機械可靠性概述(1)

1、機械產(chǎn)品可靠性概述機械產(chǎn)品可靠性概述 l 機械產(chǎn)品可靠性的定義 在規(guī)定的使用條件和規(guī)定時間內(nèi)，機械產(chǎn)品完成規(guī)定功 能的能力。 l 按應(yīng)用對象分類 (1)結(jié)構(gòu)可靠性 考慮結(jié)構(gòu)疲勞、磨損、斷裂等強度失效問題。 (2)機構(gòu)可靠性 考慮機構(gòu)在運動過程中，由于變形、磨損等引起的功 能失效。 1、概述 l 機械可靠性設(shè)計方法 (1)定性設(shè)計方法 成功的設(shè)計經(jīng)驗或失敗的經(jīng)驗教訓(xùn)，有針對性地應(yīng) 用到設(shè)計中，避免故障或設(shè)計缺陷。 (2)定量設(shè)計方法 概率設(shè)計法以應(yīng)力強度干涉模型和功能失效極限 狀態(tài)函數(shù)理論為基礎(chǔ)，將應(yīng)力、強度視為隨機變量，利 用概率方法計算出給定設(shè)計條件下產(chǎn)品的失效概率或可 靠度，以符合給定的可

2、靠性要求。 1、概述 2、機械產(chǎn)品可靠性的特點 性能可靠性 l 確定性 l 可重復(fù) l 真值可測可見 l 應(yīng)用傳統(tǒng)學(xué)科知識 l 不確定性/隨機性 l 不可重復(fù) l 真值不可測不可見 l 以傳統(tǒng)學(xué)科知識為基礎(chǔ)，考慮 不確定性 2、機械產(chǎn)品可靠性的特點 電子產(chǎn)品機械產(chǎn)品 失效模式比較簡單 失效模式比較復(fù)雜 失效主要是由偶然因素造成 失效通常是由于疲勞、老化、磨損、 腐蝕等 ESS剔除早期失效，經(jīng)濟合理有效的 壽命和可靠性試驗一般是小子樣， 試驗時間較長 ，費用高 失效率接近常數(shù)，有標準手冊，可 利用國軍標GJB299-或MIL-HBK-217 預(yù)計 多是專用件，標準件少，環(huán)境影響 嚴劣，失效率不是

3、常數(shù) 維修主要以更換元器件為主 修復(fù)和更換相結(jié)合 2、機械產(chǎn)品可靠性的特點 常規(guī)設(shè)計概率設(shè)計 應(yīng)力和強度為常量，乘以各種系數(shù)應(yīng)力和強度為隨機變量 以安全系數(shù)進行設(shè)計校核多種指標設(shè)計校核，可預(yù)測失效概 率或可靠度 取過大的安全系數(shù)往往導(dǎo)致保守的 設(shè)計 能得到較小的零件尺寸、體積和重 量，在節(jié)省原材料和降低設(shè)計或加 工工藝要求等方面帶來效益 從控制參數(shù)的均值方面入手提高可 靠性 從控制參數(shù)均值和參數(shù)標準差兩方 面提高可靠性 1）不存在一個綜合性的可靠性指標）不存在一個綜合性的可靠性指標 由于機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計方法涉及的因素很多，不可能像由于機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計方法涉及的因素很多，不可能像 傳統(tǒng)的設(shè)計

4、方法那樣用安全系數(shù)作為唯一的評價度量。根據(jù)傳統(tǒng)的設(shè)計方法那樣用安全系數(shù)作為唯一的評價度量。根據(jù) 具體情況可以選用如失效率、可靠度、具體情況可以選用如失效率、可靠度、MTBF、維修度、有用、維修度、有用 度等作為評價的項目，對設(shè)計者來說，必須在設(shè)計開始時，度等作為評價的項目，對設(shè)計者來說，必須在設(shè)計開始時， 就弄清楚指標的大小。就弄清楚指標的大小。 2、機械產(chǎn)品可靠性的特點 2）可靠性設(shè)計強調(diào)）可靠性設(shè)計強調(diào)“把可靠性設(shè)計到零件中把可靠性設(shè)計到零件中”。 這個可靠度叫固有可靠度，它是由設(shè)計決定的，有生產(chǎn)這個可靠度叫固有可靠度，它是由設(shè)計決定的，有生產(chǎn) 保證的。如果設(shè)計不當，就不能生產(chǎn)出本質(zhì)上可靠

