可靠性设计概述.ppt

机械可靠性工程 辽宁科技大学机械工程与自动化学院 主讲教师：李昌 参考书:机械可靠性设计(刘惟信1996清华版) 机械可靠性设计与分析(国防版) 机械结构可靠性(航空工业出版社) 可靠性理论与工程应用(国防版2002) 现代可靠性设计(芮延年、国防版) 实用机械可靠性设计理论与方法(孙志礼 、科 学出版社2003) 机械可靠性工程 n第1章 可靠性设计概论 n第2章 机械可靠性的数学基础 n第3章 机械可靠性设计原理与可靠度计算 n第4章 机械系统可靠性设计 n第5章 故障树分析 n第6章 机械零部件可靠性设计 n第7章 机械可靠性优化设计及可靠性提高 n第8章 可靠性试验技术 第1章 可靠性设计概论 n1.1可靠性研究的发展历程 n1.2可靠性研究的重要性及意义 n1.3可靠性的定义和特征量(可靠性指标) n1.4机械可靠性设计的内容、特点和方法 1.1可靠性研究的发展历程 n可靠性是一门新兴的工程学科。产品 的可靠性已成为衡量产品质量的重要指 标之一。近年来，世界各发达国家(美国 、日本、德国)已把可靠性技术和全面质 量管理紧密的结合起来，大大的提高了 产品的质量。 n可靠性工程是对产品的失效现象及发 生概率进行分析、预测、试验、评定和 控制的边缘性工程学科。 一、可靠性设计的发展（研究历史） 1.国外可靠性设计的发展 n20世纪40年代可靠性工程诞生 n20世纪50年代初，美国为了发展军事投入大量人 力、物力对可靠性进行研究。 n1952年美国成立了“电子设备可靠性咨询委员会 AGREE” n1957年美国发布了“军用电子设备可靠性报告” n苏联：20世纪50年代开展可靠性研究，1961年发 射第一艘载人宇宙飞船时提出可靠度要求为0.999的 定量要求。 日本：1956年从美国引进可靠性技术 1958年成立了”可靠性研究委员会” 1971年召开了第一届可靠性学术讨论会。 英国：1962年出版了“可靠性与微电子学”杂志 法国：1963年出版了“可靠性”杂志 20世纪60年代，随着计算机硬件从晶体管到超大规 模集成电路转化，美国进行可靠性设计和试验。 1965年美国宇航局（NASA）开展了可靠性研究， 航空航天技术迅猛发展。 20世纪70年代，对非电子设备可靠性进行研究。 中国：20世纪70年代从国外引进可靠性技术( 电视机显像管) 1976年颁布了第一个可靠性标准“可靠性名 词术语”SJ1044-76； 1979年颁布了第一个可靠性国家标准“电子 元器件失效率试验方法”GB1977-79； 70年代后期：开展军用产品可靠性研究工 作； 80年代：可靠性研究工作广泛开展； 90年代：开展机械可靠性设计工作。 2.国内可靠性的发展 可靠性工程起源于军事 领域，推广应用于各个工业企 业部门，给企业和社会带来巨 大的经济效益，使人们更加认 识到提高产品可靠性的重要性 。 总结 1.2可靠性研究的重要性及意义 1.产品的可靠性与企业的生命、国家的安全紧密相 关； n中国两弹一星成功的经验可靠性列为三大成就之一 n二战中美军空军飞机由于技术故障造成的事故高于被击落 的损失；坦克50%无法从库中开动，电子故障频发 n1979年3月28日美国三漓岛核电站发生放射性物质泄漏 n1984年12月美国联合碳化物公司（印度）农药厂毒气泄 漏事故(异氰酸甲酯，易燃易爆剧毒性液体、1.5万、100万 、4.7亿美元) n1986年4月苏联切尔诺贝里核电站发生爆炸 2.产品结构复杂化要求有很高的可靠性 美国：F-105战斗机，投资2500万美元，可靠度 从0.7263提高到 0.8986，每年节省维修费用5400万 美元。 102103104107106105 3.产品更新速度的加快，使用场所的广泛性、 严酷性要求有很高的可靠性 机械产品在工作过程中，往往因为一个零 件的失效而造成灾难性的后果。 1986年1月28日美国航天飞机“挑战者”号 在发射后进入轨道前，因助推火箭燃料箱密封 装置在低温下失效，使燃料溢出发生爆炸 7人死亡，12亿美元损失。 “挑战者”号爆炸情景 美军F-15战斗机空中解体 精准的导弹拦截试验 n移动发射的导弹打移动物体-国际技术 难题 n导弹发射进入大气层需几级分离，脱离 大气层后TNT200300公斤，自由落体 ，速度近15马赫，美国航母行进速度80 节，近1马赫；自由落体的炸药弹头需配 置高性能计算机及检测装置，捕捉行进 航母然后对自己制导。涉及大数据处理 及几秒内的快速反馈。 难以被击沉的航空母舰 4.产品竞争的焦点是可靠性 n日本：将可靠性作为企业的主要奋斗目标 n美国：认为世界产品竞争的焦点是可靠性 n苏联：将可靠性纳入25年发展规划 n某越野车可靠性对比试验：9台国产车，3台奔驰车 无故障运行里程：国产车：380km880km； 进口车：28000km。 “宁愿牺牲先进性，也要保证可靠性” 5.大型产品的可靠性是一个企业、一个国家科 技水平的重要标志 n1969年美国阿波罗飞船登月成功，美国宇航局将可 靠性工程列为三大技术成就之一。 n三峡工程大坝合拢时，使用的全部车辆为进口产品 。 n“神州5号” 飞船成功的关键是解决了可靠性问题， 其可靠性指标达到0.97，航天员安全性指标达到 0.997. 1.3可靠性的定义和特征量 一、可靠性的定义 1.可靠性的概念及基本思想 n可靠性的经典定义：产品在规定条件下和规定时 间内，完成规定功能的能力。 n可靠性的基本思想 任何参数均为多值的，且呈一定分 布。 安全系数大的设备或产品不一定是 百分之百的安全。 干涉区面积小，可靠性高 干涉区面积大，可靠性低 n结论： n(1)从干涉模型表明，任何一个设计都 存在失效概率，R1，设计中我们能做 的仅仅是将失效的概率限制在一个可以 接受的限度内。 n(2)普通机械设计中，采用安全系数法 不够明确，没有考虑存在失效的可能性 。 n2.可靠性的概念 可靠性的经典定义：产品在规定条件下和 规定时间内，完成规定功能的能力。GB3187- 1982 产品：指作为单独研究和分别试验对象的任何元 件、设备或系统，可以是零件、部件，也可以是 由它们装配而成的机器，或由许多机器组成的机 组和成套设备，甚至还把人的作用也包括在内。 规定时间：是可靠性区别于产品其他质量属性的重要特征，一 般也可认为可靠性是产品功能在时间上的稳定程度。 规定功能：要明确具体产品的功能，怎样才算是完成规定功能 。产品丧失规定功能称为失效，对可修复产品通常也称为故障 。 能力：定性和定量，概率论和数理统计方法处理 “一个产品在某段时间的工作情况不能较好的反映产品可 靠性，应对产品进行大量的统计分析才能正确反映其本质。” 规定条件：一般指的是使用条件，环境条件。包 括应力温度、湿度、尘砂、腐蚀等，也包括操作 技术、维修方法等条件。 二、可靠性的类型及其影响因素 可靠性可分为固有可靠性和使用可靠性 n固有可靠性 是通过设计、制造赋予产品的可靠性 ； n使用可靠性 既受设计、制造的影响，又受使用条 件的影响。一般使用可靠性总低于固有 可靠性。 可靠性的类型及影响因素 可靠性类型影响因素影响程度 固有可靠性 零部件材料 设计技术 制造技术 30% 40% 10% 使用可靠性使用、安装、维修20% n可靠性的特征量： n表示产品总体可靠性水平高低的各种可靠性指 标 n可靠性特征量的真值是理论上的数值，实际中 是不知道的。根据样本观测值经一定的统计分析 可得到特征量的真值的估计值。估计值可以是点 估计，也可以是区间估计。按一定的标准给出具 体定义而计算出来的特征量的估计值称为特征量 的观测值。 n常用的可靠性特征量有可靠度、累积失效概率 （不可靠度）、平均寿命、可靠寿命、失效率等 。 三、可靠性特征量(可靠性指标 ) n1.可靠度 可靠度是产品在规定条件下和规 定时间内，完成规定功能的概率，一般 记为R。它是时间的函数，故也记为R（t ）称为可靠度函数。 