浅谈机械可靠性工程

浅谈机械可靠性工程1绪论1.1可靠性研究的历史可靠性是一门新兴的工程学科。产品的可靠性已成为衡量产品质量的重要指标之一。近年来，世界各发达国家已把可靠性技术和全面质量管理紧密结合起来，有力地提高了产品的可靠性水平。可靠性工程的诞生可以追溯到20世纪40年代，即第二次世界大战期间。当时，由于战争的需要，迫切要求对飞机、火箭及电子设备的可靠性进行研究。德国的科学技术人员在V-1火箭的研制中，最先提出了火箭系统的可靠性等于所有元器件可靠度乘积的理论。到了20世纪50年代初期，美国为了发展军事的需要，投入了大量的人力、物力对可靠性进行研究，先后成立了“电子设备可靠性专门委员会”、“电子设备可靠性顾问委员会（AGREE）”等研究可靠性问题的专门机构。20世纪50年代，苏联为了保证人造地球卫星发射与飞行的可靠性，开始了可靠性的研究工作。同时，日本企业家认识到，要在国际市场的竞争中取胜，必须进行可靠性的研究，1958年，日本科学技术联盟成立了“可靠性研究委员会”。1961年，苏联发射第一艘有人驾驶的宇宙飞船，就在这一时期，苏联对可靠性问题展开了全面的研究。20世纪60年代是美国航空航天事业迅速发展的时期。NASA和美国国防部接受并发展了20世纪50年代由“AGREE”发展起来的可靠性设计及实验方案。随着计算机的发展，软件可靠性问题也在20世纪60年代末获得重视。20世纪70年代，电子设备或系统获得广泛应用，其可靠性问题日益获得人们的重视，同时，人们也开始了对非电子设备（如机械设备）可靠性的研究。20世纪70年代由于我国国家重点工程的需要（元器件的可靠性问题），以及消费者的强烈要求（电视机的质量问题），各行各业开展了可靠性的研究，并获得巨大进步。20世纪80年代初，我国掀起了电子行业可靠性工程和管理的第一个高潮，组织编写可靠性普及教材，制订了相关标准，形成了一批研究可靠性的骨干队伍。20世纪90年代初，原机械电子工业部提出了“以科技为先导，以质量为主线”，沿着管起来-控制好-上水平的发展模式开展可靠性工作，兴起了我国第二次可靠性工作的高潮，取得了较大的成绩。我国可靠性工程虽然发展快，但应该看到，目前与发达国家相比还有很大差距，还应做出坚持不懈的努力。1.2可靠性研究的重要性及其意义产品的可靠性与企业的生命、国家的安全紧密相关；产品性能的优化、结构的复杂化要求有很高的可靠性；产品更新速度的加快，使用场所的广泛性、严酷性，要求有很高的可靠性；产品竞争的焦点是可靠性；大型产品的可靠性是一个企业、一个国家科技水平的重要标志。1.3可靠性的定义和特征量可靠性定义为，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。表示产品总体可靠性水平高低的各种可靠性指标称为可靠性特征量。可靠性特征量的真值是理论上的数值，实际中是不知道的。根据样本观测值，经一定的统计分析可得到特征量的真值的估计值。估计值可以是点估计，也可以是区间估计。按一定的标准给出具体定义而计算值。常用的可靠性特征量有可靠度()Rt、失效概率（或不可靠度）()Ft、失效率()t、平均寿命t、可靠寿命()tR与中位寿命等。失效率曲线（浴盆曲线）反映了产品总体整个寿命期失效率的情况，它包括三个阶段：早期失效期、偶然失效期和耗损失效期。可靠性特征量中()Rt、()Ft、可靠度函数的概率密度()ft和()t是4个基本函数，只要知道其中的一个，则所有其他的特征量均可求得。1.4机械可靠性设计的特点和内容机械可靠性设计与以往的传统机械设计方法不同，机械可靠性设计具有自身特点：以应力和强度为随机变量作为出发点；应用概率和统计方法进行分析、求解；能定量地回答产品的失效率和可靠度；有多种可靠性指标供选择；强调设计对产品可靠性的主导作用；必须考虑环境的影响；必须考虑维修性；从整体、系统的观点出发；承认在设计期间及其以后都需要可靠性增长。