【正文】 （b）圖24 強度應力關系為求得零件的不可靠度，可用強度差概率密度積分法。令強度與應力差為 ： Z= 由于、S均為隨機變量，所以強度差Z也是隨機變量，零件的不可靠度顯然等于Z小于零的概率，即F（Z〈 0〉如果已知強度的概率密度函數(shù)f（s）及應力的概率密度函數(shù)g()，可得到強度與應力差值Z的概率密度函數(shù)P（Z）。從而得到應力大于強度的概率為 ()F(Z0)就是零件的不可靠度。對于大多數(shù)機械零件來說，假如強度與應力服從正態(tài)分布，在計算精度上一般都可以滿足工程要求。如果強度與應力服從正態(tài)分布，根據(jù)概率論理論，其差值Z也服從正態(tài)分布。Z值的均值及均方差分別為： () S= ()強度與應力之差Z的概率密度函數(shù)P（Z）為 ()對P（Z）在～0區(qū)間積分，可得到零件的不可靠度 ()柴油機機械零件強度的可靠性預測就是根據(jù)對零件所承受的工作載荷和強度的統(tǒng)計規(guī)律，采用應力、強度“干涉”模型對零件強度的可靠性進行預估，獲得其可靠性大小。 零件的可靠性預測可以使設計人員對所設計結果的可靠程度做出大致的估計、當設計達不到要求的可靠性指標時，找出原因并及時采取措施加以改進。 此外，零件的可靠性預測還為進行系統(tǒng)的可靠性預測與分析提供基本數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)的可靠性分析與估計得以進行。 機械零件強度可靠性預測的具體步驟如下。 ①確定機械零件失效模式的判據(jù) 機械零件可能出現(xiàn)的失效模式有斷裂、疲勞損壞、過度變形、腐蝕、磨損、振幅過大等。其相對應的常用判據(jù)有最大正應力、最大剪應力、最大應變、最大變形、疲勞下的最大應力、最大允許腐蝕量、最大允許磨損量、最大許用振幅等。針對機械零件具體承受的外載及工作狀況或實際失效情況來確定失效模式及判據(jù)。 ②確定機械零件每種失效模式下的應力分布 對于每種失效模 式。在確定載荷、尺寸、材料物理待性、工作環(huán)境、時間等設計變量及參數(shù)之間的函數(shù)關系后。得出應力計算公式，最終得到應力分布。 ③確定機械零件強度分布 機械零件的強度與設計中選用的材料、加工方法、熱處理工藝等直接相關。每種失效模式下零件的強度分布可由試祥的強度分布(即材料的強度分布)用相應的強度修正系數(shù)加以修正得到。當然由試驗直接得到零件的強度分布則結果更準確。④確定每種失效模式下機械零件應力、強度“干涉”下的可靠度 當機械零件只有一種失效模式或一種主要失效模式時，則僅需按這一種失效模式的判據(jù)來計算(預測)其可靠度，方法是采用應力、強度“干涉”模型計算。如果還有其他主要失效模式，則應計算所有主要失效模式下零件相應的可靠度。 機械零件強度可靠性設計就是明確載荷(應力)及零件強度的分布規(guī)律、合理建立應力與強度之間的數(shù)學模型、嚴格控制零件發(fā)生失效的概率，在滿足設計要求的基礎上確定出機械零件設計變量的具體參數(shù)(如軸徑的設計值、齒輪的模數(shù))。整個過程概括如下： ①確定設計對象及內容，并明確所包含的設計變量和參數(shù)； ⑨確定機械零件的主要失效模式； ③確定導致機械零件失效的載荷(應力)統(tǒng)計和概率分布； ④確定機械零件抵抗失效的強度統(tǒng)計和概率分布； ⑤根據(jù)要求達到的可靠度指標值，采用應力、強度“干涉”模型進行機械零件的可靠性設計計算．獲得設計變量和參數(shù)的設計值。 由上述設計過程可知應力、強度“干涉”模型是機械零件可靠性設計的基礎。在零件的可靠性設計中，由于應力及強度均是隨機變量。因此，判斷零件是否安全可靠是以強度大于應力所發(fā)生的概率來表示的?？