課程2014可靠性工程

1、可靠性工程zhangzhi2014年6月College ofNuclear Science and Technology第七章系統(tǒng)可用性與機(jī)械設(shè)備可靠性哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Science and Technology7.1維修性Maainability1. 概述對于可修復(fù)產(chǎn)品而言，維修性是其重要質(zhì)量特性。維修是為保持或恢復(fù)產(chǎn)品能完成規(guī)定功能的能力而采取的技術(shù)管理措施。產(chǎn)品的維修通常分為預(yù)防性維修（PreventiveMa Maenance）和修復(fù)性維修（Corrective enance）哈爾濱工程大學(xué)H

2、arbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Science and Technology7.1維修性Maainability定義維修性：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí)，保持或者恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)的能力。（GJB451-90）維修度：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí)，保持或者恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)的概率。度量及數(shù)學(xué)表達(dá)M (t) P(TRt)或P(t TR )哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Science and Tec

3、hnology7.1維修性Maainability4. 常用維修性指標(biāo)維修度M(t)t (t )dt eM (t)0修復(fù)率(t)：修復(fù)時(shí)間已達(dá)到某個(gè)時(shí)刻但尚未修復(fù)的產(chǎn)品，在該時(shí)刻后的時(shí)間內(nèi)完成修復(fù)的概率。平均修復(fù)時(shí)間（MeTo Repair，MTTR）：產(chǎn)品維修性的一種基本參數(shù)。其度量方法為：在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品在任一規(guī)定的維修級(jí)別上，修復(fù)性維修總時(shí)間與在該級(jí)別上被修復(fù)產(chǎn)品的故障總數(shù)之比。哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Science and Technology7.1維修性Maainability5.

4、 平均維修時(shí)間（MTTR）的組成故障時(shí)間故障定位時(shí)間故障時(shí)間各維修級(jí)別內(nèi)的更換時(shí)間I級(jí)（更換時(shí)間、修理時(shí)間）II級(jí)III級(jí)維修后的測試時(shí)間維修后的試驗(yàn)時(shí)間重新投入時(shí)間哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Science and Technology7.2可用性Availability1. 定義產(chǎn)品在任一隨機(jī)時(shí)刻需要和開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度?？捎眯缘母怕识攘恳喾Q為可用度。一個(gè)可修復(fù)產(chǎn)品在t時(shí)刻的可用性是該產(chǎn)品在t時(shí)刻正常運(yùn)行的概率A(t) P X (t) 1哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineeri

5、ng UniversityCollege of Nuclear Science and Technology7.2可用性Availability2. 度量及數(shù)學(xué)表達(dá)固有可用性（ AI ）（Inherent Availability）：僅與工作時(shí)間和修復(fù)性維修時(shí)間有關(guān)的一種可用性參數(shù)。其度量方法為：產(chǎn)品的平均故障間隔時(shí)間與平均故障間隔時(shí)間、平均修復(fù)時(shí)間的和之比。BFTTR其中，TBF為平均故障間隔時(shí)間；TTR為平均修復(fù)時(shí)間。哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Science and Technology7.2可用性Avai

6、lability2. 度量及數(shù)學(xué)表達(dá)可達(dá)可用性（ AA ）Achieved Availability僅與工作時(shí)間、修復(fù)性維修時(shí)間和預(yù)防性維修時(shí)間有關(guān)的可用性參數(shù)。其一種度量方法為：產(chǎn)品的工作時(shí)間與工作時(shí)間、修復(fù)性維修時(shí)間、預(yù)防性維修時(shí)間的和O TPM其中，TO為工作時(shí)間；TCM和TPM分別為修復(fù)性維修時(shí)間和預(yù)防性維修時(shí)間哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Science and Technology7.2可用性Availability2. 度量及數(shù)學(xué)表達(dá)使用可用性（ AO ）（Operational Availabili

7、ty）與能工作時(shí)間和不能工作時(shí)間有關(guān)的一種可用性參數(shù)。其度量方法為：產(chǎn)品的能工作時(shí)間與能工作時(shí)間、不能工作時(shí)間的和之比。BM TD其中，TBM為平均維修間隔時(shí)間；TD為平均不能工作時(shí)間。哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Science and Technology7.3機(jī)械設(shè)備可靠性1. 機(jī)械產(chǎn)品可靠性的特點(diǎn)機(jī)械產(chǎn)品可靠性以及R模型不同于電子系統(tǒng)與設(shè)備：有源與無源兩類，基本滿足兩狀態(tài)和相互獨(dú)立假設(shè)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)各異，工作方式多樣，失效模式多，同一零有多種失效模式，確定故障模式通常。損壞型：如斷裂、變形、塑性變形、裂紋；型

