第六章 机械可靠性设计方法

现代设计与制造技术ModernDesignMethodsAndManufacturerTechnology机械与电子工程学院山东农业大学机电学院本科专业选修课程机械可靠性设计方法§1、关于机械可靠性设计的几个问题1、产品更新快，采用新技术等未成熟的实验即被采用。一、可靠性研究的必要性2、整机或系统复杂、零部件数量增多，发生故障的机会增多。3、工业化国家实行产品责任索赔办法，迫使生产厂家注重可靠性。4、产品或系统可靠性的提高可使用户获得较大的经济效益和社会效益。机械可靠性设计方法可靠性是一门独立的工程技术学科，它起源于上个世纪五十年代初。半个世纪以来，可靠性工程经历了50年代的起步阶段，60年代的发展阶段，70年代的成熟阶段和80年代的更深更广的发展阶段，以及90年代以来进入向综合治理化、自动化、智能化和实用化发展阶段，可靠性工程成为一门提高产品质量的重要工程技术学科。可靠性工程已从军事装备的可靠性发展到民用产品的可靠性；从电子产品发展到非电子产品的可靠性；从硬件的可靠性发展到软件的可靠性；从可靠性工程发展为包括维修工程、测试工程、保障性工程在内的可信性工程；从重视可靠性统计试验发展到强调可靠性工程试验，通过环境应力筛选及可靠性强化试验来暴露产品故障，进而提高产品可靠性。机械可靠性设计方法可靠性的发展可靠性的研究开始于20世纪60年代美国的航天计划，起源于军用电子设备。–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：•1963年同步通讯卫星SYMCOMⅠ，高压容器断裂，引起卫星空中坠毁；•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机械可靠性设计方法从20世纪70年代起，西方工业发达国家全面开展可靠性工程实践和应用，可靠性技术变得越来越重要–从航空、航天、尖端武器和电子等行业，逐步推广应用到各个行业•核能、机械、电气、冶金、化工、铁道、船舶、电站、建筑、水利、通讯、医药等–从宇宙飞船到日用产品全面普及•汽车、洗衣机、冰箱、复印机等–NASA将可靠性工程技术列为登月成功的三大技术成就之一机械可靠性设计方法美国六七十年代就将可靠性技术引入汽车、发电设备、拖拉机、发动机等机械产品。–80年代，美国罗姆航空研究中心专门作了一次非电子设备可靠性应用情况的调查分析–美国国防部可靠性分析中心（RAC）收集和出版了大量的非电子零部件的可靠性数据手册–以美国亚利桑那大学D.Kececioglu教授为首的可靠性专家开展机械可靠性设计理论的研究，积极推行概率设计法，提出开展机械概率设计的十五个步骤机械可靠性设计方法由美国、英国、加拿大、澳大利亚和新西兰五国组成的技术合作计划（TTCP）委员会编制出一本常用机械设备可靠性预计手册日本以民用产品为主，大力推进机械可靠性的应用研究,1958年，日本成立了“可靠性研究委员会”，1973年成立“电子元件可靠性中心”–日本科技联盟的一个机械工业可靠性分科会将故障模式、影响（FMEA）等技术成功地引入机械工业的企业中–日本企业界普遍认为：机械产品是通过长期使用经验的累积，发现故障经过不断设计改进获得的可靠性–日本一方面采用成功的经验设计，同时采用可靠性的概率设计方法的结果以及与实物试验进行比较，总结经验，收集和积累机械可靠性数据根据日本统计资料介绍，在1971～1981年的10年中，电子产品可靠性水平提高了1～3个数量级，工程机械产品平均无故障时间提高了3倍。机械可靠性设计方法前苏联对机械可靠性的研究十分重视，50年代后期，前苏联开始可靠性研究在其二十年科技规划中，将提高机械产品可靠性和寿命作为重点任务之一。