机械可靠性设计2012绪论

机械可靠性设计第一章绪论工程设计中事物的不确定性工程设计是一个探索性的创造过程，即按照一定的目标进行分析、决策、评价、优化的过程。定义设计变量和参数载荷、应力、强度、变形、刚度、寿命……工程事物描述拟定设计方案设计结构、造型选择材料、参数、系数规划工艺流程……自然因素技术因素：载荷、环境、工艺、维护……人文因素：经济效益、社会效益、环保、资源……设计者的经验、智能进行判断、推理与决策不确定性不确定性因素类型事物的随机性在相同的条件下，事物呈现不同的结果汽车、拖拉机承受的载荷，所处的工作状态零件材料的性能机器或零件的寿命……事物的模糊性事物本身概念不清楚，在质上没有确切定义，在量上没有确定界限性能好坏效率高低造型美观不美观事物信息的未确知性受客观条件限制而造成的信息不完善零件在运行中的磨损、胶合和疲劳点蚀概率论与数理统计模糊数学专家经验主观概率、主观隶属度可靠性、可靠度（Reliability）定量（精确）可靠（Reliable）定性（模糊）可靠性的概念是人们在对一些付出惨痛代价的事故的研究中提出的。例如，二战中美国空军因飞行故障损失飞机21000架，比实战中被击落的多1.5倍；运往远东的飞机电子设备，60%在运输中失效，50%在存储期间失效；海军舰艇的电子设备，70%因意外事故失效。一、可靠性的提出§1.1可靠性技术的发展简介有关可靠性的早期工作1939年，英国航空委员会出版《适航性统计学注释》，首次提出飞机故障率不应超过0.00001次/h，这可以认为是最早的飞机安全性和可靠性定量指标。二战末期，德国火箭专家R·卢瑟(Lusser)首先提出概率乘积法则（将系统的可靠度看成其各子系统可靠度的乘积），用于V-Ⅱ火箭诱导装置的可靠度计算，得到其可靠度为75％，这是第一次定量地计算一个复杂系统的可靠度问题。1952年，美国成立了“电子设备可靠性顾问团”(AdvisoryGrouponReliabilityofElectronicEquipment，即AGREE)。AGREE对电子产品的设计、制造、试验、储存、运输及使用等各个方面作了全面的可靠性调查研究，于1957年发表了著名的《军用电子设备可靠性报告》。该报告首次比较完整的阐述了可靠性的理论和研究方法，该报告被公认为可靠性工程的奠基性文件。从此，对可靠性问题的研究逐渐发展成为一门新兴的独立学科有关可靠性的早期工作在新一代装备的研制中，都不同程度地制订了较完善的可靠性大纲，规定定量的可靠性要求，进行：可靠性分配及预计；故障模式及影响分析（FMEA）；故障树分析（FTA）；余度设计；可靠性鉴定试验，验收试验和老炼试验；可靠性评审等。二、可靠性工程的发展与应用电子设备空间科学宇航技术一般工业部门民用五十年代六十年代七十年代以后可靠性工程的应用实例（1）Apollo计划例如：50年代的“先驱者号”卫星发射11次只有3次成功，而60年代发展的阿波罗登月船，除阿波罗13以外，每次发射都成功着陆在月球并安全返回。在这10年中，美、法、日及前苏联等工业发达的国家也相继开展可靠性研究。先驱者计划先驱者计划是美国的一系列无人行星探测任务。整个计划分为数个任务，而最著名的是先驱者10号和11号，它们探测外层行星并飞出了太阳系。两个探测器都携带了刻画着男女和地球位置的金版，期待地外生命有朝一日发现并解读它。先驱者0号（托尔-艾布尔1号，先驱者号）--月球轨道，1958年8月17日在火箭升空77秒后爆炸，失败先驱者1号（托尔-艾布尔2号，先驱者I号）--月球轨道，1958年10月11日因第三级部分故障而错过月球

先驱者2号（托尔-艾布尔3号，先驱者II号）--月球轨道，1958年11月8日因第三级故障再入大气层，失败

先驱者P-1(宇宙神-艾布尔4A号,先驱者W号),1959年9月，探测器失踪先驱者P-3(宇宙神-艾布尔4号,宇宙神-艾布尔4B号,先驱者X号)–月球探测，1959年11月26日，发射失败

先驱者5号（先驱者P-2，托尔-艾布尔4号，先驱者V号）--地球，金星之间，1960年3月11日先驱者P-30（宇宙神-艾布尔5A号，先驱者Y号）--月球轨道，1960年9月，未达到月球轨道先驱者P-31(宇宙神-艾布尔5B号,先驱者Z号)–月球轨道，1960年12月，上面级故障，失败先驱者3号—月球飞越，1958年12月，发射故障导致错过月球

先驱者4号—月球飞越，1959年3月，达到地球逃逸速度美国于1961开始计划研制Apollo-11号宇宙飞船，它有720万个零件，其重要零件可靠性为99.9999999％。可靠性工程的应用实例（1）Apollo计划

