机械可靠性设计及应用

目 录

第1章 绪论 （1）

1.1 概述 （1）

1.1.1 研究可靠性的重要意义 （1）

1.1.2 可靠性技术的发展史 （1）

1.2 机械可靠性设计的内容、特点和

方法 （3）

1.2.1 机械可靠性设计的内容 （3）

1.2.2 机械可靠性设计的特点 （4）

1.2.3 机械可靠性设计的方法与

步骤 （5）

1.2.4 机械可靠性定性设计准则 （7）

1.3 零件传统设计法与可靠性设计法的

比较 （9）

习题 （12）

第2章 可靠性的定义及评价指标 （13）

2.1 可靠性的定义 （13）

2.2 失效的概念 （14）

2.3 可靠性尺度 （16）

2.3.1 可靠性概率指标及其函数 （17）

2.3.2 可靠性寿命指标 （24）

2.3.3 维修性及其主要数量指标 （26）

2.3.4 有效度 （27）

2.3.5 系统有效性 （29）

2.3.6 重要度 （29）

2.3.7 经济指标 （29）

2.3.8 与人为差错有关的可靠性

尺度 （29）

习题 （30）

第3章 可靠性的数学基础 （31）

3.1 随机事件与概率 （31）

3.1.1 随机事件及其运算 （31）

3.1.2 概率及其特点 （32）

3.2 随机变量 （34）

3.2.1 随机变量的定义 （34）

3.2.2 随机变量的数字特征 （36）

3.2.3 随机变量函数的概率分布

和数字特征 （40）

3.3 可靠性工程常用的几种概率分布 （47）

3.3.1 常用的离散型随机变量

的分布 （47）

3.3.2 常用的连续型随机变量

的分布 （49）

3.3.3 概率分布的应用 （61）

习题 （62）

第4章 机械可靠性设计理论与可靠度

计算 （63）

4.1 安全系数法与可靠性设计方法 （63）

4.1.1 安全系数设计法 （63）

4.1.2 可靠性设计方法 （64）

4.2 应力强度干涉理论及可靠度计算 （66）

4.2.1 应力强度干涉理论 （66）

4.2.2 可靠度计算方法 （68）

4.3 机械零件的可靠度计算 （72）

4.3.1 应力强度都为正态分布时

的可靠度计算 （72）

4.3.2 应力与强度均呈对数正态

分布时的可靠度计算 （74）

4.3.3 应力与强度均呈指数分布

时的可靠度计算 （77）

4.3.4 应力与强度均呈威布尔分布

时的可靠度计算 （78）

4.3.5 疲劳应力下零件的可靠度

计算 （80）

习题 （81）

第5章 机械静强度可靠性设计 （82）

5.1 安全系数与可靠度 （82）

5.1.1 经典意义下的安全系数 （82）

5.1.2 可靠性意义下的安全系数 （82）

5.2 设计参数数据的统计处理与计算 （85）

5.2.1 载荷的统计分析 （85）

5.2.2 材料机械性能的统计分析 （88）

5.3 机械静强度可靠性设计 （96）

5.3.1 机械静强度可靠性设计

概述 （97）

5.3.2 梁的静强度可靠性设计 （101）

5.3.3 承受转矩的轴的静强度

可靠性设计 （103）

5.3.4 受弯扭联合作用的轴的静

强度可靠性设计 （105）

习题 （108）

第6章 机械系统可靠性设计 （110）

6.1 概述 （110）

6.1.1 机械系统可靠性概念 （110）

6.1.2 系统的结构框图与可靠性

框图 （111）

6.1.3 系统可靠性模型的建立 （112）

6.1.4 系统可靠性模型的应用 （113）

6.2 系统可靠性模型 （114）

6.2.1 串联系统 （114）

6.2.2 并联系统 （116）

6.2.3 混联系统 （118）

6.2.4 储备系统 （119）

6.2.5 表决系统 （121）

6.2.6 复杂系统 （123）

6.3 机械系统可靠性预测 （127）

6.3.1 可靠性预测的定义及目的 （127）

6.3.2 可靠性预测的程序 （127）

6.3.3 单元可靠性预测 （128）

6.3.4 系统可靠性预测 （130）

6.3.5 可靠性预测的注意事项 （135）

6.4 机械系统可靠性分配 （136）

6.4.1 系统可靠性分配的定义及

原则 （136）

6.4.2 系统可靠性分配方法 （137）

6.5 系统可靠性最优化 （144）

6.5.1 花费最少的优化分配方法 （144）

6.5.2 拉格朗日乘子法 （147）

6.5.3 动态规划法 （148）

习题 （152）

第7章 故障模式影响及危害性分析与

故障树分析 （154）

7.1 故障模式影响及危害性分析概述 （154）

7.2 故障模式影响及危害性分析 （154）

7.2.1 故障模式影响及危害性分析

概念 （154）

7.2.2 故障模式影响及危害性分析

的特点 （155）

7.2.3 故障模式影响及危害性分析

的基本思路与程序 （157）

