机械可靠性技术讲义(XXXX0517)

1RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司机械可靠性设计技术与设计管理申国山博士2RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司目录1.可靠性基础2.机械结构可靠性设计方法2.1机械产品可靠性设计基本原则2.2应用环境分析2.3工作平台环境分析2.4产品任务剖面2.5产品环境适应性分析2.6产品结构可靠性失效摸式2.7产品安全性与可靠性系统设计2.8结构失效机理与设计准则2.9可靠性指标与经济性问题2.10原材料、原器件及工艺选择2.11环境防护技术2.12机械加工工艺、装配、安装、使用与维护质量控制3.可靠性试验4.可靠性设计管理4.1可靠性设计管理体系4.2生产过程质量管理4.3物料质量可靠性选型与认证结束3RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司1.可靠性基础1952年美国国防部成立AGREE；1955年AGREE给政府提出了电子元件可靠性的9项建议；1957年提出了著名的AGREE报告《电子装备的可靠性》；FMEA/FTA；机械可靠性开展；软件可靠性研究开展。可靠性简史4RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司1.1可靠性定义可靠性：规定时间内、规定条件下，完成规定功能的能力。规定条件：环境条件、使用条件、维护条件、操作条件等；规定时间：是指动作次数、循环次数、运行周期；规定功能：是技术性能、使用要求；∫=−tdttetR0)()(λ5RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司应用分类定义1.在标准条件下，设计和生产中采用的元器件和材料、及由此形成的设备整机中能控制的故障事件所达到的水平。2.用于描述元器件和整机的制造水平。1.指应用可靠性设计技术在综合考虑产品设计、制造安装环境、维修策略和修理等因素后，产品所达到的水平；2.用于描述产品在计划的环境中使用的可靠性水平。6RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司1.实际使用条件下，产品机械材料、元器件、整机、配附件的可靠性指标；2.失效模式与可靠性指标；3.预示环境条件下，产品机械材料、元器件、整机、配附件的可靠性指标；4.失效模式与可靠性指标；基础可靠性7RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司关注点与度量指标1.考虑要求保障的所有故障的影响，用于度量产品无需保障的工作能力，包括与维修和供应有关的可靠性2.通常用MTBF表示。1.仅考虑造成人物失败的故障影响，用于描述产品完成任务的能力；2.常用任务可靠度（MR）和致命性故障间隔任务时间（MTBCF）来度量。8RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司基本原理1.任务可靠性指标特性：2.故障模式（信息来源、失效分析技术与故障再现）3.环境条件（预示环境、实际环境以及环境的可控制特性）4.转移特性与控制技术（继承性技术及其设备的客观可靠性指标与故障转移频率特性、新技术与新设备的设计可靠性与故障转移频率特性；总体布局、设备安装、细节设计、气动作用、动力学特性、控制方式、环境设计以及特殊的措施9RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司1.2可靠性与耐久性、安全性、保障性的区别与联系1.可能性与概率的区别与联系2.可能性：元器件、部组件、整机、分系统、系统或产品的客观属性；3.概率：一定环境条件所诱发的事件统计特性4.可能性与概率在数学上采用相同的表示形式。5.可靠性与耐久性、安全性、保障性的区别与联系10RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司1.3常用术语MTBF（MeanTimeBetweenFail）失效率λ（Failurerate）MTTF（MeanTimeToFail）PPM（PartsPerMillion）Fit（FailureInTime）36910101101×==−hhFit∫∞=0)(dttRMTBF11RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司12RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司可靠性分布tetRλ−=)()(1)(σμ−Φ−=ttRkbtetR)/)(()(α−−=K形状参数α位置参数b尺度参数指数分布正态分布威布尔分布13RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司整机失效率元器件平均失效率(1~3)*10-5降额因子(1~10)*10-2环境因子老练筛选效果因子0.1~0.5机械结构因子1.5~2.5制造工艺因子1.5~3.5元器件个数试验室0.5~1室内1.1~10陆地固定5~10车载13~30舰船载10~22机载50~80Nkkkkks××××××=543210λλ14RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司系统可靠性串联模型和并联模型导通为正常截流为正常15RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司1.可靠性预计和分配2.可靠性设计3.可靠性试验4.可靠性管理1.4可靠性工作范畴16RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司1.干涉模型2.应力筛选3.测试数据的可用性4.试验样本的确定5.预示环境与实际环境的联系与区别6.产品可靠性控制要点7.互换性与可靠性的矛盾8.环境设计与减振器的作用9.可靠性工程活动10.