机械设备和系统的可靠性设计内容最基本的有以下几方面：研究产品的故障物理和故障模型；确定产品的可靠性指标及其等级；可靠性预测；合理分配产品的可靠性指标值；以规定的可靠性指标值为依据对零件进行可靠性设计。1.5机械可靠性定性设计准则机械可靠性设计由于产品的不同和结构的差异，可以采用的可靠性设计方法也不同：简单化设计准则；模块化、组件化、标准化设计准则；降额设计和安全裕度设计准则；合理选材准则；冗余设计准则；耐环境设计准则；失效安全设计准则；防错设计准则；维修性设计准则；人机工程设计准则。2可靠性数学基础可靠性学科的数学基础主要是概率论和数理统计，包括随机事件与概率、随机变量、常用的概率分布、参数估计和假设检验。为了观察工程中大量随机事件的规律，确定产品的可靠性的特征量以及对机械系统和零部件进行可靠性设计与分析，必须根据概率统计的方法来建立有关的数学模型和进行必要的计算。3机械可靠性设计原理与可靠度计算3.1安全系数设计法与可靠性设计方法3.1.1安全系数设计法在机械结构的传统设计中，产品的设计主要从满足产品使用要求和保证机械性能要求出发进行产品设计。在满足这两方面要求的同时，必须利用工程设计经验，使产品尽可能可靠，这种设计不能回答所设计产品的可靠度或发生故障概率是多少。当设计者不能确定设计变量和参数时，为了保证所设计产品的结构安全可靠，一般情况下在设计中引入一个大于1的安全系数，试图以此来保证机械产品不会发生故障，所以传统设计方法一般也称“安全系数法”。安全系数法的基本思想是：机械结构在承受外在负荷后，计算得到的应力小于该结构材料的许用应力，即计算许用=n极限计算式中，n为安全系数；极限为极限应力。极限应力极限可从手册查到，极限选取的一般原则：计算塑性材料静强度时，极限为屈服极限；计算脆性材料静强度时，极限为强度极限；计算疲劳强度时，极限为疲劳极限。在传统设计中，只要安全系数大于某一根据实际使用经验规定的数值就认为是安全的。因此，安全系数法对问题的提法是：“这个零件的安全系数是多少”。但安全系数就实质而言，仍是一个“未知”的系数。安全系数的概念本身包含着一些无法定量表示的影响因素。在具体零部件设计时，安全系数究竟取多大，在很大程度上是由设计者的经验决定的。不同的设计者由于经验的差异，其设计的结果有的可能偏于保守，有的可能偏于危险。一些没有经验可参照的新零部件的设计，更可能趋于“保守”或“危险”设计。众所周知，“保守”设计会导致结构尺寸过大、重量过重、费用增加，在使用空间和重量受到限制的地方，这种设计是难于接受的；而“危险”设计则可能使产品故障频繁，甚至出现“机毁人亡”的事故，这是绝对不容许的。因此，安全系数法在实质上也没有能回答所设计的零件究竟在多大程度上是安全的，同样也不能回答所设计的零件在使用中究竟发生故障的概率是多大。从可靠性的角度考虑，影响机械产品故障的各种因素可概况为“应力”和“强度”两类。“应力”大于“强度”时故障发生。“应力”不仅仅指外力在微元面积上产生内力与微元面积比值的极限，而且包括各种环境因素，例如温度、湿度、腐蚀、粒子辐射等。“强度”是指机械结构承受压应力的能力，因此，凡是能阻止结构或零部件故障的因素，统称为强度，如材料力学性能、加工精度、表面粗糙度等。在实际工程中，外载荷、温度、湿度等都是具有一定分布的（图3-1）。因而应力是一个受多种因素影响的随机变量，具有一定的分布规律。同样，受材料的力学性能、工艺环节的波动和加工精度等的影响，强度也是一个具有一定离散性且服从一定分布规律的随机变量。在这种情况下，研究机械结构的可靠性问题就是机械概率可靠性设计。图3-1应力、载荷等因素的分布状况3.1.2可靠性设计方法机械可靠性一般可分为结构可靠性和机构可靠性。结构可靠性主要考虑机械结构的强度以及由于载荷的影响使之疲劳、磨损、断裂等引起的失效；机构可靠性则主要考虑的不是强度问题引起的失效，而是考虑机构在动作过程由于运动学问题而引起的故障。机械可靠性设计又可分为定性可靠性设计和定量可靠性设计。