5、的零件；保證的。如果設(shè)計不當，就不能生產(chǎn)出本質(zhì)上可靠的零件； 不論工藝水平多高都不能得到高可靠的產(chǎn)品。不論工藝水平多高都不能得到高可靠的產(chǎn)品。 實踐證明，機械產(chǎn)品的失效主要是由于設(shè)計不當造成的。實踐證明，機械產(chǎn)品的失效主要是由于設(shè)計不當造成的。 3）可靠性設(shè)計必須考慮環(huán)境因素）可靠性設(shè)計必須考慮環(huán)境因素 環(huán)境對應(yīng)力的影響很大，因而影響可靠性。如高溫、低環(huán)境對應(yīng)力的影響很大，因而影響可靠性。如高溫、低 溫、沖擊、振動和鹽霧等環(huán)境條件都是導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性下降溫、沖擊、振動和鹽霧等環(huán)境條件都是導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性下降 的重要原因。研究表明，應(yīng)力分布尾部對可靠度的影響較強的重要原因。研究表明，應(yīng)力分布尾部對可

6、靠度的影響較強 度尾部的影響大得多，因此對環(huán)境質(zhì)量的控制比對強度質(zhì)量度尾部的影響大得多，因此對環(huán)境質(zhì)量的控制比對強度質(zhì)量 的控制重要得多。的控制重要得多。 4）可靠性設(shè)計與維修性設(shè)計相結(jié)合）可靠性設(shè)計與維修性設(shè)計相結(jié)合 可靠性設(shè)計賦予產(chǎn)品固有可靠性，而在耗損期中失效率可靠性設(shè)計賦予產(chǎn)品固有可靠性，而在耗損期中失效率 急劇升高，這時就要通過更換或維修恢復(fù)產(chǎn)品的可靠性，因急劇升高，這時就要通過更換或維修恢復(fù)產(chǎn)品的可靠性，因 此維修會使使用可靠性得到恢復(fù)。設(shè)計時必須考慮到維修內(nèi)此維修會使使用可靠性得到恢復(fù)。設(shè)計時必須考慮到維修內(nèi) 容。容。 5）可靠性設(shè)計過程是可靠性增長過程）可靠性設(shè)計過程是可靠性增

7、長過程 所謂可靠性增長是指隨著產(chǎn)品的設(shè)計、試制、生產(chǎn)各階所謂可靠性增長是指隨著產(chǎn)品的設(shè)計、試制、生產(chǎn)各階 段的進展，產(chǎn)品可靠性水平逐步提高的過程。因此，在不同段的進展，產(chǎn)品可靠性水平逐步提高的過程。因此，在不同 階段要對產(chǎn)品的可靠性反復(fù)預(yù)測，發(fā)現(xiàn)問題及時改進，直到階段要對產(chǎn)品的可靠性反復(fù)預(yù)測，發(fā)現(xiàn)問題及時改進，直到 達到要求為止。達到要求為止。 6）可靠性設(shè)計要貫徹系統(tǒng)工程的觀點）可靠性設(shè)計要貫徹系統(tǒng)工程的觀點 從整體出發(fā)，全面權(quán)衡可靠性設(shè)計，切忌從整體出發(fā)，全面權(quán)衡可靠性設(shè)計，切忌“頭痛醫(yī)頭，頭痛醫(yī)頭， 腳痛醫(yī)腳腳痛醫(yī)腳”的權(quán)宜之計。的權(quán)宜之計。 7）可靠性設(shè)計貫徹人）可靠性設(shè)計貫徹人-機工

