机械可靠性设计[电子资源.图书]
作者： 刘惟信编著
出版社：清华大学出版社,1996
简介：
内容简介
本书系统地阐述了机械可靠性设计的基本理论和方法。内容包括：可靠性的基本概念和有关术语
及定义，可靠性基础数学，机械可靠性设计原理与可靠度计算，机械静强度可靠性设计，机械疲劳强度可
靠性设计，机械摩擦零件的可靠性设计，系统可靠性设计，可靠性试验，机械零部件的可靠性设计，机械
可靠性优化设计，可修复系统的可靠性设计等。书中附有计算例题及计算用表。
本书可作为高等工科院校机械类专业高年级学生和研究生的教材和教学参考书，亦可供从事机械
设计及汽车设计、研究、制造、试验和维修的工程技术人员使用、参考。
片断：
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。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，称为可靠性优化设计。
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，以取
得系统的最大经济效益和运行的安全可靠为目的。
机械可靠性设计又称为机械概率设计，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。断裂力
学分析中引入可靠性理论，形成一个称为概率断裂力学的分支。它是用概率统计的理论和
方法分析带裂纹材料或机械零件发生断裂的一种工程方法。
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
化所作的经验估计。同时表明由于对这些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。即是如此，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，所得结果
则更接近于实际情况。
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它可靠性指标，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它可靠性
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。
1.2可靠性的定义
人们对于可靠性（Reliability）的一般理解，就是认为可靠性表示元件、组件、零件、部
件、总成、机器、设备、或整个系统等产品，在正常使用条件下的工作是否长期可靠，性能是
否长期稳定的特性。这里除了有概率统计等量的概念外，尚包含有预期使用条件，工作的
满意程度，正常工作期间的长短等内容。
最早的可靠性定义由美国AGREE在1957年的报告中提出，1966年美国的MIL－
STD－721B又较正规地给出了传统的或经典的可靠性定义：“产品在规定的条件下和规定
的时间内完成规定功能的能力”。它为世界各国的标准所引证，我国的GB3187－82给出的
可靠性定义也与此相同。但在实际应用中已经感到了上述定义的局限性，因为它只反映了
任务成功的能力。于是美国于1980年颁发的MIL－STD－785B按照DODD5000.40指令
（国防重要武器系统采办指令）将可靠性分为任务可靠性和基本可靠性。任务可靠性的定
义：“产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力”。它反映了产品的执行任务成功的概
率，它只统计危及任务成功的致命故障。基本可靠性的定义：“产品在规定条件下，无故障
的持续时间或概率”。它包括了全寿命单位的全部故障，它能反映产品维修人力和后勤保
障等要求。例加MTBF（平均无故障间隔时间），MCBF（平均故障间的使用次数）。把可靠
性概念分为两种不同用途的可靠性概念，是美国国防部对可靠性工作实践经验总结和对
这一问题认识的深化。这无疑是一个新的重要发展。我国1988年颁布的军标GJB450－88
就引用这两种新的可靠性定义。
产品的可靠性可用其可靠度（Rehability）来衡量。可靠度是用概率表示的产品的可靠
性程度的。
在可靠性的上述定义中，含有以下因素：
（1）对象
可靠性问题的研究对象是产品，它是泛指的，可以是元件、组件、零件、部件、总成、机
器、设备，甚至整个系统。研究可靠性问题时首先要明确对象。不仅要确定具体的产品，而
且还应明确它的内容和性质。如果研究对象是一个系统，则不仅包括硬件，而且也包括软
件和人的判断和操作等因素在内。需要以人－机系统的观点去观察和分析问题。
（2）使用条件
包括运输条件、储存条件、使用时的环境条件（如温度、压力、湿度、载荷、振动、腐蚀、
磨损等等）、使用方法、维修水平、操作水平等预期的运输、储存及运行条件，对其可靠性都
会有很大影响。
（3）规定时间
与可靠性关系非常密切的是关于使用期限的规定，因为可靠度是一个有时间性的定
义。对时间性的要求一定要明确。时间可以是区间（0，t），也可以是区间（t，t）。有时对某
些产品给出相当于时间的一些其它指标可能会更明确，例如对汽车的可靠性可规定行驶
里程（距离）；有些产品的可靠性则规定周期、次数等等会更恰当些。
