机械零件可靠性设计8

机械可靠性设计原理1Evaluation

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Aspose.Slides苏f州or大.学N城ET市3轨.道5交C通li学e院nt鞠Pr华ofiCopyright

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Ltd.机械产品可靠性的特点2

机械产品的失效主要是耗损型失效（例如疲劳、老化、磨损、腐蚀和强度退化等），而电子产品的失效主要是由于偶然因素造成的。机械产品的失效模式很多，甚至同一零部件有多种重要的失

机械产品的组成零部件多是非标准件，其失效统计值分散，造成失效数据的统计困难，象电子产品那样预计其失效率很困难

机械产品的不同失效模式之间往往是相关的，在进行可靠性分析时需要考虑失效模式相关性。

耗损型失效的失效率随Ev时a间lu增a长ti，o所n

以on机l械y.产品的失效率随时间的变化一般不是恒定值，符合这一特性的分布有正态分ed

w布it、h威A布sp尔o分se布.、Sl对i数de正s态f分o布r

和.N极E值T

分3.布5等C。lient

Profi效模式。Copyright

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Ltd.机械产品可靠性工作的特点3•

根据经验数据或FMEA方法确定产品的可靠性关键件和重要件及其相应的失效模式，然后针对其主要失效模式进

行概率设计，如静强度概率设计、疲劳和断裂概率设计、磨损和腐蚀概率分析设计等，确保关键件和重要件的可

靠性达到设计要求。注意产品的维修性和使用操作问题。

强调根据以往的工程实践经验为基础制定可靠性设计准则并指导机械产品的可靠性设计。结合失效模式分析提出适于某机械产品的可靠性设计准则，供该产品研制设计时E使v用al。uation

only.ed•w注it重h

失As效po模se式.分Sl析id，e以s

f防o止r

出.N现ET失3效.5为C设li计e宗nt旨P。rofi对可靠C性op关yr键i件gh和t重20要04件-进20行11概A率sp设o计se

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Ltd.机械产品可靠性工作特点4的失效信息对于复杂的机械产品由于体积大、成本高、费用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必要时需进行现E场va可lu靠a性ti试on验o，nl或y收.集使用现场ed

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Profi高等C原op因yr不i能gh进t行20可04靠-性20试11验A，sp这o时se可P采ty用L较td低.层次（子系统、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。应力-强度分布干涉理论5

应力-强度分布干涉理论是以应力-强度分布干涉模型为基础的，该模型可清楚地揭示机械

零件产生故障而E有va一lu定a故ti障on率on的ly原.因和机械ed

w强it度h

A可sp靠os性e.设S计li的de本s

f质or。.NET

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Profi

应力：Co产py品ri的gh工t

作20值04，-2如01应1

A力s、po压se力Pt、y

力Lt、d.载荷、变形量、磨损量、温度等，常用s表示。

强度：产品能承受这些工作值的能力，用δ表示。应力—强度干涉理论6δ

>

s

机械产品的可靠度可以说成是机械产品的强度大于施加于该产品的应力的概率。

在机械产品中，零件（部件）是正常还是失效决定于强度和应力的关系。当零件（部件）的强度大于应力时，其能够正常工作；当零件（部件）E的va强l度ua小t于io应n力o时nl，y其.发生失效。ed

with•A因s此po，s要e.求S零li件d（es部件fo）r在.规NE定T的3条.5件C下l和ie规n定t

的Pr时ofi间C内op能y够r承ig载h，t

必20须0满4-足2以01下1条A件spose

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Ltd.涉模型。在应力——强度干涉模型理论中，根据可靠度的定义，强度大于应力的概率可表示为实际工程中的应力和强度都是呈分布状态的随机变量，把应力和强度的分布在同一坐标系中表示零件的强度值与应力值的离散性，使应力-强度两概率密度函数曲线在一定的条件下可能相交，这个相交的区域就是产品或零件可能出现故障的区域，称为干涉区。这种根据应力和强E度va干l涉ua情t况io，n计o算nl干y涉.区内强度小于7ed

wit应h

力As的p概os率e（.S失l效id概e率s

）fo的r模.型N型E，T称3.为5应C力li—e—nt强P度r干ofiCopyright

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Ltd.应力－强度干涉模型（1）、如图中所示的相交的区域，即干涉区域，就是产品可能发生故障的区域。Evaluation

