[科普中国]-可靠性理论

主要内容

分三个主要领域或三个独立学科。

（1）可靠性数学：

可靠性数学是可靠性研究的最重要的基础理论之一。它主要是研究与解决各种可靠性问题的数学方法和数学模型，研究可靠性的定量规律。它属于应用数学范畴，涉及概率论、数理统计、随机过程、运筹学及拓朴学等数学分支。它应用于可靠性的数据收集、数据分析、系统设计及寿命试验等方面。

（2）可靠性物理：

可靠性物理又称失效物理，是研究失效的物理原因与数学物理模型、检测方法与纠正措施的一门可靠性理论。它使可靠性工程从数理统计方法发展到以理化分析为基础的失效分析方法。它是从本质上、从机理方面探究产品的不可靠因素，从而为研究、生产高可靠性产品提供科学的依据。

（3）可靠性工程：

可靠性工程是对产品(零、部件，元、器件，设备或系统)的失效及其发生的概率进行统计、分析，对产品进行可靠性设计、可靠性预计、可靠性试验、可靠性评估、可靠性检验、可靠性控制、可靠性维修及失效分析的一门包含了许多工程技术的边缘性工程学科。它是立足于系统工程方法，运用概率论与数理统计等数学工具(属可靠性数学)，对产品的可靠性问题进行定量的分析；采用失效分析方法(可靠性物理)和逻辑推理对产品故障进行研究，找出薄弱环节，确定提高产品可靠性的途径，并综合地权衡经济、功能等方面的得失，将产品的可靠性提高到满意程度的一门学科。它包括了对产品可靠性进行工作的全过程，即从对零、部件和系统等产品的可靠性方面的数据进行收集与分析做起，对失效机理进行研究，在这一基础上对产品进行可靠性设计；采用能确保可靠性的制造工艺进行制造；完善质量管理与质量检验以保证产品的可靠性；进行可靠性试验来证实和评价产品的可靠性；以合理的包装和运输方式来保持产品的可靠性；指导用户对产品的正确使用、提供优良的维修保养和社会服务来维持产品的可靠性。即可靠性工程包括了对零、部件和系统等产品的可靠性数据的收集与分析、可靠性设计、预测、试验、管理、控制和评价。1

可靠性简介可靠性基本概念系统或设备在规定的条件下，在规定的时间内，完成规定功能的能力。

三个规定内容：

规定条件是指系统或产品所处的使用环境与维护条件，包括：机械条件、气候条件、生物条件、物理条件和使用维护条件等。

规定时间：是指系统或设备(产品)执行任务的时间。

规定功能：一般指由用户提出的指标和要求。1

可靠性的定量定义可靠性就是系统在时间t内不失效的概率P(t)。如果T为系统从开始工作到首次发生故障的时间，系统无故障工作的概率有下式：P(t)=P(T>t)。

P(t)具有下面三条性质：

（1）P(t)为时间的递减函数；

（2）0≤ P(t) ≤ 1；

（3）P(t=0)=1；P(t=∞)=0。

系统或设备的可靠性是一个与时间有密切关系的量，使用时间越长，系统越不可靠。1

可靠性研究的意义（1）提高系统或产品的可靠性，防止故障和事故发生。

（2）提高系统或产品的可靠性，能使产品总费用降低。

（3）提高系统或产品的可靠性，能提高设备的使用率。

（4）提高系统或产品的可靠性，能提高企业信誉，提高经济效益。1

可靠性应用在可靠性工程中，很重视对现场使用的数据和试验数据的收集与交换。许多国家都有全国性的数据收集与交换组织，建立有各种数据库。因为数据是可靠性设计和可靠性研究的基础。在整个可靠性工程中，都是通过可靠性数据和信息反馈来改进产品的可靠性。

