機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)-概論及特征量(第一講)- 知識(shí)

1、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)概論及特征量(第一講) 第1章 緒 論第2章 可靠性數(shù)學(xué)基礎(chǔ)第3章 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)原理與可靠度設(shè)計(jì)第4章 機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)第5章 故障模式影響及危害（FMECA）與故障樹(shù)分析第6章 機(jī)械零部件的可靠性設(shè)計(jì)第7章 機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)及可靠性提高（簡(jiǎn)介）第1章 緒 論1.1可靠性研究的歷史1.2可靠性研究的意義1.3可靠性的定義及基本內(nèi)容1.4可靠性的特征量20世紀(jì)50年代初期，美國(guó)為了發(fā)展軍事需要，先后成立了可靠性問(wèn)題的研究機(jī)構(gòu)。1957年6月4日，美國(guó)發(fā)布了軍用電子設(shè)備可靠性報(bào)告，這就是著名的“AGREE”報(bào)告，可靠性工程學(xué)發(fā)展的奠基性文件。1961年4月12日世界上第一艘載人

2、宇宙飛船“ 東方”號(hào)在蘇聯(lián)發(fā)射升空 。對(duì)可靠性提出了0.999的概率要求。宇航員加加林東方號(hào) 我國(guó)對(duì)可靠性科學(xué)和技術(shù)的研究也有較長(zhǎng)的歷史，大約從20世紀(jì)50年代初期研制“兩彈一星”就開(kāi)設(shè)。20世紀(jì)60年代，我國(guó)在雷達(dá)、通信機(jī)、電子計(jì)算機(jī)等方面開(kāi)始提出可靠性問(wèn)題。70年代，由于我國(guó)國(guó)家重點(diǎn)工程的需要，以及消費(fèi)者的強(qiáng)烈要求（電視機(jī)的質(zhì)量問(wèn)題），對(duì)各行業(yè)開(kāi)展可靠性研究起了巨大的作用。1990年我國(guó)機(jī)械電子工業(yè)部印發(fā)的加強(qiáng)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作的規(guī)定中指出：可靠性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性三性統(tǒng)籌作為我國(guó)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的原則。在新產(chǎn)品的鑒定定型時(shí)，必須要有產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)資料和試驗(yàn)報(bào)告，否則不能通過(guò)鑒定。我國(guó)”神州五號(hào)”

3、載人航天飛船成功的關(guān)鍵是解決了可靠性問(wèn)題。航天員安全性指標(biāo)達(dá)到0.997.1979年3月，美國(guó)三里島核電站發(fā)生放射性物質(zhì)泄露事故，主要是由于冷凝器循環(huán)泵故障和操作人員的不可靠造成的。2007年又發(fā)生泄露事故。2003年2月1日，美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)發(fā)射后不久從外部燃料箱外脫落的泡沫材料，擊中了航天飛機(jī)左翼的第8號(hào)增強(qiáng)型碳基復(fù)合材料板。這一撞擊造成的損傷使超高溫氣體在“哥倫比亞”號(hào)重返大氣層時(shí)得以進(jìn)入航天飛機(jī)內(nèi)部，最終導(dǎo)致飛機(jī)解體。 可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一?，F(xiàn)代優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品主要是功能好、可靠性高。為了提高機(jī)械產(chǎn)品的可靠性，首先，必須在設(shè)計(jì)上滿足可靠性要求。為此，要求機(jī)械設(shè)計(jì)人員在掌握常規(guī)機(jī)械設(shè)

4、計(jì)方法的基礎(chǔ)上，必須掌握機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的基本理論和方法，從而設(shè)計(jì)出性能好、可靠性高的現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品。概述4二、常規(guī)設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)常規(guī)設(shè)計(jì)中，經(jīng)驗(yàn)性的成分較多，如基于安全系數(shù)的設(shè)計(jì)。常規(guī)設(shè)計(jì)可通過(guò)下式體現(xiàn)：計(jì)算中，F(xiàn)、l、E、slim等各物理量均視為確定性變量，安全系數(shù)則是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的系數(shù)。上式給出的結(jié)論是：若ss則安全；反之則不安全。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)概述為什么按常規(guī)設(shè)計(jì)安全的產(chǎn)品在使用過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)失效？首先，設(shè)計(jì)中的許多物理量是隨機(jī)變量；基于前一個(gè)觀點(diǎn)，當(dāng)s s時(shí)，未必一定安全，可能因隨機(jī)數(shù)的存在而仍有不安全的可能性。在常規(guī)設(shè)計(jì)中，代入的變量是隨機(jī)變量的一個(gè)樣本值或統(tǒng)計(jì)量，如均值。按概率的

