【考試大綱要求】：
1、了解機(jī)械失效三個階段和維修度、有效度、平均無故障工作時間；
2、熟悉可靠性、故障率、可靠性預(yù)計(jì)、人機(jī)界面設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
【教材內(nèi)容】：
第四節(jié)機(jī)械的可靠性設(shè)計(jì)與維修性設(shè)計(jì)
一、可靠性定義及其度量指標(biāo)
(一)可靠性定義
所謂可靠性是指系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。
這里所說的規(guī)定條件包括產(chǎn)品所處的環(huán)境條件(溫度、濕度、壓力、振動、沖擊、塵埃、雨淋、日曬等)、使用條件(載荷大小和性質(zhì)、操作者的技術(shù)水平等)、維修條件(維修方法、手段、設(shè)備和技術(shù)水平等)。在不同規(guī)定條件下，產(chǎn)品的可靠性是不同的。
規(guī)定時間是指產(chǎn)品的可靠性與使用時間的長短有密切關(guān)系，產(chǎn)品隨著使用時間或儲存時間的推移，性能逐漸劣化，可靠性降低。所以，可靠性是時間的函數(shù)。這里所規(guī)定的時間是廣義的，可以是時間，也可以用距離或循環(huán)次數(shù)等表示。
(二)可靠性度量指標(biāo)
1．可靠度
可靠度是可靠性的量化指標(biāo)，即系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。可靠度是時間的函數(shù)，常用R(t)表示，稱為可靠度函數(shù)。
產(chǎn)品出故障的概率是通過多次試驗(yàn)中該產(chǎn)品發(fā)生故障的頻率來估計(jì)的。例如，取N個產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，若在規(guī)定時間t內(nèi)共有Nf(t)個產(chǎn)品出故障，則該產(chǎn)品可靠度的觀測值可用下式近似表示：
R(t)≈[N—Nf(t)]／N                                     (4—7)
與可靠度相反的一個參數(shù)叫不可靠度。它是系統(tǒng)或產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時間內(nèi)未完成規(guī)定功能的概率，即發(fā)生故障的概率，所以也稱累積故障概率。
不可靠度也是時間的函數(shù)，常用F(t)表示。同樣對N個產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)到瞬間的故障數(shù)為Nf(t)，則當(dāng)N足夠大時，產(chǎn)品工作到t 瞬間的不可靠度的觀測值(即累積故障概率)可近似表示為：
F(t)≈Nf(t)／N                                          (4—8)
可靠度數(shù)值應(yīng)根據(jù)具體產(chǎn)品的要求來確定，一般原則是根據(jù)故障發(fā)生后導(dǎo)致事故的后果和經(jīng)濟(jì)損失而定。
2．故障率(或失效率)
故障率是指工作到t 時刻尚未發(fā)生故障的產(chǎn)品，在該時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率。故障率也是時間的函數(shù)，記為γ(t)，稱為故障率函數(shù)。
產(chǎn)品的故障率是一個條件概率，它表示產(chǎn)品在工作到t 時刻的條件下，單位時間內(nèi)的故障概率。它反映t 時刻產(chǎn)品發(fā)生故障的速率，稱為產(chǎn)品在該時刻的瞬時故障率且γ(t)，習(xí)慣稱故障率。
故障率的觀測值等于N個產(chǎn)品在t時刻后單位時間內(nèi)的故障產(chǎn)品數(shù)△Nf(t)／△t與在t時刻還能正常工作的產(chǎn)品數(shù)Ns(t)之比，即：
γ(t)＝△Nf(t)／[Ns(t)•△t]                                  (4——9)
故障率(失效率)的常用單位為(1／106h)。
產(chǎn)品在其整個壽命期間內(nèi)各個時期的故障率是不同的，其故障率隨時間變化的曲線稱為壽命的曲線，也稱浴盆曲線，產(chǎn)品的失效過程可分為以下3個階段：
(1)早期故障期。產(chǎn)品在使用初期，由于材質(zhì)、設(shè)計(jì)、制造、安裝及調(diào)整等環(huán)節(jié)造成的缺陷，或檢驗(yàn)疏忽等原因存在的固有缺陷陸續(xù)暴露出來，此期間故障率較高，但經(jīng)過不斷的調(diào)試和排除故障，加之相互配合件之間的磨合，使故障率較快地降下來，并逐漸趨于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
