机械可靠性设计-概论及特征量(第一讲)- 知识

1、机械可靠性设计概论及特征量(第一讲) 第1章 绪 论第2章 可靠性数学基础第3章 机械可靠性设计原理与可靠度设计第4章 机械系统可靠性设计第5章 故障模式影响及危害（FMECA）与故障树分析第6章 机械零部件的可靠性设计第7章 机械可靠性优化设计及可靠性提高（简介）第1章 绪 论1.1可靠性研究的历史1.2可靠性研究的意义1.3可靠性的定义及基本内容1.4可靠性的特征量20世纪50年代初期，美国为了发展军事需要，先后成立了可靠性问题的研究机构。1957年6月4日，美国发布了军用电子设备可靠性报告，这就是著名的“AGREE”报告，可靠性工程学发展的奠基性文件。1961年4月12日世界上第一艘载人

2、宇宙飞船“ 东方”号在苏联发射升空 。对可靠性提出了0.999的概率要求。宇航员加加林东方号 我国对可靠性科学和技术的研究也有较长的历史，大约从20世纪50年代初期研制“两弹一星”就开设。20世纪60年代，我国在雷达、通信机、电子计算机等方面开始提出可靠性问题。70年代，由于我国国家重点工程的需要，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研究起了巨大的作用。1990年我国机械电子工业部印发的加强机电产品设计工作的规定中指出：可靠性、适应性、经济性三性统筹作为我国机电产品设计的原则。在新产品的鉴定定型时，必须要有产品可靠性设计资料和试验报告，否则不能通过鉴定。我国”神州五号”

3、载人航天飞船成功的关键是解决了可靠性问题。航天员安全性指标达到0.997.1979年3月，美国三里岛核电站发生放射性物质泄露事故，主要是由于冷凝器循环泵故障和操作人员的不可靠造成的。2007年又发生泄露事故。2003年2月1日，美国“哥伦比亚”号发射后不久从外部燃料箱外脱落的泡沫材料，击中了航天飞机左翼的第8号增强型碳基复合材料板。这一撞击造成的损伤使超高温气体在“哥伦比亚”号重返大气层时得以进入航天飞机内部，最终导致飞机解体。 可靠性是产品质量的重要指标之一。现代优质产品主要是功能好、可靠性高。为了提高机械产品的可靠性，首先，必须在设计上满足可靠性要求。为此，要求机械设计人员在掌握常规机械设

4、计方法的基础上，必须掌握机械可靠性设计的基本理论和方法，从而设计出性能好、可靠性高的现代机械产品。概述4二、常规设计与可靠性设计常规设计中，经验性的成分较多，如基于安全系数的设计。常规设计可通过下式体现：计算中，F、l、E、slim等各物理量均视为确定性变量，安全系数则是一个经验性很强的系数。上式给出的结论是：若ss则安全；反之则不安全。机械可靠性设计概述为什么按常规设计安全的产品在使用过程中还会出现失效？首先，设计中的许多物理量是随机变量；基于前一个观点，当s s时，未必一定安全，可能因随机数的存在而仍有不安全的可能性。在常规设计中，代入的变量是随机变量的一个样本值或统计量，如均值。按概率的

5、观点，当= 时， ss的概率为50%，即可靠度为50%，或失效的概率为50%，这是很不安全的。概述5概率设计就是要在原常规设计的计算中引入随机变量和概率运算，并给出满足强度条件（安全）的概率可靠度。机械可靠性设计是常规设计方法的进一步发展和深化，它更为科学地考虑了各设计变量客观现实及其之间的关系，是高等机械设计重要的内容之一。显然有必要在设计之中引入概率的观点，这就是概率设计，是可靠性设计的重要内容。机械可靠性设计概述（3）“规定的时间”，可靠度是随时间而降低的，产品只能在一定的时间内才能达到目标可靠度。（日历时间、应力循环次数、汽车里程数等）（4）“规定的功能”，明确规定失效或发生故障的判定

