[科普中國(guó)]-可靠性理論

主要內(nèi)容

分三個(gè)主要領(lǐng)域或三個(gè)獨(dú)立學(xué)科。

（1）可靠性數(shù)學(xué)：

可靠性數(shù)學(xué)是可靠性研究的最重要的基礎(chǔ)理論之一。它主要是研究與解決各種可靠性問(wèn)題的數(shù)學(xué)方法和數(shù)學(xué)模型，研究可靠性的定量規(guī)律。它屬于應(yīng)用數(shù)學(xué)范疇，涉及概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過(guò)程、運(yùn)籌學(xué)及拓樸學(xué)等數(shù)學(xué)分支。它應(yīng)用于可靠性的數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及壽命試驗(yàn)等方面。

（2）可靠性物理：

可靠性物理又稱失效物理，是研究失效的物理原因與數(shù)學(xué)物理模型、檢測(cè)方法與糾正措施的一門可靠性理論。它使可靠性工程從數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法發(fā)展到以理化分析為基礎(chǔ)的失效分析方法。它是從本質(zhì)上、從機(jī)理方面探究產(chǎn)品的不可靠因素，從而為研究、生產(chǎn)高可靠性產(chǎn)品提供科學(xué)的依據(jù)。

（3）可靠性工程：

可靠性工程是對(duì)產(chǎn)品(零、部件，元、器件，設(shè)備或系統(tǒng))的失效及其發(fā)生的概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)、可靠性預(yù)計(jì)、可靠性試驗(yàn)、可靠性評(píng)估、可靠性檢驗(yàn)、可靠性控制、可靠性維修及失效分析的一門包含了許多工程技術(shù)的邊緣性工程學(xué)科。它是立足于系統(tǒng)工程方法，運(yùn)用概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)等數(shù)學(xué)工具(屬可靠性數(shù)學(xué))，對(duì)產(chǎn)品的可靠性問(wèn)題進(jìn)行定量的分析；采用失效分析方法(可靠性物理)和邏輯推理對(duì)產(chǎn)品故障進(jìn)行研究，找出薄弱環(huán)節(jié)，確定提高產(chǎn)品可靠性的途徑，并綜合地權(quán)衡經(jīng)濟(jì)、功能等方面的得失，將產(chǎn)品的可靠性提高到滿意程度的一門學(xué)科。它包括了對(duì)產(chǎn)品可靠性進(jìn)行工作的全過(guò)程，即從對(duì)零、部件和系統(tǒng)等產(chǎn)品的可靠性方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與分析做起，對(duì)失效機(jī)理進(jìn)行研究，在這一基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)；采用能確保可靠性的制造工藝進(jìn)行制造；完善質(zhì)量管理與質(zhì)量檢驗(yàn)以保證產(chǎn)品的可靠性；進(jìn)行可靠性試驗(yàn)來(lái)證實(shí)和評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可靠性；以合理的包裝和運(yùn)輸方式來(lái)保持產(chǎn)品的可靠性；指導(dǎo)用戶對(duì)產(chǎn)品的正確使用、提供優(yōu)良的維修保養(yǎng)和社會(huì)服務(wù)來(lái)維持產(chǎn)品的可靠性。即可靠性工程包括了對(duì)零、部件和系統(tǒng)等產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)的收集與分析、可靠性設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)、試驗(yàn)、管理、控制和評(píng)價(jià)。1

可靠性簡(jiǎn)介可靠性基本概念系統(tǒng)或設(shè)備在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。

三個(gè)規(guī)定內(nèi)容：

規(guī)定條件是指系統(tǒng)或產(chǎn)品所處的使用環(huán)境與維護(hù)條件，包括：機(jī)械條件、氣候條件、生物條件、物理?xiàng)l件和使用維護(hù)條件等。

規(guī)定時(shí)間：是指系統(tǒng)或設(shè)備(產(chǎn)品)執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間。

