第五章可靠性设计.

5.1概述5.2可靠性设计原理5.3零部件的可靠性设计5.4系统可靠性设计5.1.1可靠性设计的基本概念5.1.2可靠性特点5.1.3可靠性设计的常用指标5.1.4可靠性设计常用的分布函数可靠性是衡量产品质量的一项重要指标可靠性长期以来是人们设计制造产品时的一个追求目标但可靠性作为设计制造中的定量指标的历史却不长，相关技术也尚不成熟，工作也不普及追溯到二次世界大战期间。美国空军因飞行故障事故而损失的飞机达21000架，比被击落的多1.5倍；美国运往远东作战飞机上的电子设备，经运输后有60%不能使用，在存储期间有50%失效；电子设备在使用中故障率很高，难以维护。1943年，美国正式投入可靠性研究，最初主要研究真空管，因为它是设备发生故障的关键，后来生产出R很高的真空管，但系统的故障并没有排除。因此，不能只研究单个零件的R，还必须研究整个系统的R1944年，德国试制V-2火箭袭击伦敦，有80枚还没起飞就在起飞台上爆炸，提出火箭可靠度是所有元器件可靠度的乘积，最早的系统可靠性概念50年代，可靠性理论研究开始起步。美国军用雷达因故障不能工作时间达84%，陆军的电子设备在规定时间内有65~75%因故障不能使用，美国从此开始可靠性系统研究工作。1952年美国国防部成立了“电子设备可靠性咨询小组”。1957年发表了著名的“军用电子设备的可靠性”报告，提出了再生产、试制过程中产品可靠性指标进行试验、验证和鉴定的方法，以及包装、储存、运输过程中的R问题及要求。至此，可靠性理论研究开始起步，可靠性工程开始形成一门独立的工程学科60年代，产品趋向复杂，工作环境条件严酷，对可靠性的要求越来越高。可靠性技术从电子行业迅速推广到其它工业部门，从阿波罗飞船到洗衣机、汽车、电视，都应用了R设计技术和R管理技术1961年的Apollo-II号飞船，有720万个零件，42万人参加研制。60年代末，70年代初，美国编制了一系列可靠性规范，可靠性理论趋于成熟，70年代末，可靠性研究工作在世界范围内已达到了成熟期日本于1956年从美国引进可靠性技术，普及开展了R研究。R工程在日本的民用产品上应用非常成功日本的汽车、家用电器等，1969年是一个转折点，日本汽车遭到大量退货，对日本汽车行业震动很大，以此为转机，汽车工业对R更加关注。我国于60年代末70年代初开始可靠性研究。最早研究的是航天工业部705所，电子工业部四所、五所等。汽车工业80年代后才开始可靠性的工作1983-1984年，汽车工业组织了规模空前的汽车可靠性试验（试验车辆53台，总里程36万公里），结果显示，国产汽车的MTBF仅为500-1000km（而国外先进水平可达1万km以上）可靠性（GB3187－87规定的定义）：产品在规定的工作条件下和规定的时间内完成规定功能的能力，它反映了产品工作性能稳定的程度。就汽车而言就是说汽车在正常的驾驶和道路条件下，一定时间或行驶里程内能保证正常行驶的程度。对象（产品）——系统、机器、部件、零件等。例：汽车板簧、汽车发动机、汽车整车等甚至包括人的判断和人的操作因素在内使用条件——包括运输、储存及运行条件。比如汽车的使用条件，包括道路条件（平原、山地、丘陵）、气候条件（热带、寒带等）、维修保养水平、驾驶员的水平等。使用条件不同，零件的可靠度就不同。离开了规定的条件，靠度分析就失去了分析基础使用条件——包括运输、储存及运行条件。规定的时间比如汽车一般用里程数、小时、年限；对于车门、雨刮器、回转轴等采用次数。规定的使用时间越长，即要求的寿命越长，相应的可靠性越低在规定的使用条件下正常运行。产品应在规定的功能参数范围内运行，丧失了规定的功能，称“失效”例如：可靠是指要求内燃机主要能转动，还是要求必须能输出一定的功率，还是要求必须能在低油耗、高效率的状态下工作等规定的功能例如：发动机熄火，发动机工作不平稳，功率下降等。注意：若产品工作时的功能参数已漂移到规定的界限之外，即使仍能正常运行，也属于不正常工作而视为“失效”。