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1、目 录第1章 绪论31.1研究可靠性的重要意义31.2可靠性研究发展概况31.3机构可靠性研究发展概况51.4 本文研究工作8第2章 机械零件及机构失效分析92.1失效分析与机械产品可靠性的关系92.2机械零件失效形式及诊断102.2.1失效形式的分类102.2.2失效形式的诊断102.3机械零件失效原因概述112.3.1零件的服役条件112.3.1.1受力状况112.3.1.2工作环境132.3.2设计、制造与零件失效142.3.2.1设计与零件失效142.3.2.2材料、制造工艺与零件失效142.3.3使用、维修与零件失效152.4 机构失效模式152.4.1 过量弹性变形失效162.4.
2、1.1特征及判断162.4.1.2防止措施172.4.2 屈服失效172.4.2.1特征及判断182.4.2.2过载压痕损伤屈服失效的一种特殊形式182.4.2.3防止和改进措施182.4.3塑性断裂失效182.4.3.1特征及判断192.4.3.2改进措施192.4.4 脆性断裂失效202.4.4.1特征及判断202.4.4.2防止和改进措施202.4.5 疲劳断裂失效212.4.5.1疲劳失效行为特征212.4.5.2提高疲劳抗力的措施242.4.6 腐蚀疲劳失效242.4.6.1腐蚀疲劳损伤242.4.6.2提高机构元件腐蚀疲劳抗力的措施242.4.7 磨损失效252.5 小结25第3章
3、 机构可靠性分析方法263.1 机构可靠性分析的基本过程263.2 机构元件可靠性分析的基本方法263.2.1 内力-强度干涉模型263.2.2均值一次二阶矩法FOSM27第4章 冲击载荷作用下机构屈服强度数学模型304.1问题的提出304.2冲击载荷与应变率314.3高应变率下材料力学性能324.4基于塑性分析概念的材料承载能力形状因子334.5冲击载荷作用下机构屈服强度计算模型354.6总结35第5章 插拔机构动作可靠性研究375.1插拔机构结构375.2插拔机构工作过程385.3插拔机构运动学分析405.3.1位置分析405.3.2速度和加速度分析425.3.2.1四连杆机构速度和加速度
4、425.3.2.2弹簧角速度和角加速度435.3.2.3 弹簧内筒伸缩速度和加速度分析445.4插拔机构动力学分析445.4.1未绕过死点445.4.2绕过死点465.4.3 修正数学模型475.5液压阻尼器分析475.5.1液压阻尼器所受冲击力分析485.5.2液压阻尼器运动分析495.5.2.1振动微分方程495.5.2.2液压阻尼力505.5.2.3运动分析525.5.2.4影响因素525.5.2.5参数设计535.6插拔机构可靠性分析545.6.1导向插销强度可靠性545.6.1.1确定导向插销根部的应力分布545.6.1.2 确定导向插销材料在高应变率下的强度分布555.6.1.3计
5、算导向插销的强度可靠度565.6.2闭启活门动作可靠性565.7 插拔机构可靠性试验575.7.1试验台设计575.7.1.1等效质量和撞击初速度计算575.7.1.2 可靠性试验动力学分析计算585.7.2加速度585.7.3可靠性试验595.8总结605.8.1理论研究605.8.2方法研究605.8.3 试验研究60参考文献62第1章 绪论1.1研究可靠性的重要意义随着科学技术的发展，产品质量的含义也在不断地扩充。以前产品的质量主要指产品的性能，即产品出厂时的质量，而现在产品的质量已不仅仅局限于产品性能这一指标。目前，产品质量的定义是:满足使用要求所具备的特性，即适用性1。这表明产品的质
