機(jī)械可靠性設(shè)計2012緒論

機(jī)械可靠性設(shè)計第一章緒論工程設(shè)計中事物的不確定性工程設(shè)計是一個探索性的創(chuàng)造過程，即按照一定的目標(biāo)進(jìn)行分析、決策、評價、優(yōu)化的過程。定義設(shè)計變量和參數(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)計方案設(shè)計結(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、社會效益、環(huán)保、資源……設(shè)計者的經(jīng)驗、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)上沒有確切定義，在量上沒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行中的磨損、膠合和疲勞點蝕概率論與數(shù)理統(tǒng)計模糊數(shù)學(xué)專家經(jīng)驗主觀概率、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在對一些付出慘痛代價的事故的研究中提出的。例如，二戰(zhàn)中美國空軍因飛行故障損失飛機(jī)21000架，比實戰(zhàn)中被擊落的多1.5倍；運往遠(yuǎn)東的飛機(jī)電子設(shè)備，60%在運輸中失效，50%在存儲期間失效；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)展簡介有關(guān)可靠性的早期工作1939年，英國航空委員會出版《適航性統(tǒng)計學(xué)注釋》，首次提出飛機(jī)故障率不應(yīng)超過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)裝置的可靠度計算，得到其可靠度為75％，這是第一次定量地計算一個復(fù)雜系統(tǒng)的可靠度問題。1952年，美國成立了“電子設(shè)備可靠性顧問團(tuán)”(AdvisoryGrouponReliabilityofElectronicEquipment，即AGREE)。AGREE對電子產(chǎn)品的設(shè)計、制造、試驗、儲存、運輸及使用等各個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)備可靠性報告》。該報告首次比較完整的闡述了可靠性的理論和研究方法，該報告被公認(rèn)為可靠性工程的奠基性文件。從此，對可靠性問題的研究逐漸發(fā)展成為一門新興的獨立學(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；故障模式及影響分析（FMEA）；故障樹分析（FTA）；余度設(shè)計；可靠性鑒定試驗，驗收試驗和老煉試驗；可靠性評審等。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)用實例（1）Apollo計劃例如：50年代的“先驅(qū)者號”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)的國家也相繼開展可靠性研究。先驅(qū)者計劃先驅(qū)者計劃是美國的一系列無人行星探測任務(wù)。整個計劃分為數(shù)個任務(wù)，而最著名的是先驅(qū)者10號和11號，它們探測外層行星并飛出了太陽系。兩個探測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（托爾-艾布爾1號，先驅(qū)者號）--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（托爾-艾布爾2號，先驅(qū)者I號）--月球軌道，1958年10月11日因第三級部分故障而錯過月球

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

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

先驅(qū)者5號（先驅(qū)者P-2，托爾-艾布爾4號，先驅(qū)者V號）--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，先驅(qū)者Y號）--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,先驅(qū)者Z號)–月球軌道，1960年12月，上面級故障，失敗先驅(qū)者3號—月球飛越，1958年12月，發(fā)射故障導(dǎo)致錯過月球

先驅(qū)者4號—月球飛越，1959年3月，達(dá)到地球逃逸速度美國于1961開始計劃研制Apollo-11號宇宙飛船，它有720萬個零件，其重要零件可靠性為99.9999999％。可靠性工程的應(yīng)用實例（1）Apollo計劃

1969年7月登月成功。盡管Apollo計劃的種種技術(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)用實例（1）Apollo計劃阿波羅宇宙飛船整個研制的各階段對可靠性和質(zhì)量保證的要求可靠性工程的應(yīng)用實例（1）Apollo計劃長征運載火箭—中國可靠性研究的代表長征運載火箭通過對故障原因分析、可靠性標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范應(yīng)用等一系列措施，大大提高了整個系統(tǒng)的可靠性。是目前最安全可靠的航天運載工具之一?？煽啃怨こ痰膽?yīng)用實例（2）長征運載火箭早期的長征運載火箭各階段的故障原因分析設(shè)計管理生產(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1957年發(fā)射的“先鋒號”衛(wèi)星中，由于一個價值二美元的器件出了故障，造成了價值220萬美元的損失。2、美國航天局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”號飛船中由于一個部件失靈而喪生。4、前蘇聯(lián)的“聯(lián)盟11號”號宇宙飛船返回時，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日美國航天飛機(jī)“挑戰(zhàn)者號”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為一個密封圈不密封而引起的。6、1974年，我國發(fā)射衛(wèi)星的運載火箭，則是團(tuán)為一根直徑為0.25mm的導(dǎo)線斷裂，而導(dǎo)致整個系統(tǒng)被引爆自毀。7、1991年，一個繼電器的多余物造成我國“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、美國于1987年采購轟炸機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)費用的7.5億美元，可靠性投資為0.46億美元，預(yù)計在十年壽命周期內(nèi)，可節(jié)省24億美元，相當(dāng)投資50倍。2、美國某中近程導(dǎo)彈的導(dǎo)航塔，原來的MTBF僅17h，每年的維修費用為15560美元，后來以總投資3％的資金用來提高可靠性，結(jié)果MTBF提高到140h，每年維修費用為1818美元，其可靠性提高8倍，維修費用降為原來的1／8.6。因此可以說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)計的應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型，用于構(gòu)件可靠性設(shè)計由于影響機(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，試驗費用昂貴，機(jī)械可靠性設(shè)計在50~60年代未能全面展開。四、機(jī)械可靠性設(shè)計發(fā)展系統(tǒng)的機(jī)械可靠性研究始于20世紀(jì)60年代美國的航天計劃機(jī)械和電子故障是NASA主要關(guān)心的問題，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號因機(jī)械故障而損壞1965年始，NASA開始三項機(jī)械可靠性工作用過載試驗方法進(jìn)行可靠性試驗驗證用隨機(jī)動載荷驗證結(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)計方法，將可靠度設(shè)計到結(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)并付諸實用。齒輪強(qiáng)度計算標(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、機(jī)械零件的強(qiáng)度和壽命設(shè)計，以及機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計。四、機(jī)械可靠性設(shè)計發(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)計方法我國機(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，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”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，美國西屋公司為提高某產(chǎn)品可靠性，曾對其作了一次全面設(shè)計審查，結(jié)果是：所得到經(jīng)濟(jì)效益是為提高可靠性所花費用的100倍以上。二、提高經(jīng)濟(jì)效益三、提高市場競爭能力只有產(chǎn)品的可靠性水平提高了，才能通過產(chǎn)品的信譽(yù)，增強(qiáng)市場競爭能力。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)計的特點以應(yīng)力和強(qiáng)度為隨機(jī)變量作為出發(fā)點；應(yīng)用概率和統(tǒng)計方法進(jìn)行分析、設(shè)計；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)計對產(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)的觀點出發(fā)；承認(rèn)設(shè)計期間及其以后都需要可靠性增長?！?.4機(jī)械可靠性設(shè)計步驟(a)明確可靠性要求。(b)調(diào)查分析與所要設(shè)計的相似產(chǎn)品的使用情況，如常見故障模式、故障發(fā)生頻率、成功的設(shè)計經(jīng)驗等。(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。(f)可靠性定量設(shè)計。(g)可靠性分析計算和設(shè)計評價。(h)可靠性增長?！?.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，分布率的假設(shè)檢驗。（三）機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計

強(qiáng)度概率設(shè)計的基本理論；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)度可靠性計算條件式與許用可靠度，強(qiáng)度可靠性設(shè)計方法與步驟。（四）機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計