机械产品的主要失效模式及其可靠性的度量参数

机械产品可靠性设计的根本任务是预防潜在故障及纠正故障。

GJB3554-《车辆系统质量与可靠性信息分类和编码要求》

强度是机械零件可靠性的最基本要求，强度不足产生的断裂往往引发重大安全事故。

尽管机械产品种类繁多，不同机械产品的失效模式和失效机理也各异，但由于疲劳、磨损、腐蚀而导致的失效在整个机械产品失效中所占比例超过80%，因此机械可靠性定量设计也往往针对这三种失效机理进行分析计算。

机械产品一般可分为整机(或称系统)和零部件，度量产品可靠性的参数包括：

• 可靠度
• 失效率
• 累积失效概率
• 平均寿命
• 平均故障间隔时间
• 可靠寿命
• 可靠寿命
• ……

机械产品最常用的可靠性度量参数就是可靠度、寿命或可靠寿命以及平均故障间隔时间，下面对这些相关的概念进行具体的介绍。

1. 可靠度(Reliability)：

用随机变量T表示产品从开始工作到发生失效或故障的寿命，概率密度函数为f(t)，则有：

用统计方法：若有N个相同的产品同时投入试验，经历时间t后有n(t)件产品失效。

可靠度为：

失效概率为：

机械产品可靠度与载荷、环境、失效机理等密切相关。

对故障引起不同后果的零部件和系统，应结合产品的设计寿命选用不同的可靠度，关键零件可靠度取高值。

2. 失效率

若定义平均失效率为：

则失效率可以表示为：

例：100件产品，实验10小时2件失效。再观测1小时，发现有1件失效，则：

若实验到50小时共有10件失效。再观测1小时，也发现有1件失效，这时有：

显然有：

3. 寿命

任何机械产品均有使用寿命问题，例如汽车的设计寿命一般为50万公里，飞机的设计寿命为60000飞行小时。在现代设计中，一般采用等寿命设计方法，因此其寿命本质上取决于关键零部件的寿命。

对机械零部件而言，大多是不可修复的，如果出现失效，在维修时一般给予更换。所以设计机械零件，不但要确保其可靠度，更为重要的是使其设计寿命达到要求。

4. 可靠寿命

• 可靠度为给定值R时的工作寿命。例如轴承常采用可靠度为0.9时的寿命作为可靠性度量参数(额定寿命)。

• 可靠寿命一般通过统计试验确定，其观测值是能完成规定功能的产品的比例恰好等于给定可靠度时所对应的时间。

例如，对100个产品进行寿命试验，指定可靠度R=0.9，若当第10个产品发生失效时的时间为250小时，则可靠度为0.9的可靠寿命约为250小时。

5. 平均寿命

• 不可修产品为平均无故障时间MTTF (Mean Time To Failure)
• 可修产品为平均故障间隔时间MTBF(Mean Time Between Failure)
• 电子产品失效率基本为常数，相当于寿命服从指数分布，则平均寿命的计算公式为：

失效率为常数时，相当于寿命服从指数分布，机械产品的失效率不是常数。

6. 平均故障间隔时间/里程(MTBF)

平均故障间隔时间/里程常用于机械产品整机或系统可靠性的度量；MTBF本质上是一种基于统计的可靠性度量参数，可以反映产品的可靠性水平；但对机械系统而言，由于各组成零部件的失效率非恒定，只能借助大量统计或试验数据才能确定。

本文根据百度文库PPT讲义《机械可靠性概述》的部分内容整理编辑而成，讲义原作者不详，故而未能标注，还望见谅。封面图片来自于千图网。