機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)2012緒論

機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)第一章緒論工程設(shè)計(jì)中事物的不確定性工程設(shè)計(jì)是一個(gè)探索性的創(chuàng)造過(guò)程，即按照一定的目標(biāo)進(jìn)行分析、決策、評(píng)價(jià)、優(yōu)化的過(guò)程。定義設(shè)計(jì)變量和參數(shù)載荷、應(yīng)力、強(qiáng)度、變形、剛度、壽命……工程事物描述擬定設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、造型選擇材料、參數(shù)、系數(shù)規(guī)劃工藝流程……自然因素技術(shù)因素：載荷、環(huán)境、工藝、維護(hù)……人文因素：經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)保、資源……設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)、智能進(jìn)行判斷、推理與決策不確定性不確定性因素類型事物的隨機(jī)性在相同的條件下，事物呈現(xiàn)不同的結(jié)果汽車、拖拉機(jī)承受的載荷，所處的工作狀態(tài)零件材料的性能機(jī)器或零件的壽命……事物的模糊性事物本身概念不清楚，在質(zhì)上沒(méi)有確切定義，在量上沒(méi)有確定界限性能好壞效率高低造型美觀不美觀事物信息的未確知性受客觀條件限制而造成的信息不完善零件在運(yùn)行中的磨損、膠合和疲勞點(diǎn)蝕概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)模糊數(shù)學(xué)專家經(jīng)驗(yàn)主觀概率、主觀隸屬度可靠性、可靠度（Reliability）定量（精確）可靠（Reliable）定性（模糊）可靠性的概念是人們?cè)趯?duì)一些付出慘痛代價(jià)的事故的研究中提出的。例如，二戰(zhàn)中美國(guó)空軍因飛行故障損失飛機(jī)21000架，比實(shí)戰(zhàn)中被擊落的多1.5倍；運(yùn)往遠(yuǎn)東的飛機(jī)電子設(shè)備，60%在運(yùn)輸中失效，50%在存儲(chǔ)期間失效；海軍艦艇的電子設(shè)備，70%因意外事故失效。一、可靠性的提出§1.1可靠性技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)介有關(guān)可靠性的早期工作1939年，英國(guó)航空委員會(huì)出版《適航性統(tǒng)計(jì)學(xué)注釋》，首次提出飛機(jī)故障率不應(yīng)超過(guò)0.00001次/h，這可以認(rèn)為是最早的飛機(jī)安全性和可靠性定量指標(biāo)。二戰(zhàn)末期，德國(guó)火箭專家R·盧瑟(Lusser)首先提出概率乘積法則（將系統(tǒng)的可靠度看成其各子系統(tǒng)可靠度的乘積），用于V-Ⅱ火箭誘導(dǎo)裝置的可靠度計(jì)算，得到其可靠度為75％，這是第一次定量地計(jì)算一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的可靠度問(wèn)題。1952年，美國(guó)成立了“電子設(shè)備可靠性顧問(wèn)團(tuán)”(AdvisoryGrouponReliabilityofElectronicEquipment，即AGREE)。AGREE對(duì)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸及使用等各個(gè)方面作了全面的可靠性調(diào)查研究，于1957年發(fā)表了著名的《軍用電子設(shè)備可靠性報(bào)告》。該報(bào)告首次比較完整的闡述了可靠性的理論和研究方法，該報(bào)告被公認(rèn)為可靠性工程的奠基性文件。從此，對(duì)可靠性問(wèn)題的研究逐漸發(fā)展成為一門新興的獨(dú)立學(xué)科有關(guān)可靠性的早期工作在新一代裝備的研制中，都不同程度地制訂了較完善的可靠性大綱，規(guī)定定量的可靠性要求，進(jìn)行：可靠性分配及預(yù)計(jì)；故障模式及影響分析（FMEA）；故障樹分析（FTA）；余度設(shè)計(jì)；可靠性鑒定試驗(yàn)，驗(yàn)收試驗(yàn)和老煉試驗(yàn)；可靠性評(píng)審等。二、可靠性工程的發(fā)展與應(yīng)用電子設(shè)備空間科學(xué)宇航技術(shù)一般工業(yè)部門民用五十年代六十年代七十年代以后可靠性工程的應(yīng)用實(shí)例（1）Apollo計(jì)劃例如：50年代的“先驅(qū)者號(hào)”衛(wèi)星發(fā)射11次只有3次成功，而60年代發(fā)展的阿波羅登月船，除阿波羅13以外，每次發(fā)射都成功著陸在月球并安全返回。在這10年中，美、法、日及前蘇聯(lián)等工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家也相繼開展可靠性研究。先驅(qū)者計(jì)劃先驅(qū)者計(jì)劃是美國(guó)的一系列無(wú)人行星探測(cè)任務(wù)。整個(gè)計(jì)劃分為數(shù)個(gè)任務(wù)，而最著名的是先驅(qū)者10號(hào)和11號(hào)，它們探測(cè)外層行星并飛出了太陽(yáng)系。兩個(gè)探測(cè)器都攜帶了刻畫著男女和地球位置的金版，期待地外生命有朝一日發(fā)現(xiàn)并解讀它。先驅(qū)者0號(hào)（托爾-艾布爾1號(hào)，先驅(qū)者號(hào)）--月球軌道，1958年8月17日在火箭升空77秒后爆炸，失敗先驅(qū)者1號(hào)（托爾-艾布爾2號(hào)，先驅(qū)者I號(hào)）--月球軌道，1958年10月11日因第三級(jí)部分故障而錯(cuò)過(guò)月球

