機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)第一章緒論

機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)第一章緒論學(xué)習(xí)目的:

掌握可靠性的定義和特征量；了解可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)容、特點(diǎn)與方法等。第一節(jié)可靠性的研究歷史第二節(jié)可靠性研究的重要性及其意義

第三節(jié)可靠性的定義和特征量（本章重點(diǎn)）第四節(jié)機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)容、特點(diǎn)與方法

第三節(jié)可靠性的定義和特征量

（一）定義可靠性：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。產(chǎn)品：作為單獨(dú)研究和分別試驗(yàn)對(duì)象的任何元件、零件、部件、設(shè)備與機(jī)組等，有時(shí)甚至包括人。規(guī)定的條件：指使用條件、維護(hù)條件、環(huán)境條件與操作技術(shù)等，如溫度、壓力、濕度等等。這些條件必須在使用說(shuō)明書(shū)中加以規(guī)定，這是判斷產(chǎn)品發(fā)生故障時(shí)有關(guān)責(zé)任的關(guān)鍵。規(guī)定的時(shí)間：可靠度是隨時(shí)間而降低的，產(chǎn)品只能在一定的時(shí)間內(nèi)才能達(dá)到目標(biāo)可靠度。因此，對(duì)時(shí)間的規(guī)定一定要明確。這里說(shuō)的“時(shí)間”是泛指，除了日歷時(shí)間，還包括與時(shí)間成正比的次數(shù)與距離等。規(guī)定的功能：必須要明確規(guī)定產(chǎn)品的功能。產(chǎn)品失效或發(fā)生故障與否要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定。能力：具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，需要用概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)處理。第三節(jié)可靠性的定義和特征量

（二）特征量1.可靠度：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率?？煽啃裕寒a(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力?？煽慷纫话阌肦表示，因是時(shí)間的函數(shù)，故也記為R(t)，稱(chēng)為可靠度函數(shù)?？煽慷鹊臄?shù)學(xué)表達(dá)如果用隨機(jī)變量T表示產(chǎn)品從開(kāi)始工作到發(fā)生失效或故障的時(shí)間（即為產(chǎn)品的壽命），概率密度函數(shù)為f(t)，則該產(chǎn)品在某已指定時(shí)刻t的可靠度為：

可靠度R(t)的觀(guān)測(cè)值

可靠度R(t)的觀(guān)測(cè)值

任務(wù)可靠度規(guī)定的時(shí)間起點(diǎn)不為零（t1

不等于0）的可靠度，如已經(jīng)工作t1時(shí)間后再繼續(xù)工作t2時(shí)間的可靠度，稱(chēng)為任務(wù)可靠度。由條件概率可知：任務(wù)可靠度的觀(guān)測(cè)值為：2.失效概率：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)未完成規(guī)定功能（即發(fā)生失效）的概率，也稱(chēng)為不可靠度。一般記為F或F(t)。根據(jù)概率互補(bǔ)定理有：失效概率的觀(guān)測(cè)值表示為：3.失效率：工作到某時(shí)刻尚未失效的產(chǎn)品，在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率。失效率一般記為，為時(shí)間的函數(shù)。失效率反映的是t時(shí)刻產(chǎn)品失效的速率，也叫做瞬時(shí)失效率。

失效率的觀(guān)測(cè)值是在某時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)失效的產(chǎn)品數(shù)與工作到該時(shí)刻尚未失效的產(chǎn)品數(shù)之比，即：

