本书全面系统地介绍了机械可靠性设计的基本理论与方法。内容包括：可靠性基本概念、可靠性数学基础、机械可靠性设计原理与可靠度计算、机械系统可靠性设计、故障模式影响及危害性分析与故障树分析、机械零部件可靠性设计、机械可靠性优化设计及可靠性提高、可靠性试验。每章都配备了习题，同时附有一定的算例及附表。
　　本书可作为高等学校机械设计制造及其自动化、机械工程及自动化、车辆工程、探测制导与控制技术等专业的机械可靠性设计教材，也可供从事机电产品设计、制造、试验、使用与管理的工程技术人员学习与参考。

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　　本书内容包括: 可靠性的基本概念和可靠性的数学基础; 机械可靠性设计概述及机械可靠性设计原理与可靠度计算; 机械系统可靠性设计和机械零部件的可靠性设计; 机械可靠性优化设计及可靠性提高、可靠性试验。

目录
前言
主要符号表
第1章 绪论 1
1.1 可靠性研究的历史 1
1.2 可靠性研究的重要性及其意义 3
1.3 可靠性的定义和特征量 5
1.3.1 可靠性的定义 5
1.3.2 可靠性的特征量 6
1.4 机械可靠性设计的内容、特点和方法 11
1.4.1 机械可靠性设计的基本特点 11
1.4.2 机械可靠性设计的主要内容 12
1.4.3 机械可靠性设计的方法与步骤 14
1.4.4 机械可靠性定性设计准则 16
习题1 19
第2章 可靠性数学基础 20
2.1 随机事件与概率 20
2.1.1 随机事件及其运算 20
2.1.2 概率及其特点 21
2.2 随机变量 22
2.2.1 随机变量的定义和分类 22
2.2.2 随机变量的数字特征 22
2.3 常用的概率分布 24
2.3.1 离散型随机变量的分布 24
2.3.2 连续型随机变量的分布 24
2.3.3 概率分布的应用 28
2.4 教理统计 29
2.4.1 分布参数估计 29
2.4.2 假设检验 33
习题2 36
第3章 机械可靠性设计原理与可靠度计算 37
3.1 应力强度干涉理论及可靠度计算 37
3.1.1 应力强度分布干涉理论 37
3.1.2 可靠度的计算方法 40
3.2 机械零件的可靠度计算 45
3.2.1 应力和强度分布都为正态分布时的可靠度计算 45
3.2.2 应力和强度分布都为对数正态分布时的可靠度计算 48
3.2.3 已知应力幅水平、失效循环次数的分布和规定的寿命要求时零件的可靠度计算 51
3.2.4 已知强度分布和最大应力幅在规定寿命下的零件可靠度计算 52
3.2.5 疲劳应力下零件的可靠度计算 52
3.2.6 应力和强度分布都为指数分布时的可靠度计算 53
3.3 安全系数设计法与可靠性设计方法 53
3.3.1 安全系数设计法 53
3.3.2 可靠性意义下的安全系数 54
3.3.3 可靠性设计方法与安全系数设计方法的区别 57
习题3 58
第4章 机械系统可靠性设计 59
4.1 概述 59
4.1.1 机械系统可靠性的概念 59
4.1.2 基本可靠性模型和任务可靠性模型 60
4.1.3 系统的结构框图与可靠性框图 60
4.1.4 可靠性模型建立的步骤 61
4.1.5 系统可靠性模型的应用 62
4.2 系绕可靠性模型 63
4.2.1 串联模型 63
4.2.2 并联模型 65
4.2.3 混联模型 67
4.2.4 储备模型 67
4.2.5 复杂系统 73
4.3 系统可靠性预计 77
4.3.1 可靠性预计的目的 77
4.3.2 可靠性预计的程序 78
4.3.3 单元可靠性预计 79
4.3.4 系统可靠性预计的一般方法 80
4.3.5 可靠性预计注意事项 88
