机械可靠性设计教材

《机械可靠性设计教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械可靠性设计教材（101页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、机械可靠性设计,机械可靠性设计,机械可靠性设计,第一章 机械可靠性设计概述,第二章 机械可靠性设计基础,第三章 可靠性设计基本方法,第四章 机械系统的可靠性分析,第五章 机械系统的故障分析,第六章 机械零件的疲劳强度可靠度分析,机械可靠性设计概述1,可靠性设计概述,可靠性是衡量产品质量的一项重要指标。,可靠性长期以来是人们设计制造产品时的一个追求目标。,但是将可靠性作为设计制造中的定量指标的历史却还不长，相关技术也尚不成熟，工作也不普及。,一、可靠性发展简史,第二次世界大战：可靠性问题突出的时期；,上世纪五十年代：开始系统地进行可靠性研究，主要的工作是由美国军事部门展开。,1952年，美国军事

2、部门、工业部门和有关学术部门联合成立了“电子设备可靠性咨询组”AGREE小组。（Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment）,1957年提出了电子设备可靠性报告(AGREE报告)该报告首次比较完整地阐述了可靠性的理论与研究方向。从此，可靠性工程研究的方向才大体确定下来。,概述2,机械可靠性设计概述,除美国以外，还有前苏联、日本、英国、法国、意大利等一些国家，也相继从50年代末或60年代初开始了有组织地进行可靠性的研究工作。,在上世纪60年代后期，美国约40的大学设置了可靠性工程课程。目前美国等发达国家的可靠性工作比较成熟，其标志性

3、的成果是阿波罗登月计划的成功。,本阶段工作的特点： 研究的问题较多集中于针对电器产品； 确定可靠性工作的规范、大纲和标准； 组织学术交流等。,国内的可靠性工作起步较晚，上世纪50年代末和60年代初在原电子工业部的内部期刊有介绍国外可靠性工作的报道。,发展最快的时期是上世纪80年代初期，出版了大量的可靠性工作专著、 国家制定了一批可靠性工作的标准、各学校由大量的人投入可靠性的研究。,概述3,但国内的可靠性工作曾在90年代初落入低谷，在这方面开展工作的人很少，学术成果也平平。主要的原因是可靠性工作很难做，出成果较慢。,许多工业部门将可靠性工作列在了重要的地位。如原航空工业部明确规定，凡是新设计的产

4、品或改型的产品，必须提供可靠性评估与分析报告才能进行验收和鉴定。,但在近些年，可靠性工作有些升温，这次升温的动力主要来源于企业对 产品质量的重视，比较理智。,目前国内的可靠性工作仍在一个低水平上徘徊，研究的成果多，实用的方法少；研究力量分散，缺乏长期规划；学术界较混乱，这与我国在科研方面的一些政策以及科研人员的主观思想有关,机械可靠性设计概述,概述4,二、常规设计与可靠性设计,常规设计中，经验性的成分较多，如基于安全系数的设计。,常规设计可通过下式体现：,计算中，F、l、E、slim等各物理量均视为确定性变量，安全系数则是一个经验性很强的系数。,上式给出的结论是：若ss则安全；反之则不安全。,

5、应该说，上述观点不够严谨。首先，设计中的许多物理量明是随机变量；基于前一个观点，当s s时，未必一定安全，可能因随机数的存在而仍有不安全的可能性。,在常规设计中，代入的变量是随机变量的一个样本值或统计量，如均值。按概率的观点，当= 时， ss的概率为50%，即可靠度为50%，或失效的概率为50%，这是很不安全的。,机械可靠性设计概述,概述5,概率设计就是要在原常规设计的计算中引入随机变量和概率运算，并给出满足强度条件（安全）的概率可靠度。,机械可靠性设计是常规设计方法的进一步发展和深化，它更为科学地计及了各设计变量之间的关系，是高等机械设计重要的内容之一。,显然有必要在设计之中引入概率的观点，