6、指标。就某个可靠性，这个是一定的。例子：齿轮失效的例子。 （5）“能力”，需对产品的能力作定量的分析。应从统计学意义上评价和分析产品能力的高低。产品的可靠性可分为：固有可靠性、使用可靠性和环境适应性三个方面。固有可靠性是指产品在设计、生产中已确立的可靠性，它是产品内在的可靠性，是生产厂家模拟实际工作条件进行检测并给以保证的可靠性。固有可靠性与产品的材料、设计与制造技术有关。使用可靠性是产品在使用中的可靠性，它与产品的运输、贮藏保管以及使用过程中的操作水平、维修状况和环境等因素有关，所有这些与使用相关的可靠性称为使用可靠性。 据统计资料表明： 电子设备故障原因中属于产品固有可靠性部分占了80%：

7、 其中设计技术占40%，器件和原材料占30%，制造技术占10%； 属于产品使用可靠性部分占20%，其中现场使用占15%。 可靠性学科是一门综合运用多种学科知识的工程技术学科，该领域主要包括以下三方面的内容：1) 可靠性设计它包括：设计方案的分析、对比与评价，必要时也包括可靠性试验、生产制造中的质量控制设计及使用维护规程的设计等。2) 可靠性分析它主要是指失效分析，也包括必要的可靠性试验和故障分析。这方面的工作为可靠性设计提供依据，也为重大事故提供科学的责任分析报告。3) 可靠性数学这是数理统计方法在开展可靠性工作中发展起来的一个数学分支。 目前，进行可靠性设计的基本内容大致有以下几个方面：(1

8、) 根据产品的设计要求，确定所采用的可靠性指标及其量值。(2) 进行可靠性预测。可靠性预测是指：在设计开始时，运用以往的可靠性数据资料计算机械系统可靠性的特征量，并进行详细设计。在不同的阶段，系统的可靠性预测要反复进行多次。(3) 对可靠性指标进行合理的分配。首先，将系统可靠性指标分配到各子系统，并与各子系统能达到的指标相比较，判断是否需要改进设计。然后，再把改进设计后的可靠性指标分配到各子系统。 按照同样的方法，进而把各子系统分配到的可靠性指标分配到各个零件。(4) 把规定的可靠度直接设计到零件中去。二、 产品可靠性的度量（1） 可靠度R(t)与不可靠度F(t)可靠度产品在规定的条件，规定的

9、时间内完成规定功能的概率.设有N件产品，从开始工作到时刻 t 发生的故障的件数为Nf(t)。平均可靠度估计值 可靠度理论值 一般当N足够大 设规定时间为 t ，产品寿命为T （随机变量），如果 ，表示该产品在规定时间内能够完成规定的功能。在一批产品中， 是一随机事件，发生的概率为0100t59550F(t)R(t)F(t)/%R(t)/%图1-1 R(t)和F(t)随工作时间t的变化情况例：某批电子器件有1000个，开始工作至500h内有100个失效，工作至1000h 共有500个失效，试求该批电子器件工作到500h 和1000h 的可靠度。解： 由已知条件可知：(2) 失效概率密度f(t)平

10、均失效概率密度直方图 1）取N 件产品作寿命试验，测量其失效时间（是随机变量）；2）将失效时间分为K个区段：to,t1，t1,t2tk-1,tk，3）第i个区段 内 产品失效数为 失效频率 平均失效频率密度 工作到 t i 时刻的累积失效频率 序号 时间区间 （1h）时间区间内失效数 累积失效数未失效数平均失效频率密度累积失效频率 存活频率平均失效率10111990.010.010.990.0121223970.020.030.970.020232336940.030.060.940.031434511890.050.110.890.053545718820.070.180.820.07965

