1机械可靠性设计绪论.

1机械可靠性设计王爱民数字化制造研究所机械与车辆学院Email：[e-mail]电话：[phone]办公室：求是楼4102课程介绍课程名称机械可靠性设计学分：1.5学时:24时间：1-1周；周二1-2节周五3-5节教材：王爱民，机械可靠性设计[M]，北京：北京理工大学出版社，2015参考书郝静如，机械可靠性设计[M]，北京：国防工业出版社，2008刘混举，机械可靠性设计[M]，北京：国防工业出版社，2009主要内容基本概念、机械可靠性设计原理与可靠度计算、机械零部件可靠性设计、机械系统可靠性设计、故障模式影响及危害性分析与故障树分析。考核形式：平时30%，随堂测验40%，大作业：30%第一章绪论工程设计中事物的不确定性工程设计是一个探索性的创造过程，即按照一定的目标进行分析、决策、评价、优化的过程。定义设计变量和参数载荷、应力、强度、变形、刚度、寿命……工程事物描述拟定设计方案设计结构、造型选择材料、参数、系数规划工艺流程……自然因素技术因素：载荷、环境、工艺、维护……人文因素：经济效益、社会效益、环保、资源……设计者的经验、智能进行判断、推理与决策不确定性不确定性因素类型事物的随机性在相同的条件下，事物呈现不同的结果汽车、拖拉机承受的载荷，所处的工作状态零件材料的性能机器或零件的寿命……事物的模糊性事物本身概念不清楚，在质上没有确切定义，在量上没有确定界限性能好坏效率高低造型美观不美观事物信息的未确知性受客观条件限制而造成的信息不完善零件在运行中的磨损、胶合和疲劳点蚀概率论与数理统计模糊数学专家经验主观概率、主观隶属度可靠性、可靠度（Reliability）定量（精确）可靠（Reliable）定性（模糊）可靠性的概念是人们在对一些付出惨痛代价的事故的研究中提出的。例如，二战中美国•空军因飞行故障损失飞机21000架，比实战中被击落的多1.5倍；•运往远东的飞机电子设备，60%在运输中失效，50%在存储期间失效；•海军舰艇的电子设备，70%因意外事故失效。一、可靠性的提出可靠性技术的发展简介有关可靠性的早期工作1939年，英国航空委员会出版《适航性统计学注释》，首次提出飞机故障率不应超过0.00001次/h，这可以认为是最早的飞机安全性和可靠性定量指标。二战末期，德国火箭专家R·卢瑟(Lusser)首先提出概率乘积法则（将系统的可靠度看成其各子系统可靠度的乘积），用于V-Ⅱ火箭诱导装置的可靠度计算，得到其可靠度为75％，这是第一次定量地计算一个复杂系统的可靠度问题。1952年，美国成立了“电子设备可靠性顾问团”(AdvisoryGrouponReliabilityofElectronicEquipment，即AGREE)。AGREE对电子产品的设计、制造、试验、储存、运输及使用等各个方面作了全面的可靠性调查研究，于1957年发表了著名的《军用电子设备可靠性报告》。该报告首次比较完整的阐述了可靠性的理论和研究方法，该报告被公认为可靠性工程的奠基性文件。从此，对可靠性问题的研究逐渐发展成为一门新兴的独立学科有关可靠性的早期工作二、可靠性工程的发展与应用电子设备空间科学宇航技术一般工业部门民用五十年代六十年代七十年代以后美国于1961开始计划研制Apollo-11号宇宙飞船，它有720万个零件，其重要零件可靠性为99.9999999％。可靠性工程的应用实例（1）Apollo计划1969年7月登月成功。尽管Apollo计划的种种技术，现在为世界上的各种产品所应用，但是其中影响最为深远的是可靠性技术。Apollo-11的控制舱可靠性工程的应用实例（1）Apollo计划阿波罗宇宙飞船整个研制的各阶段对可靠性和质量保证的要求可靠性工程的应用实例（1）Apollo计划长征运载火箭—中国可靠性研究的代表长征运载火箭通过对故障原因分析、可靠性标准的规范应用等一系列措施，大大提高了整个系统的可靠性。是目前最安全可靠的航天运载工具之一。