jì)算的承載能力與實(shí)際所能承擔(dān)的負(fù)荷之比值。確定安全系數(shù)時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：(1)環(huán)境條件的阻礙如溫度、濕度、沖擊、振動(dòng)等；(2)使用中發(fā)生超負(fù)荷或誤操作時(shí)的后果；(3)為提高安全系數(shù)所付出的經(jīng)濟(jì)代價(jià)是否合算等。安全系數(shù)的提高應(yīng)通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來達(dá)到，而不是簡(jiǎn)單地通過增加構(gòu)件尺寸、增加重量或增加費(fèi)用等方法來實(shí)現(xiàn)。(二)貯備設(shè)計(jì)(冗余設(shè)計(jì))貯備設(shè)計(jì)是指將若干功能相同的零組部件作為備用機(jī)構(gòu)，當(dāng)其中某個(gè)零組部件出現(xiàn)故障時(shí)，備用機(jī)構(gòu)立即啟動(dòng)工作，使機(jī)器仍能保持正常工作。例如，滾動(dòng)軸承中的雙排滾珠，當(dāng)其中一排損壞時(shí)，另一排仍能夠維持正常工作。采納貯備設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，一般是有劇毒的化工設(shè)備、故障率較高的設(shè)備、流水生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備或一旦出現(xiàn)事故損失較大的設(shè)備。貯備設(shè)計(jì)的目的在于提高可靠性，假如盲目采納，或設(shè)計(jì)不當(dāng)將會(huì)因增加體積、重量和費(fèi)用而導(dǎo)致相反的效果。(三)耐環(huán)境設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要考慮環(huán)境條件的阻礙，應(yīng)進(jìn)行耐機(jī)械應(yīng)力(振動(dòng)、沖擊等)設(shè)計(jì)和抗氣候條件(高溫、低溫、潮濕、雨淋、日曬、風(fēng)化、腐蝕等)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)可能產(chǎn)品實(shí)際使用的環(huán)境條件，并采取相應(yīng)的耐環(huán)境措施。為此，在設(shè)計(jì)、試制時(shí)期要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬或現(xiàn)場(chǎng)作可能環(huán)境條件下的可靠性試驗(yàn)，如耐久性試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、可靠性測(cè)定和可靠性驗(yàn)證等試驗(yàn)。(四)簡(jiǎn)單化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品簡(jiǎn)單化和標(biāo)準(zhǔn)化是提高可靠性的關(guān)鍵，即產(chǎn)品在滿足功能要求的前提下，其結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單越好，因?yàn)檫@時(shí)零件數(shù)少了，發(fā)生故障的機(jī)會(huì)就少了。在簡(jiǎn)單化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：(1)應(yīng)幸免單純追求高水平及復(fù)雜化，盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件。(2)要處理好極限設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮并保證產(chǎn)品在各種惡劣條件下工作的可靠性，能夠通過保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、連鎖機(jī)構(gòu)等安全裝置或安全措施來解決。(五)提高結(jié)合部的可靠性機(jī)械產(chǎn)品差不多上由若干零部件組成，故零部件間的結(jié)合部位專門多。結(jié)合部位的配合性質(zhì)有相對(duì)靜止的，也有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，還有要求密封的，因此相應(yīng)的有各種連接方式，如有螺栓螺母連接、焊接連接、銷子或鍵連接、齒輪齒條連接、滑板與導(dǎo)軌連接或主軸與軸承連接以及法蘭、密封圈與轉(zhuǎn)軸或箱體連接等。這些結(jié)合部位的故障率一般都比較高，因此極易誘發(fā)其他故障的發(fā)生。為此，在可靠性設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特不注意設(shè)法提高結(jié)合部位的可靠度，即保證結(jié)合部的連接強(qiáng)度、剛度及配合精度和密封要求等。(六)結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要做到結(jié)構(gòu)合理，從全然上消除危險(xiǎn)與有害因素，使操作者完全從危險(xiǎn)部位或危險(xiǎn)狀態(tài)下解脫出來，是提高產(chǎn)品可靠性和安全性的全然出路。