6、量首先是指产品的某种特性，这种特性反映着用户的需求。概括起来产品质量特性包括:性能、可靠性、经济性和安全性四个方面。性能是产品的技术指标，是出厂时()产品应具有的质量特性。显然，能出厂的产品就应满足性能指标；可靠性是产品出厂后()所表现出来的一种质量特性，是产品性能的延伸和扩展；经济性是在确定的性能和可靠性水平下的总成本，包括购置成本和使用成本两部分；安全性则是产品在流通和使用过程中保证安全的程度。在上述产品质量特性所包含的四个方面中，可靠性占主导地位2。性能差，产品实际上是废品；性能好，也并不能保证产品的可靠性水平高。反之，可靠性水平高的产品在使用中不但能保证其性能的实现，而且故障发生的次数
7、少，维修费用及因故障造成的损失也少，安全性也随之提高。由此可见，产品的可靠性是产品质量的核心，是生产厂家和用户努力追求的目标。在我国加人WTO之后，我国的经济要与国际接轨。我国的企业将参与国际市场的竞争，进人国际经济的大循环圈，这是经济发展的必然趋势。用户不仅要求产品性能好，更重要的是要求产品的可靠性水平高，这是产品占领市场的关键。美国人曾预言:今后只有那些具有高可靠性指标的产品及其企业，才能在日益激烈的国际贸易竞争中幸存下来。而日本人则断言:今后产品竞争的焦点是可靠性3。因此，产品的质量尤其是产品的动态质量(可靠性)就显得尤为重要。1.2可靠性研究发展概况可靠性学科从诞生至今已有50多年的历
8、史。形成这门学科的起源就是因为传统的质量分析方法无法解释实际中出现的失效问题。二战期间，美国空军由于飞机故障事故而损失的飞机多达21000架，比被击落的还多1.5倍。运往远东的作战飞机上的电子设备经运输后有60%不能使用，在储存期间有50%失效，而在使用中失效率更高，而且难以维护。这些事实引起了美国军方对可靠性问题的高度重视，于1952年在成立了可靠性问题研究委员会的基础上，建立了政府的职能管理部门，即国防部电子设备可靠性顾问团，简称AGREE (Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment)。AGREE于1957年发表了著名的电子
9、设备可靠性报告。这个报告较完整地阐述了研制及生产过程中对产品的可靠性指标进行试验、验证和鉴定的方法，提出了电子产品在生产、包装、运输、储备等方面需要注意的问题和要求等，这个报告被公认为是电子产品可靠性理论和方法的奠基性文件。从此，可靠性学科逐渐发展成为一门独立的学科。机械可靠性是可靠性学科的一个重要组成部分。A.M.Freudenthal教授是早期从事结构可靠性研究的代表人物之一。1947年他在文献4中，提出了用于构件静强度可靠性设计的应力-强度干涉模型，利用该模型可以进行构件的可靠性设计。此后，他在结构可靠性与风险率的分析以及疲劳与断裂的研究等方面一直处于领先地位，发表了很多具有代表性的论著
10、5-8。文献9-10对结构可靠性设计与应用方面做了比较全面的论述。尽管影响机械设备和系统可靠性的因素太多，难以控制，而且产品的批数量较少，试验费用较大，从事可靠性研究的学者仍通过大量的工作，如文献11、12给出了常用应力、强度分布的各种组合下可靠性的计算公式，并对一些难于解析的可靠性计算公式给出了数表，供设计时使用。E.B.Haugen13创造了统计代数运算，为可靠性设计的应用奠定了理论基础。1975年，E.B.Haugen等14在Machine Design杂志上连续发表关于机械可靠性设计理论及应用方面的论文，列举了很多应用实例。疲劳破坏是机械零件的主要失效形式之一，据统计约有80%的零件失