8、程觀點機工程觀點 8）可靠性設(shè)計貫徹全壽命周期總費用最優(yōu)的觀點，而不只）可靠性設(shè)計貫徹全壽命周期總費用最優(yōu)的觀點，而不只 是考慮造價。是考慮造價。 3、機械產(chǎn)品的主要失效模式 機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計的根本任務(wù)是預(yù)防潛在故障及糾正故障 失效類型說明 (1)功能失效型 操縱失靈、不啟動、不工作、卡死等 (2)功能失常型 壓力過高或過低、不到位、轉(zhuǎn)速異常、功率不足等 (3)損壞損傷型 斷裂、破碎、裂紋、扭曲變形、點蝕、剝落等 (4)松脫漏堵型 松動、脫落、漏油、漏水、漏氣、堵塞等 (5)退化變質(zhì)型 老化、變質(zhì)、腐蝕、銹蝕、積碳等 (6)其他類型 與具體產(chǎn)品相關(guān) GJB3554-車輛系統(tǒng)質(zhì)量與可靠性信息分

9、類和編碼要求 3、機械產(chǎn)品的主要失效模式 l 強度是機械零件可靠性的最基本要求 強度不足產(chǎn)生的斷裂往往引發(fā)重大安全事故。 l 疲勞、磨損、腐蝕 盡管機械產(chǎn)品種類繁多，不同機械產(chǎn)品的失效模式和 失效機理也各異，但由于疲勞、磨損、腐蝕而導(dǎo)致的失效 在整個機械產(chǎn)品失效中所占比例超過80%，因此機械可靠性 定量設(shè)計也往往針對這三種失效機理進行分析計算。 4、機械產(chǎn)品可靠性的度量參數(shù) 機械產(chǎn)品一般可分為整機（或稱系統(tǒng)）和零部件 l 度量產(chǎn)品可靠性的參數(shù) 可靠度 失效率 累積失效概率 平均壽命 平均故障間隔時間 可靠壽命 可靠壽命 l 機械產(chǎn)品最常用的可靠性度量參數(shù)就是可靠度、壽命或可 靠壽命以及MTBF

10、 4、機械產(chǎn)品可靠性的度量參數(shù) (1)可靠度：(Reliability) 用隨機變量T表示產(chǎn)品從開始工作到發(fā)生失效或故障的 壽命，概率密度函數(shù)為f(t) N tn N tnN tR )( 1 )( )( 用統(tǒng)計方法：若有N個相同的產(chǎn)品同時投入試驗，經(jīng) 歷時間后有n(t)件產(chǎn)品失效。 失效概率為： N tn tRtF )( )(1)( 可靠度為： t ttftTPtRd)()()( 4、機械產(chǎn)品可靠性的度量參數(shù) (2) 失效率 若定義：為平均失效率 則： 為失效率 例：100件產(chǎn)品，實驗10小時2件失效。再觀測1小時，發(fā)現(xiàn)有1 件失效 若實驗到50小時時共有10件失效。再觀測1小時，也發(fā)現(xiàn)有1件

11、 失效，這時 ttnN tn t )( )( )( dttF tdF t N tn N tn t N t t N t )(1 ( )( )( 1 )( 0 lim)( 0 lim)( 98 1 1)2100( 1 )10( 90 1 1)10100( 1 )50( 4、機械產(chǎn)品可靠性的度量參數(shù) 顯然有： 失效率曲線（也稱浴盤曲線） 早期失效期偶然失效期 耗損失效期 t 適于電產(chǎn)品適于機械產(chǎn)品 tt tRtdR tR dtt 00 )(ln)( )( 1 )( dttR tdR dttR tRd dttF tFd t )( )( )( )(1 ( )(1 ( )( )( )(t 通過維修來降 低

12、失效率 磨合期有效壽命 4、機械產(chǎn)品可靠性的度量參數(shù) （3) 平均壽命 l 不可修產(chǎn)品為平均無故障時間MTTF (Mean Time To Failure) l 可修產(chǎn)品為平均故障間隔時間MTBF(Mean Time Between Failure) l 電子產(chǎn)品失效率基本為常數(shù)，相當于壽命服從指數(shù)分布， 則平均壽命的計算公式為 n i i t n t 1 1 /1t 4、機械產(chǎn)品可靠性的度量參數(shù) )(tR )(tF )(tf )(t )(tR )(1tF t ttfd)( t tt e 0 d)( )(tF )(1tR t ttf 0 d)( t tt e 0 d)( 1 )(tf t tR