先驅(qū)者2號(hào)（托爾-艾布爾3號(hào)，先驅(qū)者II號(hào)）--月球軌道，1958年11月8日因第三級(jí)故障再入大氣層，失敗

先驅(qū)者P-1(宇宙神-艾布爾4A號(hào),先驅(qū)者W號(hào)),1959年9月，探測(cè)器失蹤先驅(qū)者P-3(宇宙神-艾布爾4號(hào),宇宙神-艾布爾4B號(hào),先驅(qū)者X號(hào))–月球探測(cè)，1959年11月26日，發(fā)射失敗

先驅(qū)者5號(hào)（先驅(qū)者P-2，托爾-艾布爾4號(hào)，先驅(qū)者V號(hào)）--地球，金星之間，1960年3月11日先驅(qū)者P-30（宇宙神-艾布爾5A號(hào)，先驅(qū)者Y號(hào)）--月球軌道，1960年9月，未達(dá)到月球軌道先驅(qū)者P-31(宇宙神-艾布爾5B號(hào),先驅(qū)者Z號(hào))–月球軌道，1960年12月，上面級(jí)故障，失敗先驅(qū)者3號(hào)—月球飛越，1958年12月，發(fā)射故障導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)月球

先驅(qū)者4號(hào)—月球飛越，1959年3月，達(dá)到地球逃逸速度美國(guó)于1961開始計(jì)劃研制Apollo-11號(hào)宇宙飛船，它有720萬(wàn)個(gè)零件，其重要零件可靠性為99.9999999％?？煽啃怨こ痰膽?yīng)用實(shí)例（1）Apollo計(jì)劃

