可靠性設計概論1

機械零件可靠性設計本課程的內容可靠性的基本概念：可靠性、維修性與可用性不可修系統(tǒng)的可靠性可修系統(tǒng)的可靠性可靠性的預計可靠性的分配故障樹分析故障模式影響及危害程度分析機械零件的可靠性設計維修性與維修工程簡介第一章可靠性設計概論§1-1概述一、為什么研究可靠性定義：可靠性是產品在規(guī)定的時間內，在規(guī)定的條件下，完成規(guī)定功能的能力。可靠性的定量指標是可靠度，可靠度是產品在規(guī)定的時間內，在規(guī)定的條件下，完成規(guī)定功能的概率。第一章可靠性設計概論一、為什么研究可靠性可靠性概念最早由美國軍用航空部門提出，可靠性問題使美國空軍在二戰(zhàn)中損失巨大。據統(tǒng)計：二戰(zhàn)中美國共損失飛機35000架，其中被擊落的飛機只有14000架，其余為故障損失，損失21000架，當時表現(xiàn)出的主要問題是電子設備的可靠性較差，為此，1952年美國成立電子可靠性咨詢委員會，為可靠性理論和實踐作了大量有效的工作。產品故障影響國家安全與聲譽，可造成巨大經濟損失泰坦尼克號沉沒1979年美國三里島核電站發(fā)生的放射性物質泄漏，是由于冷凝器循環(huán)泵發(fā)生故障和人為因素等造成的1984年12月，美國聯(lián)合炭化物公司設在印度博帕爾的農藥廠，由于地下的氣罐閥門失靈發(fā)生毒氣泄漏事故。1986年1月28日挑戰(zhàn)者號航天飛機升空爆炸（助推器密封圈失效）2013年8月31日10時50分左右位于上海市豐翔路1258號的上海翁牌冷藏實業(yè)有限公司發(fā)生液氨泄漏事故，造成15死25傷7/31/20236經認定液氨泄漏事故的直接原因系公司生產廠房內液氨管路系統(tǒng)管帽脫落，引起液氨泄漏，導致企業(yè)操作人員傷亡。以上事故均表現(xiàn)為機械系統(tǒng)故障二、機械可靠性發(fā)展歷史機械可靠性的研究始于20世紀60年代美國的航天計劃機械和電子故障是美國宇航局主要關心的問題，其中機械故障引起的事故多，損失大。如：1963年同步通訊衛(wèi)星SYMCOMⅠ，高壓容器斷裂，引起衛(wèi)星空中墜毀；1964年人造衛(wèi)星Ⅲ號因機械故障而損壞1965年始，美國宇航局開始三項機械可靠性工作用過載試驗方法進行可靠性試驗驗證用隨機動載荷驗證結構和零件的可靠性在關鍵機械零件中采用概率設計方法，將可靠度設計運用到結構和機械零部件設計中去二、機械可靠性發(fā)展歷史從20世紀70年代起，西方工業(yè)發(fā)達國家全面開展可靠性工程實踐和應用，可靠性技術變得越來越重要從航空、航天、尖端武器和電子等行業(yè)，逐步推廣應用到各個行業(yè)核能、機械、電氣、冶金、化工、鐵道、船舶、電站、建筑、水利、通訊、醫(yī)藥等從宇宙飛船到日用產品全面普及汽車、洗衣機、冰箱、復印機等美國宇航局將可靠性工程技術列為登月成功的三大技術成就之一二、機械可靠性發(fā)展歷史美國上世紀六七十年代就將可靠性技術引入汽車、發(fā)電設備、拖拉機、發(fā)動機等機械產品。