第六章机械零部件可靠性设计

第6章机械零部件可靠性设计概述：机械零件可靠性设计：1.已知零件工作应力和材料强度的分布及其分布参数和设计目标要求的可靠性(可靠度或可靠寿命)，对零件进行可靠性校核。2.依据零件的许用可靠性指标和材料性能，确定零件的几何尺寸。SSmaxlimSlimmax常规设计零件强度的判据：存在的问题：1.产品在整个使用过程中任一时刻的失效概率；2.产品在设计的条件和寿命下，是否会因为可靠度太高而造成成本不必要的加大，或者因为可靠度太低而造成不应有的破坏。第6章机械零部件可靠性设计9.0tR9.0tR99.0tR99999.0tR可靠性设计能解决：概述：故障后果允许可靠度机器类别灾难性失事事故完不成任务飞行器、军事装备、化工设备、医疗器械、器重机械等经济性修理停歇时间增加工艺设备、农业机械、家用生活机械降低工况，输出参数恶化无后果(修理费用在规定的标准范围)机器中的一般零部件1.所设计的产品在规定条件下和运行时间内，其失效情况及破坏概率2.可以根据零件的重要程度来决定可靠度的大小，从而得到更合理的设计参量表6-1故障后果及可靠度第6章机械零部件可靠性设计螺栓连接的可靠性设计：受拉伸载荷螺栓连接的可靠性设计：1.松螺栓连接的可靠性设计松螺栓连接装配时，螺母不需要拧紧。在承受工作载荷之前螺栓没有预紧力，也常称为拉杆连接。2222212214FdFdCCFSdSdFS214dFFd41214dF进行可靠性设计时，将F，d1看成是相互独立的随机变量，均服从正态分布。因此，当其变异系数不大时，应力也近似为正态分布，其均值和标准差分别为：螺栓直径d1的变异系数工作拉力F的变异系数第6章机械零部件可靠性设计螺栓连接的可靠性设计：受拉伸载荷螺栓连接的可靠性设计：1.松螺栓连接的可靠性设计强度级别强度极限屈服极限推荐材料最小值均值变异系数最小值均值变异系数4.64.84004750.053240320272.5387.50.060.07420，105.65.85006000.055300400341.5483.70.0520.07430，35，20，Q2356.66.96007000.048360540408.85800.0510.07435，45，40Mn8.88009000.037640774.90.07535，35Cr10.912.910001200110013000.030.0269001080100813820.0770.09440Mn2表6-5螺栓材料强度均值与变异系数估算值22SSuxxR第6章机械零部件可靠性设计螺栓连接的可靠性设计：受拉伸载荷螺栓连接的可靠性设计：1.松螺栓连接的可靠性设计例：设计一松螺栓连接。已知作用于螺栓上的载荷近于正态分布，其均值和标准差分别为F＝30000N，SF＝0.2F/3，求可靠度R(t)＝99.5％时的螺栓直径。解:(1)螺栓材料强度的均值和标准差因螺栓可靠度要求较高，由表6-5选螺栓4.8级，材料为10钢，屈服极限均值，变异系数，则标准差为102.0rrMPa7.285.387074.0SSSCS074.0SCMPa5.387S(2)螺栓工作应力的均值和标准差考虑到制造中半径的公差，螺纹当量半径公差，因为尺寸偏差是正态分布，公差，所以110067.0302.03rrrSrrSr3第6章机械零部件可靠性设计螺栓连接的可靠性设计：受拉伸载荷螺栓连接的可靠性设计：1.松螺栓连接的可靠性设计螺栓计算截面积的标准差为：212121954930000rrrFrrASrSrrrAS11123323232122212121222128.639067.00067.09549rFFrrrFSrSSFr11212112rrrrrA则有：工作应力的均值和标准差为：第6章机械零部件可靠性设计螺栓连接的可靠性设计：受拉伸载荷螺栓连接的可靠性设计：1.