如6缸发动机只有2缸工作，汽车仍可以正常运行，也认为发动机发生故障。规定的功能能力-用概率表示固有可靠性与使用可靠性固有可靠性指的是产品在设计、生产中已经确定的可靠性，它是产品内在的可靠性。与产品的制造、设计与生产有关。使用可靠性指的是产品在使用中的可靠性，它与产品的运输、储藏、保管及使用过程的操作水平、维修和环境等因素有关。。可靠性研究的意义：1)提高产品的可靠性，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。1.挑战者号失事的直接原因是旨在防止喷气燃料燃烧时的热气从联接处泄露的密封圈遭到了破坏，这是导致航天飞机失事的直接技术原因。2.在航天飞机设计准则明确规定了推进器运作的温度范围，即40°F--90°F，而在实际运行时，整个航天飞机系统周围温度却是处于31°F-99°F的范围。3.所有的橡胶密封圈从来没有在50°F以下测验过，这主要是因为这种材料是用来承受燃烧热气的，而不是用来承受冬天里发射时的寒气的，而当时挑战者“发射的时间却正好是在寒冷的冬天。1984年12月，美国联合碳化物公司设在印度的一个农药厂，由于地下毒气罐阀门失灵造成了3000人死亡的严重事故；2)提高产品可靠性，能使产品的总费用降低。提高产品可靠性，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，这些都需要费用，然而，产品可靠性的提高使得维修费用机停机检查损失费大大减小，使总费用降低。可靠性研究的意义：1)提高产品的可靠性，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。挑战者“号失事的技术原因(直接原因)：1.“挑战者”号失事的直接原因是旨在防止喷气燃料时的热气从联接处泄露的密封圈遭到了破坏，这是导致、航天飞机失事的直接技术原因。2.在航天飞机设计准则明确规定了推进器运作的温度范围，即40°F--90°F，而在实际运行时，整个航天飞机系统周围温度却是处于31°F-99°F的范围。3.所有的橡胶密封圈从来没有在50°F以下测验过，这主要是因为这种材料是用来承受燃烧热气的，而不是用来承受冬天里发射时的寒气的，而当时“挑战者”发射的时间却正好是在寒冷的冬天。相关学科：数学、失效物理学（疲劳、磨损、蠕变机理）等传统机械设计传统的机械设计采用确定的许用应力法和安全系数法研究、设计机械零件和简单的机械系统。实际应力许用安全系数nlimnnlim安全系数设计法虽然简单、方便，并具有一定的工程实践依据等特点，但没有考虑材料强度和应力它们各自的分散性，以及许用安全系数[n]的确定具有较大的盲目性和经验性，这就使得安全系数n大于1的情况下，机械零部件仍有可能失效，或者因安全系数n取得过大，造成产品的笨重和浪费因为在设计中把影响零件工作状态的设计变量，如应力、强度、安全系数、载荷、零件尺寸、环境因素等都处理成确定的数据，是它们的平均值，没有考虑数据的分散性。为了保证机械的可靠性，往往对计算载荷、选用的强度等分别乘以各种系数，例如载荷系数、尺寸系数等最后还考虑安全系数。这是人们对这些因素的随机变化所作的经验估计。同时表明对这些变化情况无法进行精确计算，只好将机械的尺寸、重量等作经验的但又不精确的放大。应力强度不同点在机械可靠性设计中，将设计应力和强度（抗拉强度、屈服强度、疲劳强度等机械性能以及包括考虑零部件尺寸、表面加工情况、结构形状和工作环境等内在的影响强度的各种要素），都视为属于某种概率分布的统计量（变量）传统设计与可靠性设计的最大不同之处：可靠性设计法认为机器的工作过程是一个随机过程，作用在零部件上的载荷（广义的）和材料性能等都不是定值，而是随机变量，具有明显的离散性质，在数学上必须用分布函数来描述，必须用概率统计的方法求解。可靠性设计法认为所设计的任何产品都存在一定的失效可能性，并且可以定量地回答产品在工作中的可靠程度，从而弥补了常规设计法的不足。