80年代，美國羅姆航空研究中心專門作了一次非電子設備可靠性應用情況的調查分析美國國防部可靠性分析中心收集和出版了大量的非電子零部件的可靠性數據手冊以美國亞利桑那大學為首的可靠性專家開展機械可靠性設計理論的研究，積極推行概率設計法，提出開展機械可靠性設計的十五個步驟二、機械可靠性發(fā)展歷史由美國、英國、加拿大、澳大利亞和新西蘭五國組成的技術合作計劃（TTCP）委員會編制出一本常用機械設備可靠性預計手冊日本以民用產品為主，大力推進機械可靠性的應用研究日本科技聯(lián)盟的一個機械工業(yè)可靠性分會將故障模式、影響等技術成功地引入機械工業(yè)的企業(yè)中日本企業(yè)界普遍認為：機械產品是通過長期使用經驗的累積，發(fā)現(xiàn)故障經過不斷設計改進獲得的可靠性日本一方面采用成功的經驗設計，同時采用可靠性的概率設計方法的結果以及與實物試驗進行比較，總結經驗，收集和積累機械可靠性數據二、機械可靠性發(fā)展歷史前蘇聯(lián)對機械可靠性的研究十分重視，在其二十年科技規(guī)劃中，將提高機械產品可靠性和壽命作為重點任務之一。發(fā)布了一系可靠性國家標準，這些標準主要以機械產品為對象，適于機械制造和儀器儀表制造行業(yè)的產品在各類機械設備的產品標準中，還規(guī)定了可靠性指標或相應的試驗方案前蘇聯(lián)還充分利用豐富的實際經驗，研究并提出典型機械零件的可靠性設計可經驗公式，專門出版《機械可靠性設計手冊》前蘇聯(lián)還十分重視工藝可靠性和制造過程的嚴格控制管理，認為這是保證機械產品可靠性的重要手段二、機械可靠性發(fā)展歷史80年代以來機械可靠性研究在我國開始受到重視從1986年起，機械部已經發(fā)布了六批限期考核機電產品可靠性指標的清單，前后共有879種產品已經進行可靠性指標的考核1990年11月和1995年10月，機械工業(yè)部舉行了兩次新聞發(fā)布會，先后介紹了236和159種帶有可靠性指標的機電產品1992年3月國防部科工委委托軍用標準化中心在北京召開了“非電產品可靠性工作交流研討會”2005年GJB450改版，增加機械可靠性內容三、為什么會出現(xiàn)可靠性問題

從機械可靠性設計方法和傳統(tǒng)的以安全系數為主的機械設計方法有什么不同來說明這個問題。傳統(tǒng)的機械設計方法是以計算安全系數為主要內容的零件的安全系數=零件的強度/零件的應力而零件的強度和零件的應力都是取單值為前提的，沒有考慮數據的分散性。相比之下，采用機械可靠性設計方法，所得結果則更接近于實際情況。三、為什么會出現(xiàn)可靠性問題機械可靠性設計方法則認為零件的應力、強度以及其他設計參數，如載荷、幾何尺寸和物理量等都是多值的，都呈分布狀態(tài)。都視為屬于某種概率分布的統(tǒng)計量，應用概率與數理統(tǒng)計理論及強度理論，求出在給定設計條件下零、部件不產生破壞的概率公式，應用這些公式，就可以在給定可靠度下求出零、部件的尺寸?；蚪o定其尺寸確定其安全壽命。三、為什么會出現(xiàn)可靠性問題

機械可靠性設計的特點，首先是它采用了可靠度或其它可靠性指標，來確保結構的可靠性，而傳統(tǒng)機械設計是用安全系數來保證結構的可靠性。因此，機械可靠性設計方法對失效可能性的認識和估計都比較合理。其次，機械可靠性設計除引入可靠度或其它可靠性指標外，還對結構的安全系數作了統(tǒng)計分析，這樣得出的安全系數比傳統(tǒng)機械設計中的安全系數更符合實際，因為它已經是與可靠度相聯(lián)系的安全系數了。三、為什么會出現(xiàn)可靠性問題從對結構安全性的評價來看，傳統(tǒng)機械設計只有“安全系數”這樣一個指標；而機械可靠性設計則有可靠度和安全系數(指在一定可靠度下)兩個指標。四、可靠性研究的內容可靠性理論可靠性理論在科學實驗、生產實踐和人們的日常生活等方面都有很重要的意義?？