1.可靠性设计：应用可靠性理论、技术和设计参数的统计数据，在给定的可靠性指标下，对零件、部件、设备或系统进行的设计------机械概率设计。

目的：提高产品的质量，包括提高产品的性能指标及可靠性指标；

使产品在规定的使用条件、使用时间及完成规定功能时，其失效率最小，维修性好，有效度高，经济效益好，经济寿命期长。

可靠性设计是可靠性工程的一个重要分支，因为产品的可靠性在很大程度上取决于设计的正确性。在可靠性设计中要规定可靠性和维修性的指标，并使其达到最优。

机械可靠性设计又称机械概率设计，是可靠性工程学的主要内容之一，是可靠性工程学在机械设计中的应用。

由于对机械破坏机理认识的日益深化，对机械故障概率资料的逐步累积以及概率与统计在机械零件的应力与强度分析方面的应用，等等，都为机械可靠性设计提供了理论基础和实践经验，使可靠性理论的应用扩展到结构设计、强度分析、疲劳研究等方面。

在采用传统的机械设计方法进行设计时，不能预测零、部件在运行中破坏的概率，一是因为在设计中所采用的载荷、材料性能等数据，是它们的平均值，没有考虑数据的分散性。二是为了保证机械的可靠性，往往对计算载荷、选用的强度等分别乘以各种系数，例如载荷系数、尺寸系数等，最后还要考虑安全系数。这种传统方法是人们对这些因素的随机变化所做的经验估计。同时表明由于对这此随机变化情况无法进行精确计算，只好将机械的尺寸、重量等作经验的但又不精确的放大。即使如此，传统的机械设计方法，用于某些高可靠性要求的产品设计上，仍不能令人放心。相比之下，采用机械可靠性设计方法，所得结构则更接近于实际情况。

机械可靠性设计的方法：在机械可靠性设计中，将载荷、材料性能与强度及零、部件的尺寸，都视为属于某种概率分布的统计量，应用概率与数理统计理论及强度理论，求出在给定设计条件下零、部件不产生破坏的概率公式，应用这些公式，就可以在给定可靠度下求出零、部件的尺寸，或给定其尺寸确定其安全寿命。

机械可靠性设计的特点，首先是它采用了可靠度或其他可靠性指标，来确保结构的可靠性，而传统机械设计是用安全系数来保证结构的可靠性。因此，机械可靠性设计方法对失效可能性的认识和估计都比较合理。其次，机械可靠性设计除引入可靠度或其他可靠性指标外，还对结构的安全系数作了统计分析，这样得出的安全系数比传统机械设计中的安全系数更符合实际，因为它已经是与可靠度相联系的安全系数了。从对结构安全性的评价来看，传统机械设计只有安全系数这样一个指标；而机械可靠性设计则有可靠度和安全系数(指在一定可靠度下)两个指标。

**2.可靠性预测：**可靠性预计是可靠性设计的重要内容之一，它是一种预报方法，在设计阶段即从所得的失效率数据预报零、部件和系统实际可能达到的可靠度，预计这些零、部件和系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。在设备设计的初期，及时完成可靠性预计工作，可以了解该设备中各零件、部件之间可靠度的相互关系，找出提高整个设备可靠度的有效途径。

**3.可靠性优化设计：**可靠性设计的另一重要内容是可靠性的分配。它是将系统规定的容许失效概率合理地分配给该系统的零、部件，又称系统的可靠性分配。在可靠性设计中采用最优化方法进行系统的可靠性分配，是当前可靠性研究的重要方向之一。

在可靠性设计中有时采用冗余设计法或贮备法。冗余法或贮备法是在系统中配置作贮备用的零件或设备，当原用零件或设备出现故障时，贮备件立即替换上去。并联冗余即并行工作贮备法是使完成同一职能的一批零、部件或设备同时(并行)工作，且当其中某个或部分失效时，其余的仍能保证系统的正常工作。在系统设计中采用贮备法，可成倍地提高系统的可靠度。对系统贮备的分配，也广泛地采用最优化方法。

由于在不同领域中可靠性工程所处理的具体问题有所不同，内容也会有差异，但都是以系统的方法、综合的方法，以长远的眼光来研究问题，不仅重视技术，也重视管理，其目的是为取得系统的最大经济效益和保证运行的安全可靠。

**4.可靠性教育与管理：**研究如何推行可靠性活动的一门学科，是一门保证科学。2