(2)偶發(fā)故障期。這個期間的故障率降到最低，且趨向常數(shù)，表示產(chǎn)品處于正常工作狀態(tài)。這段時間較長，是產(chǎn)品的最佳工作期。這時發(fā)生的故障是隨機(jī)的，是偶然原因引起應(yīng)力增加，當(dāng)應(yīng)力超過設(shè)計(jì)規(guī)定的額定值時，就可能發(fā)生故障。
(3)磨損故障期。這個時期的故障迅速上升，因?yàn)楫a(chǎn)品經(jīng)長期使用后，由于磨損和老
化，大部分零組部件將接近或達(dá)到固有壽命期，所以故障率較高。

3．平均壽命(或平均無故障工作時間)
對非維修產(chǎn)品稱平均壽命，其觀測值為產(chǎn)品發(fā)生失效前的平均工作時間，或所有試驗(yàn)產(chǎn)品都觀察到壽命終了時，它們壽命的算術(shù)平均值；對于維修產(chǎn)品來說，稱平均無故障工作時間或平均故障間隔時間，其觀測值等于在使用壽命周期內(nèi)的某段觀察期間累積工作時間與發(fā)生故障次數(shù)之比。
4．維修度
維修度是指維修產(chǎn)品發(fā)生故障后，在規(guī)定條件(備件貯備、維修工具、維修方法及維修技術(shù)水平等)和規(guī)定時間內(nèi)能修復(fù)的概率，它是維修時間τ的函數(shù)，用M(τ)表示，稱為維修度函數(shù)。
5．有效度
狹義可靠度R(t)與維修度M(f)的綜合稱為有效度，也稱廣義可靠度。其定義是，對維修產(chǎn)品，在規(guī)定的條件下使用，在規(guī)定維修條件下修理，在規(guī)定的時間內(nèi)具有或維持其規(guī)定功能處于正常狀態(tài)的概率。
二、系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)
產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)是根據(jù)零組部件的可靠性數(shù)據(jù)來預(yù)算產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，如可靠度、故障率或平均壽命等。
可靠性預(yù)計(jì)的目的是為可靠性設(shè)計(jì)選擇最佳設(shè)計(jì)方案提供可靠依據(jù)，且在產(chǎn)品定型投產(chǎn)之前就可以對新產(chǎn)品的可靠性做出估計(jì)，若達(dá)不到預(yù)定指標(biāo)，就可以針對發(fā)現(xiàn)的問題及時進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而取得事半功倍的效果。
(一)串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)
串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性表示系統(tǒng)中所有單元均正常時，系統(tǒng)才能正常工作。
串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性有如下特點(diǎn)：
(1)串聯(lián)系統(tǒng)中單元數(shù)越多，則系統(tǒng)的可靠性越低；各單元本身的可靠性越低，則系統(tǒng)的可靠性越低。
(2)串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性Rs(t)總是小于系統(tǒng)中可靠度最低單元的可靠性Rimin，而且其壽命取決于該單元的壽命。
(二)并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)
并聯(lián)系統(tǒng)可靠性表示系統(tǒng)中只要有一個單元能正常工作，系統(tǒng)就能正常工作。
并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度好像鋼絲繩的可靠性，只有當(dāng)所有鋼絲繩均斷裂，鋼絲繩才能完全斷開。當(dāng)然，當(dāng)斷絲數(shù)達(dá)到一定數(shù)量就得降級使用或報廢。鋼絲繩的壽命是由壽命最長的那股鋼絲決定的，故并聯(lián)系統(tǒng)又稱繩索模型。
(三)串并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)
任何一個串一并聯(lián)系統(tǒng)總可以看成是由一些串聯(lián)式和并聯(lián)式子系統(tǒng)組合而成。在進(jìn)行串一并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)時，只要用上述方法分別求出各子系統(tǒng)的可靠度，就可以使系統(tǒng)可靠性框圖逐步簡化，最后總可以簡化成一個簡單的串聯(lián)系統(tǒng)或并聯(lián)系統(tǒng)，于是可求出整個系統(tǒng)的可靠度。