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机械可靠性设计太原理工大学机械工程学院主讲：刘混举教材:机械可靠性设计(刘混举2009)参考书:机械可靠性设计(刘惟信1996清华版)机械可靠性设计与分析(国防版)机械结构可靠性(航空工业出版社)可靠性理论与工程应用(国防版2002)现代可靠性设计(芮延年、国防版)机械可靠性设计第1章可靠性设计概论第2章机械可靠性设计概述第3章机械可靠性设计基本原理第4章系统可靠性设计第5章机械零部件可靠性设计第6章可靠性优化设计与可靠性提高专题讲座：-机械学及其发展趋势第1章可靠性设计概论1.1可靠性设计的发展及重要意义1.2可靠性基本概念1.3可靠性定义1.4可靠性特征量(可靠性指标)1.1可靠性设计的发展及其重要意义1.1.1可靠性设计的发展（可靠性研究的历史）1952年美国成立了“电子设备可靠性咨询委员会”1957年美国发布了“军用电子设备的可靠性”报告1965年美国宇航局（NASA）开展了机械可靠性研究日本：1956年从美国引进可靠性技术1958年成立了”可靠性研究委员会”1971年召开了第一届可靠性学术讨论会。英国：1962年出版了“可靠性与微电子学”杂志法国：1963年出版了“可靠性”杂志苏联：20世纪50年代开展可靠性研究，1961年发射第一艘载人宇宙飞船时提出可靠度要求为0.999的定量要求。1.1.1可靠性研究的历史1.1.1可靠性研究的历史中国：20世纪70年代从国外引进可靠性标准资料1976年颁布了第一个可靠性标准“可靠性名词术语”SJ1044-76；1979年颁布了第一个可靠性国家标准“电子元器件失效率试验方法”GB1977-79；70年代后期：开展军用产品可靠性研究工作；80年代：可靠性研究工作广泛开展；90年代：开展机械可靠性设计工作。可靠性工程起源于军事领域，推广应用于各个工业企业部门，给企业和社会带来巨大的经济效益，使人们更加认识到提高产品可靠性的重要性。1.1可靠性设计的发展及其重要意义1.1.2可靠性研究的重要性及其意义1）产品的可靠性与企业的生命、国家的安全紧密相关；中国两弹一星成功的经验——可靠性二战中美军空军飞机由于技术故障造成的事故高于被击落的损失1979年3月28日美国三漓岛核电站发生放射性物质泄漏1984年12月美国联合碳化物公司（印度）农药厂毒气泄漏事故1986年4月苏联切尔诺贝里核电站发生爆炸1.1.2可靠性研究的重要性及其意义2）产品结构复杂化要求有很高的可靠性美国：F-105战斗机，投资2500万美元，可靠度从0.7263提高到0.8986，每年节省维修费用5400万美元。102103104105106107零件数产品宇宙飞船加工中心汽车洗衣机机床1021031041071061051.1.2可靠性研究的重要性及其意义3）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1986年1月28日美国航天飞机“挑战者”号在发射后进入轨道前，因助推火箭燃料箱密封装置在低温下失效，使燃料溢出发生爆炸——7人死亡，12亿美元损失。“挑战者”号爆炸情景1.1.2可靠性研究的重要性及其意义4）产品竞争的焦点是可靠性日本：将可靠性作为企业的主要奋斗目标美国：认为世界产品竞争的焦点是可靠性苏联：将可靠性纳入25年发展规划某越野车可靠性对比试验：9台国产车，3台奔驰车无故障运行里程：国产车：380km—880km；进口车：28000km。“宁愿牺牲先进性，也要保证可靠性”1.1.2可靠性研究的重要性及其意义5）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1969年美国阿波罗飞船登月成功，美国宇航局将可靠性工程列为三大技术成就之一。三峡工程大坝合拢时，使用的全部车辆为进口产品。“神州5号”飞船成功的关键是解决了可靠性问题，其可靠性指标达到0.97，航天员安全性指标达到0.997.1.2可靠性基本概念可靠性的概念及基本思想可靠性的经典定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。可靠性的基本思想任何参数均为多值的，且呈一定分布。安全系数大的设备或产品不一定是百分之百的安全。１.3可靠性定义可靠性的概念可靠性的经典定义：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：指作为单独研究和分别试验对象的任何元件、设备或系统，可以是零件、部件，也可以是由它们装配而成的机器，或由许多机器组成的机组和成套设备，甚至还把人的作用也包括在内。