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1、机械可靠性设计机械可靠性设计 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 第七章 其他可靠性设计方法 参考书目 第一章 可靠性设计概述 一 可靠性发展简史 二 常规设计与可靠性设计 三 可靠性工作的意义 四 可靠性学科的内容 五 可靠性工作的特点 六 机械可靠性设计发展 概述1 可靠性设计概述 可靠性是衡量产品质量 性能指标 专门特性 适应性 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
2、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 上世纪30 40年代 特别是第二次世界大战 可靠性问题突出的时期 这一时期 因战争的需要 武器装备大量研制和投入使用 其特点是新 技术多 研制周期短 产品生产量大和使用环境恶劣 有报导 二战期间美军在远东战区的飞机 有60 未使用就出现了故障 有70 的战舰也在战前有故障出现 故障主要出现在电子设备中 针对此类现象 人们开始注意和研究 为什么同一设计 同一工厂 同 一工艺的产品 在使用中会有如此的差别 这里就有了 概率 的问题 这就 是 可靠 与 不可靠 的问题 最早德国科技人员在V 1火箭研制中提出可靠性
3、理论 概述2 可靠性设计概述 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 这是第一个专门从事可靠性研究的学术组织 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 之后 美国各部门相继成立了可靠性工作机构 制定了有关工作大纲和 标准 高等学校开设了相关课程 民
4、间有了学术团体和学术交流 可以说 美国是开展可靠性工作最早 并处于领先地位的国家 概述3 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 其标志性的成果是阿波罗登月计划 的成功 本阶段工作的特点 E 研究的问题较多集中于针对电器产品 E 确定可靠性工作的规范 大纲和标准 E 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
5、道 70年代开始非电子设备可 靠性研究 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4 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 如工程机械 国内的可靠性工作仍在一个低水平上徘徊 研究的
6、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 低水平的文章随处可见 也有较高水平的成果 但无人过问 机械可靠性设计概述 近年国家中长期发展规划及高新技术研究发展技术中将可靠性技术列入 今后将得到不断地重视和加强 机械可靠性设计概述 机械可靠性发展历程 概述5 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s s 则安全 反之则不安全 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
7、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 若代 入的是均值m 按概率的观点 当m m 时 s s 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6 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 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
8、概述7 三 可靠性工作的意义 E 重要关键产品的可靠性问题突出 如航空航天产品 E 量大面广的产品 可靠性与经济性密切相关 如洗衣机等 E 高可靠性的产品 市场的竞争力强 四 可靠性学科的内容 E 可靠性基础理论 数学 失效物理学 疲劳 磨损 蠕变机理 等 E 可靠性工程 可靠性分析 设计 试验 使用与维护等 E 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 由设计制造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 E 系统日益庞大和应用环境复杂 影响可靠性安全性的风险因素增加 概述8 五 可靠性工作的特点 C 可靠性是涉及多
9、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 C 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 C 目前 可靠性理论不尽成熟 基础差 需发展 可靠性技术的门类和领域 C 针对电器产品的电产品可靠性问题 C 针对机械产品机械可靠性问题 C 针对结构的结构可靠性问题 建筑结构 桥梁 飞机结构和船舶等 机械可靠性设计概述 C 软件的可靠性问题 概述9 与其他产品相比 机械产品的可靠性技术有以下特点 C 因设计安全系数较大而掩盖了矛盾 机械可靠性技术落后 C 机械产品的载荷历