干涉区应用概率与数理统计及强度理论，求出在给定设计条件下零部件不产生破坏的概率公式，应用公式，就可以在给定可靠度下求出零部件的尺寸，或给定其尺寸确定其安全寿命。如果引起零件失效的一方，简称为“应力”，用y表示。影响失效的各项因素有：力的大小、力的作用位置、应力集中与否、环境因素等。若抵抗失效能力的一方，简称为“强度”，用x表示。影响零件强度的各项因素有：材料性能、表面质量、零件尺寸等。可靠性设计具有以下基本特点：①可靠性设计法认为机器的工作过程是一个随机过程，作用在零部件上的载荷（广义的）和材料性能都不是定值，而是随机变量，具有明显的离散性质，在数学上必须用分布函数来描述，②由于载荷和材料性能都是随机变量，必须用概率论和数理统计的方法来求解。③可靠性设计法认为所设计的任何产品都存在一定的失效可能性，并且可以定量地回答产品在工作中的可靠程度，从而弥补了常规设计的不足。可靠性的理论基础：提出一个问题:如果机器零件在受到载荷时，只要不超过其强度，该机器零件是否就能处于正常的工作状态？度量可靠性的指标：1.可靠度2.不可靠度或失效概率3.失效概率密度函数4.失效率或故障率5.平均寿命等。用概率表示产品的可靠性程度可靠度是指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。可靠度是可靠性的概率表示，是一个特定形式的事件出现的可能性。常用字母R表示。考虑到它是时间t的函数，故也记为R(t)，称为可靠度函数。设有N个相同的产品在相同的条件下工作，到任一给定的工作时间t时，累积有n(t)个产品失效，其余N－n(t)个产品仍能正常工作，那么该产品到时间t的可靠度的估计值为()()NntRtN可靠度是评价产品可靠性的最重要的定量指标之一也称存活率。即为该产品的可靠度。)(tR)()(limtRtRNN时，当由于可靠度表示的是一个概率，所以R(t）的取值范围为0≤R(t)≤1例如：如有一批数量为n的相同产品，在t＝0开始工作，随着时间的推移，失效(或故障)的件数nf(t)在增大，而正常工作的件数ns(t)在减小，则产品在任意时刻t可靠度的观测值为这里表示完好产品在n件产品中出现的频率，则有ntntRs)()()(tRntntRtRsnn)(lim)(lim)(若某种产品工作至2000h的可靠度R(t)＝0.95，则表明有95％的产品可以工作2000h以上，或对一件产品而言，它工作2000h以上的可能性为95％。显然，可靠度R(t)是评价产品可靠性的最重要的定量指标。不可靠度（累积失效概率）：产品在规定的条件下和规定的时间内丧失规定功能的概率。常用字母F表示。由于是时间t的函数，记为F(t)，称为失效概率函数。不可靠度的估计值：当N→∞时，即为该产品的不可靠度。()()ntFtN也称不存活率)(tFlim()()NFtFt由于失效和不失效是相互对立事件，根据概率互补定理，两对立事件的概率和恒等于1，因此，R(t)和F(t)之间有如下的关系R(t)+F(t)=1对于工业产品：由于t=0，n(0)=0,故有：R(0)=1,F(0)=0当t→∞时，则有n(∞)=N,R(∞)=0,F(∞)=1由此可知，在区间[0,∞）内，可靠度函数R(t)为递减函数，而F(t)为递增函数。因此对不可靠度函数F(t)的微分，则得失效概率密度函数f(t)为：()()dFtftdt0()()tFtftdt或R(t)+F(t）=1[1()]()()'()dRtdRtftRtdtdt解：n＝1000，nf（500）＝100，nf（1000）＝500因为9.010001001000)500(R5.010005001000)1000(R得ntnntRf)()(tt失效率（故障率）：产品工作t时刻时尚未失效（或故障）的产品，在该时刻t以后的下一个单位时间内发生失效（或故障）的概率。由于它是时间t的函数，又称为失效率函数，用λ(t)表示。N：开始投入试验产品的的总数n(t