机械可靠性设计

可靠性设计机械工程系杨化动本课程主要的教学内容第一章可靠性概论第二章可靠性理论中常用的几种概率分布第三章分布参数的估计与分布函数的假设检验第四章机械可靠性设计原理与可靠度计算第五章机械静强度与可靠性设计第六章系统可靠性设计第七章机械零部件的可靠性设计使用教材《机械可靠性设计》刘惟信清华大学出版社考核方式考试*80%+平时*20%第一章可靠性概论§1-1可靠性概述§1-2可靠性尺度§1-3可靠性设计与传统设计的异同§1-1可靠性概述一、可靠性的研究意义二、可靠性定义一、可靠性研究意义1、意义：1)提高产品可靠性,可以防止故障和事故的发生,尤其是避免灾难性的事故发生.86年1月28日,美航天飞机”挑战者号”由于1个密封圈失效,起飞76S后爆炸,其中7名宇航员丧生,造成12亿美元的经济损失;92年我国发射”澳星号”时由于一个小小零件的故障,发射失败,造成了巨大的经济损失和政治影响.2)提高产品的可靠性,能使产品总的费用降低.提高产品的可靠性,首先要增加费用,如选用好的元器件,研制部分冗余功能的电路及进行可靠性设计、分析、实验，这些都需要经费。然而，产品可靠性的提高使得维修费及停机检查损失费大大减小，使总费用降低。3）提高产品的可靠性，可以减少停机时间，提高产品可用率，一台设备可顶几台用，可以发挥几倍的效益。美国GE公司经过分析认为，对于发电、冶金、矿山、运输等连续作业的设备，即使可靠性提高1%，成本提高10%也是合算的。4）对于公司来讲，提高产品的可靠性，可以改善公司信誉，增强竞争力，扩大市场份额，从而提高经济效益。2、几个基本概念1）可靠性预测：是一种预报方法，在设计阶段即从所得的失效率数据预报零部件和系统实际可能达到的可靠度，预报这些零件、部件和系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。可以找出提高整个设备的可靠度的有效途径。2）系统可靠性分配：将系统规定的容许失效概率合理的分配给该系统的零、部件。3、机械可靠性设计的特点1）将载荷、材料性能和强度及零、部件的尺寸都视为属于某种概率分布的统计量。2）采用了可靠度或其他可靠性指标，来确保结构的可靠性，而传统机械设计是用安全系数来保证结构的可靠性。3）对结构的安全系数进行了统计分析，得出的安全系数比传统的安全系数更符合实际。二、可靠性的定义1、定义产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力2、注意的问题1）对象可以是零件，也可以是系统2）使用条件包括运输条件、环境条件、使用方法等3）规定时间可靠度是一个有时间性的定义。可以是区间（0，t），也可以是行使里程、规定周期、次数等等4）规定功能正常工作而不失效5）概率§1-2可靠性尺度一、可靠度与不可靠度二、失效率三、平均寿命一、可靠度与不可靠度1、定义：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率，通常以R表示。1）0≤R(t)≤12）R(t)=P(E)=P(T≥t)3）不可靠度记为F,对应的失效概率密度函数为F(t)R(t)+F(t)=1tttdttfdttftFtRdttftFdttdRdttdFtftftF)()(1)(1)()()()()()()()(00数求导，则得失效密度函对二、失效率1、定义：工作到某时刻t时尚未失效的产品，在该时刻t以后下一个单位时间内发生失效的概率。设有N个产品，从t=0开始工作，到时刻t时产品的失效率为n(t)，而到时刻(t+△t)时产品的失效数为n(t+△t)，即在[t,t+△t)时间区间有△n(t)=n(t+△t)-n(t)个产品失效，则定义该产品在时间区间[t,t+△t)内的平均失效率为：ttnNtnttttnNtnttnNtnttnttNtN)]([)(lim)(lim)()]([)()]([)()()(002、失效率曲线如果对这批零件测得多年的失效数据，则可以绘出观测值随时间的变化曲线，成为该零件的失效率曲线。3、失效率与可靠度之间的关系联系到可靠度函数看失效率的定义：表示系统、机器、设备等产品一直到某一时刻t为止尚未发生故障的可靠度R(t)在下一个单位时间内可能发生故障的条件概率。tdtttRdttRdttRtftRdttdRtRdttdFt0])(exp[)()(ln)()()()(/)()(/)()(或三、平均寿命1、定义：是产品寿命的平均值，而产品的寿命则是它的无故障的工作时间。1）对于不可修复的产品，其寿命是指它的失效前的工作时间。平均寿命就是指该产品从开始使用到失效前的工作时间的平均值，或称为失效前平均时间，记为MTTFNiitNMTTF112)对于可以修复的产品，其寿命是指相邻两次故障间的工作时间。平均寿命即为平均无故障工作时间或称为平均故障间隔，记为MTBFNinjijNiiitnMTBF1111§1-3可靠性设计与传统设计之间的异同机械可靠性设计与传统机械设计方法不同，它具有以下的基本特点：1、以应力和强度为随机变量作为出发点2、应用概率和统计方法进行分析、求解3、能定量的回答产品的失效概率和可靠度4、有多种可靠性指标供选择5、强调设计对产品可靠性的主导作用6、必须考虑环境的影响7、必须考虑维修性8、从整体的、系统的观点出发9、承认在设计期间及其以后都需要可靠性的增长机械可靠性设计的主要内容1、研究产品的故障物理和故障模型2、确定产品的可靠性指标及其等级3、合理分配产品的可靠性指标值4、以规定的可靠性指标值为依据对零件进行可靠性设计机械可靠性设计的方法概率设计法失效树分析法及失效模式、影响及致命度分析法机械可靠性设计的步骤1、提出设计任务、规定详细指标2、确定有关的设计变量及参数3、失效模式、影响及致命度分析4、确定零件的失效模式是否是互相独立的5、确定失效模式的判据6、得出应力公式7、确定每种失效模式下的应力分布8、确定强度计算公式9、确定每种失效模式下的强度分布10、确定每种致命失效模式下与应力分布和强度分布相关的可靠度11、确定零件的可靠度12、确定零件可靠度的置信度13、按上述步骤求出系统中所有关键零、部件的可靠度14、计算子系统和整个系统的可靠度15、必要时可对某些设计内容进行优化第二章可靠性理论中常用的几种概率分布§2-1离散性随机变量的几种常见的分布§2-2连续性随机变量的几种常见的分布§2-3抽样分布§2-1离散型随机变量的几种常见分布一、0-1分布又称为两点分布E(X)=pD(X)=p-p2=pqX=xk10P(X=xk)=pkpq§2-2连续性随机变量的几种常见的分布正态分布正态分布是一种很重要的连续型随机变量的概率分布。生物现象中有许多变量是服从或近似服从正态分布的。许多统计分析方法都是以正态分布为基础的。此外，还有不少随机变量的概率分布在一定条件下以正态分布为其极限分布。因此在统计学中，正态分布无论在理论研究上还是实际应用中，均占有重要的地位。