n如果用随机变量T表示产品 从开始工作到发生失效 或 故障的时间，其概率密 度 为f（t）如右图所示，若 用 t表示某一指定时刻，则 该 产品在该时刻的可靠度 。 n(1)对于不可修复的产品，可靠度的观测值是指 直到规定的时间区间终止，能完成规定功能的产 品数与在该区间开始时投入工作产品数之比，即 : n(2)可修复产品：可靠度为一个或多个产 品无故障工作时间达到或超过规定时间的 次数与观测时间内无故障工作的总次数之 比。 n(3)任务可靠度：时间不是从0开始，工作 过程中某一段执行任务时间的可靠度。 n从时间t1工作到t1+ t2的条件可靠度称为任 务可靠度 2.失效概率（不可靠度） n累积失效概率 n是产品在规定的条件下和规定的时间区间内 未完成规定功能（即发生失效）的概率，也称 为不可靠度。一般记为F或F(t)。 n因为完成规定功能与未完成规定功能是对立 事件，按概率互补定理 n对于不可修复产品和可修复产品累积失效概 率的观测值都可按概率互补定理，取 3.失效率 n失效率是工作到某时刻尚未失效的产品 ，在该时刻后单位时间内发生失效的概 率。一般记为，它也是时间t的函数，故 也记为(t)，称为失效率函数。 它反映了t时刻产品失效的速率，也称为瞬时失效率 n平均失效率：某一规定时间内失效率的 平均值，如(t1,t2)内失效率的平均值为 4.可靠寿命 可靠寿命是给定的可靠度所对应的时间，一般记为t（ R） 一般可靠度随着工作时 间t的增大而下降，对给定的 不同R，则有不同的t（R）， 即t（R）=R-1（R） 式中R-1R的反函数，即由 R（t）=R反求t 当R=F=0.5时的寿命为中 位寿命 5.平均寿命 n平均寿命：平均寿命是寿命的平均值，对不可修复产品 常用失效前平均时间，一般记为MTTP，对可修复产品则 常用平均无故障工作时间，一般记为MTBF。它们都表示 无故障工作时间T的期望E（T）或简记为t。 如已知T的概率密度函数f（t），则 n 经积分后也可求得 6.失效率曲线 n失效率曲线反映了 产品总体整个寿命期 失效率的情况。 n图1-1为失效率曲线 的典型情况，有时形 象地称为浴盆曲线。 失效率随时间的变化 可分为三部分： 失效期的成因分析: n早期失效期:设计、制造、存储缺陷及使用不当； (DFRDecreasing Failure Rate) n偶然失效期:意外过载、误操作、不可抗拒因素等 ； (CFRConstant Failure Rate) n耗损失效期:疲劳、磨损等。 (IFRIncreasing Failure Rate) （1）早期失效期，失效率曲线为递减型。产品投 入使用的早期，失效率较高而下降很快。主要由于设 计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、跑 合、启动不当等人为因素所造成的。当这些所谓先天 不良的失效后运转也逐渐正常，失效率趋于稳定。到 t0时失效率曲线已开始变平。t0以前称为早期失效期 。针对早期失效期的失效原因，应该尽量设法避免， 争取失效率低且t0短 （2）偶然失效期，失效率曲线为恒定型， 即t0到t1间的失效率近似为常数。失效主要 是由非预期的过载、误操作、意外的天灾以 及一些尚不清楚的偶然因素所造成。由于失 效原因多属偶然，故称为偶然失效期。偶然 失效期是能有效工作的时间，这段时间称为 有效寿命。 （3）耗损失效期，失效率是递增型。在t1以 后失效率上升很快，这是由于产品已经老化、疲 劳、磨损、蠕化、腐蚀等所谓耗损的原因所引起 的，故称为耗损失效期。针对耗损失效的原因， 应该注意检查、监控、预测耗损开始的时间，提 前维修，使失效率仍不上升，如图1-1中的虚线所 示，以延长有效寿命。当然，修复若需花很大的 费用而延长寿命不多，则不如报废更为经济 7.可靠性特征量间的关系 可靠性特征量间的关系： 可靠性特征量中R(t)、F(t)、f(t)和(t)是四个基本函数， 只要知道其中的一个，则所有其它的特征量均可求的。 