机械可靠性设计-su

机械可靠性设计机械可靠性设计机械可靠性设计第一章机械可靠性设计概述第二章机械可靠性设计基础第三章可靠性设计基本方法第四章机械系统的可靠性分析第五章机械系统的故障分析第六章机械零件的疲劳强度可靠度分析第七章其他可靠性设计方法参考书目第一章可靠性设计概述一.可靠性发展简史二.常规设计与可靠性设计三.可靠性工作的意义四.可靠性学科的内容五.可靠性工作的特点六.机械可靠性设计发展概述1可靠性设计概述可靠性是衡量产品质量（性能指标、专门特性、适应性）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。一、可靠性发展简史上世纪30~40年代，特别是第二次世界大战，可靠性问题突出的时期。这一时期，因战争的需要，武器装备大量研制和投入使用，其特点是新技术多、研制周期短、产品生产量大和使用环境恶劣。有报导，二战期间美军在远东战区的飞机，有60%未使用就出现了故障，有70%的战舰也在战前有故障出现。故障主要出现在电子设备中。针对此类现象，人们开始注意和研究，为什么同一设计、同一工厂、同一工艺的产品，在使用中会有如此的差别，这里就有了“概率”的问题，这就是“可靠”与“不可靠”的问题。最早德国科技人员在V-1火箭研制中提出可靠性理论。概述2可靠性设计概述上世纪五十年代：开始系统地进行可靠性研究，主要的工作是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）。这是第一个专门从事可靠性研究的学术组织。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。之后，美国各部门相继成立了可靠性工作机构，制定了有关工作大纲和标准，高等学校开设了相关课程，民间有了学术团体和学术交流。可以说，美国是开展可靠性工作最早，并处于领先地位的国家。概述3机械可靠性设计概述除美国以外，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。70年代开始非电子设备可靠性研究。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。概述4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。如工程机械。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，也有较高水平的成果，但无人过问…机械可靠性设计概述近年国家中长期发展规划及高新技术研究发展技术中将可靠性技术列入，今后将得到不断地重视和加强。机械可靠性设计概述机械可靠性发展历程概述5二、常规设计与可靠性设计常规设计中，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明是随机变量；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。若代入的是均值，按概率的观点，当σ=[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。机械可靠性设计概述概述6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。机械可靠性设计概述g(ffx概述7三、可靠性工作的意义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；四、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：由设计制造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；机械可靠性设计概述系统日益庞大和应用环境复杂，影响可靠性安全性的风险因素增加；概述8五、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。可靠性技术的门类和领域针对电器产品的电产品可靠性问题；针对机械产品机械可靠性问题；针对结构的结构可靠性问题（建筑结构、桥梁、飞机结构和船舶等）；机械可靠性设计概述软件的可靠性问题；…概述9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；机械产品的载荷历程复杂，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；机械可靠性设计概述传统“二态”零件（正常和失效）假设把问题过分简化；可靠性设计与优化设计密切相关。优化设计的产品，必须做可靠性评估。可靠性设计的对象应该是经过优化设计的产品。六、机械可靠性设计的发展集成性传统可靠性设计方法的改进难以收集大样本统计数据；设备失效分布是一种有限假设；二值假设和有限状态假设难以准确描述机械设备实际失效过程；实现预知维修困难；难以实时在线评估设备的运行可靠性。规范性（可靠性大纲）机械可靠性设计概述基于PDM的机械产品性能与可靠性综合设计分析平台第二章第二章机械可靠性设计基础一、可靠性定义与指标二、概率论的基本概念三、概率分布与数字特征四、可靠性分析中的常用分布五、可靠性分析中分布的确定基础1机械可靠性设计基础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。失效（故障）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。可用性：(Availability)可用性→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。一、可靠性定义与指标(摘自GB3187-1982可靠性名词术语及定义)还有测试性、运输性、保障性、可信性等更为广义的概念。基础2２、可靠性指标机械可靠性设计基础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；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：NtnNtnNtR)(1)()(失效概率为：NtntRtF)()(1)(基础3tdttftF0)()(机械可靠性设计基础失效概率密度(失效密度)若定义：tNtntf)()(为平均失效密度则：dttdFtNtntftftNtN)()(lim)(lim)(00为失效密度显然有：dttdRdttRdtf)())(1()(基础4机械可靠性设计基础失效率若定义：ttnNtnttnt))(()()()(为平均失效率则：dttFtdFtNtnNtntttNtN))(1()()(1)(lim)(lim)(00为失效率显然有：(())(1())()()(1())()()dFtdRtdRttFtdtRtdtRtdt)()())(1())(()(tRtfdttFtFdtt0)()(dttetRdttdRdttRdtf)())(1()(基础551001)100(tNnf机械可靠性设计基础注意(t)与f(t)的区别！失效率(t)是在时刻t还未失效的零件中的每一个在下一个单位时间内发生失效的概率，反映了失效的速率。例：若有N=100件产品，实验到t=100小时已有2件失效。此时观测5小时，发现有1件失效，这时若实验到t=1000小时时共有51件失效。再观测5小时，也发现有1件失效，这时失效密度f(t)是在时刻t周围的单位时间内发生失效的概率，反映了某一时刻失效的密度。59815)2100(1))100(()100(tnNn)100(51001)1000(ff)100(54915)51100(1)1000(基础6机械可靠性设计基础失效率曲线（也称浴盘曲线）跑合期正常工作期耗损期t(t)适于电产品适于机械产品我们希望，在任一时刻，未来的失效数与还在工作的产品数之比越小越好，失效率(t)可以反映出这一点，而f(t)则不能。基础7R(t)F(t)f(t)(t)R(t)=—1-F(t)F(t)=1-R(t)—f(t)=—(t)=—tdttet0)()(dttdR)(机械可靠性设计基础(t)、f(t)、F(t)、R(t)之间是相通的，都是描述了产品寿命t取值的统计规律，只是各自的概念着重描述的侧面不同而已，因而其用途不一样。dttdF)(dttRtdR)()(tdttf0)(tdtte0)(tdttf0)(1dttFtdF))(1()(tdtte0)(1)()(tRtf基础800000)()()]([)()(dttRdttRttRttdRdtttft机械可靠性设计基础平均寿命对于不可修产品为平均无故障时间MTTF(MeanTimeToFailure)niittn11对于可修产品为平均故障间隔时间MTBF(MeanTimeBetweenFailure)或TBO(TimeBetweenOverhaul)若产品的寿命服从指数分布，则当n趋于无穷大时，平均寿命为产品故障时间这一随机变量的数学期望（均值），即：10dtettt基础9机械可靠性设计基础维修度MTTRMTBFMTBF)(tA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概率。(M(t))有效度平均维修时间：MTTR(MeanTimeToRepair)修复率：μ(t)可以维修的产品在某时刻具有或维持规定功能的概率。此外，还有可靠寿命、首次翻修期限（首翻期）、翻