煽啃岳碚撛谄浒l(fā)展過程中形成了三個主要領域或三個獨立學科：可靠性數學可靠性物理可靠性工程四、可靠性研究的內容(1)可靠性數學可靠性數學是可靠性研究的最重要的基礎理論之一，它主要是研究與解決各種可靠性問題的數學方法和數學模型，研究可靠性的定量規(guī)律。它屬于應用數學范疇，涉及到概率論、數理統(tǒng)計、隨機過程、運籌學及拓樸學等數學分支。它應用于可靠性的數據收集、數據分析、系統(tǒng)設計及壽命試驗等方面。四、可靠性研究的內容(2)可靠性物理可靠性物理又稱失效物理，是研究失效的物理原因與數學物理模型及檢測方法與糾正措施的一門可靠性理論。它使可靠性工程從數理統(tǒng)計方法發(fā)展到以理化分析為基礎的失效分析方法。它是從本質上、從機理方面探究產品的不可靠因素，從而為研制、生產高可靠性產品提供科學的依據。四、可靠性研究的內容(3)可靠性工程可靠性工程是對產品(零、部件，元、器件，總成，設備或系統(tǒng))的失效及其發(fā)生的概率進行統(tǒng)計、分析，對產品進行可靠性設計、可靠性預測、可靠性試驗、可靠性評估、可靠性檢驗、可靠性控制、可靠性維修及失效分析的一門包含了許多工程技術的邊緣性工程學科。它是立足于系統(tǒng)工程方法，運用概率論與數理統(tǒng)計等數學工具(屬可靠性數學)，對產品的可靠性問題進行定量的分析；采用失效分析方法(可靠性物理)和邏輯推理對產品故障進行研究，找出薄弱環(huán)節(jié)，確定提高產品可靠性的途徑，并綜合地權衡經濟、功能等方面的得失，將產品的可靠性提高到滿意的程度的一門學科。四、可靠性研究的內容它包括了對產品可靠性進行工作的全過程，即從對零件、部件和系統(tǒng)等產品的可靠性方面的數據進行收集與分析做起，對失效機理進行研究，在這一基礎上對產品進行可靠性設計；采用能確?？煽啃缘闹圃旃に囘M行制造；完善質量管理與質量檢驗以保證產品的可靠性；進行可靠性試驗來證實和評價產品的可靠性；它包括了以合理的包裝和運輸方式來保持產品的可靠性；指導用戶對產品的正確使用、提供優(yōu)良的維修保養(yǎng)和社會服務來維持產品的可靠性。即可靠性工程包括了對零件、部件和系統(tǒng)等產品的可靠性數據的收集與分析、可靠性設計、預測、試驗、管理、控制和評價。四、可靠性研究的內容在可靠性工程中，很重視對現(xiàn)場使用的數據和試驗數據的收集與交換。許多國家都有全國性的數據收集與交換組織，建立有各種數據庫。因為數據是可靠性設計和可靠性研究的基礎。在整個可靠性工程中，都是通過可靠性數據和信息反饋來改進產品的可靠性。四、可靠性研究的內容可靠性設計可靠性設計是可靠性工程的一個重要分支，因為產品的可靠性在很大程度上取決于設計的正確性。在可靠性設計中要規(guī)定可靠性和維修性的指標，并使其達到最優(yōu)。四、可靠性研究的內容可靠性預測可靠性預測是可靠性設計的重要內容之一，它是一種預報方法，在設計階段即從所得的失效率數據預報零部件和系統(tǒng)實際可能達到的可靠度，預報這些零件、部件和系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內完成規(guī)定功能的概率。在設備設計的初期，及時完成可靠性預測工作，可以了解該設備中各零件、部件之間可靠度的相互關系，找出提高整個設備的可靠度的有效途徑。四、可靠性研究的內容可靠性設計的另一重要內容是可靠性的分配，它是將系統(tǒng)規(guī)定的容許失效概率合理地分配給該系統(tǒng)的零、部件。