机械可靠性概述(1)讲解

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1、机械产品可靠性概述 l机械产品可靠性的定义 在规定的使用条件和规定时间内，机械产品完成 规定功能的能力。 l按应用对象分类 (1)结构可靠性 考虑结构疲劳、磨损、断裂等强度失效问题。 (2)机构可靠性 考虑机构在运动过程中，由于变形、磨损等引 起的功 能失效。 1、概述 l机械可靠性设计方法 (1)定性设计方法 成功的设计经验或失败的经验教训，有针对 性地应用到设计中，避免故障或设计缺陷。 (2)定量设计方法 概率设计法以应力强度干涉模型和功能失 效极限状态函数理论为基础，将应力、强度视为随机 变量，利用概率方法计算出给定设计条件下产品的失 效概率或可靠度，以符合给定的可靠性要求。 1、概述

2、2、机械产品可靠性的特点 性能可靠性 l 确定性 l 可重复 l 真值可测可见 l 应用传统学科知识 l 不确定性/随机性 l 不可重复 l 真值不可测不可见 l 以传统学科知识为基础，考虑 不确定性 2、机械产品可靠性的特点 电子产品机械产品 失效模式比较简单 失效模式比较复杂 失效主要是由偶然因素造 成 失效通常是由于疲劳、老 化、磨损、腐蚀等 ESS剔除早期失效，经济 合理有效的 寿命和可靠性试验一般是 小子样，试验时间较长 ，费用高 失效率接近常数，有标准 手册，可利用国军标 GJB299-或MIL-HBK-217 预计 多是专用件，标准件少， 环境影响严劣，失效率不 是常数 维修主要

3、以更换元器件 为主 修复和更换相结合 2、机械产品可靠性的特点 常规设计概率设计 应力和强度为常量，乘以 各种系数 应力和强度为随机变量 以安全系数进行设计校核 多种指标设计 校核，可 预测失效概率或可靠度 取过大的安全系数往往导 致保守的设计 能得到较小的零件尺寸、 体积和重量，在节省原材 料和降低设计或加工工艺 要求等方面带来效益 从控制参数的均值方面入 手提高可靠性 从控制参数均值和参数标 准差两方面提高可靠性 1）不存在一个综合性的可靠性指标 由于机械产品可靠性设计方法涉及的因素很多，不可 能像传统的设计方法那样用安全系数作为唯一的评价度量 。根据具体情况可以选用如失效率、可靠度、MT

4、BF、维 修度、有用度等作为评价的项目，对设计者来说，必须在 设计开始时，就弄清楚指标的大小。 2、机械产品可靠性的特点 2）可靠性设计强调“把可靠性设计到零件中”。 这个可靠度叫固有可靠度，它是由设计决定的，有 生产保证的。如果设计不当，就不能生产出本质上可靠 的零件；不论工艺水平多高都不能得到高可靠的产品。 实践证明，机械产品的失效主要是由于设计不当造 成的。 3）可靠性设计必须考虑环境因素 环境对应力的影响很大，因而影响可靠性。如高温 、低温、冲击、振动和盐雾等环境条件都是导致产品可 靠性下降的重要原因。研究表明，应力分布尾部对可靠 度的影响较强度尾部的影响大得多，因此对环境质量的 控制

5、比对强度质量的控制重要得多。 4）可靠性设计与维修性设计相结合 可靠性设计赋予产品固有可靠性，而在耗损期中失 效率急剧升高，这时就要通过更换或维修恢复产品的可 靠性，因此维修会使使用可靠性得到恢复。设计时必须 考虑到维修内容。 5）可靠性设计过程是可靠性增长过程 所谓可靠性增长是指随着产品的设计、试制、生产 各阶段的进展，产品可靠性水平逐步提高的过程。因此 ，在不同阶段要对产品的可靠性反复预测，发现问题及 时改进，直到达到要求为止。 6）可靠性设计要贯彻系统工程的观点 从整体出发，全面权衡可靠性设计，切忌“头痛医 头，脚痛医脚”的权宜之计。 7）可靠性设计贯彻人-机工程观点 8）可靠性设计贯彻