11、效都是疲劳破坏，因此对疲劳问题的研究受到广泛重视。从60年代开始，F.B.Stulen15，D.Kececioglu16，和A.M.Freudenthal7，将应力-强度干涉模型用于疲劳强度的可靠性设计中。在70年代前后，D.Kececioglu，E.B.Haugen等人提出了一整套基于干涉模型的疲劳强度可靠性设计方法17-19，并在工程上得到广泛的应用。1980年，E.B.Haugen出版了比较全面的概率机械设计专著20。可以说，在20世纪70年代，除了计算机和环境科学之外，可靠性、安全性和风险估计是发展较快的应用科学之一。美国70年代将可靠性技术引入汽车、发电设备、拖拉机和发电机等机械产品
12、中。80年代，美国Rome航空发展中心专门作了一次非电子设备可靠性应用情况的调查分析，指出了非电子设备的可靠性设计非常困难。美国国防部可靠性分析中心(RAC)收集和出版了非电子零部件的可靠性数据手册。日本以民用产品为主，大力推进机械可靠性的应用研究，主要强调实用，大大地促进了日本的机电产品的可靠性水平的提高。前苏联对机械可靠性的研究十分重视，在其20年的科技规划中，将提高机械产品的可靠性和寿命作为重点任务之一，并制定了很多以机械产品为主的国家标准，用以推进可靠性技术的应用。80年代，我国开始重视机械可靠性的研究。从1986年起，原机电部已经发布了6批限期考核的机电产品可靠性指标的清单，前后共有
13、879种产品已经进行了可靠性指标的考核。在进行机械零件的可靠性设计时，强度分布的确定是非常重要的。强度数据的获得需要投入大量的人力、物力和财力，特别是疲劳强度的分布数据更是如此。对这项基础性工作，各国都非常重视，我国投入了大量的人力和经费，花费了几年的时间，获得了一批非常珍贵的疲劳试验数据，并经统计处理后给出了分布的统计参数供设计时使用21，22。在美国，D.Kececioglu等学者给出了指定应力下疲劳寿命的分布，并做了大量的材料试验23。日本材料学会1984年出版了可靠性论文集，其中大部分都是报道关于金属材料及粉末冶金等材料的疲劳和断裂试验数据及统计处理结果。1.3机构可靠性研究发展概况广
14、义的机械可靠性包括结构可靠性和机构可靠性两大方面。结构可靠性的研究略迟于电子可靠性的研究，开始于60年代，到80年代已形成了比较系统的理论和方法。目前，结构可靠性的研究工作主要涉及到结构系统主要失效模式的确定和提高失效模式失效概率的计算精度等问题。美国的A.H.S Ang和Fred Moses、丹麦的Ditievesen、和我国的冯元生和赵国藩等等在这方面均作出了杰出贡献。机构可靠性是机械可靠性中的一大新的分支，与结构和机械刚、强度可靠性问题不同之处在于，它侧重于研究运动副或机构系统在规定的条件下和规定的时间内，完成预定运动功能(轨迹、速度、精度、定位、性态等)的能力。与结构可靠性相比，机构可
15、靠性的研究起步较晚，从70年代末期才开始研究，到80年代才有了一些基础。到目前为止，关于机构可靠性方面的研究文献还相对较少。机构可靠性涉及的内容相当广泛，冯元生、羊妗等24，25根据机构的特点和机构可能失效的类别，在提出了一种机构失效模式的初步分类框架。在机构中，磨损问题最为突出，据统计在一般机械中， 由于机构中运动副零件的磨损失效约为总失效比例的,30%-80%。飞机操纵机构、螺旋桨中的铰链接头、减速器的轴和轴瓦等等都有大量的因磨损失效而引起事故的实例。这种情况促使人们最早对机构磨损的可靠性问题开展了研究。前苏联学者于1978-1979年最早开创了机构磨损可靠性研究的先河，对机构磨损的理论、实验以及应用统计方面的问题开展了研究。1998年任和等26在冯元生建立的磨损失效极限状态方程的基础上，提出了磨损模糊可靠性分析模型，并应用于运八飞机货舱门锁机构的可靠性计算之中。在机构可靠性中，关于机构运动精度的可靠性问题亦是人们较早关注的专题之一，迄今为止这方面的研究文献相对较多些。最早