–发布了一系可靠性国家标准，这些标准主要以机械产品为对象，适于机械制造和仪器仪表制造行业的产品–在各类机械设备的产品标准中，还规定了可靠性指标或相应的试验方案–苏联还充分利用丰富的实际经验，研究并提出典型机械零件的可靠性设计可经验公式，专门出版《机械可靠性设计手册》–苏联还十分重视工艺可靠性和制造过程的严格控制管理，认为这是保证机械产品可靠性的重要手段机械可靠性设计方法80年代以来机械可靠性研究在我国开始受到重视，我国有关可靠性问题的研究。但是可靠性技术在一般工业和企业中的应用还不广泛，与先进工业国家还存在较大的差距。–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机械可靠性设计方法阶段阶段成果第一阶段(1943—1958午)，又称为铅笔一纸阶段研究认为，产品故障的发生及其原因是随机事件，随机性是事物的内在性质，具有不可避免性。第二阶段(1958—1968年)重新确定了故障原因随机性及其不可避免性的概念；对一些偶然故障找到了自身的解释；确定了产品设计、结构、工艺与故障间的关系；产品的可靠性信息更加完整，对故障本质的认识更加深入。第三阶段(1968年以后)形成了可靠性试验方法与数据处理方法；颁布了有关可靠性标准；建立了预防维修体系和可靠性管理机构；并使可靠性的教育更加普及。可靠性发展历史机械可靠性设计方法可靠性学科，就目前所涉及的内容来讲，大致有以下几个方面：1）可靠性工程：指导工程实际的可靠性活动的一门学科。2）可靠性物理：从机理的角度去研究产品造成不可靠的原因。3）可靠性数学：作为可靠性活动的基础。4）可靠性教育与管理：研究如何推行可靠性活动的一门学科。5）可靠性基础理论：包括可靠性数学和失效学两个研究领域。概率论与数理统计是可靠性研究的理论基础。6）可靠性应用技术：包括可靠性设计和预测，可靠性评价与验证，可靠性标准等。机械可靠性设计方法1）可靠性理论应用到产品的可靠性评价方面，有可靠性评估与可靠性预测。2）可靠性理论应用到产品、零件的设计上，有概率工程设计或可靠性设计。3）将可靠性设计与优化理论结合起来，综合各方面的因素，考虑设计的最佳效果，有可靠性分配与可靠性优化。4）考虑设备的维修因素之后的可靠性问题，有系统的可维护性与可利用性的估计。5）作为以上各分支的基础，有可靠性试验及其数据处理可靠性工程所包含的内容机械可靠性设计方法机械可靠性设计方法机械可靠性设计方法1）方案论证阶段：确定可靠性指标，对可靠性和成本进行估算。2）审批阶段：对可靠度及其增长初步评估、验证试验要求、评价和选择试制厂家。3）设计研制阶段：主要进行可靠性预测、分配和故障模式及综合影响分析，进行具体结构设计。4）生产及试验阶段：按规范进行寿命试验、故障分析及反馈、验收试验等。5）使用阶段：收集现场可靠性数据，为改型提供依据机械可靠性设计方法产品质量是产品的一组固有特性满足顾客和其他相关要求的能力。产品可靠性是产品性能随时间的保持能力，换言之，要长时间地保持性能不出故障或出了故障能很快维修是产品很重要的质量特性。产品可靠性是产品最重要的质量指标之一，是产品技术性能和经济性的基本保证，并决定着产品在市场中的竞争能力。工程机械产品质量包括：技术性能、可靠性、工艺性、人机工程学特性、外观质量等特性。机械可靠性设计方法工程机械产品质量体系机械可靠性设计方法二、可靠性出现的原因传统的机械零件设计是以计算安全系数为主要内容的，即零件的安全系数（n）＝零件的强度（F）/零件的应力（S），且强度及压力均为单值来进行计算，但事实并非如此。机械可靠性设计方法虽然有较高的安全系数，但由于材料强度与应力分布并非单值的，因此，当处于某种情况时，应力S材料强度F，这样零件就可能发生失效。机械可靠性设计方法传统的安全系数设计法的局限性：若应力和强度分布的标准差σS和σF保持不变，而以相同的比例K改变两个分布的平均值μS和μF，当K1时，μS和μF右移，此时安全系数n＝μS/μF虽然没变，但是可靠性却提高了。