机械可靠性设计技术(工信培训)

1机械可靠性设计20140323启示道者，人之所蹈，使万物不知其所由。大而八方之表，小而芒芥之内，何适而非道也？仁不足以名，故仁者见之谓之仁，智不足以尽，故智者见之谓之智，百姓不足以见，故曰用而不知也。2理念WHATWHYWHOHOWWHENWHERE3F技术应用、三化设计与NDI指标认知传统设计的局限性机械可靠性设计的特殊性能否用安全系数表征产品可靠性水平无肉眼可见缺陷的技术要求是否合理产品专用设计技术的适应性与局限性影响产品可靠性的关键要素5应用分类定义1.在标准条件下，设计和生产中采用的元器件和材料、及由此形成的设备整机中能控制的故障事件所达到的水平。2.用于描述元器件和整机的制造水平。1.指应用可靠性设计技术在综合考虑产品设计、制造安装环境、维修策略和修理等因素后，产品所达到的水平；2.用于描述产品在计划的环境中使用的可靠性水平。6关注点与度量指标1.考虑要求保障的所有故障的影响，用于度量产品无需保障的工作能力，包括与维修和供应有关的可靠性2.通常用MTBF表示。1.仅考虑造成任务失败的故障影响，用于描述产品完成任务的能力；2.常用任务可靠度（MR）和致命性故障间隔任务时间（MTBCF）来度量。7可靠性设计规范1.EMC设计规范2.热设计规范3.降额设计规范4.结构可靠性设计规范5.环境设计规范6.防爆设计规范7.可靠性测试技术规范8.物料编码管理及物料图文档工具软件9.……1.结构设计基本准则2.防腐蚀设计准则3.铸件结构设计准则4.焊接结构设计准则5.符合公差原则要求的结构设计准则6.遵循力学原理的结构设计准则7.轴支承结构设计准则8.塑料件结构设计准则9.切削件结构设计准则10.锻件结构设计准则11.陶瓷件设计准则12.热胀冷缩的结构设计准则13.薄板件的结构设计准则14.可靠性要求的结构设计准则15.符合装配要求的结构设计准则8可靠性数据1.数据的质与量2.真实性（对产品故障的描述、故障发生的时机、原因、故障现象及造成的影响均应有明确地记录；3.连续性（产品在工作中所有事件发生的时间记录及过程的描述）4.完整性（故障产品本身的使用情况及该产品的历史及送修、报废等应尽可能清楚9产品故障失效残骸及断口处理程序与保护准则故障现场失效残骸醋酸纤维脂断口保护断口形貌能谱失效部位样品保管10不同载荷环境作用的失效特征、模式与机理探讨时间特征,形貌特征,标本特征,独立特征,关联特征,检测特征,影响特征等宏观破坏,局部损伤,功能下降,功能完全丧失过载,超压,疲劳,蠕变,老化,腐蚀变质等第一章机械可靠性设计基本依据1.1干涉模型1.2大数定律与中心极限定理1.3基本载荷形式1.4综合作用类型1.5主要失效模式1.6系统功能关系11121.1干涉模型广义强度—载荷干涉模型σp0强度应力失效131.2大数定律与中心极限定理事件发生的的频率具有稳定性，即随着试验次数的增加，事件发生的频率逐渐稳定于某个常数，在实践中人们还意识到大量测量的算术平均值也具有稳定性这种稳定性就是大数定律的客观背景。定理一：契比雪夫定理的特殊形式设随机变量相互独立，且具有相同的有限数学期望和方差：，作前n个随机变量的算术平均则对任意整数ε有。14定理1公式11limlim11kknnnXnPYP15定理1定理一表明，当n很大时，随机变量的算术平均接近于数学期望，这种接近是概率意义上的接近。通俗地说，在定理的条件下，n个随机变量的算术平均，当n无限增加时将几乎变成一个常数。定理二：贝努利定理设是n次独立试验中事件A发生的次数，p是事件A在每次试验中发生的概率，则对于任意正数ε有：16定理2公式0li1nlipnnmpnPmAnAn或17伯奴里定律贝努利定理表明，事件发生的频率依概率收敛于事件概率p,这个定理以严格的数学形式表达了频率的稳定性。