10、程复杂 失效形式多 可靠性问题复杂 C 机械产品的实验周期长 耗资大 实验结果的可参考性差 C 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 C 传统 二态 零件 正常和失效 假设把问题过分简化 C 可靠性设计与优化设计密切相关 优化设计的产品 必须做 可靠性评估 C 可靠性设计的对象应该是经过优化设计的产品 六 机械可靠性设计的发展 C 集成性 C 传统可靠性设计方法的改进 难以收集大样本统计数据 设备失效分布是一种有限假设 二值假设和有限状态假设难以准确描述机械设备实际失效过程 实现预知维修困难 难以实时在线评估设备的运行可靠性 C 规范性 可靠性大纲 机械可靠性设计
11、概述 基于PDM 的机械产品性能与可靠性综合设计分析平台 第二章 第二章 机械可靠性设计基础 一 可靠性定义与指标 二 概率论的基本概念 三 概率分布与数字特征 四 可靠性分析中的常用分布 五 可靠性分析中分布的确定 基础1 机械可靠性设计基础 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 失效 故障 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 可用性 Availability 可用性 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 一 可靠性定义与
12、指标 摘自GB3187 1982 可靠性名词术语及定义 还有测试性 运输性 保障性 可信性等更为广义的概念 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 t 即 R t P T t 其中 T为产品的寿命 t为规定的时间 事件 T t 有下列三个含义 产品在时间t内完成规定的功能 产品在时间t内无故障 产品的寿命T大于t 若有N个相同的产品同时投入试验 经历时间t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 失效概率密度 失效密度 若定义 为平均失效密度 则 为失效密度
13、 显然有 基础4 机械可靠性设计基础 失效率 若定义 为平均失效率 则 为失效率 显然有 基础5 机械可靠性设计基础 注意l t 与f t 的区别 失效率l t 是在时刻t还未失效的零件中的每一个在下一个单位时 间内发生失效的概率 反映了失效的速率 例 若有N 100件产品 实验到t 100小时已有2件失效 此时观测5小 时 发现有1件失效 这时 若实验到t 1000小时时共有51件失效 再观测5小时 也发现有1 件失效 这时 失效密度f t 是在时刻t周围的单位时间内发生失效的概率 反映 了某一时刻失效的密度 基础6 机械可靠性设计基础 失效率曲线 也称浴盘曲线 跑合期正常工作期 耗损期 t
14、 l t 适于电产品 适于机械产品 我们希望 在任一时刻 未来的失效数与还在工作的产品数之 比越小越好 失效率l t 可以反映出这一点 而f t 则不能 基础7 R t F t f t l t R t 1 F t F t 1 R t f t l t 机械可靠性设计基础 l t f t F t R t 之间是相通的 都是描述了产品寿命t取值的统 计规律 只是各自的概念着重描述的侧面不同而已 因而其用途不一样 基础8 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 F 对于可修产品为平均故障间隔时间MTBF Mean Time Bet
15、ween Failure 或TBO Time Between Overhaul 若产品的寿命服从指数分布 则 当n趋于无穷大时 平均寿命为产品故障时间这一随机变量的数学 期望 均值 即 基础9 机械可靠性设计基础 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 修复率 t 可以维修的产品在某时刻具有或维持规定功能的概率 此外 还有可靠寿命 首次翻修期限 首翻期 翻修间隔时 间 贮存时间等可靠性的相关概念 基础10 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 随机事件
16、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n次 则 随机事件 出现的频率为 随机事件 出现的概率为 基础12 3 条件概率与运算 机械可靠性设计基础 有一批零件共100件 经检验共有5件不合格 其中有3件次品 2件废品 在100件中任抽1件 抽到废品的概率是多少 若以抽到1 件是不合格品 这件不合格品为废品的概率是多少 设A表示抽到废品的事件 B表示抽到不合格品的事件 则 P A 2 100 0 02 P A B 2 5 0 4 P A P A B 2 100 0 02 P B 5 100 0 05 P A B P A B P B 0 02 0 05 0 4 基础13 4 概率运算 机械可靠性设计基础 C P AB P B P A B P A P B A 若P A B P A 则A与B相互独立 且P AB P A P B C P A B P A P B P AB 若P AB 则A与B互不相容 且P A B P A P B 应用时要注意以下概念 以上两式都是有条件的 不相容事件 与 独立事件 是两个不同的概念 不相容事