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Profi（2)、在安Co全p系yr数i大gh于t12004-2011

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Ltd.的情况下仍然会存在一定的不可靠度。8材料机械性能统计和概率分布载荷统计和概率分布应力计算应力统计和概率分布强度统计和概率分布几何尺寸分布和其他随机因素机械强度可靠性设计机械强度可靠性设计过程框图9Evaluation

only.强度计算ed

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Ltd.下面要解决的三个问题10

1）知道了零件的应力和强度的分布后，如何求零件的可靠度。2）一般的安全系Ev数al与ua可ti靠on度o意nl义y.下的安全系

ed

w数it的h

A区sp别os。e.Slides

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Profi3）一C般op机yr械ig零ht件2设00计4-的20可11靠A度sp设os计e

P？ty

Ltd.问题一、知道了应力和强度的分布，求零件的可靠度特殊情况（公式法）：1）应力和强度均为正态分布时的可靠性计算当应力S和强度δ均为正态分布时，则它们的差也是正态分布，且有不可靠度为：Evaluation

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Ltd.化成标准正态分布，令则当y＝0时可靠度为Evaluation

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Ltd.令靠性因数或可靠性指标。13将应力分布参数、强度Ev分a布lu参a数ti和o可n靠on度l三y.者联系起来了，ed

w故i称th为A联s结po方s程e.，S它li是d可es靠f性o设r

计.N的E基T

本3.公5式C，lizeR称nt为P可rofiCopyright

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Ltd.讨论当强度均值大于应力的均值时，方差越大，可靠度越小。14Evaluation

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with当强A度s和p应os力e的.均S值l相i等d时e，s可f靠o度r等.于N0.E5

T

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Ltd.2）当应力和强度均为对数正态分布时可靠性计算设随机变量s和δ服从对数正态分布，即它们对数lns和lnδ服从正态分布，它们的均值和标准差分别为：正态分布下的均值和标准差分别是变量S和δ的均值和标准差，Eval分u别a是tilnos和nlonδn的l均y值.和标准差，即15ed

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Profi则他们之Co间py具r有ig下ht列2关00系4：-2011

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Ltd.当应力和强度均为对数状态分布时，有：知道了服从正态分布的的均值标准差为Evaluation

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w则it变h量Ays的po均s值e.和S标li准d差e分s

别fo为r：.NET

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Ltd.和正态分布一样，化成标准正态分布。令则17则有Evaluation

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Profi令Copyright

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Ltd.例题例1：已知汽车某零件的工作应力及材料强度均为正态分布，且应力的均值μs=380MPa,标准差σs=42MPa，材料强度的均值为

850MPa,标准差为81MPa。试确定零件的可靠度。另一批零件由于热处理不佳及环境温度的较大变化，使零件强度的标准差增大至120MPa.问其可靠度又如何？查标准正态分布值，得R=0.999

999

9.18Evaluation

only.ed解w：it利h用A联sp结o方se程.Slides

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Ltd.例题1当强度的标准差增大到120MPa时，Evaluation

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Profi查标准正C态o分py布r值ig，h得t

R2=000.949-928091.1

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Ltd.192、概率密度函数联合积分法（一般情况）上述两事件相互独立，同时发生的概率应当是它们的积：即应力落在小区间

ds内的可靠度为dR应力s0处于ds区间内的概率为Evaluation

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Ltd.20同理还可以推出另一个对称的公式应力落在小区间ds内的可靠度dR为：Evaluation

only.ed应w力it落h在A整sp个o区se间.（Sl－i∞d，es＋f∞o）r

的.N概E率T

R3为.5

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Ltd.21例：当应力和强度均为指数分布时Evaluation

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Ltd.22由于指数分布的强度和应力的均值分别为Evaluation

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with所A以sp可os靠e.度S为li：des

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Ltd.23问题二：可靠性安全系数（1)传统的安全系数传统的设计以安全系数确定构件的尺寸，仅仅以强度均值与应力均值之比作为安E全v系al数u，a忽ti视o了n