1969年7月登月成功。盡管Apollo計(jì)劃的種種技術(shù)，現(xiàn)在為世界上的各種產(chǎn)品所應(yīng)用，但是其中影響最為深遠(yuǎn)的是可靠性技術(shù)。Apollo-11的控制艙可靠性工程的應(yīng)用實(shí)例（1）Apollo計(jì)劃阿波羅宇宙飛船整個(gè)研制的各階段對(duì)可靠性和質(zhì)量保證的要求可靠性工程的應(yīng)用實(shí)例（1）Apollo計(jì)劃長(zhǎng)征運(yùn)載火箭—中國(guó)可靠性研究的代表長(zhǎng)征運(yùn)載火箭通過(guò)對(duì)故障原因分析、可靠性標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范應(yīng)用等一系列措施，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。是目前最安全可靠的航天運(yùn)載工具之一?？煽啃怨こ痰膽?yīng)用實(shí)例（2）長(zhǎng)征運(yùn)載火箭早期的長(zhǎng)征運(yùn)載火箭各階段的故障原因分析設(shè)計(jì)管理生產(chǎn)操作設(shè)備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關(guān)鍵時(shí)刻出現(xiàn)故障，造成的經(jīng)濟(jì)損失往往都非常巨大。1、如美國(guó)1957年發(fā)射的“先鋒號(hào)”衛(wèi)星中，由于一個(gè)價(jià)值二美元的器件出了故障，造成了價(jià)值220萬(wàn)美元的損失。2、美國(guó)航天局1978年、1979年三次火箭發(fā)射失敗，損失1.6億美元3、1971年，原蘇聯(lián)三名宇航員在“禮炮”號(hào)飛船中由于一個(gè)部件失靈而喪生。4、前蘇聯(lián)的“聯(lián)盟11號(hào)”號(hào)宇宙飛船返回時(shí)，因壓力閥門提前打開而造成三名航員全部死亡。5、1986年1月28日美國(guó)航天飛機(jī)“挑戰(zhàn)者號(hào)”起飛76秒后爆炸，其中7名宇航員喪生，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)12億美元，事故的直接原因是因?yàn)橐粋€(gè)密封圈不密封而引起的。6、1974年，我國(guó)發(fā)射衛(wèi)星的運(yùn)載火箭，則是團(tuán)為一根直徑為0.25mm的導(dǎo)線斷裂，而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)被引爆自毀。7、1991年，一個(gè)繼電器的多余物造成我國(guó)“澳星”發(fā)射失敗，所造成的經(jīng)濟(jì)損失和政治影響是巨大的。重視可靠性工作，效果十分明顯1、美國(guó)于1987年采購(gòu)轟炸機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)費(fèi)用的7.5億美元，可靠性投資為0.46億美元，預(yù)計(jì)在十年壽命周期內(nèi)，可節(jié)省24億美元，相當(dāng)投資50倍。2、美國(guó)某中近程導(dǎo)彈的導(dǎo)航塔，原來(lái)的MTBF僅17h，每年的維修費(fèi)用為15560美元，后來(lái)以總投資3％的資金用來(lái)提高可靠性，結(jié)果MTBF提高到140h，每年維修費(fèi)用為1818美元，其可靠性提高8倍，維修費(fèi)用降為原來(lái)的1／8.6。因此可以說(shuō)可靠性工作是投入大，產(chǎn)出更大的工作。