在可靠性設計中采用最優(yōu)化方法進行系統(tǒng)的可靠性分配，是當前可靠性研究的重要方向之一，稱為可靠性優(yōu)化設計四、可靠性研究的內容在可靠性設計中有時采用冗余設計法或貯備法。冗余法或貯備法是在系統(tǒng)中配置作貯備用的零件或設備，當原用零件或設備出現(xiàn)故障時，貯備件立即替換上去。并聯(lián)冗余即并行工作貯備法是使完成同一職能的一批零、部件或設備同時(并行)工作，且當其中某個或部分失效時，其余的仍能保證系統(tǒng)的正常工作。在系統(tǒng)設計中采用貯備法，可成倍地提高系統(tǒng)的可靠度。對系統(tǒng)貯備的分配，也廣泛地采用最優(yōu)化方法。四、可靠性研究的內容由于在不同領域中可靠性工程所處理的具體問題有所不同，內容也會有差異，但都是以系統(tǒng)的方法、綜合的方法，以長遠的眼光來研究問題，不僅重視技術，也重視管理，以取得系統(tǒng)的最大經濟效益和運行的安全可靠為目的。四、可靠性研究的內容機械可靠性設計又稱為機械概率設計，是可靠性工程學的主要內容之一，是可靠性工程學在機械設計中的應用。由于對機械破壞機理認識的日益深化，對機械故障概率資料的逐步累積，以及概率與統(tǒng)計在機械零件的應力與強度分析方面的應用等等，都為機械可靠性設計提供了理論基礎和實踐經驗，使可靠性理論的應用擴展到結構設計、強度分析、疲勞研究等方面。29五、機械產品可靠性的特點機械產品的可靠性與電子產品相比具有以下特點：耗損型故障如疲勞、老化、磨損、腐蝕和強度退化等，具有漸變性的特點故障率隨時間的變化不是恒定值，隨時間增長符合此特性的分布有正態(tài)、威布爾、對數正態(tài)和極值分布等；故障模式多一個零部件可能有多種故障模式,同一故障模式可能發(fā)生在不同部位30五、機械產品可靠性的特點零部件多是非標準件失效數據的統(tǒng)計困難，預計失效率困難機械產品的大多數零部件都是非標準件,只有少數零部件如軸承、密封件、閥、泵等已實現(xiàn)標準化、通用化.大部分零部件由于功能、結構各異,只能將其特征參數(如齒輪模數、液壓缸直徑、螺紋直徑等)標準化.設計人員在系統(tǒng)設計的同時,還要根據具體結構要求及載荷性質、幾何尺寸進行零部件設計.而機械可靠性設計的難點之一是缺乏材料強度和載荷分布的數據,難以給出像電子元器件那樣工程上實用的機械零部件故障率手冊。五、機械產品可靠性的特點失效模式往往是相關的在進行可靠性分析時需要考慮失效模式相關性。機械產品的故障模式與其材料、具體結構、載荷性質和大小等有密切關系,故障模式之間還存在著相關性.實現(xiàn)同一功能要求,由于采用不同的結構形式,可以改變機械產品零部件的應力狀態(tài).失去規(guī)定的功能可以是損壞、失調、滲漏、堵塞、老化、松脫或它們的組合等多種表現(xiàn)形式.7/31/202332機械產品失效模式類型損壞型如斷裂、變形過大、塑性變形、裂紋等退化型如老化、腐蝕、磨損等松脫型如松動、脫焊等失調型如間隙不當、行程不當、壓力不當等堵塞或滲漏型如堵塞、漏油、漏氣等功能型如性能不穩(wěn)定、性能下降、功能不正常等五、機械產品可靠性的特點機械加工制造質量對產品可靠性影響大機械產品通過設計獲得了固有可靠性,但在加工制造過程中,工藝設備、工藝方法、工藝流程、各種工藝因素控制、裝配工藝等對產品質量將產生重大影響.如應力集中,熱處理引起的變形,高速旋轉軸線的對中,組合裝配時引入的預應力等,均是引起故障的因素.沒有先進的、穩(wěn)定的加工工藝,產品的可靠性將得不到保證六、