可靠性工程的应用实例（2）长征运载火箭早期的长征运载火箭各阶段的故障原因分析设计管理生产操作设备元器件其它故障原因391212876161009080706050403020100百分比%三、机械可靠性设计发展20世纪40年代，A.M.Freudenthal提出构件强度可靠性设计的应力-强度干涉模型，用于构件可靠性设计由于影响机械设备和系统可靠性的因素太多，难以控制，而且产品批量较小，试验费用昂贵，机械可靠性设计在50~60年代未能全面展开。三、机械可靠性设计发展系统的机械可靠性研究始于20世纪60年代美国的航天计划机械和电子故障是NASA主要关心的问题，其中机械故障引起的事故多，损失大。如：1964年人造卫星III号因机械故障而损坏1965年始，NASA开始三项机械可靠性工作•用过载试验方法进行可靠性试验验证•用随机动载荷验证结构和零件的可靠性•在关键机械零件中采用概率设计方法，将可靠度设计到结构和机械零部件中1963年同步通讯卫星SYMCOMⅠ，高压容器断裂，引起卫星空中坠毁；•在通用零件方面，滚动轴承最早引用了可靠性概念，制定了额定寿命的可靠性指标并付诸实用。•齿轮强度计算标准相继引进了可靠性指标。•已深入到结构设计、机械零件的强度和寿命设计，以及机械产品设计。三、机械可靠性设计发展在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机械可靠性设计方法我国机械产品的可靠性工作正在普及推广中，相继颁布了一批机电产品的可靠性指标，并限期考核。仪表、汽车的可靠性技术研究与应用，先行了一步，已获得成效。机械可靠性设计将得到更为广泛的应用和发展。从1986年起，机械部已经发布了六批限期考核机电产品可靠性指标的清单，前后共有879种产品已经进行可靠性指标的考核1990年11月和1995年10月，机械工业部举行了两次新闻发布会，先后介绍了236和159种带有可靠性指标的机电产品1992年3月国防部科工委委托军用标准化中心在北京召开了“非电产品可靠性工作交流研讨会”2005年GJB450改版，增加机械可靠性内容三、机械可靠性设计发展研究可靠性技术的意义提高产品的可靠性是可以获得很高经济效益的。比如，美国西屋公司为提高某产品可靠性，曾对其作了一次全面设计审查，结果是：所得到经济效益是为提高可靠性所花费用的100倍以上。二、提高经济效益三、提高市场竞争能力只有产品的可靠性水平提高了，才能通过产品的信誉，增强市场竞争能力。四、大型产品的可靠性是一个企业、一个国家科技水平的重要标志；一、保证和提高产品的可靠性水平18产品可靠性的内涵性能可靠－产品性能不会超出设计所规定的范围结构可靠－产品在设计所规定的载荷范围内不会出现断裂破损使用可靠－产品可稳定按设计所规定的方法和操作步骤实现自身功能寿命可靠－产品可在设计所规定的时间周期内稳定运行并按时报废产品质量功能有效性可靠性维修性固有可靠性使用可靠性环境适应性性能可靠结构可靠可靠性的基本概念一、可靠性的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。根据国家标准(GB3187—1982《可靠性基本名词术语及定义》，这种能力以概率(可能性)表示，故可靠性也称可靠度。产品：指作为单独研究和分别试验的对象，是泛指的。可以是元件、组件、零件、部件、机器、机组，甚至可以包含人的因素。规定的条件：指运输条件、储存条件、使用时的环境条件（温度、压力、湿度、载荷、振动、腐蚀……）、使用方法、维修水平……，这些因素对产品的可靠性都有很大影响。规定的时间：产品的可靠性与时间（使用期限）密切相关，其可靠度是一个有时间性的定义，是随时间而降低的。对时间性的要求一定要明确。时间可以是区间（0，t），也可以是区间（t1，t2），甚至可以用其他的指标，如汽车、摩托车常用行驶里程（距离），滚动轴承常用转动圈数。一、可靠性的定义规定的功能：要明确产品规定功能的内容。