就是说当n很大时，事件发生的频率与概率有较大偏差的可能性很小，由实际推断原理，在实际应用中，当试验次数很大时，便可以用事件发生的频率代替事件概率。18中心极限定理在客观实践中有许多随机变量，他们是由大量的相互独立的随机因数的综合影响所形成的，而其中每一个别因数在总的影响中所起的作用都是微小的，这种随机变量往往近似地服从正态分布，这种现象就是中心极限定理的客观背景。19定理三同分布的中心极限定理设随机变量相互独立，服从同一分布，且具有有限的数学期望和方差：，则随机变量的分布函数对于任意x，满足:,2,102kkXDXEk，nnXYnkkn1xnkknnndtexnnXPxF21121limlim20定理四李雅普诺夫定理设随机变量相互独立且具有有限的数学期望和方差：记若存在正数δ，使得当则随机变量的分布函数对于任意x，满足:，n21,,XXX,2,102kkXDXEk，nkkB122n01n122nnkkkXEB时，nnknkkkBXZ11nxtnnknkkknnndtexxBXPxF211221limlim21说明定理表明，在定理的条件下，随机变量当n很大时，近似服从正态分布（0，1）。由此，当n很大时近似服从正态分布:这就是说，无论随机变量具有怎样的分布，只要满足定理条件，那么他们的和当n很大时，就近似服从正态分布。nnknkkkBXZ11nnknkknkZBX11n21,nnkkBN1.3基本载荷形式轴向载荷弯曲载荷扭转载荷剪切载荷接触载荷2223载荷作用机械产品所承受的载荷大都是一种不规则的、不能重复的随机性载荷；零件的失效通常是由于其所承受的载荷超过了零件在当时状态下的极限承载能力的结果；零件的受力状况包括：载荷类型、载荷性质，以及载荷在零件中引起的应力状态。24载荷类型轴向载荷——力作用在零件的轴线上，大小相等，方向相反，包括轴向拉伸和轴向压缩（表1(a)）载荷在轴向载荷作用下，应力沿横截面的分布式均匀的。零件上主应力与最大切应力的关系为弯曲载荷——垂直于零件轴线的载荷（有时还有力偶），它使零件产生弯曲变形。在弯曲载荷作用下，零件横截面上的主应力分布的规律是：从表面应力最大改变到中性轴线处应力为零。并且，中性轴线一侧为拉伸应力，另一侧为压缩应力。2）最大切应力（）主应力（25载荷类型扭转载荷——作用在垂直于零件轴线平面内的力偶，它使零件发生扭转变形。在扭转载荷作用下，横截面上切应力的分布规律是：从表面最大到横截面中心处为零（这里讲的“中心点”，是指扭转中心轴线与横截面的交点）剪切载荷——使零件内相邻两截面发生相对错动的作用力。表1（d）表示螺栓在连接接合面处受剪切，并与被连接孔壁互压。螺杆还受弯曲，但在各接合面贴紧的情况下可以不考虑。在剪切载荷作用下，力大小沿平行于最小切应力的横截面上均匀的。26载荷类型接触载荷——两个零件表面间的接触有点接触、线接触和面接触。零件受载后在接触部位的正交压缩载荷称为接触载荷（表1（e））例如，滚动轴承工作时，滚子与滚道之间，齿轮传动中轮齿与轮齿之间的压力都是接触载荷。在接触载荷作用下，主应力与最大切应力之比是不定。27表1载荷基本类型序应力分布情况载荷类型(a)轴向载荷(b)弯曲载荷拉伸压缩+_+_悬臂简单弯曲压缩中性轴中性轴28表1载荷基本类型序应力分布情况载荷类型(c)扭转载荷(d)剪切载荷(e)接触载荷中性轴29载荷性质载荷的性质可以分为以下几种：静载荷——缓缓地施加于零件上的载荷，或恒定的载荷。冲击载荷——以很大速度作用于零件上的载荷，冲击载荷往往表现为能量载荷。交变载荷——载荷的大小、方向随时间变化的载荷，其变化可以是周期性的，也可以是无规则的。30载荷的性质交变应力的形式对称循环应力——等值交变的拉伸、压缩和剪切应力（图1(a)）。