松螺栓连接的可靠性设计(3)利用连接方程求螺栓直径因强度、应力均为正态分布，查正态分布表，当R(t)＝0.995时，可靠性指数uR=2.575，则有22122122/8.6397.28/95495.387575.2rrSSSS04.61115.512141rrmm34.1167.52211rdmm67.5,mm1.321221rr解得：螺栓直径：取标准直径M14×2±0.12mm，其实际可靠度R(t)0.995，满足设计要求，可用。第6章机械零部件可靠性设计螺栓连接的可靠性设计：受拉伸载荷螺栓连接的可靠性设计：2.紧螺栓连接得可靠性设计常规设计时螺栓危险截面的强度条件为：mbbCCCFCCCFFFFmbb012213.14Fd21243.1dF螺栓所受的总拉力分析螺栓连接的受力和变形关系得知，螺栓的总拉力F2和预紧力F0、工作拉力F、残余预紧力F1、螺栓刚度Cb及被连接件刚度Cm有关，其关系式为螺栓的相对刚度垫片材料金属皮革铜皮石棉橡胶0.2～0.30.70.80.9表6-6螺栓的相对刚度第6章机械零部件可靠性设计螺栓连接的可靠性设计：受拉伸载荷螺栓连接的可靠性设计：2.紧螺栓连接得可靠性设计对于受轴向变载荷的紧螺栓连接，除按静强度计算外，还应校核其疲劳强度。受变载荷的紧螺栓连接的主要失效形式是螺栓的疲劳断裂。应力幅及应力集中是导致螺栓疲劳断裂的主要原因。螺栓连接的疲劳试验证明，螺栓的疲劳寿命服从对数正态分布。螺栓的疲劳极限应力幅值可按下式确定：kalim1lim光滑试件的拉伸疲劳极限尺寸系数螺纹牙受力不均匀系数，1.5—1.6制造工艺系数有效应力集中系数第6章机械零部件可靠性设计螺栓连接的可靠性设计：受拉伸载荷螺栓连接的可靠性设计：2.紧螺栓连接得可靠性设计当工作拉力在0到F变化时，螺栓所受的总拉力将在F0到F2变化。螺栓危险截面的最大拉应力为21minmax22dFCCCmbba210min4dF212max4dF最小拉应力为应力幅为第6章机械零部件可靠性设计螺栓连接的可靠性设计：受拉伸载荷螺栓连接的可靠性设计：2.紧螺栓连接得可靠性设计紧螺栓连接可靠性设计的步骤有以下几个方面：(1)确定设计准则。%7%3.5SCtRPPSS0(2)选择螺栓材料，确定其强度分布，求其均值和标准差。根据经验，可取螺栓拉伸强度的变异系数为(3)确定螺栓的应力分布，求出应力的均值和标准差。(4)应用连接方程，确定螺栓直径。第6章机械零部件可靠性设计螺栓连接的可靠性设计：受拉伸载荷螺栓连接的可靠性设计：2.紧螺栓连接得可靠性设计例：已知气缸内径，缸内的工作压力螺栓数目n=8,采用金属垫片，设计此气缸盖螺栓连接。要求螺栓连接的可靠度为0.999999。MPa6.3348007.007.0SSSMPa70.10—pMPa480Smm3802D解：(1)螺栓材料选用45钢，螺栓性能等级选用6.8级，假设其强度分布为正态分布，则材料屈服极限的均值为，屈服极限的标准差为第6章机械零部件可靠性设计螺栓连接的可靠性设计：受拉伸载荷螺栓连接的可靠性设计：2.紧螺栓连接得可靠性设计(2)假设螺栓的应力分布为正态分布，确定应力的均值及标准差。气缸盖上所受的最大工作载荷的均值为：N19272408808.008.0FSF08.0FSCFFN240888192700nFFTN192700438014.370.14222maxDPFT每个螺栓上所受的最大工作载荷的均值为：可取工作载荷的变异系数。因此，工作载荷分布的标准差第6章机械零部件可靠性设计螺栓连接的可靠性设计：受拉伸载荷螺栓连接的可靠性设计：2.