煽啃岳碚撌墙⒃诟怕收摵蛿?shù)理統(tǒng)計基礎上的，一般情況下我們所提到的材料強度、載荷、零部件尺寸、工作應力等都是均值。而實際情況是這些零部件或材料的數(shù)據(jù)在制造、試驗、檢測各環(huán)節(jié)都是隨機變量試驗結果表明，這些數(shù)據(jù)服從一定的分布規(guī)律，在可靠性設計中，經常假定他們服從正態(tài)分布，這是因為正態(tài)分布參數(shù)少，有現(xiàn)成的統(tǒng)計方法而且也能達到一定的精度。故障樹分析法(Fault Tree Analysis簡稱FTA)，當時用以評價“民兵”導彈發(fā)射控制系統(tǒng)的安全性，取得了成果。隨后在宇航、核能等方面可靠性及安全性分析中得到了廣泛的應用。我國近些年來，可靠性技術的運用已逐步展開，同時故障樹分析法也引起了人們的注意，尤其是在核能、化工、電子等領域的應用已取得了可喜的成果。但在船舶柴油機方面的應用還剛剛起步。故障樹分析法是一種需要整體、綜合、定量地考慮系統(tǒng)異常行為的系統(tǒng)方法。在這個方法中，首先要確定系統(tǒng)可能產生的異常行為:不希望發(fā)生事件。該不希望發(fā)生的事件就是故障樹的頂事件。然后在一定的環(huán)境與工作條件下，對系統(tǒng)進行分析，從而找出導致系統(tǒng)不希望事件發(fā)生的一系列初級事件。故障樹就是這些初級事件以圖形的模式進行串聯(lián)和并聯(lián)的組合。對定性、定量分析結果的評估及結論。故障樹分析法是眾多可靠性分析方法中的一種，比較適用于大型復雜控制系統(tǒng)的可靠性及安全性分析。FTA是一種圖形演繹法，是故障事件在一定條件下的邏輯推理方法。FTA把系統(tǒng)的故障與組成系統(tǒng)的部件有機地聯(lián)系在一起，通過FTA可以找出系統(tǒng)全部可能的失效狀態(tài)。故障樹本身是一種形象化的技術資料，當它建成以后，對不曾參與系統(tǒng)設計的管理運行人員也是一種十分有效的直觀教學資料和維修指南。當然，F(xiàn)TA方法也有自身的缺點，系統(tǒng)的故障樹并不是一個包括所有可能的系統(tǒng)失效或所有系統(tǒng)失效原因的模型。其次，故障樹只能表示成功或失敗兩種狀態(tài)，并且只能描述處于某一時刻的系統(tǒng)。最后，故障樹分析需要花費大量的人力、物力和時間，有時也會發(fā)生遺漏和邏輯推理的失誤。盡管如此，F(xiàn)TA對于大型復雜控制系統(tǒng)還是一種最為適用的可靠性分析方法。目前，隨著船舶自動化程度的提高，系統(tǒng)日趨復雜化，尤其是船用設備的運行環(huán)境較為惡劣，如潮濕、噪音、振動、鹽霧及霉菌等因素都會不同程度地影響系統(tǒng)的正常運行。因此，為了提高船舶營運的安全性。以及對系統(tǒng)獲得一個總的質量觀念。為維修及保養(yǎng)提供一定的理論依據(jù)等原因，對船舶自動控制系統(tǒng)進行可靠性分析是一項十分重要而必須進行的工作。頂事件的確立。頂事件是系統(tǒng)不希望發(fā)生的事件。其選擇依據(jù)應考慮致命的、高度可能的主要事件，同時也應考慮頂事件的初始條件。還必須將頂事件發(fā)生的條件和范圍在文字描述中予以說明，既做到不遺漏，又做到分清主次。其次，頂事件還應能分解。例如：船舶主機遙控系統(tǒng)，不希望發(fā)生的事件，或主要的、致命性的事件并非一種。例如:速度失控、不能啟動、不能停車、不能剎車、突然停車等情況都屬致命性事件，怎樣妥善考慮這些因素也就成為頂事件確定的關鍵。我們在處理這一問題時，將頂事件確立為“由于主機遙控系統(tǒng)的故障，主機不能正常運轉” 等。在頂事件下包括3個子樹頂事件:①由于遙控系統(tǒng)本身的故障，導致主機較長時間的速度波動。②主機不能正確的響應指令的改變，它又包括3個子子樹頂事件:停車指令不能執(zhí)行。