5、觀點(diǎn)，當(dāng)= 時(shí)， ss的概率為50%，即可靠度為50%，或失效的概率為50%，這是很不安全的。概述5概率設(shè)計(jì)就是要在原常規(guī)設(shè)計(jì)的計(jì)算中引入隨機(jī)變量和概率運(yùn)算，并給出滿足強(qiáng)度條件（安全）的概率可靠度。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)是常規(guī)設(shè)計(jì)方法的進(jìn)一步發(fā)展和深化，它更為科學(xué)地考慮了各設(shè)計(jì)變量客觀現(xiàn)實(shí)及其之間的關(guān)系，是高等機(jī)械設(shè)計(jì)重要的內(nèi)容之一。顯然有必要在設(shè)計(jì)之中引入概率的觀點(diǎn)，這就是概率設(shè)計(jì)，是可靠性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)概述（3）“規(guī)定的時(shí)間”，可靠度是隨時(shí)間而降低的，產(chǎn)品只能在一定的時(shí)間內(nèi)才能達(dá)到目標(biāo)可靠度。（日歷時(shí)間、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、汽車(chē)?yán)锍虜?shù)等）（4）“規(guī)定的功能”，明確規(guī)定失效或發(fā)生故障的判定

6、指標(biāo)。就某個(gè)可靠性，這個(gè)是一定的。例子：齒輪失效的例子。 （5）“能力”，需對(duì)產(chǎn)品的能力作定量的分析。應(yīng)從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上評(píng)價(jià)和分析產(chǎn)品能力的高低。產(chǎn)品的可靠性可分為：固有可靠性、使用可靠性和環(huán)境適應(yīng)性三個(gè)方面。固有可靠性是指產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中已確立的可靠性，它是產(chǎn)品內(nèi)在的可靠性，是生產(chǎn)廠家模擬實(shí)際工作條件進(jìn)行檢測(cè)并給以保證的可靠性。固有可靠性與產(chǎn)品的材料、設(shè)計(jì)與制造技術(shù)有關(guān)。使用可靠性是產(chǎn)品在使用中的可靠性，它與產(chǎn)品的運(yùn)輸、貯藏保管以及使用過(guò)程中的操作水平、維修狀況和環(huán)境等因素有關(guān)，所有這些與使用相關(guān)的可靠性稱(chēng)為使用可靠性。 據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明： 電子設(shè)備故障原因中屬于產(chǎn)品固有可靠性部分占了80%：

7、 其中設(shè)計(jì)技術(shù)占40%，器件和原材料占30%，制造技術(shù)占10%； 屬于產(chǎn)品使用可靠性部分占20%，其中現(xiàn)場(chǎng)使用占15%。 可靠性學(xué)科是一門(mén)綜合運(yùn)用多種學(xué)科知識(shí)的工程技術(shù)學(xué)科，該領(lǐng)域主要包括以下三方面的內(nèi)容：1) 可靠性設(shè)計(jì)它包括：設(shè)計(jì)方案的分析、對(duì)比與評(píng)價(jià)，必要時(shí)也包括可靠性試驗(yàn)、生產(chǎn)制造中的質(zhì)量控制設(shè)計(jì)及使用維護(hù)規(guī)程的設(shè)計(jì)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試驗(yàn)和故障分析。這方面的工作為可靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)，也為重大事故提供科學(xué)的責(zé)任分析報(bào)告。3) 可靠性數(shù)學(xué)這是數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法在開(kāi)展可靠性工作中發(fā)展起來(lái)的一個(gè)數(shù)學(xué)分支。 目前，進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容大致有以下幾個(gè)方面：(1

