機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)8

機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)原理1Evaluation

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Aspose.Slides蘇f州or大.學(xué)N城ET市3軌.道5交C通li學(xué)e院nt鞠Pr華ofiCopyright

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Ltd.機(jī)械產(chǎn)品可靠性的特點(diǎn)2

機(jī)械產(chǎn)品的失效主要是耗損型失效（例如疲勞、老化、磨損、腐蝕和強(qiáng)度退化等），而電子產(chǎn)品的失效主要是由于偶然因素造成的。機(jī)械產(chǎn)品的失效模式很多，甚至同一零部件有多種重要的失

機(jī)械產(chǎn)品的組成零部件多是非標(biāo)準(zhǔn)件，其失效統(tǒng)計(jì)值分散，造成失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)困難，象電子產(chǎn)品那樣預(yù)計(jì)其失效率很困難

機(jī)械產(chǎn)品的不同失效模式之間往往是相關(guān)的，在進(jìn)行可靠性分析時(shí)需要考慮失效模式相關(guān)性。

耗損型失效的失效率隨Ev時(shí)a間lu增a長(zhǎng)ti，o所n

以on機(jī)l械y.產(chǎn)品的失效率隨時(shí)間的變化一般不是恒定值，符合這一特性的分布有正態(tài)分ed

w布it、h威A布sp爾o分se布.、Sl對(duì)i數(shù)de正s態(tài)f分o布r

和.N極E值T

分3.布5等C。lient

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Ltd.機(jī)械產(chǎn)品可靠性工作的特點(diǎn)3?

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或FMEA方法確定產(chǎn)品的可靠性關(guān)鍵件和重要件及其相應(yīng)的失效模式，然后針對(duì)其主要失效模式進(jìn)

行概率設(shè)計(jì)，如靜強(qiáng)度概率設(shè)計(jì)、疲勞和斷裂概率設(shè)計(jì)、磨損和腐蝕概率分析設(shè)計(jì)等，確保關(guān)鍵件和重要件的可

靠性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。注意產(chǎn)品的維修性和使用操作問(wèn)題。

強(qiáng)調(diào)根據(jù)以往的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)制定可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則并指導(dǎo)機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)。結(jié)合失效模式分析提出適于某機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，供該產(chǎn)品研制設(shè)計(jì)時(shí)E使v用al。uation

only.ed?w注it重h

失As效po模se式.分Sl析id，e以s

f防o止r

出.N現(xiàn)ET失3效.5為C設(shè)li計(jì)e宗nt旨P。rofi對(duì)可靠C性op關(guān)yr鍵i件gh和t重20要04件-進(jìn)20行11概A率sp設(shè)o計(jì)se

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Ltd.機(jī)械產(chǎn)品可靠性工作特點(diǎn)4的失效信息對(duì)于復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品由于體積大、成本高、費(fèi)用在產(chǎn)品研制過(guò)程中重視可靠性試驗(yàn)對(duì)保證產(chǎn)品可靠性的作用必要時(shí)需進(jìn)行現(xiàn)E場(chǎng)va可lu靠a性ti試on驗(yàn)o，nl或y收.集使用現(xiàn)場(chǎng)ed

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Profi高等C原op因yr不i能gh進(jìn)t行20可04靠-性20試11驗(yàn)A，sp這o時(shí)se可P采ty用L較td低.層次（子系統(tǒng)、部件、組件或零件）的可靠性試驗(yàn)，然后綜合試驗(yàn)結(jié)果、應(yīng)力分析結(jié)果和類似產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)及產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)使用的情況，對(duì)其可靠性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。應(yīng)力-強(qiáng)度分布干涉理論5

應(yīng)力-強(qiáng)度分布干涉理論是以應(yīng)力-強(qiáng)度分布干涉模型為基礎(chǔ)的，該模型可清楚地揭示機(jī)械

零件產(chǎn)生故障而E有va一lu定a故ti障on率on的ly原.因和機(jī)械ed

w強(qiáng)it度h

A可sp靠os性e.設(shè)S計(jì)li的de本s

f質(zhì)or。.NET

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應(yīng)力：Co產(chǎn)py品ri的gh工t