換向指令不能執(zhí)行。啟動指令不能執(zhí)行。③速度失控，它又包括2個子子樹頂事件:主機飛車。主機突然停車。系統(tǒng)邊界條件的確立使得故障樹不會漫無邊際地拓寬增大。它有內、外邊界之分，外邊界的選擇決定了分析的廣度，而內邊界的選擇則限制了分析的深度。首先，邊界條件的范圍應在頂事件內容所包含的范圍內。外邊界的確定一般從執(zhí)行機構開始，分析到傳感器、檢測元件為止。而內邊界的確定則要依賴所分析系統(tǒng)的結構特點，分立元件要分析到元件為止，元件內部的具體失效模式不分析，集成電路分析到集成片為止，片內的具體失效模式不分析。至于邊界條件進一步的確定則要依據(jù)所關心的應用情況而定。例如:在分析主機遙控系統(tǒng)時，船舶電站、啟動空氣都應屬邊界條件之外的因素。除此之外，一般來說，導線和管路故障不考慮，人員故障不考慮，共因失效也不考慮。故障樹的建造雖然包含一些技巧的成分，但仍然有它的基本規(guī)則?；疽?guī)則I:在方塊中填寫故障說明時，明確說明這些故障是什么以及何時發(fā)生。例如說“主機經壓氣達換向轉速后不能噴油”而不說“主機不能噴油” ?；疽?guī)則Ⅱ:檢查框內的每個說明，并且判斷引起故障的原因。如果它是部件失效引起的故障，則將這個事件歸為“部件故障狀態(tài)”，在這個事件下面加一個或門，并且尋找初級失效、次級失效和指令失效模式。否則該故障事件歸人“系統(tǒng)故障狀態(tài)”，尋找最簡捷的、充分必要的直接原因。基本規(guī)則Ⅲ:又名無奇跡規(guī)則，它包括4項內容:①如果一個部件正常工作傳遞了一個故障后果，那么我們假定這個部件是工作正常的。②如果一個部件的正常工作能阻止一個故障后果的傳遞，那么只要故障后果繼續(xù)留在樹上，該部件的正常工作肯定要被破壞。③一個特殊故障后果的傳遞會意外地被某個完全意想不到的部件失效所止住，要做的正確假定是該部件工作正常。④如果系統(tǒng)中存在一個與門的情形，就必須把它考慮在模型里?；疽?guī)則Ⅱ：可以說是整個故障樹建立過程中的核心思想。而基本規(guī)則Ⅲ則是充分發(fā)揮建樹技巧的前提?；疽?guī)則Ⅲ的主導思想就是不考慮產生奇跡以及阻止故障傳遞的偶然性，以免將事件的分析建立在特殊的、意外的事件發(fā)生之上。對故障樹定性分析的主要目的是：尋找導致與系統(tǒng)有關的不希望事件發(fā)生的原因和原因組合，即尋找導致頂事件發(fā)生的所有故障模式。從中確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，采取措施，予以補救，如對關鍵的零部件采取故障監(jiān)測與診斷措施，以減少排除故障的時間，也可有效地提高整個系統(tǒng)的可用度。1)割集與路集的定義割集是導致故障樹頂事件發(fā)生的若干底事件集合。一個割集代表了系統(tǒng)故障發(fā)生的一種可能性，即—種失效模式。若將割集中所含底事件任意去掉一個就不成為割集，則稱此為最小割集。路集是故障樹中一些底事件的集合。當這些事件都不發(fā)生，就能保證頂事件不發(fā)生。一個路集代表了系統(tǒng)成功的一種可能性。若將路集中所含底事件任意去掉一個就不稱為路集，則稱為最小路集。由于一個最小割集是包含有最少數(shù)量而又最必須的底事件的集合，而全部最小割集的完整集合則代表了給定系統(tǒng)的全部故障。因此，最小割集的意義在于它描述出處于故障狀態(tài)的系統(tǒng)中所必須排除的故障，顯示出系統(tǒng)中最薄弱環(huán)節(jié)。對故障樹進行定性分析的主要目的是查清系統(tǒng)出現(xiàn)某種故障有多少種可能性，換言之，其目的在于確定系統(tǒng)的最小割集，以便發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)。