6、全寿命周期总费用最优的观点，而 不只是考虑造价。 3、机械产品的主要失效模式 机械产品可靠性设计的根本任务是预防潜在故障及纠正故障 失效类型说明 (1)功能失效 型 操纵失灵、不启动、不工作、卡死等 (2)功能失常 型 压力过高或过低、不到位、转速异常 、功率不足等 (3)损坏损 伤型 断裂、破碎、裂纹、扭曲变形、点蚀 、剥落等 (4)松脱漏堵 型 松动、脱落、漏油、漏水、漏气、堵 塞等 (5)退化变 质型 老化、变质、腐蚀、锈蚀、积碳等 (6)其他类型 与具体产品相关 GJB3554-车辆系统质量与可靠性信息分类和编码要求 3、机械产品的主要失效模式 l强度是机械零件可靠性的最基本要求 强度

7、不足产生的断裂往往引发重大安全事故。 l疲劳、磨损、腐蚀 尽管机械产品种类繁多，不同机械产品的失效模 式和失效机理也各异，但由于疲劳、磨损、腐蚀而导致的 失效在整个机械产品失效中所占比例超过80%，因此机械 可靠性定量设计也往往针对这三种失效机理进行分析计算 。 4、机械产品可靠性的度量参数 机械产品一般可分为整机（或称系统）和零部件 l度量产品可靠性的参数 可靠度 失效率 累积失效概率 平均寿命 平均故障间隔时间 可靠寿命 可靠寿命 l机械产品最常用的可靠性度量参数就是可靠度、寿命或 可靠寿命以及MTBF 4、机械产品可靠性的度量参数 (1)可靠度：(Reliability) 用随机变量T表

8、示产品从开始工作到发生失效或故障的 寿命，概率密度函数为f(t) 用统计方法：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。 失效概率为： 可靠度为： 4、机械产品可靠性的度量参数 (2) 失效率 若定义：为平均失效率 则： 为失效率 例：100件产品，实验10小时2件失效。再观测1小时，发现有1 件失效 若实验到50小时时共有10件失效。再观测1小时，也发现有1件 失效，这时 4、机械产品可靠性的度量参数 显然有： 失效率曲线（也称浴盘曲线） 早期失效期偶然失效期 耗损失效期 t 适于电产品适于机械产品 通过维修来降 低失效率 磨合期有效寿命 4、机械产品可靠性的度量参数

9、 （3) 平均寿命 l 不可修产品为平均无故障时间MTTF (Mean Time To Failure) l 可修产品为平均故障间隔时间MTBF(Mean Time Between Failure) l 电子产品失效率基本为常数，相当于寿命服从指数分布， 则平均寿命的计算公式为 4、机械产品可靠性的度量参数 基本 函数 l 失效率为常数时，相当于寿命服从指数分布 l 机械产品的失效率不是常数 4、机械产品可靠性的度量参数 (1)可靠度 机械产品可靠度与载荷、环境、失效机理等密切相关 失效影响可靠度 造成重大后果0.999991 损失重大0.999 一般损失0.99 影响较小0.9 基本无影响，

10、可更 换 0.9 l 对故障引起不同后果的零部件和系统，应结合产品的设 计寿命选用不同的可靠度 l 关键零件可靠度取高值 4、机械产品可靠性的度量参数 (2)寿命 l任何机械产品均有使用寿命问题，例如汽车的设计 寿命一般为50万公里，飞机的设计寿命为60000飞行小 时。 l在现代设计中，一般采用等寿命设计方法，因此其 寿命本质上取决于关键零部件的寿命。 l对机械零部件而言，大多是不可修复的，如果出现 失效，在维修时一般给予更换。所以设计机械零件， 不但要确保其可靠度，更为重要的是使其设计寿命达 到要求。 4、机械产品可靠性的度量参数 (3)可靠寿命 l可靠度为给定值R时的工作寿命。例如轴承常

11、采用 可靠度为0.9时的寿命作为可靠性度量参数(额定寿命) 。 l可靠寿命一般通过统计试验确定，其观测值是能完 成规定功能的产品的比例恰好等于给定可靠度时所对 应的时间。 例如，对100个产品进行寿命试验，指定可靠 度R=0.9，若当第10个产品发生失效时的时间为250小 时，则可靠度为0.9的可靠寿命约为250小时。 4、机械产品可靠性的度量参数 (4)平均故障间隔时间/里程（MTBF） l平均故障间隔时间/里程常用于机械产品整机或系 统可靠性的度量 lMTBF本质上是一种基于统计的可靠性度量参数， 可以反映产品的可靠性水平 l但对机械系统而言，由于各组成零部件的失效率非 恒定，只能借助大量

