可靠性设计概论1

机械零件可靠性设计本课程的内容可靠性的基本概念：可靠性、维修性与可用性不可修系统的可靠性可修系统的可靠性可靠性的预计可靠性的分配故障树分析故障模式影响及危害程度分析机械零件的可靠性设计维修性与维修工程简介第一章可靠性设计概论§1-1概述一、为什么研究可靠性定义：可靠性是产品在规定的时间内，在规定的条件下，完成规定功能的能力。可靠性的定量指标是可靠度，可靠度是产品在规定的时间内，在规定的条件下，完成规定功能的概率。第一章可靠性设计概论一、为什么研究可靠性可靠性概念最早由美国军用航空部门提出，可靠性问题使美国空军在二战中损失巨大。据统计：二战中美国共损失飞机35000架，其中被击落的飞机只有14000架，其余为故障损失，损失21000架，当时表现出的主要问题是电子设备的可靠性较差，为此，1952年美国成立电子可靠性咨询委员会，为可靠性理论和实践作了大量有效的工作。产品故障影响国家安全与声誉，可造成巨大经济损失泰坦尼克号沉没1979年美国三里岛核电站发生的放射性物质泄漏，是由于冷凝器循环泵发生故障和人为因素等造成的1984年12月，美国联合炭化物公司设在印度博帕尔的农药厂，由于地下的气罐阀门失灵发生毒气泄漏事故。1986年1月28日挑战者号航天飞机升空爆炸（助推器密封圈失效）2013年8月31日10时50分左右位于上海市丰翔路1258号的上海翁牌冷藏实业有限公司发生液氨泄漏事故，造成15死25伤7/31/20236经认定液氨泄漏事故的直接原因系公司生产厂房内液氨管路系统管帽脱落，引起液氨泄漏，导致企业操作人员伤亡。以上事故均表现为机械系统故障二、机械可靠性发展历史机械可靠性的研究始于20世纪60年代美国的航天计划机械和电子故障是美国宇航局主要关心的问题，其中机械故障引起的事故多，损失大。如：1963年同步通讯卫星SYMCOMⅠ，高压容器断裂，引起卫星空中坠毁；1964年人造卫星Ⅲ号因机械故障而损坏1965年始，美国宇航局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，将可靠度设计运用到结构和机械零部件设计中去二、机械可靠性发展历史从20世纪70年代起，西方工业发达国家全面开展可靠性工程实践和应用，可靠性技术变得越来越重要从航空、航天、尖端武器和电子等行业，逐步推广应用到各个行业核能、机械、电气、冶金、化工、铁道、船舶、电站、建筑、水利、通讯、医药等从宇宙飞船到日用产品全面普及汽车、洗衣机、冰箱、复印机等美国宇航局将可靠性工程技术列为登月成功的三大技术成就之一二、机械可靠性发展历史美国上世纪六七十年代就将可靠性技术引入汽车、发电设备、拖拉机、发动机等机械产品。80年代，美国罗姆航空研究中心专门作了一次非电子设备可靠性应用情况的调查分析美国国防部可靠性分析中心收集和出版了大量的非电子零部件的可靠性数据手册以美国亚利桑那大学为首的可靠性专家开展机械可靠性设计理论的研究，积极推行概率设计法，提出开展机械可靠性设计的十五个步骤二、机械可靠性发展历史由美国、英国、加拿大、澳大利亚和新西兰五国组成的技术合作计划（TTCP）委员会编制出一本常用机械设备可靠性预计手册日本以民用产品为主，大力推进机械可靠性的应用研究日本科技联盟的一个机械工业可靠性分会将故障模式、影响等技术成功地引入机械工业的企业中日本企业界普遍认为：机械产品是通过长期使用经验的累积，发现故障经过不断设计改进获得的可靠性日本一方面采用成功的经验设计，同时采用可靠性的概率设计方法的结果以及与实物试验进行比较，总结经验，收集和积累机械可靠性数据二、机械可靠性发展历史前苏联对机械可靠性的研究十分重视，在其二十年科技规划中，将提高机械产品可靠性和寿命作为重点任务之一。发布了一系可靠性国家标准，这些标准主要以机械产品为对象，适于机械制造和仪器仪表制造行业的产品在各类机械设备的产品标准中，还规定了可靠性指标或相应的试验方案前苏联还充分利用丰富的实际经验，研究并提出典型机械零件的可靠性设计可经验公式，专门出版《机械可靠性设计手册》前苏联还十分重视工艺可靠性和制造过程的严格控制管理，认为这是保证机械产品可靠性的重要手段二、机械可靠性发展历史80年代以来机械可靠性研究在我国开始受到重视从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改版，增加机械可靠性内容三、为什么会出现可靠性问题