13、 d )(d t tF d )(d t tt et 0 d)( )( )(t )(ln d d tR t t tF tFd )(d )(1 1 t ttf tf d)( )( 基本函數(shù) l 失效率為常數(shù)時，相當于壽命服從指數(shù)分布 l 機械產(chǎn)品的失效率不是常數(shù) 4、機械產(chǎn)品可靠性的度量參數(shù) (1)可靠度 機械產(chǎn)品可靠度與載荷、環(huán)境、失效機理等密切相關(guān) 失效影響可靠度 造成重大后果0.999991 損失重大0.999 一般損失0.99 影響較小0.9 基本無影響，可更換0.9 l 對故障引起不同后果的零部件和系統(tǒng)，應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品的設(shè) 計壽命選用不同的可靠度 l 關(guān)鍵零件可靠度取高值 4、機械產(chǎn)品可靠性

14、的度量參數(shù) (2)壽命 l任何機械產(chǎn)品均有使用壽命問題，例如汽車的設(shè)計壽命 一般為50萬公里，飛機的設(shè)計壽命為60000飛行小時。 l在現(xiàn)代設(shè)計中，一般采用等壽命設(shè)計方法，因此其壽命 本質(zhì)上取決于關(guān)鍵零部件的壽命。 l對機械零部件而言，大多是不可修復(fù)的，如果出現(xiàn)失效， 在維修時一般給予更換。所以設(shè)計機械零件，不但要確 保其可靠度，更為重要的是使其設(shè)計壽命達到要求。 4、機械產(chǎn)品可靠性的度量參數(shù) (3)可靠壽命 l可靠度為給定值R時的工作壽命。例如軸承常采用可靠 度為0.9時的壽命作為可靠性度量參數(shù)(額定壽命)。 l可靠壽命一般通過統(tǒng)計試驗確定，其觀測值是能完成規(guī) 定功能的產(chǎn)品的比例恰好等于給定

15、可靠度時所對應(yīng)的時 間。 例如，對例如，對100個產(chǎn)品進行壽命試驗，指定可靠度個產(chǎn)品進行壽命試驗，指定可靠度R=0.9， 若當?shù)谌舢數(shù)?0個產(chǎn)品發(fā)生失效時的時間為個產(chǎn)品發(fā)生失效時的時間為250小時，則可靠度小時，則可靠度 為為0.9的可靠壽命約為的可靠壽命約為250小時。小時。 4、機械產(chǎn)品可靠性的度量參數(shù) (4)平均故障間隔時間/里程（MTBF） l平均故障間隔時間/里程常用于機械產(chǎn)品整機或系統(tǒng)可靠 性的度量 lMTBF本質(zhì)上是一種基于統(tǒng)計的可靠性度量參數(shù)，可以 反映產(chǎn)品的可靠性水平 l但對機械系統(tǒng)而言，由于各組成零部件的失效率非恒定， 只能借助大量統(tǒng)計或試驗數(shù)據(jù)才能確定 5、機械可靠性設(shè)計

16、分析主要步驟 可靠性從何入手？可靠性從何入手？ 故障故障/ /失效失效 預(yù)防預(yù)防發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn) 驗證驗證糾正糾正 從故障入手從故障入手 可靠性工程的四大重點可靠性工程的四大重點 驗證故障驗證故障 預(yù)防故障預(yù)防故障 糾正故障糾正故障 發(fā)現(xiàn)故障發(fā)現(xiàn)故障 可靠性模型可靠性模型 可靠性預(yù)計可靠性預(yù)計 可靠性分配可靠性分配 設(shè)計準則設(shè)計準則 FMECA FTA 元器件控制元器件控制 有限元分析有限元分析 耐久性分析耐久性分析 可靠性評審可靠性評審 可靠性增長可靠性增長 試驗試驗 環(huán)境應(yīng)力篩選環(huán)境應(yīng)力篩選 FRACAS 利用傳統(tǒng)學(xué)科利用傳統(tǒng)學(xué)科 糾正故障實現(xiàn)糾正故障實現(xiàn) 五歸零五歸零 可靠性研制可靠性研制 試驗

