引言

　　可靠性理論是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科，從60年代開(kāi)始，逐漸進(jìn)入機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，使機(jī)械設(shè)計(jì)及機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)生了前所未有的變化，特別是近一、二十年間，國(guó)內(nèi)外一些有代表性的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的著作增添了可靠性技術(shù)方面的內(nèi)容。在這些科學(xué)的理論指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)、制造出來(lái)的機(jī)械類(lèi)產(chǎn)品，平均無(wú)故障工作時(shí)間提高了3倍，產(chǎn)品缺陷大大降低了，很好地維護(hù)了用戶(hù)和社會(huì)效益，可靠性設(shè)計(jì)方法現(xiàn)已逐步成為現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法的一個(gè)重要組成部門(mén)，它比常規(guī)設(shè)計(jì)方法更能反映事物的本質(zhì)。

　　1 可靠性理論

　　1.1 常規(guī)的機(jī)械設(shè)計(jì)中，通常采用安全系數(shù)法或許用應(yīng)力法，它的出發(fā)點(diǎn)是使作用在危險(xiǎn)截面上的工作應(yīng)力S小于或等于其許用應(yīng)力[S]，而[S]是由極限應(yīng)力S除以大于1的安全系數(shù)n而得到的；也可以使機(jī)械零件的計(jì)算安全系數(shù)n大于預(yù)期的許用安全系數(shù)[n]。即：

　　S≤[S]=S/n n=S/n≥[n]

　　這種常規(guī)設(shè)計(jì)方法沿用了許多年，只要安全系數(shù)選用適當(dāng)，是一種可行的設(shè)計(jì)方法，但是隨著產(chǎn)品日趨復(fù)雜，對(duì)其可靠性要求愈來(lái)愈高，常規(guī)方法就顯得不夠完善。首先，大量的實(shí)驗(yàn)表明，現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)變量如截荷、極限應(yīng)力以及材料硬度、尺寸等都是隨機(jī)變量，都呈現(xiàn)或大或小的離散性，都應(yīng)該依概率取值，不考慮這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)出來(lái)的結(jié)果難免與實(shí)際脫節(jié)。其次，常規(guī)設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵是選取安全系數(shù)，過(guò)大，造成浪費(fèi)，過(guò)小，影響正常使用，但在選取安全系數(shù)時(shí)常常沒(méi)有確切的選擇尺度，其結(jié)果是使設(shè)計(jì)極易受局部經(jīng)驗(yàn)所影響。所以為了使設(shè)計(jì)更符合實(shí)際，應(yīng)該在常規(guī)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行概率設(shè)計(jì)。概率設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是：第一，概率設(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)的關(guān)系不是對(duì)立的，而是繼承和發(fā)展的，在概率設(shè)計(jì)中同樣用到各種符合實(shí)際的力學(xué)模型、系數(shù)和經(jīng)驗(yàn)公式，但是，概率設(shè)計(jì)所使用的數(shù)據(jù)是以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，要在統(tǒng)計(jì)分布的基礎(chǔ)上觀察所有設(shè)計(jì)變量。比如在選用材料時(shí)，只有均值高、標(biāo)準(zhǔn)差又得到控制的才是好材料。第二，概率設(shè)計(jì)用平均安全裕度（平均安全系數(shù)）和可靠度作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，尤以后者更為重要。因?yàn)榭煽慷染C合考慮了各設(shè)計(jì)變量的統(tǒng)計(jì)分布特性，定量地用概率表達(dá)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可靠程度，因而更能反映實(shí)際情況。第三，概率設(shè)計(jì)重視收集和積累各種可靠性數(shù)據(jù)，特別注意信息反饋，從而在客觀上形成了良性循環(huán)，并能使設(shè)計(jì)和管理工作有機(jī)結(jié)合。最終使概率設(shè)計(jì)逐步走上實(shí)用化的道路。

　　1.2 應(yīng)力--強(qiáng)度干涉模型

　　概率設(shè)計(jì)所依據(jù)的模型主要是應(yīng)力--強(qiáng)度干涉模型。在常規(guī)設(shè)計(jì)中，將強(qiáng)度γ和應(yīng)力S都視為常量，然而，零件本身的固有強(qiáng)度要受許多偶然因素的影響。比如，零件材料和金相不均勻、零件表面光潔度具有離散性、零件尺寸加工具有隨機(jī)誤差等等，因此實(shí)際中強(qiáng)度是一個(gè)隨機(jī)變量。當(dāng)然工作應(yīng)力由于溫度、載荷、濕度及振動(dòng)等偶然因素的影響，在實(shí)際中也是一個(gè)隨機(jī)變量。這樣機(jī)械零件的強(qiáng)度和工作應(yīng)力在實(shí)際中都服從一定的概率分布，兩者的pdf曲線通常都部分重疊或稱(chēng)干涉。如圖1所示。其重疊程度或干涉面積直接反映了可靠度的大小，應(yīng)用應(yīng)力與強(qiáng)度的干涉模型提出的一種概率設(shè)計(jì)理論是進(jìn)行概率設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。

　　圖1 應(yīng)力—強(qiáng)度干涉模型