7.2.4 故障模式影响及危害性分析

的应用 （161）

7.3 故障树分析 （163）

7.3.1 故障树分析概述 （163）

7.3.2 故障树的建立 （164）

7.3.3 故障树的定性分析 （169）

7.3.4 故障树的结构函数 （174）

7.3.5 故障树的定量计算 （177）

7.3.6 机械系统故障树建立举例 （183）

习题 （185）

第8章 机械零件可靠性设计应用 （187）

8.1 概述 （187）

8.2 螺栓连接的可靠性设计 （188）

8.2.1 受拉伸载荷螺栓连接的

可靠性设计 （189）

8.2.2 静载荷受剪切螺栓连接的

可靠性设计 （195）

8.2.3 变载荷受剪切螺栓连接的

可靠性设计 （197）

8.3 齿轮的可靠性设计 （199）

8.3.1 齿轮轮齿的故障模式及其

特征 （200）

8.3.2 齿面接触疲劳强度的可靠性

设计 （201）

8.3.3 齿根弯曲疲劳强度的可靠性

设计 （209）

8.4 轴的可靠性设计 （214）

8.4.1 轴的失效模式 （215）

8.4.2 转轴的可靠性设计 （215）

8.4.3 心轴的可靠性设计 （218）

8.4.4 传动轴的可靠性设计 （219）

8.4.5 轴的刚度可靠性设计 （223）

8.5 滚动轴承的可靠性设计 （225）

习题 （228）

第9章 可靠性试验 （230）

9.1 概述 （230）

9.2 寿命试验设计 （231）

9.2.1 寿命试验目的 （231）

9.2.2 寿命试验分类 （231）

9.2.3 寿命试验内容 （233）

9.3 寿命试验的分布及参数估计 （234）

9.3.1 一般分布完全寿命试验的

数据处理 （234）

9.3.2 指数分布寿命试验及参数

估计 （236）

9.3.3 正态分布寿命试验及参数

估计 （238）

9.3.4 威布尔分布寿命测试及参数

估计 （239）

9.4 加速寿命试验 （240）

9.4.1 加速寿命试验的原理与

类型 （240）

9.4.2 恒定应力加速寿命试验

设计 （242）

9.4.3 加速寿命试验与方程 （243）

9.4.4 影响加速寿命试验因素之间

的关系 （243）

习题 （249）

附录A （251）

参考文献 （258）

系统介绍了机械可靠性设计的基础理论与方法，可满足大学本科、研究生教学使用。随着科学技术的飞速发展，可靠性技术已被广泛地应用于各个行业。可靠性是一门新兴的工程学科，它涉及基础科学、技术科学和管理科学的许多领域，是一门多学科交叉的边缘学科。它把随机方法（概率论和数理统计）应用于工程设计，不仅解决了传统设计所不能处理的一些问题，而且能有效地提高产品的设计水平和质量，降低产品的成本，满足现代化及市场竞争对产品质量的要求，产品的可靠性已成为衡量产品质量和技术措施的重要指标之一。因此，先进的各工业国家都在机械产品的设计中运用了这种现代设计方法。可靠性设计受到重视在国外已有40多年的历史了，在机械、车辆、电子技术、航天、航空等领域得到了很大的发展及应用，有力地提高了产品的可靠性水平。因为任何产品和技术，尤其是高科技产品、大型设备及超大型设备的制造，尖端技术的发展，都要以可靠性技术为基础，同时科学技术的发展又要求高的可靠性，这促使了可靠性工程技术逐步在各个工业领域内得到了发展和应用，人们也逐步认识到产品的可靠性技术与企业的生命、国家的安全紧密相关，而且产品性能优化、结构复杂化要求有很高的可靠性。同时，产品更新速度的加快，使用场所的广泛性、严酷性，要求有很高的可靠性。此外，国内外企业界普遍认识到产品竞争的焦点是可靠性，大型产品的可靠性同时又是一个企业、一个国家科技水平的重要标志。 然而由于种种原因，我国可靠性理论与应用工作还比较薄弱，缺乏广泛性，许多从事可靠性工作的工程技术人员和管理人员还没有系统地掌握可靠性技术，许多高等院校还没有系统地开设可靠性理论与应用方面的课程。本书是编者在多年从事机械可靠性设计本科教学、研究生教学以及相关可靠性研究工作的基础上，经过补充、修改而完成的。本书以大学本科教学为出发点，系统介绍了机械可靠性设计的基础理论与方法，可满足大学本科、研究生教学使用，同时也适合广大从事可靠性工程技术的工作人员学习和参考。本书由重庆交通大学胡启国教授编写第1~3章，郑州航空工业管理学院刘元朋编写第4章，重庆交通大学束海波、陆兆峰和马丽英编写第5~9章。全书由胡启国教授担任主编并负责统稿，刘元朋担任副主编。在编写过程中，参阅了国内外同行的教材、手册及相关科技文献，除在本书参考文献中列出之外，也向这些参考文献的作者，致以衷心的感谢！研究生刘依路、胡小华、张如华、叶丹、庹奎及谢国宾参加了本书的编写，为本书的绘图、排版及内容编写等工作，付出了辛勤的劳动，在此表示感谢。由于编者水平有限，本书难免存在疏漏或不妥之处，敬请广大读者不吝批评指正。编者 【作者简介】胡启国，重庆交通大学机电与汽车工程学院教授，主要从事《机械可靠性设计》、《机械设计》、《机械振动》等方向的教学工作。