机械可靠性设计

1机械可靠性设计ReliabilityofMechanicalDesign机械工程学院田建平[e-mail]13980238937（61175）2选用教材：机电系统可靠性与安全性设计谢里阳何雪宏李佳编著参考书机械可靠性设计牟致忠朱文予主编机械工业出版社陈健元编著机械工业出版社刘惟信编著清华大学出版社机械可靠性设计3绪论一、本课程的性质、目的和任务3可靠性设计是可靠性工程中的一个主要内容，是近期发展起来的一门现代机械设计理论和方法。它是以提高产品质量为核心，以概率论、数理统计理论为基础，综合应用工程力学、机械工程学、系统工程学、运筹学等多方面知识来研究机械工程最佳设计问题。可靠性设计是指产品在规定的时间内、在规定的条件下完成规定功能的能力。可靠性设计是与常规设计不同的设计方法，它是将设计变量看作随机变量，将可靠度作为设计目标之一，应用可靠性理论对零部件、系统或工程进行设计1、本课程的性质随着科学技术的发展，对产品、设备和系统的可靠性要求越来越高，因此可靠性设计也越来越引起各国的重视，并积极开展研究和工程应用工作。在我国对工科学生开设此门课程，具有非常重要的现实意义。本课程的目的是使学生了解并掌握可靠性的基本概念，初步掌握产品设备可靠性的分析，具备产品设备可靠性设计与评估的基础知识。2、本课程的目的绪论53、本课程主要任务了解可靠性设计的概念、重要性及原理。掌握机械可靠性设计的基本思想和方法。有能力解决一般机械强度可靠性设计的问题。为以后进一步深造研究可靠性问题打基础。绪论6二、本课程的教学内容、学时分配绪论第一章可靠性设计概述（2学时）第二章可靠性设计的数学基础（2学时）第三章确定应力和强度分布的方法(3学时)第四章应力-强度分布干涉理论和零件可靠度计算（4学时）第五章系统的可靠性（预测）（2学时）第六章故障树分析方法(FTA)（2学时）7第一章可靠性设计概述可靠性长期以来是人们设计制造产品时的一个追求目标。但是将可靠性作为设计制造中的定量指标的历史却还不长，相关技术也尚不成熟，工作也不普及。81.1产品的可靠性可靠性概念可靠性是一门新兴的工程学科，是研究产品全寿命过程中故障的发生原因、发展规律，达到预防故障、降低故障率、提高产品质量之目的的工程技术。1、可靠性定义：指产品在规定的条件和时间内完成规定功能的能力。第一章可靠性设计概述可靠性是衡量产品质量的一项重要指标。92、可靠度（Reliability）定义：指产品在规定的条件和时间内完成规定功能的概率。定义解释：产品:包括系统、机器、部件等。规定条件：包括运输、储存及运行条件。规定时间：指对象的工作期限，可以用时间表示，也可以用距离、次数来表示。规定功能：所谓“完成规定”功能，是指在规定的使用条件下能维持规定的正常工作而不失效（或发生故障），指研究对象（产品）能在规定的功能参数下正常运行。概率：“可靠度”是可靠性的概率表示。概率是一个特定形式的事件出现的可能性，它是用分数或百分数来表示的。第一章可靠性设计概述第一章可靠性设计概述1.2可靠性发展历史第二次世界大战：可靠性问题突出的时期；上世纪五十年代：开始系统地进行可靠性研究，主要由美国军事部门展开。1952年，美国军事部门、工业部门和有关学术部门联合成立了“电子设备可靠性咨询组”—AGREE小组。（AdvisoryGrouponReliabilityofElectronicEquipment）1957年提出了《电子设备可靠性报告》(AGREE报告)该报告首次比较完整地阐述了可靠性的理论与研究方向。从此，可靠性工程研究的方向才大体确定下来。10一、发展历史11第一章可靠性设计概述概述2除美国以外，还有前苏联、日本、英国、法国、意大利等一些国家，也相继从50年代末或60年代初开始了有组织地进行可靠性的研究工作。在上世纪60年代后期，美国约40％的大学设置了可靠性工程课程。目前美国等发达国家的可靠性工作比较成熟，其标志性的成果是阿波罗登月计划的成功。