四、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)發(fā)展20世紀(jì)40年代，A.M.Freudenthal提出構(gòu)件強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)的應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型，用于構(gòu)件可靠性設(shè)計(jì)由于影響機(jī)械設(shè)備和系統(tǒng)可靠性的因素太多，難以控制，而且產(chǎn)品批量較小，試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)在50~60年代未能全面展開。四、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)發(fā)展系統(tǒng)的機(jī)械可靠性研究始于20世紀(jì)60年代美國(guó)的航天計(jì)劃?rùn)C(jī)械和電子故障是NASA主要關(guān)心的問(wèn)題，其中機(jī)械故障引起的事故多，損失大。如：1964年人造衛(wèi)星III號(hào)因機(jī)械故障而損壞1965年始，NASA開始三項(xiàng)機(jī)械可靠性工作用過(guò)載試驗(yàn)方法進(jìn)行可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證用隨機(jī)動(dòng)載荷驗(yàn)證結(jié)構(gòu)和零件的可靠性在關(guān)鍵機(jī)械零件中采用概率設(shè)計(jì)方法，將可靠度設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)和機(jī)械零部件中1963年同步通訊衛(wèi)星SYMCOMⅠ，高壓容器斷裂，引起衛(wèi)星空中墜毀；在通用零件方面，滾動(dòng)軸承最早引用了可靠性概念，制定了額定壽命的可靠性指標(biāo)并付諸實(shí)用。齒輪強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)相繼引進(jìn)了可靠性指標(biāo)。已深入到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械零件的強(qiáng)度和壽命設(shè)計(jì)，以及機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)。四、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)發(fā)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機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)方法我國(guó)機(jī)械產(chǎn)品的可靠性工作正在普及推廣中，相繼頒布了一批機(jī)電產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，并限期考核。儀表、汽車的可靠性技術(shù)研究與應(yīng)用，先行了一步，已獲得成效。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)將得到更為廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。從1986年起，機(jī)械部已經(jīng)發(fā)布了六批限期考核機(jī)電產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的清單，前后共有879種產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)行可靠性指標(biāo)的考核1990年11月和1995年10月，機(jī)械工業(yè)部舉行了兩次新聞發(fā)布會(huì)，先后介紹了236和159種帶有可靠性指標(biāo)的機(jī)電產(chǎn)品1992年3月國(guó)防部科工委委托軍用標(biāo)準(zhǔn)化中心在北京召開了“非電產(chǎn)品可靠性工作交流研討會(huì)”2005年GJB450<裝備可靠性工作通用要求>改版，增加機(jī)械可靠性內(nèi)容四、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)發(fā)展§1.2研究可靠性技術(shù)的意義提高產(chǎn)品的可靠性是可以獲得很高經(jīng)濟(jì)效益的。比如，美國(guó)西屋公司為提高某產(chǎn)品可靠性，曾對(duì)其作了一次全面設(shè)計(jì)審查，結(jié)果是：所得到經(jīng)濟(jì)效益是為提高可靠性所花費(fèi)用的100倍以上。二、提高經(jīng)濟(jì)效益三、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力只有產(chǎn)品的可靠性水平提高了，才能通過(guò)產(chǎn)品的信譽(yù)，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。一、保證和提高產(chǎn)品的可靠性水平§1.3機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)以應(yīng)力和強(qiáng)度為隨機(jī)變量作為出發(fā)點(diǎn)；應(yīng)用概率和統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)；能定量地回答產(chǎn)品的失效率和可靠度；有多種可靠性指標(biāo)供選擇，如可靠度、失效率、MTBF……；強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品可靠性的主導(dǎo)作用;必須考慮環(huán)境的影響；必須考慮維修性；從整體的、系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)；承認(rèn)設(shè)計(jì)期間及其以后都需要可靠性增長(zhǎng)?！?.4機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)步驟(a)明確可靠性要求。(b)調(diào)查分析與所要設(shè)計(jì)的相似產(chǎn)品的使用情況，如常見(jiàn)故障模式、故障發(fā)生頻率、成功的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等。(c)可靠性分配。(d)進(jìn)行可靠性分析，確定可靠性關(guān)鍵件。(e)可靠性定性設(shè)計(jì)。(f)可靠性定量設(shè)計(jì)。(g)可靠性分析計(jì)算和設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。(h)可靠性增長(zhǎng)?！?.5本課程的主要內(nèi)容（一）可靠性概論

可靠性工程的發(fā)展過(guò)程；可靠性定義；可靠性指標(biāo)的量化及各指標(biāo)間的關(guān)系、產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性。（二）可靠性基礎(chǔ)數(shù)學(xué)

可靠性數(shù)學(xué)模型的建立；概率分布的描述；威布爾分布，分布參數(shù)的估計(jì)，分布率的假設(shè)檢驗(yàn)。（三）機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)

強(qiáng)度概率設(shè)計(jì)的基本理論；零件承載能力分布律及分布參數(shù)的確定；零件工作應(yīng)力分布律及分布參數(shù)的確定，強(qiáng)度可靠性計(jì)算條件式與許用可靠度，強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)方法與步驟。（四）機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)