强on度l的y.波动(σδ的变化)ed以wi及t应h力As的p波o动se.(σSsl的id变e化s)f，o这r种.N设E计T不3.能5确C切l地ie反n映t

结Pr构ofi的可靠性。Copyright

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Ltd.24（2）可靠度安全系数这样，零件失效的概率为0.13％×0.13％＝1.69×10-5概率设计条件下的安全系数n为：（在一定可靠度下）25最小的强度δmin与最大的应力Smax之比，即Evaluation

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wi用th最A小s强po度s与e.最S大lides

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Profi应力之比表Co示p安yr全i系gh数t

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Ltd.假定当应力和强度均为正态分布,方差相等,且n=1时,有Evaluation

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Ltd.26δR可靠度意义下的安全系数例，当27时则在强度和应力的可靠Ev度a分lu别a为tRio和nRso时nl的y安.全系数n

，ed

w称it为h可A靠sp度o意se义.下Sl的i安de全s系f数or，.用N下ET式3表.示5：Client

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Ltd.例1 在结构件的设计中，已知强度与应力均服从正态分布，二批材料强度的均值都为μδ

=500OOMPa。由于材料内在质量有所差别，强度的标准差不同，分别为 =1000MPa

和12000Mpa，二批材料应力的均值为μS=300O0MPa,应力标准差均为σs

=3000MPa。请分别计算平均安全系数和可靠度。解：平均安全系数为：可靠度为：Evaluation

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Ltd.例2 某汽车零件，其强度和应力均服从正态分布，强度的均=350N/mm2、σδ=30

N/mm2，应力的均值和标准差分别为:值和标准差分别为:=310

N/mm2、σS=10

N/mm2，试计算该零件的安全系数、可靠度和“3σ”可靠度意义下的安全系数?解：(1)依照传统设计E的va方l法ua，t其io安n全o系n数ly应.当为29ed

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Ltd.(2)如果该零件按照概率设计方法，则计算可靠度得到（3）“R3σ”可靠性含义下的安全系数：Evaluation

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Ltd.30问题三：零件的可靠度设计机械可靠性设计的基本原理和方法就在于如何把应力分布、强度分布和可靠度在概率的意义下联系起来，构成一种设计计算的依据。零件设计中的强度和应力分布材料的静强度分布试验证明，一般材料E的v强al度u极at限i、o屈n

服on极l限y.、延伸率和硬度等均符合正态分布。可查表得到。ed•wi应t力h分A布spose.Slides

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Profi取决于力Co和p尺yr寸i的gh分t布2004-2011

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Ltd.一般认为，力为正态分布，均值和方差由试验确定而尺寸也为正态分布，均值与公称尺寸相同，标准差为公差Δ的1/3,即：（以上假设与事实基本相符，略偏安全）31（2）一般函数的统计特征值例：实心圆杆拉伸应力宽度，t为齿轮厚度32公式中的力F、尺寸r、h、b、t都是随机变量，如果知道了这些变量的分布或统计特征值，如何求得应力s的特征值？¡一般将强度和应力都近似为正态分布或对数正态分布，这样关键是求它们的均值和标准差齿轮齿根的弯曲应Ev力aluation

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Profi式中：CFo为py力r，igr为ht圆2杆0半04径-，20h1为1齿A轮s高po度s，e

bP为ty齿L轮td.

已知各随机变量的均值和标准差，求随机变量函数均值和标准差的方法主要有泰勒展开法、变异系数法E、va基lu本a函ti数on法on等ly。.ed

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Ltd.33基本函数形式的统计特征值函数期望标准差Evaluation

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Ltd.34根据零件的可靠度设计零件(计算零件主要尺寸）零件设计的一般过程是先按经验设计（确定尺寸），再检验可靠度，但也有相反的情况。例如：设有圆形拉杆，已知Ev受a载lu荷a均ti值o和n

标on准l差y.为35ed

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Profi材料的Co拉p伸yr强i度gh的t均2值00和4标-2准0差11为Aspose

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Lt，d.求在可靠度R＝0.99条件下的最小半径的