機械產品可靠性設計的原則傳統(tǒng)設計與可靠性設計相結合傳統(tǒng)的安全系數法直觀、簡單、容易掌握、設計工作量小,在多數情況下能保證機械零部件的可靠性,因此,不應完全摒棄安全系數法.現(xiàn)階段比較切實可行的做法是審慎地采用概率設計法的概念去完善和改進傳統(tǒng)的安全系數法,對一些條件成熟或精度要求非常高的關鍵件可逐步開展可靠性概率設計.更為實際的做法是先按照傳統(tǒng)設計方法確定零部件的材料及結構尺寸等,而根據相應的模型進行可靠性定量計算,若不滿足規(guī)定的可靠性要求,則修改結構、尺寸或更換材料,再進行可靠性校核,直至滿足規(guī)定要求35七、機械產品可靠性工作的要點產品的可靠性預計——指出薄弱環(huán)節(jié)和改進方向非標準件較多和失效率受失效環(huán)境、工作條件的影響較大等，零部件的失效率數據應是在相似產品以往可靠性信息的基礎上，經分析（失效模式、載荷條件、環(huán)境條件和使用條件等方面的差異比較）后選用。可靠性預計的重要作用之一是在設計過程中為了達到要求的可靠性指標指出該系統(tǒng)中應予特別注意的薄弱環(huán)節(jié)和改進方向在產品研制過程中重視可靠性試驗對保證產品可靠性的作用機械產品工作環(huán)境非常復雜，試驗很難模擬真實的環(huán)境和應力。因此必要時需進行現(xiàn)場可靠性試驗，或收集使用現(xiàn)場的失效信息復雜機械產品體積大、成本高等原因不能進行可靠性試驗，可采用較低層次（部件、組件或零件）的可靠性試驗，然后綜合試驗結果、應力分析結果和類似產品的可靠性數據及產品現(xiàn)場使用的情況，對其可靠性進行綜合評價。§1-2可靠性的定義可靠性是產品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內完成規(guī)定功能的能力在可靠性的上述定義中，含有以下五個要素：(1)對象可靠性問題的研究對象是產品，它是泛指的，可以是元件、組件、零件、部件、總成、機器、設備，甚至整個系統(tǒng)：研究可靠性問題時首先要明確對象。不僅要確定具體的產品，而且還應明確它的內容和性質。如果研究對象是一個系統(tǒng)，則不僅包括硬件，而且也包括軟件和人的判斷和操作等因素在內。需要以人一機系統(tǒng)的觀點去觀察和分析問題。(2)使用條件包括運輸條件、儲存條件、使用時的環(huán)境條件(如溫度、壓力、濕度、載荷、振動、腐蝕、磨損等等)、使用方法、維修水平、操作水平等預期的運輸、儲存及運行條件，對其可靠性都會有很大影響。(3)規(guī)定時間與可靠性關系非常密切的是關于使用期限的規(guī)定，因為可靠度是一個有時間性的定義。對時間性的要求一定要明確。時間可以是區(qū)間(0，t)，也可以是區(qū)間(t1，t2)。有時對某些產品給出相當于時間的一些其它指標可能會更明確，例如對汽車的可靠性可規(guī)定行駛里程(距離)；有些產品的可靠性則規(guī)定周期、次數等等會更恰當些。一般來說，產品的可靠性是隨著產品使用時間的延長而逐漸降低．所以，一定的可靠性是對一定時間而言的．§1-2可靠性的定義(4)規(guī)定功能要明確產品的規(guī)定功能的內容。一般來說，所謂“完成規(guī)定功能”是指在規(guī)定的使用條件下能維持所規(guī)定的正常工作而不失效(或發(fā)