8、) 根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，確定所采用的可靠性指標(biāo)及其量值。(2) 進(jìn)行可靠性預(yù)測(cè)。可靠性預(yù)測(cè)是指：在設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)，運(yùn)用以往的可靠性數(shù)據(jù)資料計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)可靠性的特征量，并進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。在不同的階段，系統(tǒng)的可靠性預(yù)測(cè)要反復(fù)進(jìn)行多次。(3) 對(duì)可靠性指標(biāo)進(jìn)行合理的分配。首先，將系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配到各子系統(tǒng)，并與各子系統(tǒng)能達(dá)到的指標(biāo)相比較，判斷是否需要改進(jìn)設(shè)計(jì)。然后，再把改進(jìn)設(shè)計(jì)后的可靠性指標(biāo)分配到各子系統(tǒng)。 按照同樣的方法，進(jìn)而把各子系統(tǒng)分配到的可靠性指標(biāo)分配到各個(gè)零件。(4) 把規(guī)定的可靠度直接設(shè)計(jì)到零件中去。二、 產(chǎn)品可靠性的度量（1） 可靠度R(t)與不可靠度F(t)可靠度產(chǎn)品在規(guī)定的條件，規(guī)定的

9、時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率.設(shè)有N件產(chǎn)品，從開(kāi)始工作到時(shí)刻 t 發(fā)生的故障的件數(shù)為Nf(t)。平均可靠度估計(jì)值 可靠度理論值 一般當(dāng)N足夠大 設(shè)規(guī)定時(shí)間為 t ，產(chǎn)品壽命為T(mén) （隨機(jī)變量），如果 ，表示該產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能夠完成規(guī)定的功能。在一批產(chǎn)品中， 是一隨機(jī)事件，發(fā)生的概率為0100t59550F(t)R(t)F(t)/%R(t)/%圖1-1 R(t)和F(t)隨工作時(shí)間t的變化情況例：某批電子器件有1000個(gè)，開(kāi)始工作至500h內(nèi)有100個(gè)失效，工作至1000h 共有500個(gè)失效，試求該批電子器件工作到500h 和1000h 的可靠度。解： 由已知條件可知：(2) 失效概率密度f(wàn)(t)平

10、均失效概率密度直方圖 1）取N 件產(chǎn)品作壽命試驗(yàn)，測(cè)量其失效時(shí)間（是隨機(jī)變量）；2）將失效時(shí)間分為K個(gè)區(qū)段：to,t1，t1,t2tk-1,tk，3）第i個(gè)區(qū)段 內(nèi) 產(chǎn)品失效數(shù)為 失效頻率 平均失效頻率密度 工作到 t i 時(shí)刻的累積失效頻率 序號(hào) 時(shí)間區(qū)間 （1h）時(shí)間區(qū)間內(nèi)失效數(shù) 累積失效數(shù)未失效數(shù)平均失效頻率密度累積失效頻率 存活頻率平均失效率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時(shí)間區(qū)間失效頻率密度分布直方圖中的每一小方塊面積代表失效頻率當(dāng)時(shí)，直方圖

12、趨于一條曲線，叫做“失效概率密度曲線” 圖1-2 平均失效頻率密度直方圖2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 t / h 0246810121416/%失效概率密度曲線設(shè)工作到 t 時(shí)刻的失效數(shù)為 設(shè)工作到 t+t 時(shí)刻的失效數(shù)為 失效概率 可靠度 f(t)f(t)0ttaF(ta)R(ta)f(t)與F(t)(3) 失效率(t)工作到時(shí)刻 t 尚未失效的產(chǎn)品，在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率。平均失效率估計(jì)值 單位:單位時(shí)間的百分?jǐn)?shù)表示例：設(shè)t=0，投入工作的10000只燈泡，以天為度量時(shí)間單位，在t=365天時(shí)，發(fā)現(xiàn)有300只燈泡壞了，（1）求這時(shí)的工作可靠