4.4 系统可靠性分配 88
4.4.1 可靠性分配的原则 88
4.4.2 可靠性分配的方法 89
4.5 可靠性设计方法 98
4.5.1 结构可靠性设计 99
4.5.2 冗余设计 101
4.5.3 耐环境设计 102
4.5.4 耐热设计 109
习题4 111
第5章 故障模式影响及危害性分析与故障树分析 114
5.1 概述 114
5.1.1 故障模式影响及危害性分析 114
5.1.2 故障树分析 114
5.2 故障模式影响及危害性分析 115
5.2.1 故障模式影响及危害性分析的概念、特点与程序 115
5.2.2 故障模式及影响分析 122
5.2.3 危害性分析 126
5.2.4 故障模式影响及危害性分析的应用 130
5.3 故障树分析 133
5.3.1 常用符号 133
5.3.2 故障树的建立 137
5.3.3 故障树的定性分析 139
5.3.4 故障树的定量计算 142
5.3.5 机械系统故障树分析实例 147
习题5 150
第6章 机械零部件可靠性设计 152
6.1 概述 152
6.2 螺栓连接的可靠性设计 155
6.2.1 受拉伸载荷螺栓连接的可靠性设计 155
6.2.2 受剪切载荷螺栓连接的可靠性设计 162
6.3 弹簧的可靠性设计 167
6.3.1 圆柱螺旋压缩弹簧的静强度可靠性设计 169
6.3.2 圆柱螺旋压缩弹簧的疲劳强度可靠性设计 170
6.4 齿轮传动的可靠性设计 174
6.4.1 齿轮轮齿的故障模式及其特征 174
6.4.2 齿面接触疲劳强度的可靠性设计 176
6.4.3 齿根弯曲疲劳强度的可靠性设计 186
6.5 轴的可靠性设计 192
6.5.1 轴的失效模式 193
6.5.2 转轴的可靠性设计 193
6.5.3 心轴的可靠性设计 199
6.5.4 传动轴的可靠性设计 201
6.5.5 轴的刚度可靠性设计 203
6.6 滚动轴承的可靠性设计 204
6.6.1 滚动轴承的寿命与可靠度之间的关系 205
6.6.2 滚动轴承的额定动载荷与可靠度之间的关系 207
习题6 208
第7章 机械可靠性优化设计及可靠性提高 209
7.1 概述 209
7.1.1 可靠性优化设计的概念 209
7.1.2 以可靠度指标为约束条件的可靠性优化设计 209
7.1.3 以总费用指标为约束条件的可靠性优化设计 211
7.1.4 机械可靠性优化设计实例 212
7.2 可靠性提高 218
7.2.1 可靠性增长概述 218
7.2.2 可靠性增长方法 220
7.2.3 人-机-环境系统可靠性 221
习题7 228
第8章 可靠性试验 229
8.1 概述 229
8.2 寿命试验设计 230
8.2.1 寿命试验的目的 230
8.2.2 寿命试验的分类 230
8.2.3 寿命试验的设计方案 232
8.3 寿命试验结果的统计分析及参数估计 234
8.3.1 一般分布完全寿命试验的数据处理 234
8.3.2 指数分布截尾寿命试验及参数的点估计 236
8.3.3 正态分布寿命试验及参数的点估计 238
8.3.4 威布尔分布寿命试验及参数的点估计 239
8.4 加速寿命试验 240
8.4.1 加速寿命试验的原理与类型 241
8.4.2 恒定应力加速寿命试验设计 242
8.4.3 加速寿命曲线与方程 244
8.4.4 影响加速寿命试验三个因素之间的关系 244
习题8 251
参考文献 253
附录 254
附录1 标准正态分布数值表 254
附表2 x2分布的分位数表 256
附录3 *函数表 257
附表4 t分布的分位数表 258
附表5 F分布的分位数表 259