17、試驗 壽命試驗壽命試驗 可靠性鑒定可靠性鑒定 試驗試驗 可靠性驗收可靠性驗收 試驗試驗 機械可靠性可靠性設(shè)計步驟機械可靠性可靠性設(shè)計步驟 根據(jù)應(yīng)力和強度都是隨機變量根據(jù)應(yīng)力和強度都是隨機變量實際使用和工作環(huán)境實際使用和工作環(huán)境 下零件所受的應(yīng)力的諸參數(shù)是隨機變量，實際的零件強度也下零件所受的應(yīng)力的諸參數(shù)是隨機變量，實際的零件強度也 是隨機變量；構(gòu)造一統(tǒng)一計量使之為應(yīng)力和強度的函數(shù)，建是隨機變量；構(gòu)造一統(tǒng)一計量使之為應(yīng)力和強度的函數(shù)，建 立計量與可靠性之間的函數(shù)關(guān)系，計算可靠度，一般的設(shè)計立計量與可靠性之間的函數(shù)關(guān)系，計算可靠度，一般的設(shè)計 分分14步。步。 （1）分析任務(wù)概貌和確定設(shè)計的問題。

18、）分析任務(wù)概貌和確定設(shè)計的問題。 如果要設(shè)計一個常用零件，如軸，則設(shè)計任務(wù)簡單明確：如果要設(shè)計一個常用零件，如軸，則設(shè)計任務(wù)簡單明確： 確定軸的危險面的直徑。如果要設(shè)計一個復(fù)雜系統(tǒng)，就必須確定軸的危險面的直徑。如果要設(shè)計一個復(fù)雜系統(tǒng)，就必須 進行任務(wù)概貌和環(huán)境概貌的分析。例如。某航天飛機的任務(wù)進行任務(wù)概貌和環(huán)境概貌的分析。例如。某航天飛機的任務(wù) 概貌和環(huán)境概貌如圖，在此基礎(chǔ)上確定各子系統(tǒng)的可靠度指概貌和環(huán)境概貌如圖，在此基礎(chǔ)上確定各子系統(tǒng)的可靠度指 標。標。 （2）確定有關(guān)設(shè)計變量和參數(shù)）確定有關(guān)設(shè)計變量和參數(shù) （3）進行失效模式、影響及危害分析）進行失效模式、影響及危害分析 （4）確定零件的

19、失效模式是對立的還是相關(guān)的。）確定零件的失效模式是對立的還是相關(guān)的。 如果所有的零件的失效模式都是相互對立的，亦即一種如果所有的零件的失效模式都是相互對立的，亦即一種 失效模式對其它失效模式無影響，那么在計算一種失效模式失效模式對其它失效模式無影響，那么在計算一種失效模式 下的應(yīng)力和強度時，不需考慮所有其它失效模式的影響；否下的應(yīng)力和強度時，不需考慮所有其它失效模式的影響；否 則，對于受到影響的強度和應(yīng)力應(yīng)進行修正。則，對于受到影響的強度和應(yīng)力應(yīng)進行修正。 （5）確定有關(guān)的每種失效模式的判據(jù)，比如）確定有關(guān)的每種失效模式的判據(jù)，比如 l 最大正應(yīng)力最大正應(yīng)力 l 最大剪應(yīng)力最大剪應(yīng)力 l 最大

20、變形能最大變形能 l 最大應(yīng)變能最大應(yīng)變能 l 最大應(yīng)變最大應(yīng)變 l 最大變形最大變形 l 疲勞情況下的變形能疲勞情況下的變形能 l 最大許用腐蝕量最大許用腐蝕量 l 最大許用磨損最大許用磨損 l 最大振幅最大振幅 （6）確定應(yīng)力分布函數(shù)。）確定應(yīng)力分布函數(shù)。 對每一種失效模式都必須確定載荷、尺寸、溫度、時間、對每一種失效模式都必須確定載荷、尺寸、溫度、時間、 物理的性質(zhì)，使用和工作環(huán)境條件等設(shè)計變量和參數(shù)之間的物理的性質(zhì)，使用和工作環(huán)境條件等設(shè)計變量和參數(shù)之間的 函數(shù)關(guān)系，從而得到應(yīng)力函數(shù)。函數(shù)關(guān)系，從而得到應(yīng)力函數(shù)。 （7）確定每一種失效模式對應(yīng)的應(yīng)力分布。）確定每一種失效模式對應(yīng)的應(yīng)力分

