提高产品的可信度

第四节　提高产品的可信度——可靠性设计

在工业、军事和日常生活的许多方面，可靠的系统，对在各种条件下完成任务来说，都是极其重要的。可靠性问题和人身安全、经济效益密切相关。例如，导弹武器系统是由导弹和地面设备的若干个分系统组成，每个分系统又由数台整机组成，每台整机又由几百或几千个元器件组成。如果一个元件失效，一根导线断掉，一个接头接触不良，都可能造成事故，引起严重后果。又如，1986年1月28日，美国“挑战者”号航天飞机在上升后73秒，突然发生爆炸，酿成了一场惨祸(图4-6)。这次太空事故为航天飞机继续飞行罩上了一层浓厚的阴影。打捞收集挑战者号残骸碎片后经过调查分析，最后确定挑战者号爆炸是由于右侧固体火箭助推器连接处因设计上的缺陷和气温过低，O型密封垫圈失效所致。后来科学家们对所有航天飞机进行了全面的检查，采取了改进措施，提高了航天飞机的可靠程度。两年后，美国航天飞机才开始恢复飞行。可见在当今复杂的系统里，可靠性变得格外重要。

图4-6　“挑战者”号爆炸情形

一、可靠性的定义

可靠性(reliability design)是一门新兴的工程学科，是保证机械及其零部件满足给定的可靠性指标的一种机械设计方法。可靠性工程源于20世纪40年代末，并首先应用于通讯和运输领域，近年来，世界各发达国家已把可靠性技术和全面质量管理紧密地结合起来，有力地提高了产品可靠性水平。

有关可靠性的定义表述有多种，归纳起来应用较普遍且具有代表性的表述有:

1.广义可靠性与狭义可靠性

系统、机器、零部件等一般随着使用时间的增长会发生故障或损坏。当发生故障时，一般有两种处置方式，即废弃或修复故障以恢复功能继续使用。针对废弃的不可修零部件而言，它们的可靠性称为狭义可靠性，而后一种可修系统、机器的可靠性称为广义可靠性。它除考虑狭义可靠性外还要考虑发生故障后修理的难易程度即维修性。狭义可靠性、维修性和广义可靠性三者之间存在下述关系，即:

狭义可靠性+维修性=广义可靠性

上述两种定义的表述中，中国与欧美等国家多采用第一种表述，而日本等国家则采用第二种表述。两种表述在文字上不同，但其实质性含义是一致的，在定义中包含了可靠性的对象、规定的功能、规定的条件、规定的时间四大要素。

2.固有可靠性和使用可靠性

通过设计、制造形成的系统、零部件等可靠性称为固有可靠性，而系统等在广义使用条件的作用下，保证固有可靠性的发挥程度称为使用可靠性，两者的关系为:固有可靠性≥使用可靠性。在使用中，固有可靠性与使用可靠性的综合，则形成了系统的工作可靠性。

二、机械可靠性的设计方法

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中由于运动学问题而引起的故障。

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在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。

机械可靠性设计是目前开展机械可靠性设计的一种最直接的有效方法，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，从而限制了其推广应用，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的主要方法有:

1.预防故障设计

机械产品一般属于串联系统。由几个部分有机地组成的机械或部件等，均可看成一个系统。系统中任一部分失效，系统就失效者称为串联系统，例如由联轴器，轴承、蜗杆和蜗轮组成的传动系统，其中任一部分失效该系统就失效。设系统中各部分的可靠度分别为R₁，R₂，…，R_n，则串联系统的可靠度为R_s=R₁·R₂…R_n。

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.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(加大安全系数)、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。

3.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虑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作为一种抗变异设计以及提高可靠性的有效方法。

4.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。

5.人机工程设计

人机工程设计的目的是减少使用中的人为差错，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信息的可靠性。例如，指示系统不仅要显示器可靠，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，更应有预防误操作设计;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。

6.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他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。