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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,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,凡是新设计的产品或改
4、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坚定。,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。,我认为,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,低水平的文章随处可见,高水平的成果无人过问,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。,应该说,上
5、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,这就是概率
6、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,可靠性是
7、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、可靠性定义与指标,
8、、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。,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
9、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 Betw
10、een 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,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
11、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。,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
12、,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
13、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),
14、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
15、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动轴承的可靠度,其中,L10为基本额定寿命(可靠度为90%),Ln为可靠度R=1-n%的轴承寿命,a1为轴承的可靠性系数,其值按下表取:,关于a1的推导:,基础19,机械可靠性设计基础,例:已知某轴承L106000小时,求R=94%、95.5%时的寿命,以及Ln=3000小时时的可靠度。,解:R=94%时,,当R=95.5%时,,Ln=3000小时时,,基础20,机械可靠性设计基础,四、可靠性分析分布的确定,实际应用中,多为引用理论分布,在引用分布时应考虑:,、物理意义 电产品多用指数分布、疲劳寿命用对数正态分布,建议机械产品多用威布尔分布。,、统计检验易通过 威布尔分布最易通过检验。,、计算简便 正态分布最方便。,分布确定的途径:引用理论分布、建立特殊的分布。,应特别注意积累可靠性数据!,可靠性设计基本方法1,可靠性设计基本方法,一、应力强度干涉理论(模型),、基本概念,若应力s和强度r均为随机变量,则z=r-s也为随机变量。,产品要可靠,需满足: z=r-s 0,