1969年7月登月成功。尽管Apollo计划的种种技术，现在为世界上的各种产品所应用，但是其中影响最为深远的是可靠性技术。Apollo-11的控制舱可靠性工程的应用实例（1）Apollo计划阿波罗宇宙飞船整个研制的各阶段对可靠性和质量保证的要求可靠性工程的应用实例（1）Apollo计划长征运载火箭—中国可靠性研究的代表长征运载火箭通过对故障原因分析、可靠性标准的规范应用等一系列措施，大大提高了整个系统的可靠性。是目前最安全可靠的航天运载工具之一。可靠性工程的应用实例（2）长征运载火箭早期的长征运载火箭各阶段的故障原因分析设计管理生产操作设备元器件其它故障原因391212876161009080706050403020100百分比%三、可靠性的重要性微小部件在使用的关键时刻出现故障，造成的经济损失往往都非常巨大。1、如美国1957年发射的“先锋号”卫星中，由于一个价值二美元的器件出了故障，造成了价值220万美元的损失。2、美国航天局1978年、1979年三次火箭发射失败，损失1.6亿美元3、1971年，原苏联三名宇航员在“礼炮”号飞船中由于一个部件失灵而丧生。4、前苏联的“联盟11号”号宇宙飞船返回时，因压力阀门提前打开而造成三名航员全部死亡。5、1986年1月28日美国航天飞机“挑战者号”起飞76秒后爆炸，其中7名宇航员丧生，直接经济损失达12亿美元，事故的直接原因是因为一个密封圈不密封而引起的。6、1974年，我国发射卫星的运载火箭，则是团为一根直径为0.25mm的导线断裂，而导致整个系统被引爆自毁。7、1991年，一个继电器的多余物造成我国“澳星”发射失败，所造成的经济损失和政治影响是巨大的。重视可靠性工作，效果十分明显1、美国于1987年采购轰炸机导航系统费用的7.5亿美元，可靠性投资为0.46亿美元，预计在十年寿命周期内，可节省24亿美元，相当投资50倍。2、美国某中近程导弹的导航塔，原来的MTBF仅17h，每年的维修费用为15560美元，后来以总投资3％的资金用来提高可靠性，结果MTBF提高到140h，每年维修费用为1818美元，其可靠性提高8倍，维修费用降为原来的1／8.6。因此可以说可靠性工作是投入大，产出更大的工作。

四、机械可靠性设计发展20世纪40年代，A.M.Freudenthal提出构件强度可靠性设计的应力-强度干涉模型，用于构件可靠性设计由于影响机械设备和系统可靠性的因素太多，难以控制，而且产品批量较小，试验费用昂贵，机械可靠性设计在50~60年代未能全面展开。四、机械可靠性设计发展系统的机械可靠性研究始于20世纪60年代美国的航天计划机械和电子故障是NASA主要关心的问题，其中机械故障引起的事故多，损失大。如：1964年人造卫星III号因机械故障而损坏1965年始，NASA开始三项机械可靠性工作用过载试验方法进行可靠性试验验证用随机动载荷验证结构和零件的可靠性在关键机械零件中采用概率设计方法，将可靠度设计到结构和机械零部件中1963年同步通讯卫星SYMCOMⅠ，高压容器断裂，引起卫星空中坠毁；在通用零件方面，滚动轴承最早引用了可靠性概念，制定了额定寿命的可靠性指标并付诸实用。齿轮强度计算标准相继引进了可靠性指标。已深入到结构设计、机械零件的强度和寿命设计，以及机械产品设计。四、机械可靠性设计发展在E.B.Haugen、F.B.Stulen、D.Kececioglu和A.M.Freudenthal等人的努力下，70年代前后，建立了一整套基于干涉模型的机械可靠性设计方法我国机械产品的可靠性工作正在普及推广中，相继颁布了一批机电产品的可靠性指标，并限期考核。仪表、汽车的可靠性技术研究与应用，先行了一步，已获得成效。机械可靠性设计将得到更为广泛的应用和发展。从1986年起，机械部已经发布了六批限期考核机电产品可靠性指标的清单，前后共有879种产品已经进行可靠性指标的考核1990年11月和1995年10月，机械工业部举行了两次新闻发布会，先后介绍了236和159种带有可靠性指标的机电产品1992年3月国防部科工委委托军用标准化中心在北京召开了“非电产品可靠性工作交流研讨会”2005年GJB450<装备可靠性工作通用要求>改版，增加机械可靠性内容四、机械可靠性设计发展§1.2研究可靠性技术的意义提高产品的可靠性是可以获得很高经济效益的。比如，美国西屋公司为提高某产品可靠性，曾对其作了一次全面设计审查，结果是：所得到经济效益是为提高可靠性所花费用的100倍以上。二、提高经济效益三、提高市场竞争能力只有产品的可靠性水平提高了，才能通过产品的信誉，增强市场竞争能力。一、保证和提高产品的可靠性水平§1.3机械可靠性设计的特点以应力和强度为随机变量作为出发点；应用概率和统计方法进行分析、设计；能定量地回答产品的失效率和可靠度；有多种可靠性指标供选择，如可靠度、失效率、MTBF……；强调设计对产品可靠性的主导作用;必须考虑环境的影响；必须考虑维修性；从整体的、系统的观点出发；承认设计期间及其以后都需要可靠性增长。§1.4机械可靠性设计步骤(a)明确可靠性要求。(b)调查分析与所要设计的相似产品的使用情况，如常见故障模式、故障发生频率、成功的设计经验等。(c)可靠性分配。(d)进行可靠性分析，确定可靠性关键件。(e)可靠性定性设计。(f)可靠性定量设计。(g)可靠性分析计算和设计评价。(h)可靠性增长。§1.5本课程的主要内容（一）可靠性概论

可靠性工程的发展过程；可靠性定义；可靠性指标的量化及各指标间的关系、产品质量与可靠性。（二）可靠性基础数学

可靠性数学模型的建立；概率分布的描述；威布尔分布，分布参数的估计，分布率的假设检验。（三）机械强度可靠性设计

强度概率设计的基本理论；零件承载能力分布律及分布参数的确定；零件工作应力分布律及分布参数的确定，强度可靠性计算条件式与许用可靠度，强度可靠性设计方法与步骤。（四）机械系统可靠性设计