規(guī)定功能：一般指由用戶提出的指標(biāo)和要求。1

可靠性的定量定義可靠性就是系統(tǒng)在時(shí)間t內(nèi)不失效的概率P(t)。如果T為系統(tǒng)從開(kāi)始工作到首次發(fā)生故障的時(shí)間，系統(tǒng)無(wú)故障工作的概率有下式：P(t)=P(T>t)。

P(t)具有下面三條性質(zhì)：

（1）P(t)為時(shí)間的遞減函數(shù)；

（2）0≤ P(t) ≤ 1；

（3）P(t=0)=1；P(t=∞)=0。

系統(tǒng)或設(shè)備的可靠性是一個(gè)與時(shí)間有密切關(guān)系的量，使用時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)越不可靠。1

可靠性研究的意義（1）提高系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠性，防止故障和事故發(fā)生。

（2）提高系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠性，能使產(chǎn)品總費(fèi)用降低。

（3）提高系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠性，能提高設(shè)備的使用率。

（4）提高系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠性，能提高企業(yè)信譽(yù)，提高經(jīng)濟(jì)效益。1

可靠性應(yīng)用在可靠性工程中，很重視對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集與交換。許多國(guó)家都有全國(guó)性的數(shù)據(jù)收集與交換組織，建立有各種數(shù)據(jù)庫(kù)。因?yàn)閿?shù)據(jù)是可靠性設(shè)計(jì)和可靠性研究的基礎(chǔ)。在整個(gè)可靠性工程中，都是通過(guò)可靠性數(shù)據(jù)和信息反饋來(lái)改進(jìn)產(chǎn)品的可靠性。

1.可靠性設(shè)計(jì)：應(yīng)用可靠性理論、技術(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在給定的可靠性指標(biāo)下，對(duì)零件、部件、設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行的設(shè)計(jì)------機(jī)械概率設(shè)計(jì)。

目的：提高產(chǎn)品的質(zhì)量，包括提高產(chǎn)品的性能指標(biāo)及可靠性指標(biāo)；

使產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件、使用時(shí)間及完成規(guī)定功能時(shí)，其失效率最小，維修性好，有效度高，經(jīng)濟(jì)效益好，經(jīng)濟(jì)壽命期長(zhǎng)。

可靠性設(shè)計(jì)是可靠性工程的一個(gè)重要分支，因?yàn)楫a(chǎn)品的可靠性在很大程度上取決于設(shè)計(jì)的正確性。在可靠性設(shè)計(jì)中要規(guī)定可靠性和維修性的指標(biāo)，并使其達(dá)到最優(yōu)。

機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)又稱機(jī)械概率設(shè)計(jì)，是可靠性工程學(xué)的主要內(nèi)容之一，是可靠性工程學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

由于對(duì)機(jī)械破壞機(jī)理認(rèn)識(shí)的日益深化，對(duì)機(jī)械故障概率資料的逐步累積以及概率與統(tǒng)計(jì)在機(jī)械零件的應(yīng)力與強(qiáng)度分析方面的應(yīng)用，等等，都為機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使可靠性理論的應(yīng)用擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析、疲勞研究等方面。

在采用傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不能預(yù)測(cè)零、部件在運(yùn)行中破壞的概率，一是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中所采用的載荷、材料性能等數(shù)據(jù)，是它們的平均值，沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)的分散性。二是為了保證機(jī)械的可靠性，往往對(duì)計(jì)算載荷、選用的強(qiáng)度等分別乘以各種系數(shù)，例如載荷系數(shù)、尺寸系數(shù)等，最后還要考慮安全系數(shù)。這種傳統(tǒng)方法是人們對(duì)這些因素的隨機(jī)變化所做的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)。同時(shí)表明由于對(duì)這此隨機(jī)變化情況無(wú)法進(jìn)行精確計(jì)算，只好將機(jī)械的尺寸、重量等作經(jīng)驗(yàn)的但又不精確的放大。即使如此，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，用于某些高可靠性要求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，仍不能令人放心。相比之下，采用機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)方法，所得結(jié)構(gòu)則更接近于實(shí)際情況。