6、这就是概率设计，是可靠性设计的重要内容。,机械可靠性设计概述,概述6,三、可靠性工作的意义,可靠性是产品质量的一项重要指标。,重要关键产品的可靠性问题突出，如航空航天产品；,量大面广的产品，可靠性与经济性密切相关，如洗衣机等；,高可靠性的产品，市场的竞争力强；,四、可靠性学科的内容,可靠性基础理论：数学、失效物理学(疲劳、磨损、蠕变机理）等；,可靠性工程：可靠性分析、设计、试验、使用与维护等；,可靠性管理：可靠性规划、评审、标准、指标及可靠性增长；,固有可靠性：由设计所决定的产品固有的可靠性；,使用可靠性：在特定的使用条件下产品体现出的可靠性；,机械可靠性设计概述,概述7,五、可靠性工作的特点

7、,可靠性是涉及多种科学技术的新兴交叉学科，涉及数学、失效物理学、设计方法与方法学、实验技术、人机工程、环境工程、维修技术、生产管理、计算机技术等；,可靠性工作周期长、耗资大，非几个人、某一个部门可以做好的，需全行业通力协作、长期工作；,目前，可靠性理论不尽成熟，基础差、需发展。,与其他产品相比机械产品的可靠性技术有以下特点：,因设计安全系数较大而掩盖了矛盾，机械可靠性技术落后；,机械产品的失效形式多，可靠性问题复杂；,机械产品的实验周期长、耗资大、实验结果的可参考性差；,机械系统的逻辑关系不清晰，串、并联关系容易混淆；,机械可靠性设计概述,机械可靠性设计基础1,机械可靠性设计基础,一、可靠性定

8、义与指标,、可靠性定义,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。,可靠性：(Reliability),维修性：(Maintainability),可维修的产品在某时刻具有或维持规定功能的能力。,有效性：(Availability),有效性广义可靠性（狭义）可靠性维修性,在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法完成维 修的能力。,它包括四个方面的要素： ）研究对象：产品即为可靠性的研究对象。它可以是系统，也可以是整机、部件、还可是组件、元件、零件等。 ）规定的条件。环境、动力、工件条件、负荷条件、储存条件、使用条件等。不同的条件下，产品的可靠性不同。 ）规定的时间。时间是表

9、达产品可靠性的基本因素。对于一批产品，若无限制的使用下去，必将全部失效，也就是说，它们的失效率是。 ）规定的功能。它指产品的各项技术指标。（见书面。） 固有可靠性和使用可靠性的不同意义： 固有可靠性指的是产品在设计、生产中已经确定的可靠性，它是产品内在的可靠性。与产品的制造、设计与生产有关。,机械可靠性设计基础,机械可靠性设计基础,使用可靠性是指产品在使用中的可靠性，它与产品的运输、储藏、保管及使用过程中的操作水平、维修和环境等因素有关。 具体的内容： ）可靠性设计。主要是对生产方案、制造过程使用维护的设计。 ）可靠性分析。主要指失效分析。 ）可靠性数学。使用数理统计的方法进行的研究。 具有的

10、特点： （见书本面。）,基础2,、可靠性指标,机械可靠性设计基础, 可靠度：(Reliability),产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。,记为：R() 即：R()=P,其中：T为产品的寿命；为规定的时间；,事件有下列三个含义： 产品在时间内完成规定的功能； 产品在时间内无故障； 产品的寿命大于。,若有N个相同的产品同时投入试验，经历时间后有n(t)件产品 失效，则产品的可靠度为：,失效概率为：,基础3,机械可靠性设计基础, 失效率,例：若有100件产品，实验10小时已有2件失效。此时观测1小时，发现有1件失效，这时,若实验到50小时时共有10件失效。再观测1小时，也发现有

11、1件失效，这时,基础3-2,机械可靠性设计基础,显然有：,失效率曲线（也称浴盘曲线）,基础4,机械可靠性设计基础, 平均寿命, 对于不可修产品为平均无故障时间MTTF (Mean Time To Failure),对于可修产品为平均故障间隔时间MTBF (Mean Time Between Failure), 维修度,在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法完成维 修的概率。(M(t), 有效度,平均维修时间：MTTR(Mean Time To Repair),可以维修的产品在某时刻具有或维持规定功能的概率。,基础5,二、概率论的基本概念,、 随机事件与事件间的关系,机械可靠性设计基础