本阶段工作的特点：研究的问题较多集中于针对电器产品；确定可靠性工作的规范、大纲和标准；组织学术交流等。国内的可靠性工作起步较晚，上世纪50年代末和60年代初在原电子工业部的内部期刊有介绍国外可靠性工作的报道。发展最快的时期是上世纪80年代初期，出版了大量的可靠性工作专著、国家制定了一批可靠性工作的标准、各学校由大量的人投入可靠性的研究。12概述3但国内的可靠性工作曾在90年代初落入低谷，在这方面开展工作的人很少，学术成果也平平。主要的原因是可靠性工作很难做，出成果较慢。许多工业部门将可靠性工作列在了重要的地位。如原航空工业部明确规定，凡是新设计的产品或改型的产品，必须提供可靠性评估与分析报告才能进行验收和鉴定。但在近些年，可靠性工作有些升温，这次升温的动力主要来源于企业对产品质量的重视，比较理智。目前国内的可靠性工作仍在一个低水平上徘徊，研究的成果多，实用的方法少；研究力量分散，缺乏长期规划；学术界较混乱，低水平的文章随处可见，高水平的成果无人过问…第一章可靠性设计概述132003年8月14日，美国东北部、中西部和加拿大东部联合电网发生大停电，震惊全世界。停电波及了美国的8个州和加拿大的2个省，受影响居民达5000万，损失负荷量61.8GW，经济损失约300亿美。第一章可靠性设计概述二、可靠性受到重视的原因现代产品结构的复杂化和工作环境条件严酷的需要可靠性涉及巨大的经济效益可靠性影响到国家的安全性和声誉泰坦尼克号沉没例如，1979年美国三里岛核电站发生的放射性物质泄漏，是由于冷凝器循环泵发生故障和人为因素等造成的1984年12月，美国联合炭化物公司设在印度博帕尔的农药厂，由于地下的气罐阀门失灵造成3000人死亡的严重事故。挑战者号航天飞机升空爆炸。14第一章可靠性设计概述三、机械产品失效模式类型损坏型如断裂、变形过大、塑性变形、裂纹等退化型如老化、腐蚀、磨损等松脱型如松动、脱焊等失调型如间隙不当、行程不当、压力不当等堵塞或渗漏型如堵塞、漏油、漏气等功能型如性能不稳定、性能下降、功能不正常等15第一章可靠性设计概述四、可靠性工作的意义可靠性是产品质量的一项重要指标。重要关键产品的可靠性问题突出，如航空航天产品；量大面广的产品，可靠性与经济性密切相关，如洗衣机等；高可靠性的产品，市场的竞争力强。16第一章可靠性设计概述五、可靠性学科的内容可靠性基础理论：数学、失效物理学(疲劳、磨损、蠕变机理）等；可靠性工程：可靠性分析、设计、试验、使用与维护等；可靠性管理：可靠性规划、评审、标准、指标及可靠性增长；固有可靠性：由设计所决定的产品固有的可靠性；使用可靠性：在特定的使用条件下产品体现出的可靠性；17第一章可靠性设计概述概述7六、可靠性工作的特点可靠性是涉及多种科学技术的新兴交叉学科，涉及数学、失效物理学、设计方法与方法学、实验技术、人机工程、环境工程、维修技术、生产管理、计算机技术等；可靠性工作周期长、耗资大，非几个人、某一个部门可以做好的，需全行业通力协作、长期工作；目前，可靠性理论不尽成熟，基础差、需发展。与其他产品相比机械产品的可靠性技术有以下特点：因设计安全系数较大而掩盖了矛盾，机械可靠性技术落后；机械产品的失效形式多，可靠性问题复杂；机械产品的实验周期长、耗资大、实验结果的可参考性差；机械系统的逻辑关系不清晰，串、并联关系容易混淆；18概述41.3机械产品常规设计与可靠性设计比较常规设计中，经验性的成分较多，如基于安全系数的设计。常规设计可通过下式体现：SElFflim][...),,,(计算中，F、l、E、μ、lim等各物理量均视为确定性变量，安全系数则是一个经验性很强的系数。上式给出的结论是：若≤[]则安全；反之则不安全。应该说，上述观点不够严谨。首先，设计中的许多物理量是随机变量；基于前一个观点，当≤[]时，未必一定安全，可能因随机数的存在而仍有不安全的可能性。在常规设计中，代入的变量是随机变量的一个样本值或统计量，如均值。