从机械可靠性设计方法和传统的以安全系数为主的机械设计方法有什么不同来说明这个问题。传统的机械设计方法是以计算安全系数为主要内容的零件的安全系数=零件的强度/零件的应力而零件的强度和零件的应力都是取单值为前提的，没有考虑数据的分散性。相比之下，采用机械可靠性设计方法，所得结果则更接近于实际情况。三、为什么会出现可靠性问题机械可靠性设计方法则认为零件的应力、强度以及其他设计参数，如载荷、几何尺寸和物理量等都是多值的，都呈分布状态。都视为属于某种概率分布的统计量，应用概率与数理统计理论及强度理论，求出在给定设计条件下零、部件不产生破坏的概率公式，应用这些公式，就可以在给定可靠度下求出零、部件的尺寸。或给定其尺寸确定其安全寿命。三、为什么会出现可靠性问题

机械可靠性设计的特点，首先是它采用了可靠度或其它可靠性指标，来确保结构的可靠性，而传统机械设计是用安全系数来保证结构的可靠性。因此，机械可靠性设计方法对失效可能性的认识和估计都比较合理。其次，机械可靠性设计除引入可靠度或其它可靠性指标外，还对结构的安全系数作了统计分析，这样得出的安全系数比传统机械设计中的安全系数更符合实际，因为它已经是与可靠度相联系的安全系数了。三、为什么会出现可靠性问题从对结构安全性的评价来看，传统机械设计只有“安全系数”这样一个指标；而机械可靠性设计则有可靠度和安全系数(指在一定可靠度下)两个指标。四、可靠性研究的内容可靠性理论可靠性理论在科学实验、生产实践和人们的日常生活等方面都有很重要的意义。可靠性理论在其发展过程中形成了三个主要领域或三个独立学科：可靠性数学可靠性物理可靠性工程四、可靠性研究的内容(1)可靠性数学可靠性数学是可靠性研究的最重要的基础理论之一，它主要是研究与解决各种可靠性问题的数学方法和数学模型，研究可靠性的定量规律。它属于应用数学范畴，涉及到概率论、数理统计、随机过程、运筹学及拓朴学等数学分支。它应用于可靠性的数据收集、数据分析、系统设计及寿命试验等方面。四、可靠性研究的内容(2)可靠性物理可靠性物理又称失效物理，是研究失效的物理原因与数学物理模型及检测方法与纠正措施的一门可靠性理论。它使可靠性工程从数理统计方法发展到以理化分析为基础的失效分析方法。它是从本质上、从机理方面探究产品的不可靠因素，从而为研制、生产高可靠性产品提供科学的依据。四、可靠性研究的内容(3)可靠性工程可靠性工程是对产品(零、部件，元、器件，总成，设备或系统)的失效及其发生的概率进行统计、分析，对产品进行可靠性设计、可靠性预测、可靠性试验、可靠性评估、可靠性检验、可靠性控制、可靠性维修及失效分析的一门包含了许多工程技术的边缘性工程学科。它是立足于系统工程方法，运用概率论与数理统计等数学工具(属可靠性数学)，对产品的可靠性问题进行定量的分析；采用失效分析方法(可靠性物理)和逻辑推理对产品故障进行研究，找出薄弱环节，确定提高产品可靠性的途径，并综合地权衡经济、功能等方面的得失，将产品的可靠性提高到满意的程度的一门学科。四、可靠性研究的内容它包括了对产品可靠性进行工作的全过程，即从对零件、部件和系统等产品的可靠性方面的数据进行收集与分析做起，对失效机理进行研究，在这一基础上对产品进行可靠性设计；采用能确保可靠性的制造工艺进行制造；完善质量管理与质量检验以保证产品的可靠性；进行可靠性试验来证实和评价产品的可靠性；它包括了以合理的包装和运输方式来保持产品的可靠性；指导用户对产品的正确使用、提供优良的维修保养和社会服务来维持产品的可靠性。