规定时间：是可靠性区别于产品其他质量属性的重要特征，一般也可认为可靠性是产品功能在时间上的稳定程度。规定功能：道德要明确具体产品的功能是什么，怎样才算是完成规定功能。产品丧失规定功能称为失效，对可修复产品通常也称为故障。规定条件：一般指的是使用条件,环境条件。包括应力温度、湿度、尘砂、腐蚀等，也包括操作技术、维修方法等条件。可靠性的类型可靠性可分为固有可靠性和使用可靠性固有可靠性是通过设计、制造赋予产品的可靠性；使用可靠性既受设计、制造的影响，又受使用条件的影响。一般使用可靠性总低于固有可靠性。可靠性的类型及影响因素可靠性类型影响因素影响程度固有可靠性零部件材料设计技术制造技术30%40%10%使用可靠性使用、安装、维修20%１．4可靠性特征量(可靠性指标)可靠度可靠度是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率，一般记为R。它是时间的函数，故也记为R（t）,称为可靠度函数。１.4.1可靠度如果用随机变量T表示产品从开始工作到发生失效或故障的时间，其概率密度为f（t）如右图所示，若用t表示某一指定时刻，则该产品在该时刻的可靠度。对于不可修复的产品，可靠度的观测值是指直到规定的时间区间终了为止，能完成规定功能的产品数与在该区间开始时投入工作产品数之比，即:1.4.2可靠寿命可靠寿命是给定的可靠度所对应的时间，一般记为t（R）一般可靠度随着工作时间t的增大而下降，对给定的不同R，则有不同的t（R），即t（R）=R-1（R）式中R-1——R的反函数，即由R（t）=R反求t1.4.3累积失效概率累积失效概率：累积失效概率是产品在规定条件下和规定时间内未完成规定功能（即发生失效）的概率，也称为不可靠度。一般记为F或F（t）。因为完成规定功能与未完成规定功能是对立事件，按概率互补定理可得F（t）=1-R（t）对于不可修复产品和可修复产品累积失效概率的观测值都可按概率互补定理，取1.4.4平均寿命平均寿命：平均寿命是寿命的平均值，对不可修复产品常用失效前平均时间，一般记为MTTP，对可修复产品则常用平均无故障工作时间，一般记为MTBF。它们都表示无故障工作时间T的期望E（T）或简记为t。如已知T的概率密度函数f（t），则经分部积分后也可求得1.4.5失效率和失效率曲线失效率：失效率是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。一般记为λ,它也是时间t的函数,故也记为λ(t),称为失效率函数,有时也称为故障率函数或风险函数.按上述定义,失效率是在时刻t尚未失效产品在t+△t的单位时间内发生失效的条件概率.即失效率曲线失效期的成因分析:早期失效期:设计、制造、存储缺陷及使用不当；(DFR——DecreasingFailureRate)偶然失效期:意外过载、误操作、不可抗拒因素等；(CFR——ConstantFailureRate)耗损失效期:疲劳、磨损等。(IFR——IncreasingFailureRate)可靠性特征量间的关系可靠性特征量R(t)F(t)f(t)λ(t)R(t)(可靠度)-1-F(t)F(t)(累积失效率)1-R(t)-f(t)(概率密度)-λ(t)(失效率)-各类产品常用的可靠性指标使用条件连续使用一次使用可否修复可修复不可修复可修复不可修复维修种类预防维修事后维修用到耗损期一定时间后报废预防维修产品示例电子系统、计算机、通信机、雷达、飞机、生产设备家用电器、机械装置电子元器件、机械零件、一般消费品实行预防维修的零部件、广播设备用电子管武器、过载荷继电器、救生器具保险丝、闪光灯管常用指示可靠度、有效度、平均无故障工作时间、平均修复时间平均无故障工作时间、有效寿命、有效度失效率、平均寿命失效率、更换寿命成功率成功率第1章复习思考题1.为什么要重视和研究可靠性？2.可靠性、可靠度、失效率、平均寿命的概念。3.画图说明典型产品的失效率曲线，并说明失效率曲线中三个区间的失效率特点及构成曲线段状态的原因。4.某零件工作到50h时，还有100个仍在工作，工作到51h时，失效了1个，在第52小时内失效了3个，试求这批零件工作满50h和51h时的失效率（50）和（51）。5.已知某产品的失效率为常数可靠度函数，试求可靠度R=0.999的相应可靠寿命t0.999,中位寿命t0.5。ht/41030.0tetR