现代设计中基于测试性的软件可靠性作用机械可靠性的几个问题：返回目录17RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司2.1机械产品可靠性设计基本原则强度和载荷干涉模型的可靠性设计原则18RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司寿命周期费用1.产品全寿命周期内，为其论证、研制、使用和保障，至产品生命周期终结所付出的一切费用之和。2.使用与保障在LCC中所占的比例昀大，约占60%研制费用、生产费用运输费用、运行费用、维护费用、备件费用、训练费用、技术数据费用退役费用返回目录19RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司2.2应用环境分析温度、湿度、风沙、雷暴、生物、盐雾的机械失效因素分析返回目录20RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司2.3工作平台环境分析诱发环境机械失效因素分析：1.力学环境（冲击振动过载噪声）2.电磁环境（EMC）工作环境返回目录21RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司2.4产品任务剖面从产品交付到寿命终结所经历的关注条件22RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司产品生命周期过程设计（出厂后）23RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司产品生命周期过程设计（出厂前）返回目录24RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司2.5产品环境适应性分析1.载荷性质与作用时空特征：物体运动、结构响应和局部损伤的载荷性质；2.环境适应性设计专题：紧固件环境适应性设计返回目录25RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司2.6产品结构可靠性失效摸式1.应力疲劳损伤与疲劳破坏2.应变疲劳破坏3.白点与氢脆4.应力腐蚀断裂5.高温疲劳6.热疲劳与龟裂7.蠕变与老化8.剥离9.雷击损伤10.接触疲劳与微动磨损11.静载破坏与结构失稳12.安全裂纹尺寸与裂纹失稳扩展结构失效特征26RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司常见故障从故障统计来看，主要表现在早期故障和责任故障两类1.电子器件、电气设备、液压系统的故障都基本属于单元级带到系统的早期故障；2.控制系统属于责任故障，也存在一些设计故障27RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司故障判据产品或其中一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态称为故障；28RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司典型的故障模式1.紧固件的松动、结构件和电路板的变形、破裂及失效2.联结器、继电器、传感器、阀门及开关的瞬间断开3.电子器件、固定电路、微电子元件的引线、管脚和导线的磨损和折断4.电子插件的性能下降、电器功能下降、粘层、键合点断开、电路瞬间短路和断路5.陀螺漂移增大、精度降低、甚至发生故障6.控制失灵、结构损伤29RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司结构故障1.管路系统异常、电缆拉断、结构失效；2.管路系统的故障形式是泄露和堵塞；•泄漏（焊缝破裂、焊缝缺陷导致强度降低、密封部位缺陷导致密封缺陷、过热破坏等）•堵塞（燃气杂质沉积过多或管路有多余物）30RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司故障分析的两个模型1.物论性模型：关注发生故障的部位、形式及其成因，手段是从物理、化学和材料等方面，从微观角度进行机理的模式；2.概率论模型：注重故障和时间的关系，用数理统计的方法，研究其故障时间的概率分布，是宏观模式。31RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司故障的影响1.工作能力下降或功能的丧失2.昂贵的保障费用3.安全问题4.高频发生故障5.对有冗余设计和替代工作模式的设计需要考虑双重故障模式的影响，如应急装置同时故障造成的后果32RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司主次分析1.主次分析是用统计的方法找出所分析对象影响昀大的因素2.从故障频数、故障原因、故障后果、责任、发现时间等进行分析；3.故障频数：组成产品的各系统，按主次排列，找出故障昀多的系统，以系统为对象，按故障频数做主次分析，找出故障昀多的分系统；依次逐级分析，直到找出故障频数昀多的设备和单元；确定薄弱环节。4.通过主次分析找到影响产品故障的主要原因和责任；将故障影响后果与发生频数综合一起得到主次分析结果，可以确定故障频数并非昀高但造成的影响却很大的关键系统和设备33RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司故障影响层次1.自身影响：产品有故障征候，产品功能下降，到产品功能完全丧失；2.对上一级的影响：无影响，由故障征候，系统功能下降，到系统功能完全丧失；3.昀终影响：影响执行任务，一般等级事故到严重等级事故。34RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司关系可靠性控制的故障1.应当计入系统可靠性评估的故障包括组成系统后发生的一切故障；2.可控故障是可靠性控制的主要对象；3.可靠性控制设计的目标是把故障水平和转移概率控制到系统能接受的水平。35RDCOOSpaceTech(Beijing)Co.Ltd.瑞迪航科(北京)技术有限公司1.指数分布：具有恒定故障率的部件和设备，无余度的复杂系统，经老练试验并经定期维修的部件和设备2.威布尔分布：某些电容、继电器、开关、断路器、电子管、电位计、陀螺、电动机、电缆、电池、材料疲劳、滚珠轴承等3.对数正态分布：电机绕组绝缘、半导体器件、晶体管、系统结构