12、统计或试验数据才能确定 5、机械可靠性设计分析主要步骤 可靠性从何入手？ 故障/失效 预防发现 验证纠正 从故障入手 可靠性工程的四大重点 验证故障 预防故障 纠正故障 发现故障 可靠性模型 可靠性预计 可靠性分配 设计准则 FMECA FTA 元器件控制 有限元分析 耐久性分析 可靠性评审 可靠性增长 试验 环境应力筛选 FRACAS 利用传统学科 纠正故障实现 五归零 可靠性研制 试验 寿命试验 可靠性鉴定 试验 可靠性验收 试验 机械可靠性可靠性设计步骤 根据应力和强度都是随机变量实际使用和工作 环境下零件所受的应力的诸参数是随机变量，实际的零件 强度也是随机变量；构造一统一计量使之为应

13、力和强度的 函数，建立计量与可靠性之间的函数关系，计算可靠度， 一般的设计分14步。 （1）分析任务概貌和确定设计的问题。 如果要设计一个常用零件，如轴，则设计任务简单 明确：确定轴的危险面的直径。如果要设计一个复杂系 统，就必须进行任务概貌和环境概貌的分析。例如。某 航天飞机的任务概貌和环境概貌如图，在此基础上确定 各子系统的可靠度指标。 （2）确定有关设计变量和参数 （3）进行失效模式、影响及危害分析 （4）确定零件的失效模式是对立的还是相关的。 如果所有的零件的失效模式都是相互对立的，亦即 一种失效模式对其它失效模式无影响，那么在计算一种 失效模式下的应力和强度时，不需考虑所有其它失效模

14、 式的影响；否则，对于受到影响的强度和应力应进行修 正。 （5）确定有关的每种失效模式的判据，比如 l最大正应力 l最大剪应力 l最大变形能 l最大应变能 l最大应变 l最大变形 l疲劳情况下的变形能 l最大许用腐蚀量 l最大许用磨损 l最大振幅 （6）确定应力分布函数。 对每一种失效模式都必须确定载荷、尺寸、温度、 时间、物理的性质，使用和工作环境条件等设计变量和 参数之间的函数关系，从而得到应力函数。 （7）确定每一种失效模式对应的应力分布。 根据FMEA、FTA所确定的重要和致命的失效模式 ，按上述过程确定应力分布。 （8）确定强度分布。 对于确定的失效模式来说，强度应该是失效时的应 力

15、，一旦应力超过强度，就会导致该失效模式的发生。 失效发生的概率就是可靠度。通常得到的是材料的强度 数据，要通过修正得到零件的强度数据。 （9）确定每一失效对应的强度分布。 将材料强度数据和修正系数综合起来就得到零件的 强度分布。 （10）确定与每一失效模式的可靠度。 对于零件每一失效模式应计算其可靠度。而有时有 多种失效模式，要分别计算。 （11）确定同时考虑所有致命失效模式的零件可靠度。 大多是串联模型。 （12）对所有关重件重复以上步骤，求出各自的可靠度 。 （13）根据零件的可靠度计算部件、分系统和系统的可 靠度。 （14）如有必要，对整个设计的下列内容进行优化。 包括：性能、可靠性、维

16、修性、安全性、费用、重 量、体积、操作性等 机械可靠性常用算法 、对于零件 干涉模型、功能函数的零件。 l正态、对数正态、指数，矩法、JC法。 l威布尔分布，数值积分 2、系统可靠性 蒙特卡罗抽样、串并联模型（考虑相关性）、简化 公式 对于弹箭类产品，根据链式模型，可得到系统可靠 度计算得近似公式： 注：对于不符合正态分布，可采用等效正态，进行转化 。 随机变量变异系数的确定 基本概念 1、基本可靠性 basic reliability 产品在规定的条件下，规定的时间内，无故障工作的 能力。基本可靠性反映产品对维修资源的要求。 确定基本可靠性值时，应统计产品的所有寿命单位和 所有的关联故障。 2、任务可靠性 mission reliability 产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。 3、固有可靠性 inherent reliability 设计和制造赋予产品的，