機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的方法：在機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)中，將載荷、材料性能與強(qiáng)度及零、部件的尺寸，都視為屬于某種概率分布的統(tǒng)計(jì)量，應(yīng)用概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論及強(qiáng)度理論，求出在給定設(shè)計(jì)條件下零、部件不產(chǎn)生破壞的概率公式，應(yīng)用這些公式，就可以在給定可靠度下求出零、部件的尺寸，或給定其尺寸確定其安全壽命。

機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，首先是它采用了可靠度或其他可靠性指標(biāo)，來(lái)確保結(jié)構(gòu)的可靠性，而傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)是用安全系數(shù)來(lái)保證結(jié)構(gòu)的可靠性。因此，機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)方法對(duì)失效可能性的認(rèn)識(shí)和估計(jì)都比較合理。其次，機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)除引入可靠度或其他可靠性指標(biāo)外，還對(duì)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)作了統(tǒng)計(jì)分析，這樣得出的安全系數(shù)比傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)中的安全系數(shù)更符合實(shí)際，因?yàn)樗呀?jīng)是與可靠度相聯(lián)系的安全系數(shù)了。從對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的評(píng)價(jià)來(lái)看，傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)只有安全系數(shù)這樣一個(gè)指標(biāo)；而機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)則有可靠度和安全系數(shù)(指在一定可靠度下)兩個(gè)指標(biāo)。

**2.可靠性預(yù)測(cè)：**可靠性預(yù)計(jì)是可靠性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，它是一種預(yù)報(bào)方法，在設(shè)計(jì)階段即從所得的失效率數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)零、部件和系統(tǒng)實(shí)際可能達(dá)到的可靠度，預(yù)計(jì)這些零、部件和系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。在設(shè)備設(shè)計(jì)的初期，及時(shí)完成可靠性預(yù)計(jì)工作，可以了解該設(shè)備中各零件、部件之間可靠度的相互關(guān)系，找出提高整個(gè)設(shè)備可靠度的有效途徑。

**3.可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)：**可靠性設(shè)計(jì)的另一重要內(nèi)容是可靠性的分配。它是將系統(tǒng)規(guī)定的容許失效概率合理地分配給該系統(tǒng)的零、部件，又稱系統(tǒng)的可靠性分配。在可靠性設(shè)計(jì)中采用最優(yōu)化方法進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性分配，是當(dāng)前可靠性研究的重要方向之一。

在可靠性設(shè)計(jì)中有時(shí)采用冗余設(shè)計(jì)法或貯備法。冗余法或貯備法是在系統(tǒng)中配置作貯備用的零件或設(shè)備，當(dāng)原用零件或設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，貯備件立即替換上去。并聯(lián)冗余即并行工作貯備法是使完成同一職能的一批零、部件或設(shè)備同時(shí)(并行)工作，且當(dāng)其中某個(gè)或部分失效時(shí)，其余的仍能保證系統(tǒng)的正常工作。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用貯備法，可成倍地提高系統(tǒng)的可靠度。對(duì)系統(tǒng)貯備的分配，也廣泛地采用最優(yōu)化方法。

由于在不同領(lǐng)域中可靠性工程所處理的具體問(wèn)題有所不同，內(nèi)容也會(huì)有差異，但都是以系統(tǒng)的方法、綜合的方法，以長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光來(lái)研究問(wèn)題，不僅重視技術(shù)，也重視管理，其目的是為取得系統(tǒng)的最大經(jīng)濟(jì)效益和保證運(yùn)行的安全可靠。

**4.可靠性教育與管理：**研究如何推行可靠性活動(dòng)的一門學(xué)科，是一門保證科學(xué)。2