第1章　绪　　论

1.1　可靠性研究的历史

可靠性是一门新兴的工程学科。产品的可靠性已成为衡量产品质量的重要指标

之一。近年来，世界各发达国家已把可靠性技术和全面质量管理紧密地结合起来，大

大提高了产品的可靠性水平。

可靠性工程的诞生可以追溯到20世纪40年代，即第二次世界大战期间。当

时，由于战争的需要，迫切要求对飞机、火箭及电子设备的可靠性进行研究。最早

提出可靠性理论的是德国的科学技术人员，德国在v-l火箭的研制中，提出了火箭

系统的可靠性等于所有元器件可靠度乘积的理论，即把小样本问题转化为大样本

问题进行研究。到了50年代初期，美国为了发展军事的需要，投入了大量的人力、

物力对可靠性进行研究。美国先后成立了“电子设备可靠性专门委员会”、“电子设

备可靠性顾问委员会”（AGREE）等研究可靠性问题的专门机构。1957年6月4

日，美国的“电子设备可靠性顾问委员会”发布了《军用电子设备可靠性报告》，这

就是著名的“AGREE”报告。这一报告提出了可靠性是可建立的、可分配的及可验

证的，从而为可靠性学科的发展提出了初步框架。“AGREE”报告是美国可靠性工

程学发展的奠基性文件。

20世纪50年代，苏联为了保证人造地球卫星发射与飞行的可靠性，开始了可靠

性的研究工作。同时，为了解决作战导弹可靠性的要求，一些国家也先后开展了对可

靠性的研究与应用。也就在这一时期，日本企业家认识到，要在国际市场的竞争中取

胜，必须进行可靠性的研究。1958年日本科学技术联盟成立了“可靠性研究委员

会”，专门对可靠性问题进行研究。

1961年，苏联发射第一艘有人驾驶的宇宙飞船时，宇航局对宇宙飞船安全飞行

和安全返回地面的可靠性提出了0.999的概率要求，可靠性研究人员把宇宙飞船系

统的可靠性转化为各元器件的可靠性并对其进行研究，取得了成功，满足了宇航局对

宇宙飞船系统提出的可靠性要求。也就在这一时期，苏联对可靠性问题展开了全面

的研究。20世纪60年代是美国航空航天事业迅速发展的时期。美国国家航空航天

管理局（NASA）和美国国防部接受并发展了50年代由“AGREE”发展起来的可靠性

设计及实验方案。与此同时，计算机硬件也从晶体管到集成电路，并朝着超大规模集

成（VLSI）方向发展，计算机的进步主要源于硬件的进步，那时软件的重要性还不显

著。软件可靠性问题是在60年代末获得重视。这时，苏联、法国、日本、英国等国家

也相继开展了可靠性工程的研究。60年代我国在雷达、通信机、电子计算机等方面

也提出了可靠性问题。

20世纪70年代，各种各样的电子设备或系统广泛应用于各科学技术领域、工业

生产部门以及人们的日常生活中。电子设备的可靠性直接影响着生产的效率、系统、

设备以及人们的生命安全，对可靠性问题的研究显得日益重要。同时，人们也开始了

对非电子设备（机械设备）可靠性的研究，以解决已有的电子设备可靠性设计及试验

技术对非电子设备使用时受到限制和结果不理想的问题。

20世纪70年代我国国家重点工程的需要（元器件的可靠性问题）以及消费者的

强烈要求（电视机的质量问题），对各行业开展可靠性的研究起了巨大的推动作用。

从1973年起，国防科学技术工业委员会和四机部为了解决国家重点工程元器件的可

靠性问题，多次召开有关提高可靠性的工作会议。1978年提出《电子产品可靠性“七

专”质量控制与反馈科学实验》计划，并组织实施。经过10年努力，使军用元器件可

靠性有了很大的提高，保证了运载火箭、通信卫星的连续发射成功和海底通信电缆的

长期正常运行。1978年，国家计划委员会、电子工业部及广播电视总局陆续召开了

有关提高电视机质量的工作会议。对电视机等产品明确提出了可靠性、安全性的要

求和可靠性指标，组织全国整机及元器件生产厂家开展了大规模的、以可靠性为重点

的全面质量管理。在5年的时间里，使电视机平均故障间隔时间提高了一个数量级，

配套元器件使用可靠性也提高了一或二个数量级。

20世纪80年代可靠性研究继续向广度和深度方向发展，其中心内容是实现可

靠性保证。1985年，美国军方提出在2000年实现“可靠性加倍，维修时间减半”这一

新的目标，并已开始实施。80年代初，我国掀起了电子行业可靠性工程和管理的第