13、度；（2）若一年后的一天又有1只燈泡壞了，求失效率。解：例：若有100件產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn)10小時(shí)已有2件失效。此時(shí)觀測(cè)1小時(shí)，發(fā)現(xiàn)有1件失效，這時(shí)失效率為： 若實(shí)驗(yàn)到50小時(shí)時(shí)共有10件失效。再觀測(cè)1小時(shí)，也發(fā)現(xiàn)有1件失效，這時(shí)失效率為兩邊積分：當(dāng)只要知道其中的一個(gè)，其它特征量均可求得。失效率(t):工作到時(shí)刻t尚未失效的產(chǎn)品,在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)失效概率的變化.失效概率密度f(wàn) (t):開(kāi)始工作(時(shí)刻t=0)時(shí)的產(chǎn)品,在時(shí)刻t時(shí)單位時(shí)間內(nèi)失效概率的變化.平均失效概率密度 平均失效率 圖1-3 各個(gè)時(shí)刻的平均失效率平均失效率 %/a失效率反映產(chǎn)品的失效規(guī)律 產(chǎn)品的失效率 與時(shí)間 t 的關(guān)系曲線如圖所示

14、。它可分為三個(gè)特征區(qū)：圖 產(chǎn)品典型失效率曲線 偶然失效期（正常運(yùn)行期）耗損失效期早期失效期耗損失效期（1）早期失效期早期失效期一般出現(xiàn)在產(chǎn)品開(kāi)始工作后的較早時(shí)期，一般為產(chǎn)品試車(chē)跑合階段。在這一階段中，失效率由開(kāi)始很高的數(shù)值急劇地下降到某一穩(wěn)定的數(shù)值。引起這一階段失效率特別高的原因主要是由于材料不良、制造工藝缺陷、檢驗(yàn)差錯(cuò)以及設(shè)計(jì)缺點(diǎn)等因素引起。 為了縮短這段時(shí)間，產(chǎn)品在投入運(yùn)行之前進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)，及早發(fā)現(xiàn)缺陷；或通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行篩選，剔除不合格產(chǎn)品。在該階段內(nèi)如果產(chǎn)品發(fā)生失效，一般都是由于偶然的原因而引起的。其失效的特點(diǎn)是隨機(jī)的，例如個(gè)別產(chǎn)品由于使用過(guò)程中工作條件發(fā)生不可預(yù)測(cè)的突然變化而導(dǎo)致失效。這

15、個(gè)時(shí)期的失效率低且穩(wěn)定，近似為常數(shù)，是產(chǎn)品的最佳狀態(tài)時(shí)期。 （2）偶然失效期（正常運(yùn)行期、有效壽命期）（3）耗損失效期 耗損失效期出現(xiàn)在產(chǎn)品使用的后期。其特點(diǎn)是失效率隨工作時(shí)間的增加而上升。耗損失效主要是產(chǎn)品經(jīng)長(zhǎng)期使用后，由于某些零件的疲勞、老化、過(guò)度磨損等原因，已漸近衰竭，從而處于頻發(fā)失效狀態(tài)，使失效率隨時(shí)間推移而上升，最終會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的功能終止。 注意：浴盆曲線反映的為不可修復(fù)且較為復(fù)雜的設(shè)備和或系統(tǒng)使用后的失效率變化曲線。對(duì)于單一的失效機(jī)理而引起的失效零件、部件，其失效率變化曲線為遞減型。(4) 可靠性壽命的數(shù)字特征1). 平均壽命MTTF (Mean Time To Failure，失效前的平均工作時(shí)間) 不可維修產(chǎn)品從開(kāi)始 工作到 發(fā)生失效的平均時(shí)間。MTBF (Mean Time Between Failure，平均故障間隔時(shí)間) 可維修產(chǎn)品從一次故障到下次故障的平均時(shí)間（平均故障間隔時(shí)間）。式中：N產(chǎn)品總數(shù)； ti第i個(gè)產(chǎn)品失效前的工作時(shí)間，i=1,2,N.。 平均壽命平均壽命平均壽命表明無(wú)故障工作時(shí)間T的數(shù)學(xué)期望。例：設(shè)有5個(gè)不可修復(fù)產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn)，它們失效時(shí)間分別為：1000h,1500h,2000h,2200h,2300h,求該產(chǎn)品的MTTF。解：MTTF=（1