脉动循环应力——单向应力，其应力值从零变化到最大，r=0，如图1(b)所示。非对称循环应力——应力值由最小到最大变化，最小应力既可能是正值（图1(c)），也可能负值。随机循环应力——实际运转的机器，由于服役条件可能发生变化31图1交变应力的类型+_0应力辐+_0应力辐minmaxmaa时间时间+_0应力辐时间+_0应力辐时间(a)(b)(c)(d)32交变载荷作用的疲劳可靠性设计准则◆变应力和变载荷的类型及疲劳强度◆p-S-N曲线的内涵◆疲劳寿命可靠性预计1.4综合作用类型热力联合载荷-腐蚀复合作用振动-热热-湿331.5主要失效模式疲劳断裂龟裂快速断裂腐蚀断裂结构干涉性能退化3435产品结构可靠性失效摸式1.应力疲劳损伤与疲劳破坏2.应变疲劳破坏3.白点与氢脆4.应力腐蚀断裂5.高温疲劳6.热疲劳与龟裂7.蠕变与老化8.剥离9.雷击损伤10.接触疲劳与微动磨损11.静载破坏与结构失稳12.安全裂纹尺寸与裂纹失稳扩展36常见故障从故障统计来看，主要表现在早期故障和责任故障两类1.电子器件、电气设备、液压系统的故障都基本属于单元级带到系统的早期故障；2.控制系统属于责任故障，也存在一些设计故障37故障判据产品或其中一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态称为故障；38典型的故障模式1.紧固件的松动、结构件和电路板的变形、破裂及失效2.联结器、继电器、传感器、阀门及开关的瞬间断开3.电子器件、固定电路、微电子元件的引线、管脚和导线的磨损和折断4.电子插件的性能下降、电器功能下降、粘层、键合点断开、电路瞬间短路和断路5.陀螺漂移增大、精度降低、甚至发生故障6.控制失灵、结构损伤39结构故障1.管路系统异常、电缆拉断、结构失效；2.管路系统的故障形式是泄露和堵塞；•泄漏（焊缝破裂、焊缝缺陷导致强度降低、密封部位缺陷导致密封缺陷、过热破坏等）•堵塞（燃气杂质沉积过多或管路有多余物）40故障分析的两个模型1.物论性模型：关注发生故障的部位、形式及其成因，手段是从物理、化学和材料等方面，从微观角度进行机理的模式；2.概率论模型：注重故障和时间的关系，用数理统计的方法，研究其故障时间的概率分布，是宏观模式。41故障的影响1.工作能力下降或功能的丧失2.昂贵的保障费用3.安全问题4.高频发生故障5.对有冗余设计和替代工作模式的设计需要考虑双重故障模式的影响，如应急装置同时故障造成的后果42主次分析1.主次分析是用统计的方法找出所分析对象影响最大的因素2.从故障频数、故障原因、故障后果、责任、发现时间等进行分析；3.故障频数：组成产品的各系统，按主次排列，找出故障最多的系统，以系统为对象，按故障频数做主次分析，找出故障最多的分系统；依次逐级分析，直到找出故障频数最多的设备和单元；确定薄弱环节。4.通过主次分析找到影响产品故障的主要原因和责任；将故障影响后果与发生频数综合一起得到主次分析结果，可以确定故障频数并非最高但造成的影响却很大的关键系统和设备43故障影响层次1.自身影响：产品有故障征候，产品功能下降，到产品功能完全丧失；2.对上一级的影响：无影响，由故障征候，系统功能下降，到系统功能完全丧失；3.最终影响：影响执行任务，一般等级事故到严重等级事故。44关系可靠性控制的故障1.应当计入系统可靠性评估的故障包括组成系统后发生的一切故障；2.可控故障是可靠性控制的主要对象；3.可靠性控制设计的目标是把故障水平和转移概率控制到系统能接受的水平。451.指数分布：具有恒定故障率的部件和设备，无余度的复杂系统，经老练试验并经定期维修的部件和设备2.威布尔分布：某些电容、继电器、开关、断路器、电子管、电位计、陀螺、电动机、电缆、电池、材料疲劳、滚珠轴承等3.对数正态分布：电机