8、：如老化、腐蝕、磨損；松脫型：如松動(dòng)、脫焊；失調(diào)型：間隙不當(dāng)、行程不當(dāng)、壓力不當(dāng)；堵塞或滲漏型：如堵塞、漏油、漏氣；功能型：如性能不穩(wěn)、下降或不正常等。哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Science and Technology7.3機(jī)械設(shè)備可靠性機(jī)械產(chǎn)品可靠性的特點(diǎn)機(jī)械產(chǎn)品的失效具有耗損型失效特性（例如疲勞、老化、磨損和強(qiáng)度等），與電子產(chǎn)品的失效不盡相同。耗損型失效的失效率隨時(shí)間增長，機(jī)械產(chǎn)品的故障率一般不符合浴盆曲線，一般的分布有：正態(tài)分布威分布對數(shù)正態(tài)分布極值分布哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineerin

9、g UniversityCollege of Nuclear Science and Technology7.3機(jī)械設(shè)備可靠性1. 機(jī)械產(chǎn)品可靠性的特點(diǎn)機(jī)械產(chǎn)品的組成零多是非標(biāo)準(zhǔn)件，其失效統(tǒng)計(jì)值很分散，造成失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，像電子產(chǎn)品那樣預(yù)計(jì)其失效率也非常。機(jī)械產(chǎn)品的不同失效模式之間往往是相關(guān)的，在進(jìn)行可靠性分析時(shí)需要考慮失效模式相關(guān)性。如轉(zhuǎn)動(dòng)件的過度磨損往往是間隙不當(dāng)造成的。哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Science and Technology7.3機(jī)械設(shè)備可靠性應(yīng)力與強(qiáng)度結(jié)構(gòu)：是具有某種適用性的，能夠承受和傳

10、遞力的工程構(gòu)造。應(yīng)力：是指對結(jié)構(gòu)功能有影響的各種外界，包括作用于結(jié)構(gòu)上的外力或載荷（如力、力矩、過載、溫度、濕度、沖擊、振動(dòng)、腐蝕和噪聲），這些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。強(qiáng)度：是指結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力的能力。傾向于使哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Science and Technology7.3機(jī)械設(shè)備可靠性安全系數(shù)法與可靠性安全系數(shù)法：通過增高安全系數(shù)，提高可靠性。材料強(qiáng)度C 使用載荷問題：把各種參數(shù)都當(dāng)作定值，沒有分析參數(shù)的隨機(jī)特性。沒有與定量的可靠性相聯(lián)系，不能代表可靠性。傳統(tǒng)安全系數(shù)的確定具有較大的隨意性。哈爾濱工程大學(xué)Har

11、bin Engineering UniversityCollege ofNuclear Science and Technology7.4應(yīng)力強(qiáng)度理論1. 應(yīng)力強(qiáng)度模型f2 ( XS )f1 ( X L )f2 ( XS )f1 ( X L )區(qū)X L , XS0假設(shè)應(yīng)力XL 和強(qiáng)度是兩個(gè)獨(dú)立的連續(xù)隨量，XS且服從一定的分布。應(yīng)力的概率密度函數(shù)為 f1 ( XL )，強(qiáng)度的概率密度函數(shù)為 f2 ( XS ) 。哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Science and Technology7.4應(yīng)力強(qiáng)度理論兩曲線的區(qū)，稱

12、為應(yīng)力和強(qiáng)度的區(qū)。區(qū)的存在，表明結(jié)構(gòu)存在失效的可能性，即有一定的失效概率。區(qū)的面積越小，結(jié)構(gòu)的失效概率越低，結(jié)構(gòu)可靠度越高；反之，面積越大，失效概率越高，可靠但是陰影面積不是失效概率的數(shù)值度量。低。哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Science and Technology7.4應(yīng)力強(qiáng)度理論區(qū)進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算的應(yīng)力強(qiáng)度理論：根據(jù)理論稱為應(yīng)力強(qiáng)度理論，這種模型稱為模型。R P( X Sf1 ( X L )X L )f1 ( X L )f2 ( XS )f ( X )2Sf1 (xL )X L , XSf2 ( XS

