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机械可靠性理论1.1 可靠性的基本概念可靠性 (Reliability) 是人们在长期实践中形成的一种共同原则和朴素概念，用以评判 产品或事物能够达到某种预期的任务或功能的程度。例如，设计、制造一台机器或一个零部 件要求其能够连续工作5年，而如果使用4年或更短时间就损坏了，则认为系统没有达到规 定的可靠性要求；反之，如果能够连续工作5年以上，则可以认为该系统是可靠的。但是， 这种对可靠性的认识是模糊或者粗略定性的，虽然可能有基本的使用年限等可靠性方面的描 述，但在数值量度的精细性以及与设计相结合的有机性等方面，需要从一个学科方向的角度 进行系统研究和应用才能有效推进。可靠性是衡量产品质量的关键指标，是实现制造强国的关键内核。我国出台的《中国 制造2025》的行动纲领中，基于我国从制造大国向制造强国转变的思路，明确提出“质量 为先”的指导思想，指出“坚持把质量作为建设制造强国的生命线，强化企业质量主体责 任，加强质量技术攻关、自主品牌培育。建设法规标准体系、质量监管体系、先进质量文 化，营造诚信经营的市场环境，走以质取胜的发展道路”。当前我国产品设计的指导思想已 经发生了重大转变，主要体现在两个方面： 一是从仿制走向自主研制；二是从掌握技术、解 决有无走向形成能力。这些都要求在产品设计中将可靠性因素考虑进去，提高产品的内在可 靠度，为从根本上提高产品质量奠定基础。可靠性的时间属性是其与传统质量判别的最大区别。早期所谈的质量属于外在质量，我 们称它为传统的质量观，它单纯追求性能，着眼于缺陷的纠正，在管理上以“产品符合生 产图纸和工艺规定要求”实施“检验”手段来保证产品质量，检验员对产品质量的观念与 时间无关，产品要么通过规定的测试，要么通不过。但可靠性则通常涉及时间域内的失效， 传统质量观对质量的解释最典型的是1992年北京国际可靠性年会上一位美国专家所举的例 子。他说，北京某厂生产的100辆汽车，经检验合格出厂了，这就是质量，而这100辆汽车 自北京跑到上海，途中有几辆出了故障，这就是可靠性问题。这就指出了传统的质量控制和 可靠性工程之间的不同。目前，标准的可靠性定义是：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 ( 见GB3187— 1982)。 对该定义的理解，集中体现在五个方面。(1)产品。定义中的产品是广义的，它包括零件、设备和系统等。系统的概念是相对 的，可大可小。例如，汽车可看作一个系统，其中发动机、变速箱等可当作分系统或基本单元，当包括人的因素时，则称为人机系统。我们也可以把发动机看作一个系统，把其中的曲 轴、活塞、连杆等零件或部件看成基本单元；而一个零件，如曲轴仍可以被当作一个系统， 其结构组成部分(轴、连杆轴颈和曲轴臂等)则作为基本单元。(2)规定的条件。它是指产品的使用条件、环境条件，也包括运输、保管条件等。例 如载荷、速度、温度、振动、润滑、腐蚀、环境湿度、含尘量以及使用方法、维修保养、操 作人员的技术水平等条件对产品的寿命和功能都有很大影响。(3)规定的时间。它是指产品的预期寿命。时间因素是可靠性中的重要问题，产品的 功能只有同使用时间相联系才有实际意义，而产品又只能在一定的时间范围内发挥其功能， 不可能永远保持其功能。对不同的产品应作不同的规定，如海底电缆要求使用时间长达三四 十年，机床、汽车、家用电器则规定一个合适的技术经济耗损寿命，而火箭、枪炮子弹发射 则要求一次工作。不同产品的寿命可以用小时表示，也可以用循环数、距离表示。例如，滚 动轴承用小时表示，齿轮、轴使用应力循环次数表示，车辆用行驶里程表示。(4)规定的功能。它指在规定的使用条件下能维持所规定的正常工作而不失效(或发 生故障),以及研究对象(产品)能在规定的功能参数下正常运行。应注意，“失效”不一 定仅仅指产品不能工作，因为有些产品虽然还能工作，但其功能参数已漂移到规定界限之 外，即不能按规定正常工作，也被视为“失效”。要弄清该产品的功能是什么，其失效或故 障(丧失规定功能)又是怎样定义的。另外，还要注意产品的功能有主次之分，故障也有 主次之分。有时次要的故障不影响主要功能，因而也不影响完成主要功能的可靠性。(5)能力。它指对产品可靠性程度的描述， 一般用可靠度来表示。产品的功能以功能 参数表征，是判断产品是否发生失效的依据。在保证功能参数达到技术要求的同时，产品完 成规定功能所处的状态，称为产品的工作能力。产品在使用过程中将逐渐耗损劣化。由于影 响产品工作能力的随机因素很多，因此工作能力耗损过程是个随机过程，根据随机过程的概 念，产品在某时刻t的工作能力就是产品在t时刻所处的状态，即产品工作能力的随机函数 在某时刻的取值。把概念性的可靠性用具体的数学形式 概率表示，这就是可靠性技术发 展的出发点。因为用概率来定义可靠性后，对