紧螺栓连接得可靠性设计每个螺栓内由工作载荷引起的应力的均值为：MPa3068842408822ddAFFN24553068808.008.022ddSFF12FFF02112FFCCCF螺栓的直径应力分布的标准差为：众所周知，既有预紧力又受轴向工作载荷的紧螺栓连接在工作时，螺栓总拉力为：第6章机械零部件可靠性设计螺栓连接的可靠性设计：受拉伸载荷螺栓连接的可靠性设计：2.紧螺栓连接得可靠性设计8.010.0,10.0,8BSCBBB02211FFFBAF0211FFBFBCC12令，则上式可改写成将上式除以螺栓截面面积A，可得螺栓总应力分布的均值根据经验，取预紧应力分布的均值为240MPa，标准差为36MPa。一般认为，比较恰当的估计是取比例系数MPa240341024030688811222ddF第6章机械零部件可靠性设计螺栓连接的可靠性设计：受拉伸载荷螺栓连接的可靠性设计：2.紧螺栓连接得可靠性设计(3)应用连接方程。21222425166272240341048070.4ddmm20dyyFSRSSSuFS212222因此，螺栓的尺寸确定如下：公称直径d=24mm,内径d1=20.752mm。第6章机械零部件可靠性设计螺栓连接的可靠性设计：受剪切载荷螺栓连接的可靠性设计：受剪切载荷螺栓连接：紧螺栓连接的一种，利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷的。螺栓杆与孔壁之间无间隙，接触表面受挤压；在连接接合面处，螺栓杆则受剪切。螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：204dFPPLdFmin0螺栓杆的剪切强度条件为：第6章机械零部件可靠性设计弹簧的可靠性设计：弹簧分类：按所受载荷不同：拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧、弯曲弹簧按形状不同：螺旋弹簧、环形弹簧、板簧、平面涡卷弹簧圆柱螺旋压缩弹簧设计的基本问题：1.必须满足强度要求，使剪应力不引起失效；2.满足刚度要求，使弹簧的变形不超过规定值；3.满足所需的有效圈数。圆柱螺旋压缩弹簧的主要失效模式是疲劳破坏和断裂。第6章机械零部件可靠性设计弹簧的可靠性设计：螺旋弹簧中的最大剪应力：kyynDGdF348GdnFDy438CCCK615.0441438dFDK弹簧的曲度系数弹簧的变形量：力与变形量的关系为：第6章机械零部件可靠性设计弹簧的可靠性设计：剪应力的均值、标准差和变异系数分别为：2122229dDFKCCCCSC2122222222dDFKSdSDSFSKS38dDFK第6章机械零部件可靠性设计弹簧的可靠性设计：各变量的均值、标准差和变异系数的确定：1.曲度系数K与弹簧指数有关，可根据弹簧中径D和弹簧丝直径d的公差估算出标准差，一般可取2.轴向载荷F的标准差可取为载荷允许偏差的1/3，即，故3.弹簧中径D的标准差可根据弹簧质量检查标准(GB1239)中的弹簧精度等级要求确定。4.弹簧丝直径d的标准差按规定的公差确定，标准差Sd和变异系数Cd的估计值可查表。5.弹簧有效圈数n的允许偏差见表。6.剪切弹性模量G的变异系数可取FFCF33FSFF045.0KS03.0EGCC第6章机械零部件可靠性设计弹簧的可靠性设计：圆柱螺旋压缩弹簧的静强度可靠性设计：1.工作应力的均值和标准差弹簧的工作应力均值可按计算，标准差为。CSBS432.0S38dDFK2.强度极限的均值和标准差在静强度设计中主要的强度指标是剪切屈服极限，一般来说它与抗拉强度极限间的关系为应用变形能理论所得到的关系，设计中常采用BS432.0对65Mn来说，MPa253/75BS第6