各类产品常用的可靠性指标 使用条件连续使用一次使用 可否修复可修复不可修复可修复不可修复 维修种类 预防维修 事后维修用到耗损期 一定时间 后报废 预防维修 产品示例 电子系统、计算机 、通信机、雷达、 飞机、生产设备 家用电器、 机械装置 电子元器件 、机械零件 、一般消费 品 实行预防维修 的零部件、广 播设备用电子 管 武器、过载 荷继电器、 救生器具 保险丝、 闪光灯管 常用指示 可靠度、有效度、 平均无故障工作时 间、平均修复时间 平均无故障工作 时间、有效寿命 、有效度 失效率、平 均寿命 失效率、更换 寿命 成功率成功率 1.4机械可靠性设计的内容、特点和方法 一、机械可靠性设计的基本特点 二、机械可靠性设计的主要内容 三、机械可靠性设计的方法和步 骤 四、机械可靠性定性设计准则 一、机械可靠性设计的基本特点 n1)以应力和强度为随机变量作为设计的出发 点; n2)引用概率和统计方法进行分析和求解; n3)能够定量地回答产品的失效率和可靠度; n4)根据不同的产品、不同的使用场合采用不 同的可靠性指标； n5)强调设计对产品可靠性的主导作用，由设 计决定产品的固有可靠性，由制造保证固有可 靠性。 6)必须考虑环境的影响； 7)必须考虑产品的维修性； 8)从整体的、系统的观点出发： n 人机环境系统； n 重视产品在全寿命周期的总费用。 9）承认在设计阶段及以后的阶段都需 要可靠性增长。 二、机械可靠性设计的主要内容 1）研究产品的故障物理与故障模型产品的失效 分析 2）确定产品的可靠性指标和可靠性等级 3）可靠性预测 4）合理分配产品的可靠性指标值 n过程：系统部件零件 n方法：广义优化设计 n目的：最大经济效益下各零部件可靠性指标值的合 理匹配。 5）以规定的可靠性指标值为依据对零部件进行可靠 性设计 三、机械可靠性设计的方法和步骤 （1）方法： n概率设计法 n失效树分析法（FTA） n失效模式、影响及致命度分析（ FMECA） n模糊可靠性设计方法 （2）步骤： n明确可靠性要求； n调查分析类似产品的使用情况； n可靠性分配； n进行可靠性分析，确定关键件、重要件； n可靠性定性设计非关键件； n可靠性定量设计关键件； n可靠性分析计算与设计评审； n可靠性增长（完善）。 注：不同类型的产品，其步骤不尽相同，而采用不 同的可靠性设计方法，其步骤也不同。 可靠性设计分析 n事前分析在设计阶段预测和预防所 有可能发生的故障和隐患，消除于未然 ，把可靠性设计到产品中去； n事中分析产品在运行中的故障诊断 、检测和寿命分析技术，以保持运行的 可靠性； n事后分析找出产品故障模式的原因 ，研究预防故障技术（失效分析）。 四、机械可靠性定性设计准则 1）简单化准则 在满足预定功能的情况下，机械设计 应力求简单、零部件的数量应尽可能减少，越 简单越可靠是可靠性设计的一个基本原则，是 减少故障提高可靠性的最有效方法。但不能因 为减少零件而使其它零件执行超常功能或在高 应力的条件下工作。否则，简化设计将达不到 提高可靠性的目的。 2）模块化、组件化、标准化准则 产品零部件的模块化、组件化及其 标准化是现代化生产的重要标志，是提高 产品可靠性水平的重要手段。 尽量采用模块化、通用化设计方案 。优先选用标准件，提高互换性。 3）降额设计准则 降额设计是使零部件的使用应力 低于其额定应力的一种设计方法。降额 设计可以通过降低零件承受的应力或提 高零件的强度的办法来实现。工程经验 证明，大多数机械零件在低于额定承载 应力条件下工作时，其故障率较低，可 靠性较高。 4）合理选材准则 正确选择材料是保证可靠性设计的 必要条件之一。除要考虑材料的结构性能 、化学性能和热性能外，还必须考虑材料 的稳定性（使用环境、加工方法等的影响 ）。选用的零部件、原材料除满足结构尺 寸、重量、强度、刚度要求外，还应满足 使用环境和寿命要求。 5）冗余设计准则 余度设计是对完成规定功能设置 重复的结构、备件等，以备局部发