即可靠性工程包括了对零件、部件和系统等产品的可靠性数据的收集与分析、可靠性设计、预测、试验、管理、控制和评价。四、可靠性研究的内容在可靠性工程中，很重视对现场使用的数据和试验数据的收集与交换。许多国家都有全国性的数据收集与交换组织，建立有各种数据库。因为数据是可靠性设计和可靠性研究的基础。在整个可靠性工程中，都是通过可靠性数据和信息反馈来改进产品的可靠性。四、可靠性研究的内容可靠性设计可靠性设计是可靠性工程的一个重要分支，因为产品的可靠性在很大程度上取决于设计的正确性。在可靠性设计中要规定可靠性和维修性的指标，并使其达到最优。四、可靠性研究的内容可靠性预测可靠性预测是可靠性设计的重要内容之一，它是一种预报方法，在设计阶段即从所得的失效率数据预报零部件和系统实际可能达到的可靠度，预报这些零件、部件和系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。在设备设计的初期，及时完成可靠性预测工作，可以了解该设备中各零件、部件之间可靠度的相互关系，找出提高整个设备的可靠度的有效途径。四、可靠性研究的内容可靠性设计的另一重要内容是可靠性的分配，它是将系统规定的容许失效概率合理地分配给该系统的零、部件。在可靠性设计中采用最优化方法进行系统的可靠性分配，是当前可靠性研究的重要方向之一，称为可靠性优化设计四、可靠性研究的内容在可靠性设计中有时采用冗余设计法或贮备法。冗余法或贮备法是在系统中配置作贮备用的零件或设备，当原用零件或设备出现故障时，贮备件立即替换上去。并联冗余即并行工作贮备法是使完成同一职能的一批零、部件或设备同时(并行)工作，且当其中某个或部分失效时，其余的仍能保证系统的正常工作。在系统设计中采用贮备法，可成倍地提高系统的可靠度。对系统贮备的分配，也广泛地采用最优化方法。四、可靠性研究的内容由于在不同领域中可靠性工程所处理的具体问题有所不同，内容也会有差异，但都是以系统的方法、综合的方法，以长远的眼光来研究问题，不仅重视技术，也重视管理，以取得系统的最大经济效益和运行的安全可靠为目的。四、可靠性研究的内容机械可靠性设计又称为机械概率设计，是可靠性工程学的主要内容之一，是可靠性工程学在机械设计中的应用。由于对机械破坏机理认识的日益深化，对机械故障概率资料的逐步累积，以及概率与统计在机械零件的应力与强度分析方面的应用等等，都为机械可靠性设计提供了理论基础和实践经验，使可靠性理论的应用扩展到结构设计、强度分析、疲劳研究等方面。29五、机械产品可靠性的特点机械产品的可靠性与电子产品相比具有以下特点：耗损型故障如疲劳、老化、磨损、腐蚀和强度退化等，具有渐变性的特点故障率随时间的变化不是恒定值，随时间增长符合此特性的分布有正态、威布尔、对数正态和极值分布等；故障模式多一个零部件可能有多种故障模式,同一故障模式可能发生在不同部位30五、机械产品可靠性的特点零部件多是非标准件失效数据的统计困难，预计失效率困难机械产品的大多数零部件都是非标准件,只有少数零部件如轴承、密封件、阀、泵等已实现标准化、通用化.大部分零部件由于功能、结构各异,只能将其特征参数(如齿轮模数、液压缸直径、螺纹直径等)标准化.设计人员在系统设计的同时,还要根据具体结构要求及载荷性质、几何尺寸进行零部件设计.而机械可靠性设计的难点之一是缺乏材料强度和载荷分布的数据,难以给出像电子元器件那样工程上实用的机械零部件故障率手册。五、机械产品可靠性的特点失效模式往往是相关的在进行可靠性分析时需要考虑失效模式相关性。机械产品的故障模式与其材料、具体结构、载荷性质和大小等有密切关系,故障模式之间还存在着相关性.