平均失效率：在某一規(guī)定時(shí)間內(nèi)失效率的平均值。例如，在(t1,t2)內(nèi)失效率的平均值為：4.平均壽命：即壽命的平均值，對(duì)于不可修復(fù)產(chǎn)品指失效前的平均時(shí)間，對(duì)于可修復(fù)產(chǎn)品則指平均無(wú)故障工作時(shí)間。若以T表示無(wú)故障時(shí)間，則平均壽命為：對(duì)于完全樣本，即所有試驗(yàn)樣品都觀(guān)測(cè)到發(fā)生失效或故障時(shí)，平均壽命的觀(guān)測(cè)值即為它們的算術(shù)平均值：5.可靠壽命：是指定的可靠度所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，一般記為t(R)。式中，R-1(R)為R的反函數(shù)，即由R(t)=R來(lái)反求t。一般情況下，可靠度隨工作時(shí)間t的增加而下降。給定不同的R，則有不同的t(R)，即：6.中位壽命：為當(dāng)指定R=0.5，即R(t)=F(t)=0.5時(shí)的壽命，一般表示為，t0.5或t(0.5)。7.失效率曲線(xiàn)：失效率曲線(xiàn)（浴盆曲線(xiàn)）反映產(chǎn)品總體整個(gè)壽命期失效的情況。主要由三段曲線(xiàn)組成，對(duì)應(yīng)于產(chǎn)品的三個(gè)不同失效時(shí)期：早期失效期、偶然失效期與耗損失效期。（1）早期失效期特點(diǎn)：產(chǎn)品在開(kāi)始使用時(shí)，失效率很高，但隨著產(chǎn)品工作時(shí)間的增加，失效率逐漸降低，失效率屬于遞減型——DFR(decreasingfailurerate)主要原因：主要是由于設(shè)計(jì)、原料和制造過(guò)程中的缺陷造成的?？s短措施：產(chǎn)品應(yīng)在投入運(yùn)行前進(jìn)行試運(yùn)行，以便及早發(fā)現(xiàn)、修正和排除缺陷；或通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行篩選，剔除不合格產(chǎn)品，以便改善其技術(shù)狀況。（2）偶然失效期（隨機(jī)失效期）特點(diǎn)：這一時(shí)期的特點(diǎn)是失效率較低，且較穩(wěn)定，可以近似看作常數(shù)，失效率屬于恒定型——CFR(constantfailurerate)。這一時(shí)期是產(chǎn)品的良好使用階段，人們總是希望延長(zhǎng)這一時(shí)期，即希望在容許的費(fèi)用內(nèi)延長(zhǎng)使用壽命。主要原因：由多種而又不太嚴(yán)重的偶然因素引起的，通常是產(chǎn)品設(shè)計(jì)余度不夠，造成產(chǎn)品隨機(jī)失效。（3）耗損失效期特點(diǎn)：這一時(shí)期產(chǎn)品的失效率隨時(shí)間延長(zhǎng)而急速增加，產(chǎn)品的失效率屬于遞增型——DFR(increasingfailurerate)主要原因：到了這一階段，大部分產(chǎn)品都要開(kāi)始失效，其失效是由帶全局性的原因造成的，說(shuō)明產(chǎn)品損傷已經(jīng)嚴(yán)重，壽命即將終止。第四節(jié)機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)容、特點(diǎn)和方法1.4.1機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn)（1）以應(yīng)力和強(qiáng)度為隨機(jī)變量作為出發(fā)點(diǎn)。（2）應(yīng)用概率和統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析與求解。（3）能定量地回答產(chǎn)品的失效概率和可靠度。（4）有多種可靠性指標(biāo)供選擇。（5）強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品可靠性的主導(dǎo)作用。（6）必須考慮環(huán)境的影響。（7）必須考慮維修性。（8）從整體、系統(tǒng)的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)。（9）承認(rèn)在設(shè)計(jì)期間及其以后都需要可靠性增長(zhǎng)。1.4.2機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容（1）研究產(chǎn)品的故障物理和故障模型。（2）確定產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)及其等級(jí)。（3）可靠性預(yù)測(cè)。（4）合理分配產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)值。（5）以規(guī)定的可靠性指標(biāo)值為依據(jù)對(duì)零件進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。1.4.3機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的方法現(xiàn)代復(fù)雜而昂貴的零件和系統(tǒng)的可靠性要求很高，必須要保證把規(guī)定的目標(biāo)可靠度設(shè)計(jì)到零件中去，從而設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中去。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的主要方法有：概率設(shè)計(jì)法故障樹(shù)分析法（FTA）影響及危害性分析法（FMECA）1.4.4機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的步驟（1）提出設(shè)計(jì)任務(wù)，規(guī)定詳細(xì)指標(biāo)；（2）確定有關(guān)的設(shè)計(jì)變量及參數(shù)；（3）失效模式、影響及危害度分析（FMECA）；（4）確定零件的失效模式是否相互獨(dú)立；（5）確定失效模式的判據(jù)；（6）得出應(yīng)力公式；（7）確定每種失效模式下的應(yīng)力分布；（8）確定強(qiáng)度計(jì)算公式；（9）確定每種失效模式下的強(qiáng)度分布；（10）確定每種致命失效模式下與應(yīng)力分布和強(qiáng)度分布相

關(guān)的可靠度；（11）確定零件的可靠度；（12）確定零件可靠度的置信水平；（13）求出關(guān)鍵零部件、子系統(tǒng)和整個(gè)系統(tǒng)的可靠度；（14）必要時(shí)可對(duì)某些設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。1.4.5機(jī)械可靠性定性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（1）簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：在滿(mǎn)足預(yù)訂功能的前提下，機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)力求簡(jiǎn)單、零部件的數(shù)量應(yīng)盡可能減少，越簡(jiǎn)單越可靠是可靠性設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則，也是減少故障提高可靠性的最有效方法。（2）模塊化、組件化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：盡量采用模塊化、通用化設(shè)計(jì)方案，優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)件，提高互換性。（3）降額設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：降額設(shè)計(jì)是使零部件的使用應(yīng)力低于其額定應(yīng)力的一種設(shè)計(jì)方法，可以有效降低故障率，提高可靠性。（4）合理選材準(zhǔn)則（5）冗余設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（6）耐環(huán)境設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（7）失效安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（8）防錯(cuò)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（9）維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（10）人機(jī)工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則本章習(xí)題習(xí)題1-4

（教材P17）:

某零件工作到50h時(shí)，還有100個(gè)仍在正常工作，工作到51h時(shí)，失效了1個(gè)，在第52h內(nèi)失效了3個(gè)，試求這批零件工作滿(mǎn)50h和51h時(shí)的失效率。習(xí)題1-4

解答:

根據(jù)失效率的觀(guān)測(cè)值公式（教材P7公式1-9）有：由題意知，工作滿(mǎn)50h還有100個(gè)