作20值04，-2如01應(yīng)1

A力s、po壓se力Pt、y

力Lt、d.載荷、變形量、磨損量、溫度等，常用s表示。

強(qiáng)度：產(chǎn)品能承受這些工作值的能力，用δ表示。應(yīng)力—強(qiáng)度干涉理論6δ

>

s

機(jī)械產(chǎn)品的可靠度可以說(shuō)成是機(jī)械產(chǎn)品的強(qiáng)度大于施加于該產(chǎn)品的應(yīng)力的概率。

在機(jī)械產(chǎn)品中，零件（部件）是正常還是失效決定于強(qiáng)度和應(yīng)力的關(guān)系。當(dāng)零件（部件）的強(qiáng)度大于應(yīng)力時(shí)，其能夠正常工作；當(dāng)零件（部件）E的va強(qiáng)l度ua小t于io應(yīng)n力o時(shí)nl，y其.發(fā)生失效。ed

with?A因s此po，s要e.求S零li件d（es部件fo）r在.規(guī)NE定T的3條.5件C下l和ie規(guī)n定t

的Pr時(shí)ofi間C內(nèi)op能y夠r承ig載h，t

必20須0滿4-足2以01下1條A件spose

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Ltd.涉模型。在應(yīng)力——強(qiáng)度干涉模型理論中，根據(jù)可靠度的定義，強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率可表示為實(shí)際工程中的應(yīng)力和強(qiáng)度都是呈分布狀態(tài)的隨機(jī)變量，把應(yīng)力和強(qiáng)度的分布在同一坐標(biāo)系中表示零件的強(qiáng)度值與應(yīng)力值的離散性，使應(yīng)力-強(qiáng)度兩概率密度函數(shù)曲線在一定的條件下可能相交，這個(gè)相交的區(qū)域就是產(chǎn)品或零件可能出現(xiàn)故障的區(qū)域，稱為干涉區(qū)。這種根據(jù)應(yīng)力和強(qiáng)E度va干l涉ua情t況io，n計(jì)o算nl干y涉.區(qū)內(nèi)強(qiáng)度小于7ed

wit應(yīng)h

力As的p概os率e（.S失l效id概e率s

）fo的r模.型N型E，T稱3.為5應(yīng)C力li—e—nt強(qiáng)P度r干ofiCopyright

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Ltd.應(yīng)力－強(qiáng)度干涉模型（1）、如圖中所示的相交的區(qū)域，即干涉區(qū)域，就是產(chǎn)品可能發(fā)生故障的區(qū)域。Evaluation

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Profi（2)、在安Co全p系yr數(shù)i大gh于t12004-2011

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Ltd.的情況下仍然會(huì)存在一定的不可靠度。8材料機(jī)械性能統(tǒng)計(jì)和概率分布載荷統(tǒng)計(jì)和概率分布應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力統(tǒng)計(jì)和概率分布強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)和概率分布幾何尺寸分布和其他隨機(jī)因素機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)過(guò)程框圖9Evaluation

only.強(qiáng)度計(jì)算ed

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Ltd.下面要解決的三個(gè)問(wèn)題10

1）知道了零件的應(yīng)力和強(qiáng)度的分布后，如何求零件的可靠度。2）一般的安全系Ev數(shù)al與ua可ti靠on度o意nl義y.下的安全系

ed

w數(shù)it的h

A區(qū)sp別os。e.Slides

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Profi3）一C般op機(jī)yr械ig零ht件2設(shè)00計(jì)4-的20可11靠A度sp設(shè)os計(jì)e

P？ty

Ltd.問(wèn)題一、知道了應(yīng)力和強(qiáng)度的分布，求零件的可靠度特殊情況（公式法）：1）應(yīng)力和強(qiáng)度均為正態(tài)分布時(shí)的可靠性計(jì)算當(dāng)應(yīng)力S和強(qiáng)度δ均為正態(tài)分布時(shí)，則它們的差也是正態(tài)分布，且有不可靠度為：Evaluation

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Ltd.化成標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，令則當(dāng)y＝0時(shí)可靠度為Evaluation

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Ltd.令靠性因數(shù)或可靠性指標(biāo)。13將應(yīng)力分布參數(shù)、強(qiáng)度Ev分a布lu參a數(shù)ti和o可n靠on度l三y.者聯(lián)系起來(lái)了，ed

w故i稱th為A聯(lián)s結(jié)po方s程e.，S它li是d可es靠f性o設(shè)r

計(jì).N的E基T

本3.公5式C，lizeR稱nt為P可rofiCopyright

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Ltd.討論當(dāng)強(qiáng)度均值大于應(yīng)力的均值時(shí)，方差越大，可靠度越小。14Evaluation