13、)0dx哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityxLCollege of Nuclear Science and Technology7.4應(yīng)力強(qiáng)度理論設(shè)有一應(yīng)力xL施加于結(jié)構(gòu)，在該應(yīng)力的鄰域內(nèi)，取一寬度為dx 的小區(qū)間，則應(yīng)力出現(xiàn)在該區(qū)間內(nèi)的概率等于應(yīng)力概率密度函數(shù)下這一區(qū)間的面積 A1 ，即p(x 1 dx S x1 dx) f (x)dx ALL1L122強(qiáng)度大于定值應(yīng)力XL 的概率為：p( XS xL ) Xf2 ( XS )dxL哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Science

14、 and Technology7.4應(yīng)力強(qiáng)度理論由于假設(shè)應(yīng)力和強(qiáng)度相互獨(dú)立，可知兩獨(dú)立事件同時(shí)發(fā)生的概率等于：Xf (x )dx f( X)dx1L2SL即處在 xL靠概率。鄰域 dx 區(qū)間內(nèi)，由應(yīng)力強(qiáng)度引起的結(jié)構(gòu)可dR f1 (xL )dx Xf2 ( XS )dxL哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Science and Technology7.4應(yīng)力強(qiáng)度理論對應(yīng)應(yīng)力的所有可能值，強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率為：)dxdx) dR R P( XXf (xf( XLSL1L2SX)f (x )dxdxf( X2S1LXL若 f

15、1 ( XL )靠性。和f2 ( XS )已知時(shí)，利用上式可計(jì)算機(jī)械結(jié)構(gòu)可哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Science and Technology7.4若應(yīng)力為：應(yīng)力強(qiáng)度理論都為正態(tài)分布，則其密度函數(shù)分別和強(qiáng)度 XSXL)2( x LL12 L2f (x ) e1L2L( xS S )212 S 2( X ) fe2S2 S L 和 S L 和 S分別為應(yīng)力和強(qiáng)度的均值分別為應(yīng)力和強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Scienc

16、e and Technology7.4應(yīng)力強(qiáng)度理論令 XS XL，則由正態(tài)分布的加法定理可知， 也服從正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為：( )212 2f ( ) e2其中， S L， S2 L2哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Science and Technology7.4應(yīng)力強(qiáng)度理論因此，機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性為：( )21e02 2dR P( XX) P( 0) SL2u 令，u 0, d du則：，且有u 則： R u 21edu22哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege

17、of Nuclear Science and Technology7.4應(yīng)力強(qiáng)度理論Z S L令，稱為可靠性系數(shù)或概率安全余量。 S 2 L2 u 22 u 2211Z則： R du eedu22Z根據(jù)積分限Z可查得R值，也可從已知R值查得Z值。哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege of Nuclear Science and Technology7.4應(yīng)力強(qiáng)度理論2. 例題某設(shè)備的應(yīng)力與強(qiáng)度均服從正態(tài)分布，已知應(yīng)力均值 L317.52MPa，標(biāo)準(zhǔn)差 L 37.24MPa；零件的綜合強(qiáng)度值為 600.25MPa ，標(biāo)準(zhǔn)差。 58.01MPaSL

18、求零件的安全系數(shù)與可靠度。s600.25317.52 1.89SL解：Z S L 600.25 317.52 4.101 S 2 L258.012 37.242由Z態(tài)表，得R 0.9999793哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering UniversityCollege ofNuclear Science and Technology標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering Universityz0.000.010.020.030.040.050.060.070.080.093.53.63.73.83.94.04.14.24.30.9376740.937759

19、0.9378420.9379220.9379990.9380740.9381460.9382150.9382820.9383470.9384090.9384690.9385270.9385830.9386370.9386890.9387390.9387870.9388340.9388790.9389220.9389640.9400390.9404260.9407990.9411580.9415040.9418380.9421590.9424680.9427650.9430520.9433270.9435930.9438480.9440940.9443310.9445580.9447770.94