按概率的观点，当μσ=μ[σ]时，≤[]的概率为50%，即可靠度为50%，或失效的概率为50%，这是很不安全的。第一章可靠性设计概述19概率设计就是要在原常规设计的计算中引入随机变量和概率运算，并给出满足强度条件（安全）的概率─可靠度。机械可靠性设计是常规设计方法的进一步发展和深化，它更为科学地计及了各设计变量之间的关系，是高等机械设计重要的内容之一。显然有必要在设计之中引入概率的观点，这就是概率设计，是可靠性设计的重要内容。g(ffx第一章可靠性设计概述强度应力20第一章可靠性设计概述一、可靠性设计与常规设计的相同点判断一个零件是否安全的标准相同：引起失效的一方与抵抗失效的一方的对比、判断：应力（S）强度（r）；安全应力（S）强度（r）；失效应力（S）=强度（r）；极限状态二、可靠性设计与常规设计的不同点1、定值与变值，即：设计变量的处理方法不同定值设计法非确定概率设计法212、设计变量运算方法不同第一章可靠性设计概述AFS常规设计：如一受拉杆，断面正应力：（代数运算）可靠性设计：由于设计变量是非确定性随机变量。因此，均服从一定的分布规律（如：正态分布），一般采用概率函数及分布特征表征（如：均值和标准差）：),(),(),S(SAAFFSAF（运用随机变量的组合运算规则，得到变量与函数间的多值变换）3、设计准则不同常规设计：可靠性设计：][][nn或][)(R(t)RsrP221.4可靠性常用的的概率分布离散型随机变量的分布二项分布泊松分布连续型随机变量的分布对数正态分布指数分布威布尔分布正态分布第一章可靠性设计概述正态分布正态分布是最常见的一种概率分布形式。一般来讲，由很多微小的独立的随机因素而每种因素都不起决定作用时，其作用的总效果可认为服从正态分布。实际上，影响因素n5~6时就近似于正态分布。对正态分布，有：222)(21)(tetftttdtedttftF222)(21)()(fx第一章可靠性设计概述t)(tf机械可靠性设计基础1第一章可靠性设计概述1.5产品可靠性指标１、可靠性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。可靠性：(Reliability)维修性：(Maintainability)可维修的产品在某时刻具有或维持规定功能的能力。有效性：(Availability)有效性→广义可靠性＝（狭义）可靠性维修性在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法完成维修的能力。24基础2２、可靠性指标可靠度：(Reliability)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(ｔ)即：R(ｔ)=P{Ｔｔ}其中：T为产品的寿命；ｔ为规定的时间；R是t的函数。事件{Ｔｔ}有下列三个含义：产品在时间ｔ内完成规定的功能；产品在时间ｔ内无故障；产品的寿命Ｔ大于ｔ。若有N个相同的产品同时投入试验，经历时间ｔ后有n(t)件产品失效，则产品的可靠度为（观测值）：NtnNtnNtR)(1)()(失效概率为：NtntRtF)()(1)(25第一章可靠性设计概述26若对F(t)求导数，则得到失效密度函数f(t):失效密度函数又叫故障密度函数：不可靠度函数的基本特性：F（0）=0F（∞）=1F’（t）0dttdRdttdFtf)()()(dttftFt0)()(dttfdttftFtRtt)()(1)(1)(0fxt)(tf第一章可靠性设计概述基础3失效率——工作到t时刻尚未失效的产品，在时刻t以后的单位时间内发生失效的概率。即观测值：ttnNtnttnNtnttnt))(()()()()()(为平均失效率则：dttdRtRtRtfdttFtdFtNtnNtntttNtN)()(1-)()())(1()()(1)(lim)(lim)(00