11、6927730.090.270.730.117671239610.120.390.610.1648781554460.150.540.460.2469891367330.130.670.330.283109101077230.100.770.230.303111011885150.080.850.150.34812111279280.070.920.080.46713121349640.040.960.040.50014131439910.030.990.010.750151415110000.011.000.001.00时间区间失效频率密度分布直方图中的每一小方块面积代表失效频率当时，直方图

12、趋于一条曲线，叫做“失效概率密度曲线” 图1-2 平均失效频率密度直方图2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 t / h 0246810121416/%失效概率密度曲线设工作到 t 时刻的失效数为 设工作到 t+t 时刻的失效数为 失效概率 可靠度 f(t)f(t)0ttaF(ta)R(ta)f(t)与F(t)(3) 失效率(t)工作到时刻 t 尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。平均失效率估计值 单位:单位时间的百分数表示例：设t=0，投入工作的10000只灯泡，以天为度量时间单位，在t=365天时，发现有300只灯泡坏了，（1）求这时的工作可靠

13、度；（2）若一年后的一天又有1只灯泡坏了，求失效率。解：例：若有100件产品，实验10小时已有2件失效。此时观测1小时，发现有1件失效，这时失效率为： 若实验到50小时时共有10件失效。再观测1小时，也发现有1件失效，这时失效率为两边积分：当只要知道其中的一个，其它特征量均可求得。失效率(t):工作到时刻t尚未失效的产品,在该时刻后单位时间内失效概率的变化.失效概率密度f (t):开始工作(时刻t=0)时的产品,在时刻t时单位时间内失效概率的变化.平均失效概率密度 平均失效率 图1-3 各个时刻的平均失效率平均失效率 %/a失效率反映产品的失效规律 产品的失效率 与时间 t 的关系曲线如图所示

14、。它可分为三个特征区：图 产品典型失效率曲线 偶然失效期（正常运行期）耗损失效期早期失效期耗损失效期（1）早期失效期早期失效期一般出现在产品开始工作后的较早时期，一般为产品试车跑合阶段。在这一阶段中，失效率由开始很高的数值急剧地下降到某一稳定的数值。引起这一阶段失效率特别高的原因主要是由于材料不良、制造工艺缺陷、检验差错以及设计缺点等因素引起。 为了缩短这段时间，产品在投入运行之前进行试验运转，及早发现缺陷；或通过试验进行筛选，剔除不合格产品。在该阶段内如果产品发生失效，一般都是由于偶然的原因而引起的。其失效的特点是随机的，例如个别产品由于使用过程中工作条件发生不可预测的突然变化而导致失效。这

15、个时期的失效率低且稳定，近似为常数，是产品的最佳状态时期。 （2）偶然失效期（正常运行期、有效寿命期）（3）耗损失效期 耗损失效期出现在产品使用的后期。其特点是失效率随工作时间的增加而上升。耗损失效主要是产品经长期使用后，由于某些零件的疲劳、老化、过度磨损等原因，已渐近衰竭，从而处于频发失效状态，使失效率随时间推移而上升，最终会导致产品的功能终止。 注意：浴盆曲线反映的为不可修复且较为复杂的设备和或系统使用后的失效率变化曲线。对于单一的失效机理而引起的失效零件、部件，其失效率变化曲线为递减型。(4) 可靠性寿命的数字特征1). 平均寿命MTTF (Mean Time To Failure，失效前的平均工作时间) 不可维修产品从开始 工作到 发生失效的平均时间。MTBF (Mean Time Between Failure，平均故障间隔时间) 可维修产品从一次故障到下次故障的平均时间（平均故障间隔时间）。式中：N产品总数； ti第i个产品失效前的工作时间，i=1,2,N.。 平均寿命平均寿命平均寿命表明无故障工作时间T的数学期望。例：设有5个不可修复产品进行寿命试验，它们失效时间分别为：1000h,1500h,2000h,2200h,2300h,求该产品的MTTF。解：MTTF=（1