20、49880.9451900.9453850.9455730.9457530.9459260.9460920.9462530.9464060.9465540.9466960.9468330.9469640.9470900.9472110.9473270.9474390.9475460.9476490.9477480.9478430.9479340.9480220.9481060.9481860.9482630.9483380.9484090.9484770.9485420.9486050.9486650.9487230.9487780.9488320.9488820.9489310.948978

21、0.9502260.9506550.9510660.9514600.9518370.9521990.9525450.9528760.9531930.9534970.9537880.9540660.954332College of Nuclear Science and Technology7.4應(yīng)力強(qiáng)度理論2. 例題假定由于工作環(huán)境變化，零件綜合強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差增大到 116.02MPa ，其余參數(shù)不變，重新計(jì)算得： LZ S L 600.25 317.52 2.32 S 2 L2116.022 37.242R 0.9898由Z態(tài)表，得哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineering Univer

22、sityCollege of Nuclear Science and Technology7.5機(jī)械設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)1. 失效模式 以正容積泵為例失效模式失效原因失效泵的氣蝕吸入壓頭下降泵的噪音和振動(dòng)轉(zhuǎn)子與機(jī)殼最終被侵蝕腐蝕不應(yīng)通過的流體流體流量過多泵最終性的失效低凈正壓頭， 即汽蝕余量(NPSH)泵的氣蝕泵的效率降低軸不平衡扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸偏轉(zhuǎn)和錯(cuò)位密封泄漏軸承磨損外部泄漏密封失效機(jī)械密封磨損軸套劃痕填料箱不當(dāng)取決于流體類型以及 關(guān)鍵度，以及故障時(shí)間College of Nuclear Science and Technology7.5機(jī)械設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)1. 失效模式 以正容積泵為例失效模式失效原因

23、失效機(jī)械噪聲軸彎曲磨損/損壞的軸承非剛性基礎(chǔ)汽蝕活塞或轉(zhuǎn)子以及其它的最終的磨損正吸入壓頭過低堵塞吸管吸上管道上的閥門僅局部打開吸入氣蝕噪音運(yùn)行排出壓力低高輸出流量泵排出壓頭過高堵塞排氣管排氣管閥門僅部分打開排出氣蝕噪音運(yùn)行低輸出流量吸入管路堵塞污染物無泵輸出/流量減少壓力激增不適合的汽蝕余量汽蝕被破壞流體溫度增加泵中流過流體粘度不適合泵與馬達(dá)中心線不對齊College of Nuclear Science and Technology7.5機(jī)械設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)2. 故障率 以正容積泵為例泵的總故障率，可以表示為泵的各個(gè)組成部分的故障率的組合：P SE SH BE CA FDPSE= 泵的總故障率

24、，故障/百萬工作小時(shí)（failures/million operating hours）= 所有泵密封件的總故障率，故障/百萬工作小時(shí)（由密封與密封墊片的故障模式和故障率，進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)）= 泵軸故障率，故障/百萬工作小時(shí)（見下文）= 所有泵軸承的總故障率，故障/百萬工作小時(shí)（由軸承的故障模式和故障率，進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)）= 泵殼的故障率，故障/百萬工作小時(shí)= 泵流體驅(qū)動(dòng)器的故障率，故障/百萬工作小時(shí)SHBECAFDCollege of Nuclear Science and Technology7.5機(jī)械設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)故障率 以正容積泵為例綜上，在泵中考慮軸的故障模式和故障率：軸的故障模式失效模型失效原因失效影響軸彎曲過載沖擊載荷軸承失效設(shè)備軸承，葉輪，耐磨環(huán)， 機(jī)械密封，齒輪箱的損壞軸的過度偏轉(zhuǎn)軸的動(dòng)態(tài)負(fù)載反向載荷超過臨街軸速負(fù)載不平衡軸最終的損壞軸承葉輪，耐磨環(huán)，機(jī)械密封，齒輪箱的損壞軸的錯(cuò)位裝配不當(dāng)軸承磨損過度負(fù)荷設(shè)備波動(dòng)軸承葉輪，耐磨環(huán)，機(jī)械密封，齒輪箱的損壞College of Nuclear Science and Technology7.5機(jī)械設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)故障率 以正容積泵為例綜上，在泵中考慮軸的故障模式和故障率：軸的故障模式失效模型失效原