所谓“完成规定功能”是指产品在规定的使用条件和规定的功能参数下正常运行而不失效。概率：可靠度是可靠性的概率表示。把概念性的可靠性用具体的数学形式—概率表示，是可靠性技术发展的出发点。用概率来定义可靠度后，对产品的可靠程度的测定、比较、评价、选择才有了共同的基础。可靠性的定义22机械可靠性设计定义机械可靠性设计定义保证机械及其零部件满足给定的可靠性指标的一种机械设计方法。包括对产品的可靠性进行预计、分配、技术设计、评定等工作。它不但直接反映产品各组成部件的质量，而且还影响到整个产品质量性能的优劣。可靠性预测－根据产品失效数据分析预测产品在对应所规定条件下、规定时间内完成规定功能的概率。可靠性分配－如何依据产品的可靠性需求和指标，安排其内部零部件的可靠性，保证产品可靠性达标。23可靠性相关学科可靠性相关学科１）可靠性物理－产品失效原因和机理２）可靠性数学－可靠性计算分析方法３）可靠性工程－可靠性分析、设计、试验、使用与维护可靠度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。记为R，因其与时间有关，又可表示为R=R(t)二、可靠性的特征量设产品正常工作的时间（寿命）为T，“产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能”这一事件记为E，E发生的概率为P(E)，也就是可靠度R(t)，这里规定的时间即为t1．可靠度与不可靠度0≤R(t)≤1R(t)=P(E)=P(T≥t)0≤t≤∞与可靠度相对应的是不可靠度，也就是“产品在规定的条件下和规定的时间内不能完成规定功能的概率”，又称失效概率，记为F(Failure)。失效概率为时间t的函数，故又称为失效概率函数或不可靠度函数F(t)。因为它是累积分布函数，所以又称为累积失效概率。()()1RtFt()()1()FtPTtRt显然有可靠度和不可靠度都是对于一定的时间而言，若指定的时间不同，同一产品的可靠度也就不同二、可靠性的特征量时间（小时）失效数（只）累计失效数Nf（只）仍正常工作数Ns（只）000501044462526445039411007163415052129250324263502262440022822500028226000282270002822100002822120012921200013020300013119例1－1检验一批轴承的可靠性：抽取50个轴承为样本，考察其在稳定载荷条件下的运行情况。结果记录于下表：记样本零件总数N0，到某时刻t,累计失效数Nf(t)，仍正常工作数Ns(t)，0()()sNtRtN0(100)34(100)0.6850sNRN0(400)22(400)0.4450sNRN例1－1检验一批轴承的可靠性：定义存活频率为：0()()fNtFtNN0→∞时定义累积失效频率为：0lim()()NRtRt0lim()()NFtFt0(100)16(100)0.3250fNFN0(400)28(400)0.5650fNFN例1－1检验一批轴承的可靠性：000()()11()ssNNtNtRtNN1011021031040.40.50.60.70.80.91t(h)R(t)0.680.4410110210310400.10.20.30.40.50.60.7t(h)F(t)0.320.56例1－1检验一批轴承的可靠性：一般情况可靠度R(t)累积失效率F(t)1.000.750.500.250.00时间t可靠度/累积失效率30可靠度对于一个复杂的产品来说，为了提高整体系统的性能，都是采用提高组成产品的每个零部件的制造精度来达到；这样就使得产品的造价昂贵，有时甚至难以实现（例如对于由几万甚至几十万个零部件组成的很复杂的产品）。事实上可靠性设计所要解决的问题就是如何从设计中入手来解决产品的可靠性，以改善对各个零部件可靠度（表示可靠性的概率）的要求。可靠度的分配是可靠性设计的核心。可靠度的分配原则主要有：