实现同一功能要求,由于采用不同的结构形式,可以改变机械产品零部件的应力状态.失去规定的功能可以是损坏、失调、渗漏、堵塞、老化、松脱或它们的组合等多种表现形式.7/31/202332机械产品失效模式类型损坏型如断裂、变形过大、塑性变形、裂纹等退化型如老化、腐蚀、磨损等松脱型如松动、脱焊等失调型如间隙不当、行程不当、压力不当等堵塞或渗漏型如堵塞、漏油、漏气等功能型如性能不稳定、性能下降、功能不正常等五、机械产品可靠性的特点机械加工制造质量对产品可靠性影响大机械产品通过设计获得了固有可靠性,但在加工制造过程中,工艺设备、工艺方法、工艺流程、各种工艺因素控制、装配工艺等对产品质量将产生重大影响.如应力集中,热处理引起的变形,高速旋转轴线的对中,组合装配时引入的预应力等,均是引起故障的因素.没有先进的、稳定的加工工艺,产品的可靠性将得不到保证六、

机械产品可靠性设计的原则传统设计与可靠性设计相结合传统的安全系数法直观、简单、容易掌握、设计工作量小,在多数情况下能保证机械零部件的可靠性,因此,不应完全摒弃安全系数法.现阶段比较切实可行的做法是审慎地采用概率设计法的概念去完善和改进传统的安全系数法,对一些条件成熟或精度要求非常高的关键件可逐步开展可靠性概率设计.更为实际的做法是先按照传统设计方法确定零部件的材料及结构尺寸等,而根据相应的模型进行可靠性定量计算,若不满足规定的可靠性要求,则修改结构、尺寸或更换材料,再进行可靠性校核,直至满足规定要求35七、机械产品可靠性工作的要点产品的可靠性预计——指出薄弱环节和改进方向非标准件较多和失效率受失效环境、工作条件的影响较大等，零部件的失效率数据应是在相似产品以往可靠性信息的基础上，经分析（失效模式、载荷条件、环境条件和使用条件等方面的差异比较）后选用。可靠性预计的重要作用之一是在设计过程中为了达到要求的可靠性指标指出该系统中应予特别注意的薄弱环节和改进方向在产品研制过程中重视可靠性试验对保证产品可靠性的作用机械产品工作环境非常复杂，试验很难模拟真实的环境和应力。因此必要时需进行现场可靠性试验，或收集使用现场的失效信息复杂机械产品体积大、成本高等原因不能进行可靠性试验，可采用较低层次（部件、组件或零件）的可靠性试验，然后综合试验结果、应力分析结果和类似产品的可靠性数据及产品现场使用的情况，对其可靠性进行综合评价。§1-2可靠性的定义可靠性是产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力在可靠性的上述定义中，含有以下五个要素：(1)对象可靠性问题的研究对象是产品，它是泛指的，可以是元件、组件、零件、部件、总成、机器、设备，甚至整个系统：研究可靠性问题时首先要明确对象。不仅要确定具体的产品，而且还应明确它的内容和性质。如果研究对象是一个系统，则不仅包括硬件，而且也包括软件和人的判断和操作等因素在内。需要以人一机系统的观点去观察和分析问题。(2)使用条件包括运输条件、储存条件、使用时的环境条件(如温度、压力、湿度、载荷、振动、腐蚀、磨损等等)、使用方法、维修水平、操作水平等预期的运输、储存及运行条件，对其可靠性都会有很大影响。(3)规定时间与可靠性关系非常密切的是关于使用期限的规定，因为可靠度是一个有时间性的定义。对时间性的要求一定要明确。时间可以是区间(0，t)，也可以是区间(t1，t2)。有时对某些产品给出相当于时间的一些其它指标可能会更明确，例如对汽车的可靠性可规定行驶里程(距离)；有些产品的可靠性则规定周期、次数等等会更恰当些。一般来说，产品的可靠性是随着产品使用时间的延长而逐渐降低．所以，一定的可靠性是对一定时间而言的．§1-2可靠性的定义(4)规定功能要明确产品的规定功能的内容。一般来说，所谓“完成规定功能”是指在规定的使用条件下能维持所规定的正常工作而不失效(或发