2)求最小割集的方法最小割集表征了系統(tǒng)失效的充分和必要條件。對于簡單的故障樹，將結構函數(shù)展開，然后用布爾代數(shù)化簡，使其稱為具有最小項數(shù)的積之和表達式，每一項之和就是一個最小割集。對于復雜系統(tǒng)的故障樹，必須借助計算機，用計算機求解的算法程序來求最小割集。目前已開發(fā)了許多計算機算法，下面將介紹兩種常用的方法。(1)富塞爾(Fussell)算法也稱下行法，它是根據(jù)故障樹中的或門會增加割集的數(shù)目，與門會增加割集容量的性質，從故障樹的頂事件開始，自上而下地順序把上排事件置換為下排事件。置換的具體方法是：將與門的輸入寫成一行，將或門的輸入寫成一列，直至全部置換成底事件(含省略事件)為止。由此可獲得所分析故障樹的全部割集，再應用布爾函數(shù)化簡法，除非最小割集，余下的便是最小割集。(2)塞邁赫特（ Semanderes）算法又稱上行法，其具體過程是：對于結定的故障樹，從最下一級結果事件開始，若底事件用與門同結果事件相連，則將結果事件表示為底事件的交；若底事件用或門結果事件相連，則將結果事件表示為底事件的并。如此由下往上，直至頂事件。應用布爾代數(shù)化簡法，對最后結果化簡，使得到最小割集。 本章是系統(tǒng)可靠性分析的基礎，主要介紹可靠性的基本概念、系統(tǒng)的壽命分布、系統(tǒng)的可靠性模型、故障樹分析法等。這些在工程上得到了廣泛的應用。但從中也應該看到象船舶柴油機這樣的機械產品的可靠性預計有其本身的特點。主要在于：1）故障率通常不是常數(shù)，其故障往往是由于耗損、疲勞和其他與應力有關的故障機理造成的，不同失效模式之間往往是相關的。2）設備對載荷、使用方式和利用率更加敏感。其失效率分布有正態(tài)分布、威布爾發(fā)布、對數(shù)正態(tài)分布和極值分布等。3）設備零件通用性不強，標準化程度不高，故障率較高。鼓掌模式一般為：損壞型故障（斷裂、變型等）；退化型故障（老化、磨損、腐蝕等）；松脫型故障（松動、脫焊）；失調型故障（間隙不當、行程不當、壓力不當）；堵塞或滲漏型故障（堵塞、漏油、漏氣、漏水等）；功能性故障（功能不穩(wěn)、功能不正常等）。鑒于這些特點，從管理、使用的角度采取措施，提高柴油機可靠性顯得更加重要。第三章 船用柴油機可靠性分析 主要零部件的磨損分析進行磨損分析，目的是對零、部件的缺陷進行檢驗并預報其壽命、確定柴油機技術使用的水平以及評價使用因素對柴油機磨損和耐久性的影響。用來評定絕對磨損和相對磨損的零件測量方法有多種，目前獲得推廣的方法有如下幾種：測微計測定；材料質量法；示蹤原子法和表面活化法。系列柴油機主要零件的磨損測定，在第一次拆修、中修和大修時進行。柴油機的零、部件，氣缸體、氣缸套、活塞、活塞銷、活塞環(huán)、連桿小端襯套、氣門導套、氣門桿、凸輪軸、曲軸的軸頸和軸承都要進行磨損分析，以確定需要采取何種修理方法為宜。大修時應檢驗所有的受磨損件和主要件的變形，如機架（曲軸箱）、氣缸體和氣缸蓋、曲軸等。實際的磨損速度計算公式：式中： 為實際的磨損量，；為已工作時間，千時。間隙形成的實際的速度計算公式：式中：s為測定的間隙； 為安裝間隙。計算同一名稱的零件磨損速度（間隙形成的速度）時，在使用同一臺柴油機的條件下，其磨損速度可能不一樣。 這是因為磨損速度是隨機量。其要服從于被確定的分布律。分布函數(shù)單值性地為磨損速度的統(tǒng)計特征值所決定，即為平均磨損速度和平均方差所確定。它們與零件的使用條件、制造質量和其他因素有關。磨損分析的內容如下；保養(yǎng)時應該測量零、部件以確定是否超過允許極限磨損定額；將實際磨損速度v與額定磨損速度v1進行比較，確定并消除磨損速度和提高間隙增大速度的原因，確定零件的殘余壽命。殘余壽命的