例如，鐵路上兩節(jié)車廂之間的聯(lián)接器，傳統(tǒng)的方法用的是連桿插銷聯(lián)接器，工人在脫開或連接兩節(jié)車廂時(shí)，必須接近兩節(jié)車廂之間進(jìn)行拔出或插入銷子的操作，這時(shí)工人就處于可能被兩節(jié)車廂撞擊或擠傷的危險(xiǎn)部位中，隨時(shí)都可能被撞傷。而現(xiàn)在使用的車輛自動(dòng)聯(lián)接器，不需工人到兩節(jié)車廂之間直接操作，而是利用低速相碰觸自動(dòng)連接。因?yàn)楦宋ｋU(xiǎn)因素，因此也就可不能發(fā)生被車廂撞傷的事故了。(七)設(shè)置齊全的安全裝置作為可靠性較高的現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備，已具備也必須具備必要的安全裝置，以便用來防止超載、超行程、超溫、超壓、誤操作、誤接觸、外部環(huán)境突變(如停電、停氣等)而引起的事故以及限制事故的擴(kuò)大。一般差不多上通過在線監(jiān)測(cè)儀器及時(shí)捕捉異常信號(hào)的變化，當(dāng)超限時(shí)立即發(fā)出警報(bào)信號(hào)、故障顯示或自動(dòng)停機(jī)等。這是設(shè)計(jì)、制造部門應(yīng)完成的任務(wù)，絕不應(yīng)把危險(xiǎn)與有害因素等事故隱患留給用戶。(八)人機(jī)界面設(shè)計(jì)人機(jī)界面是人與機(jī)器交換信息的環(huán)節(jié)，假如人機(jī)界面設(shè)計(jì)不當(dāng)，人與機(jī)器相接觸造成能量逸出，將直接會(huì)導(dǎo)致事故發(fā)生。因此在人機(jī)界面設(shè)計(jì)時(shí)，即人機(jī)工程設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮人的生理、心理因素，考慮人機(jī)協(xié)調(diào)關(guān)系，如人的正常生理能力和同意限度。要求所設(shè)計(jì)的顯示器，長(zhǎng)時(shí)刻觀看或監(jiān)聽而不易疲勞；操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成在操作時(shí)需要用的操作力不大，有“手感”而不沉重；操縱器和顯示器應(yīng)盡量少而集中，配置合理，幸免操作失誤；且設(shè)有連鎖愛護(hù)裝置，做到即使誤操作某一操縱器也可不能引起事故。一、單選題:1、在（），機(jī)器的故障率降到最低，且趨向常數(shù)，這段時(shí)刻較長(zhǎng)，這時(shí)發(fā)生的故障是隨機(jī)的，是偶然緣故引起應(yīng)力增加，當(dāng)應(yīng)力超過設(shè)計(jì)規(guī)定的額定值時(shí)，就可能發(fā)生故障。A.早期故障期B.偶發(fā)故障期C.正常工作期D.磨損故障期ABCD你的答案：標(biāo)準(zhǔn)答案：b本題分?jǐn)?shù)：16.67分，你答題的情況為錯(cuò)誤因此你的得分為0分解析：2、（）是系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)刻內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。A.可靠性B.成功率C.完成率D.可靠度ABCD你的答案：標(biāo)準(zhǔn)答案：d本題分?jǐn)?shù)：16.67分，你答題的情況為錯(cuò)誤因此你的得分為0分解析：3、故障率是指工作到t時(shí)刻尚未發(fā)生故障的產(chǎn)品，在該時(shí)刻后（）時(shí)刻內(nèi)發(fā)生故障的概率。A.一定B.單位C.相同D.較短ABCD你的答案：標(biāo)準(zhǔn)答案：b本題分?jǐn)?shù)：16.67分，你答題的情況為錯(cuò)誤因此你的得分為0分解析：4、以下有關(guān)串并聯(lián)系統(tǒng)講法正確的是（）A.串聯(lián)系統(tǒng)中單元數(shù)越多，則系統(tǒng)的可靠性越高B.串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性總是大于系統(tǒng)中可靠度最低單元的可靠性C.并聯(lián)系統(tǒng)可靠性表示系統(tǒng)中所有單元都能正常工作，系統(tǒng)才能正常工作。D.任何一個(gè)串一并聯(lián)系統(tǒng)總能夠看成是由一些串聯(lián)式和并聯(lián)式子系統(tǒng)組合而成ABCD你的答案：標(biāo)準(zhǔn)答案：d本題分?jǐn)?shù)：16.67分，你答題的情況為錯(cuò)誤因此你的得分為0分解析：5、現(xiàn)在使用的車輛自動(dòng)聯(lián)接器，不需工人到兩節(jié)車廂之間直接操作，而是利用低速相碰觸自動(dòng)連接，從而可不能發(fā)生被車廂撞傷的事故，這是應(yīng)用了（）。A.耐環(huán)境設(shè)計(jì)B.結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)C.簡(jiǎn)單化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)D.提高結(jié)合部的可靠性ABCD你的答案：標(biāo)準(zhǔn)答案：b本題分?jǐn)?shù)：16.67分，你答題的情況為錯(cuò)誤因此你的得分為0分解析：二、多選題:6、安全系數(shù)是指零件在理論上計(jì)算的承載能力與實(shí)際所能承擔(dān)的負(fù)荷之比值。確定安全系數(shù)時(shí)應(yīng)考慮的因素有：（）A、對(duì)人危害程度大小B、環(huán)境條件的阻礙C、使用