当K1时，情况正好相反。机械可靠性设计方法若保持应力和强度均值μS和μF不变，而各自的标准差σS和σF发生变化，也会发生故障概率的变化。原分布曲线，失效概率较大。σS和σF均变大。σS和σF均变小，σS变大，σF变小。σS变小，σF变大。若μS、μF、σS和σF均发生变化，失效概率变化更大。机械可靠性设计方法可靠性包括两部分内容：可靠性理论基础和可靠性实用技术。可靠性性质可靠性设计时可靠性学科的重要分支，它的重要内容之一是可靠性预测，其次是可靠性分配。可靠性预测方法可靠性预测是一种预测方法，即从所得的失效数据预报一个零部件或系统实际可能达到的可靠度，预报这些零件或系统在规定的条件下和在规定的时间内，完成规定功能的概率。三、可靠性的性质和可靠性预测方法机械可靠性设计方法§2、可靠性的概念和指标可靠性：产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。产品的保险期保持功能参数在一定界限值内的能力失效：对不可修复和不予修复的产品，称为失效。维修：为保持或恢复产品能完成规定功能的能力而采取的技术管理措施。维修性（维修度）：可以维修的产品在规定条件下使用，在规定时间内按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能的能力。机械可靠性设计方法可靠性的数值标准：可靠度（Reliability）。失效率或故障率（FailureRate）。平均寿命（MainLife）。有效寿命（UsefulLife）。维修度（Maintainability）。有效度（Availability）。重要度（Importance）。－以上统称“可靠性尺度”机械可靠性设计方法一、可靠度和失效率可靠度：产品在规定条件下，在规定的时间内，保持规定工作能力的概率，及某个零部件在规定的寿命期限内，在规定的使用条件下，无故障的进行工作的概率。在规定的使用条件下，可靠度是时间的函数。可靠度的计算公式：若令R（t）代表零件的可靠度；Q（t）代表零件失效的概率或零件的故障概率，则当对总数为N个零件进行实验，经过t时间后，有NQ（t）件失效，NR（t）件仍正常工作。机械可靠性设计方法NtNtRR)()(该零件的可靠度：NtNtQQ)()(该零件的故障（失效）概率：)(1)(tQtR零件寿命－故障个数分布直方图1、故障分布函数Q（t）：该直方图反映了某类零件在各个寿命间隔时间内故障发生的可靠性大小，即故障概率的大小。机械可靠性设计方法2、故障分布函数f（t）：曲线f（t）反映了故障概率的频谱，在可靠性里称为故障（失效）概率密度函数。定义为：在时间t附近的单位时间内，失效的产品数dNQ(t)/dt和产品总数之比。)(1)(tNdtdNtfQ)()(1)(tQdtdtNdtdNtfQ故障（失效）概率密度函数故障分布函数tdttftQ0)()(故障分布函数Q(t)机械可靠性设计方法tdttftQtR)()(1)(可靠度分布函数R(t)3、失效率λ（t）：在时刻t仍然正常工作着的每一个零件在下一单位时间内发生故障（失效）的概率。反映了某一时刻t残存的产品在其后紧接着的一个单位时间内失效的产品数量对时刻t的残存产品数之比。它能更直观的反映每一时刻的失效情况。dt(t)QdN(t)RN1Q(t)dtd(t)RN1＝数时刻附近仍正常工作的t数的时刻附近单位时间失效tλ(t)产品产品机械可靠性设计方法失效率λ（t）与故障概率密度函数f（t）的关系)()(])(1[)(1)(tRtfdttNdNtRtQ4、几个参数间的相互关系式：R(t):可靠度；Q(t):故障概率；f(t):故障概率密度函数；λ(t):失效率。)(1)(tQtRtdttftQ0)()(tdttftR)()()()(