一个高潮，组织编写了可靠性普及教材。在电子工业部内普遍开展可靠性教育，形成

了一批研究可靠性的骨干队伍。1984年组建了全国统一的电子产品可靠性信息交

换网，并颁布了GJB299―1987《电子设备可靠性预计手册》，有力地推动了我国电子

产品可靠性工作。同时还组织制定了一系列有关可靠性的国家标准、国家军用标准

和专业标准，使可靠性管理工作纳入标准化轨道。在80年代，软件可靠性理论研究

停滞不前，没有质的飞跃。但软件可靠性的工程实践经验得到不断积累，不少软件可

靠性技术在软件工程实践中得以应用。某些技术达到实用化程序，如软件可靠性建

模技术、管理技术等。可以说这一时期，软件可靠性从研究阶段逐渐迈向工程化

阶段。

20世纪90年代初，机械电子工业部提出了“以科技为先导，以质量为主线”，沿

着管起来―控制好―上水平的发展模式开展可靠性工作，兴起了我国第二次可靠性

工作的高潮，取得了较大的成绩。进入90年代后，由于软件可靠性问题的重要性更

加突出和软件可靠性工程实践范畴的不断拓展，软件可靠性逐渐成为软件开发者需

要考虑的重要因素，软件可靠性工程在软件工程领域逐渐取得相对独立的地位，并成

为一个生机勃勃的分支。

1991年海湾战争的“沙漠风暴”行动和科索沃战争表明，未来的战争是高技术的

较量。现代化技术装备，由于采用了大量的高技术，极大地提高了系统的复杂性，为

了保证战备的完好性、任务的成功性以及减少维修人员和费用，可靠性工程将大力扩

展，需要更多的可靠性技术作保证，需要更加严密的可靠性管理系统。

综上所述，可靠性工程的诞生、发展是社会的需要，与科学技术的发展，尤其与电

子技术的发展是分不开的。虽然可靠性工程起源于军事领域，但从它的推广应用和

给企业与社会带来巨大经济效益的事实中，人们更加认识到提高产品可靠性的重要

性。世界各国纷纷投入大量人力、物力进行研究，并在更广泛的领域里推广应用。

我国可靠性工程虽然发展很快，但应该看到，目前与发达国家相比，还有很大差

距。为尽快改变我国可靠性工作落后的局面，各级领导和各类人员应尽快从认识上

转变观念，树立当代质量观，“以质量求生存、求发展”。把产品性能和可靠性同等看

待，这是推动可靠性发展的关键。与此同时，要有效地推动可靠性工程，应将可靠性

理论研究成果和可靠性工程技术应用于可靠性工程实践中，把对产品的可靠性要求

纳入产品指标体系，并要有相应的考核要求和办法。

1.2　可靠性研究的重要性及其意义

可靠性问题的提出，首先是从军用航空电子设备开始的。在第二次世界大战期间，

军用航空电子设备的失效率高，难以维护，引起人们对可靠性问题的高度重视。

20世纪60年代以来，可靠性工程技术逐步地在各个工业领域内得到了发展和

应用，而且日益得到重视。可靠性研究的重要性及其意义体现在以下几个方面。

1.产品的可靠性与企业的生命、国家的安全紧密相关

国防科学技术工业委员会在总结中国两弹一星的成功经验时，将可靠性列为三

大技术成就之一；第二次世界大战中美国空军由于技术故障造成的飞机事故多于被

击落的损失；1979年3月28日美国三里岛核电站发生的放射性物质泄漏事故是由

于硬件（冷凝器循环泵）故障和操作人员的不可靠所造成的；而1986年4月苏联切尔

诺贝利核电站爆炸事故，对国家的安全和声誉造成了严重损害。所以，对于重要的大

型成套设备如电站、冶金、化工设备等，都应进行可靠性和安全性设计与风险评估，以

控制其最低失效概率。

2.产品性能的优化、结构的复杂化要求有很高的可靠性

随着现代科学技术的发展，机械产品（包括机电一体化产品）的结构日益复杂，如

图1-1所示，性能参数越来越高，可靠性指标同样要求越来越高。

图1-1　产品结构的复杂化

美国研制F-105战斗机时，投资2500万美元，使其可靠度从0.7263提高到

0.8986，每年节约维修费用5400万美元。而20世纪50年代末，美国迪尔公司在研

发新系列发动机和拖拉机时，采用了一系列的新结构、新技术，使可靠性大大降低，年

维修费用增加1~2倍。在可靠性工程领域，人们经常会提到：宁可牺牲先进性，也要

保证可靠性。

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