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with當(dāng)強(qiáng)A度s和p應(yīng)os力e的.均S值l相i等d時(shí)e，s可f靠o度r等.于N0.E5

T

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Ltd.2）當(dāng)應(yīng)力和強(qiáng)度均為對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)可靠性計(jì)算設(shè)隨機(jī)變量s和δ服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，即它們對(duì)數(shù)lns和lnδ服從正態(tài)分布，它們的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為：正態(tài)分布下的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別是變量S和δ的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，Eval分u別a是tilnos和nlonδn的l均y值.和標(biāo)準(zhǔn)差，即15ed

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Profi則他們之Co間py具r有ig下ht列2關(guān)00系4：-2011

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Ltd.當(dāng)應(yīng)力和強(qiáng)度均為對(duì)數(shù)狀態(tài)分布時(shí)，有：知道了服從正態(tài)分布的的均值標(biāo)準(zhǔn)差為Evaluation

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w則it變h量Ays的po均s值e.和S標(biāo)li準(zhǔn)d差e分s

別fo為r：.NET

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Ltd.和正態(tài)分布一樣，化成標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。令則17則有Evaluation

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Ltd.例題例1：已知汽車某零件的工作應(yīng)力及材料強(qiáng)度均為正態(tài)分布，且應(yīng)力的均值μs=380MPa,標(biāo)準(zhǔn)差σs=42MPa，材料強(qiáng)度的均值為

850MPa,標(biāo)準(zhǔn)差為81MPa。試確定零件的可靠度。另一批零件由于熱處理不佳及環(huán)境溫度的較大變化，使零件強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差增大至120MPa.問(wèn)其可靠度又如何？查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布值，得R=0.999

999

9.18Evaluation

only.ed解w：it利h用A聯(lián)sp結(jié)o方se程.Slides

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Ltd.例題1當(dāng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差增大到120MPa時(shí)，Evaluation

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Profi查標(biāo)準(zhǔn)正C態(tài)o分py布r值ig，h得t

R2=000.949-928091.1

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Ltd.192、概率密度函數(shù)聯(lián)合積分法（一般情況）上述兩事件相互獨(dú)立，同時(shí)發(fā)生的概率應(yīng)當(dāng)是它們的積：即應(yīng)力落在小區(qū)間

ds內(nèi)的可靠度為dR應(yīng)力s0處于ds區(qū)間內(nèi)的概率為Evaluation

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Ltd.20同理還可以推出另一個(gè)對(duì)稱的公式應(yīng)力落在小區(qū)間ds內(nèi)的可靠度dR為：Evaluation

only.ed應(yīng)w力it落h在A整sp個(gè)o區(qū)se間.（Sl－i∞d，es＋f∞o）r

的.N概E率T

R3為.5

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Ltd.21例：當(dāng)應(yīng)力和強(qiáng)度均為指數(shù)分布時(shí)Evaluation

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Ltd.22由于指數(shù)分布的強(qiáng)度和應(yīng)力的均值分別為Evaluation

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with所A以sp可os靠e.度S為li：des

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Ltd.23問(wèn)題二：可靠性安全系數(shù)（1)傳統(tǒng)的安全系數(shù)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)以安全系數(shù)確定構(gòu)件的尺寸，僅僅以強(qiáng)度均值與應(yīng)力均值之比作為安E全v系al數(shù)u，a忽ti視o了n

強(qiáng)on度l的y.波動(dòng)(σδ的變化)ed以wi及t應(yīng)h力As的p波o動(dòng)se.(σSsl的id變e化s)f，o這r種.N設(shè)E計(jì)T不3.能5確C切l(wèi)地ie反n映t

結(jié)Pr構(gòu)ofi的可靠性。Copyright

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Ltd.24（2）可靠度安全系數(shù)這樣，零件失效的概率為0.13％×0.13％＝1.69×10-5概率設(shè)計(jì)條件下的安全系數(shù)n為：（在一定可靠度下）25最小的強(qiáng)度δmin與最大的應(yīng)力Smax之比，即Evaluation

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wi用th最A(yù)小s強(qiáng)po度s與e.最S大lides

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Profi應(yīng)力之比表Co示p安yr全i系gh數(shù)t

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Ltd.假定當(dāng)應(yīng)力和強(qiáng)度均為正態(tài)分布,方差相等,且n=1時(shí),有Evaluation