12、,随机事件“不可预言的事件”,、事件或事件发生的事件,、事件与事件同时发生的事件,、 频率与概率,做次实验，随机事件共发生次，则：,随机事件出现的频率为：,随机事件出现的概率为：,基础6,、概率运算,机械可靠性设计基础,P(AB)=P(B)P(AB) =P(A)P(BA),若P(A B)=P(A)，则A与B相互独立，且P(AB)=P(A)P(B),P(A+B)=P(A)+P(B)P(AB),若P(AB)=，则A与B互不相容，且P(AB)=P(A)P(B),二、概率分布与数字特征,、概率分布,基础7,机械可靠性设计基础,、数字特征, 均值(期望),反映随机变量取值集中的位置，常用或E(x)表示。

13、,定义：,在可靠性设计中，E(x)可表示平均强度、平均应力、平均寿命,在常规设计中引入的物理量，多数就是E(x)。,基础8,机械可靠性设计基础, 方差,衡量随机变量取值的分散程度，用D(x)、2表示。,定义：,标准差、均方差,基础9,机械可靠性设计基础, 变异系数,C是一个无量纲的量，表示了随机变量的相对分散程度。,基础10,机械可靠性设计基础, 偏度（Skewness Sk),Sk = 0 对称分布,Sk 0 正偏分布,Sk 0 负偏分布,基础11,机械可靠性设计基础,三、可靠性分析中的常用分布,、 指数分布,概率密度函数：,累积分布函数：,若xt（寿命），则t指数分布，反映了偶然因素导致失

14、效的规律。,平均寿命 E(t)=/l（MTBF)， l为失效率。,指数分布常用于描述电子产品的失效规律，由于l为常数，指数 分布不适于描述按耗损规律失效的问题，机械零件的失效常属于这一 类型。,基础11-例,机械可靠性设计基础,关于指数分布的讨论,相关公式：,上述推导表明，若产品的寿命服从指数分布，则表明该产品是“永远年轻” 的。,P(AB)=P(B)P(AB) =P(A)P(BA),基础12,机械可靠性设计基础,、正态分布（高斯分布）,概率密度函数：,累积分布函数：,为均值,为方差,分布形态为对称分布,基础13,机械可靠性设计基础,当， 时，为标准正态分布。,3 准则： 超过距均值3距离的可

15、能性 太小，认为几乎不可能（或靠得 住）。,若：L=F300.06mmN(,),则： 30mm, =0.063=0.02mm,自然界和工程中许多物理量服从正态分布，可靠性分析中，强度 极限、尺寸公差、硬度等已被证明是服从正态分布。,例,例,有一个钢制结构件，据实验有sBN(m，s)， 均值msB =400MPa， 变异系数c=0.08。,求： smax =300MPa时，结构件的失效概率？ 要求可靠度R=0.9977时， smax = ？。,解： PF=P(sB smax )= P(sB 300), PF1R=10.99770.0023,基础14,机械可靠性设计基础,、对数正态分布,可记为：,概率密度函数为：,大量的疲劳失效规律服从对数正态分布，如疲劳寿命的分布。,基础15,机械可靠性设计基础,、威布尔分布（Weibull）,形状参数；,尺度参数；,x0位置参数；,形状参数不同的影响,基础16,机械可靠性设计基础,尺寸参数不同的影响,位置参数不同的影响,基础17,机械可靠性设计基础,威布尔分布的数字特征,式中：()为Gamma函数，,威布尔分布是一簇分布，适应性很广。因源于对结构疲劳规律的分析，因而是在机械可靠性设计中生命力最强的分布。,滚动轴承的寿命L服从二参数的威布尔分布，,其中：=1.5(ISO/R286),基础18,机械可靠性设计基础,目前国家标准中采用下列方法计及滚