所谓定性可靠性设计就是在进行故障模式影响及危害性分析的基础上，有针对性应用成功的设计经验使所设计的产品达到可靠性的目的。所谓定量可靠性设计就是充分掌握所涉及零件的强度分布和应力分布以及各种设计参数的随机性基础上，通过建立隐式极限状态函数或显示极限状态函数的关系设计出Ons()fs载荷因素Ons()fs材料强度Ons()fs环境因素Ons()fs表面粗糙度Ons()fs应力集中Ons()fs零件尺寸应力12,,nsfsss强度12,,nsfsss()()fxfsns满足规定可靠性要求的产品。机械可靠性定性方法是目前开展机械可靠性设计的一种最直接有效的常用方法，无论在结构可靠性设计中还是在机构可靠性设计中都是大量采用的常用方法。可靠性定量设计虽然可以按照可靠性指标设计出满足要求的零件，但由于材料的强度分布和载荷分布的具体数据目前还很缺乏，加之其中要考虑的因素很多，因而限制其推广应用，一般在关键或重要的零部件的设计时采用。可靠性设计方法与安全系数设计方法的区别如表3-1所列。表3-1可靠性设计与安全系数设计方法的对比不同点传统的安全系数设计法可靠性设计法设计变量处理方法不同应力、强度、安全系数、载荷、几何尺寸等均为单值变量应力、强度、安全系数、载荷、几何尺寸等均为随机变量，且成一定分布设计变量运算方法不同代数运算，单值变量，如/sFA随机变量的组合运算，为多值变量，,(,)/(,)ssFFAASFA设计准则含义不同安全准则：；nn安全准则：())RtPrsR（3.2应力强度干涉理论及可靠度计算3.2.1应力强度分布干涉理论机械零部件设计的基本目标是在一定的可靠度下保证其危险断面上的最小强度（抗力）不低于最大的应力，否则，零件将由于未满足可靠度要求而导致失效。可靠性设计理论的基本任务是在故障物理学研究的基础上，结合可靠性试验以及故障数据的统计分析，提出可供实际计算的物理数学模型及方法。这里应力和强度都不是一个确定的值，而是由若干随机变量组成的多元随机函数（随机变量），它们都具有一定的分布规律，如图3-2所示。应力-强度模型又称干涉模型，它可以清楚地揭示零件可靠性设计的本质，是零件可靠性设计的基本模型。一般而言，施加于产品或零件上的物理量，如应力、压力、温度、冲击等，统称为产品或零件所受的应力，用s表示；产品或零件能够承受这种应力的程度，统称为产品或零件的强度，用S表示。如果产品或零件的强度S小于应力s，则它们就不能完成规定的功能，称为失效。欲使产品或零件在规定的时间内可靠地工作，必须满足0ZSs（3-1）机械设计中，应力s及强度S本身是某些变量的函数，如图3-2所示，即12(,,)msfsss，12(,,,)nSfSSS（3-2）式中，iS为影响强度的随机量，如零件材料性能、表面质量、尺寸效应、材料对缺口的敏感性等；js为影响应力的随机量，如载荷情况、应力集中、工作温度、润滑状态等。一般情况下，强度S与应力s的概率关系满足P(S∣s)=P(S)，因为无论是否知道s的准确数值，强度S的取值都是按自己的规律出现的。所以，可以认为应力s、强度S是相互独立的随机变量。于是，Z亦为随机变量。设产品或零件的可靠度为R，则R=P(Z≥0)(3-3)即可靠度为随机变量Z取值不小于0时的概率。相应的累积失效概率为F=1-R=P(Z0)(3-4)若知道随机变量S及s的分布律，利用下述的应力-强度干涉模型，可以求得可靠度R或失效概率F。机械设计中，随机变量S与s具有相同的量纲，因此，S、s的概率密度曲线可以表示在同一坐标系上。从统计分布函数的性质可知，机械工程设计中常用的分布函数的概率密度曲线，都是以横坐标轴为渐近线的，因此，两概率密度曲线必定有相交的区域（图3-3）中的阴影线部分。这个区域就是产品或零件可能出现失效的区域，称为干涉区。干涉区的面积愈小，零件的可靠度就愈高；反之，可靠度愈低。但是，如图3-3所示，分布的阴影面积只是干涉的表示，而不是干涉数值的度量。例如，图中的应力1s和1S比较，因1s1S