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Ltd.26δR可靠度意義下的安全系數(shù)例，當(dāng)27時(shí)則在強(qiáng)度和應(yīng)力的可靠Ev度a分lu別a為tRio和nRso時(shí)nl的y安.全系數(shù)n

，ed

w稱it為h可A靠sp度o意se義.下Sl的i安de全s系f數(shù)or，.用N下ET式3表.示5：Client

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Ltd.例1 在結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，已知強(qiáng)度與應(yīng)力均服從正態(tài)分布，二批材料強(qiáng)度的均值都為μδ

=500OOMPa。由于材料內(nèi)在質(zhì)量有所差別，強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差不同，分別為 =1000MPa

和12000Mpa，二批材料應(yīng)力的均值為μS=300O0MPa,應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差均為σs

=3000MPa。請(qǐng)分別計(jì)算平均安全系數(shù)和可靠度。解：平均安全系數(shù)為：可靠度為：Evaluation

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Ltd.例2 某汽車零件，其強(qiáng)度和應(yīng)力均服從正態(tài)分布，強(qiáng)度的均=350N/mm2、σδ=30

N/mm2，應(yīng)力的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為:值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為:=310

N/mm2、σS=10

N/mm2，試計(jì)算該零件的安全系數(shù)、可靠度和“3σ”可靠度意義下的安全系數(shù)?解：(1)依照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)E的va方l法ua，t其io安n全o系n數(shù)ly應(yīng).當(dāng)為29ed

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Ltd.(2)如果該零件按照概率設(shè)計(jì)方法，則計(jì)算可靠度得到（3）“R3σ”可靠性含義下的安全系數(shù)：Evaluation

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Ltd.30問(wèn)題三：零件的可靠度設(shè)計(jì)機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的基本原理和方法就在于如何把應(yīng)力分布、強(qiáng)度分布和可靠度在概率的意義下聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)成一種設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)。零件設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度和應(yīng)力分布材料的靜強(qiáng)度分布試驗(yàn)證明，一般材料E的v強(qiáng)al度u極at限i、o屈n

服on極l限y.、延伸率和硬度等均符合正態(tài)分布?？刹楸淼玫?。ed?wi應(yīng)t力h分A布spose.Slides

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Profi取決于力Co和p尺yr寸i的gh分t布2004-2011

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Ltd.一般認(rèn)為，力為正態(tài)分布，均值和方差由試驗(yàn)確定而尺寸也為正態(tài)分布，均值與公稱尺寸相同，標(biāo)準(zhǔn)差為公差Δ的1/3,即：（以上假設(shè)與事實(shí)基本相符，略偏安全）31（2）一般函數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值例：實(shí)心圓桿拉伸應(yīng)力寬度，t為齒輪厚度32公式中的力F、尺寸r、h、b、t都是隨機(jī)變量，如果知道了這些變量的分布或統(tǒng)計(jì)特征值，如何求得應(yīng)力s的特征值？?一般將強(qiáng)度和應(yīng)力都近似為正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，這樣關(guān)鍵是求它們的均值和標(biāo)準(zhǔn)差齒輪齒根的彎曲應(yīng)Ev力aluation

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Profi式中：CFo為py力r，igr為ht圓2桿0半04徑-，20h1為1齒A輪s高po度s，e

bP為ty齒L輪td.

已知各隨機(jī)變量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，求隨機(jī)變量函數(shù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差的方法主要有泰勒展開法、變異系數(shù)法E、va基lu本a函ti數(shù)on法on等ly。.ed

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Ltd.33基本函數(shù)形式的統(tǒng)計(jì)特征值函數(shù)期望標(biāo)準(zhǔn)差Evaluation

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Ltd.34根據(jù)零件的可靠度設(shè)計(jì)零件(計(jì)算零件主要尺寸）零件設(shè)計(jì)的一般過(guò)程是先按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)（確定尺寸），再檢驗(yàn)可靠度，但也有相反的情況。例如：設(shè)有圓形拉桿，已知Ev受a載lu荷a均ti值o和n

標(biāo)on準(zhǔn)l差y.為35ed

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Profi材料的Co拉p伸yr強(qiáng)i度gh的t均2值00和4標(biāo)-2準(zhǔn)0差11為Aspose

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Lt，d.求在可靠度R＝0.99條件下的最小半徑的