21、布。 根據(jù)根據(jù)FMEA、FTA所確定的重要和致命的失效模式，按所確定的重要和致命的失效模式，按 上述過程確定應(yīng)力分布。上述過程確定應(yīng)力分布。 （8）確定強度分布。）確定強度分布。 對于確定的失效模式來說，強度應(yīng)該是失效時的應(yīng)力，對于確定的失效模式來說，強度應(yīng)該是失效時的應(yīng)力， 一旦應(yīng)力超過強度，就會導(dǎo)致該失效模式的發(fā)生。失效發(fā)生一旦應(yīng)力超過強度，就會導(dǎo)致該失效模式的發(fā)生。失效發(fā)生 的概率就是可靠度。通常得到的是材料的強度數(shù)據(jù)，要通過的概率就是可靠度。通常得到的是材料的強度數(shù)據(jù)，要通過 修正得到零件的強度數(shù)據(jù)。修正得到零件的強度數(shù)據(jù)。 （9）確定每一失效對應(yīng)的強度分布。）確定每一失效對應(yīng)的強度分

22、布。 將材料強度數(shù)據(jù)和修正系數(shù)綜合起來就得到零件的強度將材料強度數(shù)據(jù)和修正系數(shù)綜合起來就得到零件的強度 分布。分布。 （10）確定與每一失效模式的可靠度。）確定與每一失效模式的可靠度。 對于零件每一失效模式應(yīng)計算其可靠度。而有時有多種對于零件每一失效模式應(yīng)計算其可靠度。而有時有多種 失效模式，要分別計算。失效模式，要分別計算。 （11）確定同時考慮所有致命失效模式的零件可靠度。大多）確定同時考慮所有致命失效模式的零件可靠度。大多 是串聯(lián)模型。是串聯(lián)模型。 （12）對所有關(guān)重件重復(fù)以上步驟，求出各自的可靠度。）對所有關(guān)重件重復(fù)以上步驟，求出各自的可靠度。 （13）根據(jù)零件的可靠度計算部件、分系統(tǒng)

23、和系統(tǒng)的可靠度。）根據(jù)零件的可靠度計算部件、分系統(tǒng)和系統(tǒng)的可靠度。 （14）如有必要，對整個設(shè)計的下列內(nèi)容進行優(yōu)化。）如有必要，對整個設(shè)計的下列內(nèi)容進行優(yōu)化。 包括：性能、可靠性、維修性、安全性、費用、重量、包括：性能、可靠性、維修性、安全性、費用、重量、 體積、操作性等體積、操作性等 機械可靠性常用算法機械可靠性常用算法 、對于零件、對于零件 干涉模型、功能函數(shù)的零件。干涉模型、功能函數(shù)的零件。 l正態(tài)、對數(shù)正態(tài)、指數(shù)，矩法、正態(tài)、對數(shù)正態(tài)、指數(shù)，矩法、JC法。法。 l威布爾分布，數(shù)值積分威布爾分布，數(shù)值積分 2、系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)可靠性 蒙特卡羅抽樣、串并聯(lián)模型（考慮相關(guān)性）、簡化公式蒙特卡羅抽樣、串并聯(lián)模型（考慮相關(guān)性）、簡化公式 對于彈箭類產(chǎn)品，根據(jù)鏈式模型，可得到系統(tǒng)可靠度計對于彈箭類產(chǎn)品，根據(jù)鏈式模型，可得到系統(tǒng)可靠度計 算得近似公式：算得近似公式： 注：對于不符合正態(tài)分布，可采用等效正態(tài)，進行轉(zhuǎn)化。注：對于不符合正態(tài)分布，可采用等效正態(tài)，進行轉(zhuǎn)化。 n i i n PP 1 ) 1( 11 隨機變量變異系數(shù)的確定隨機變量變異系數(shù)的確定 基本概念基本概念 1、基本可靠性、基本可靠性 basic reliability 產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，規(guī)定的時間內(nèi)，無故障工作的能力。產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，規(guī)定的時