《机械可靠性技术》PPT课件.ppt

1,机械可靠性设计技术与设计管理,申国山 博士,2,目 录,可靠性基础 2. 机械结构可靠性设计方法 2.1 机械产品可靠性设计基本原则 2.2 应用环境分析 2.3 工作平台环境分析 2.4 产品任务剖面 2.5 产品环境适应性分析 2.6 产品结构可靠性失效摸式 2.7 产品安全性与可靠性系统设计 2.8 结构失效机理与设计准则 2.9 可靠性指标与经济性问题 2.10 原材料、原器件及工艺选择 2.11 环境防护技术 2.12 机械加工工艺、装配、安装、使用与维护质量控制,3. 结构可靠性设计准则 3.1 结构可靠性设计总则 3.2 结构可靠性设计细则 3.3 机构可靠性设计原则 4. 可靠性试验 5. 可靠性设计管理 5.1 可靠性设计管理体系 5.2 生产过程质量管理 5.3 物料质量可靠性选型与认证 结束,3,1. 可靠性基础,1952 年美国国防部成立AGREE； 1955 年AGREE 给政府提出了电子元件可靠性的9 项建议； 1957 年提出了著名的AGREE 报告电子装备的可靠性； FMEA / FTA； 机械可靠性开展； 软件可靠性研究开展。,可靠性简史,4,1.1 可靠性定义,可靠性：规定时间内、规定条件下，完成规定功能的能力。 规定条件：环境条件、使用条件、维护条件、操作条件等； 规定时间：是指动作次数、循环次数、运行周期； 规定功能：是技术性能、使用要求；,5,应用分类定义,在标准条件下，设计和生产中采用的元器件和材料、及由此形成的设备整机中能控制的故障事件所达到的水平。 用于描述元器件和整机的制造水平。,指应用可靠性设计技术在综合考虑产品设计、制造安装环境、维修策略和修理等因素后，产品所达到的水平； 用于描述产品在计划的环境中使用的可靠性水平。,6,实际使用条件下，产品机械材料、元器件、整机、配附件的可靠性指标； 失效模式与可靠性指标； 预示环境条件下，产品机械材料、元器件、整机、配附件的可靠性指标； 失效模式与可靠性指标；,基础可靠性,7,关注点与度量指标,考虑要求保障的所有故障的影响，用于度量产品无需保障的工作能力，包括与维修和供应有关的可靠性 通常用MTBF表示。,仅考虑造成人物失败的故障影响，用于描述产品完成任务的能力； 常用任务可靠度（MR）和致命性故障间隔任务时间（MTBCF）来度量。,8,基本原理,任务可靠性指标特性： 故障模式（信息来源、失效分析技术与故障再现） 环境条件（预示环境、实际环境以及环境的可控制特性） 转移特性与控制技术（继承性技术及其设备的客观可靠性指标与故障转移频率特性、新技术与新设备的设计可靠性与故障转移频率特性；总体布局、设备安装、细节设计、气动作用、动力学特性、控制方式、环境设计以及特殊的措施,9,1.2 可靠性与耐久性、安全性、保障性的区别与联系,可能性与概率的区别与联系 可能性：元器件、部组件、整机、分系统、系统或产品的客观属性； 概率：一定环境条件所诱发的事件统计特性 可能性与概率在数学上采用相同的表示形式。 可靠性与耐久性、安全性、保障性的区别与联系,10,1.3 常用术语,MTBF（Mean Time Between Fail） 失效率 （Failure rate） MTTF（Mean Time To Fail） PPM（Parts Per Million） Fit（Failure In Time）,11,12,可靠性分布,K形状参数 位置参数 b尺度参数,指数分布,正态分布,威布尔分布,13,整机失效率,元器件平均失效率(13)*10-5,降额因子(110)*10-2,环境因子,老练筛选效果因子0.10.5,机械结构因子1.52.5,制造工艺因子1.53.5,元器件个数,试验室0.51 室内1.110 陆地固定510 车载1330 舰船载1022 机载5080,14,系统可靠性串联模型和并联模型,导通为正常,截流为正常,15,可靠性预计和分配 可靠性设计 可靠性试验 可靠性管理,1.4 可靠性工作范畴,16,干涉模型 应力筛选 测试数据的可用性 试验样本的确定 预示环境与实际环境的联系与区别 产品可靠性控制要点 互换性与可靠性的矛盾 环境设计与减振器的作用 可靠性工程活动 现代设计中基于测试性的软件可靠性作用,机械可靠性的几个问题：,返回目录,17,2.1 机械产品可靠性设计基本原则,强度和载荷干涉模型的可靠性设计原则,18,寿命周期费用,产品全寿命周期内，为其论证、研制、使用和保障，至产品生命周期终结所付出的一切费用之和。 使用与保障在LCC中所占的比例最大，约占60%,研制费用、 生产费用,运输费用、 运行费用、 维护费用、 备件费用、 训练费用、 技术数据费用 退役费用,返回目录,19,2.2 应用环境分析,温度、湿度、风沙、雷暴、生物、盐雾的机械失效因素分析,返回目录,20,2.3 工作平台环境分析,诱发环境机械失效因素分析： 力学环境（冲击振动过载噪声） 电磁环境（EMC）工作环境,返回目录,21,2.4 产品任务剖面,从产品交付到寿命终结所经历的关注条件,22,产品生命周期过程设计（出厂后）,23,产品生命周期过程设计（出厂前）,返回目录,24,2.5 产品环境适应性分析,载荷性质与作用时空特征：物体运动、结构响应和局部损伤的载荷性质； 环境适应性设计专题：紧固件环境适应性设计,返回目录,25,2.6 产品结构可靠性失效摸式,应力疲劳损伤与疲劳破坏 应变疲劳破坏 白点与氢脆 应力腐蚀断裂 高温疲劳 热疲劳与龟裂 蠕变与老化 剥离 雷击损伤 接触疲劳与微动磨损 静载破坏与结构失稳 安全裂纹尺寸与裂纹失稳扩展,结构失效特征,26,常见故障,从故障统计来看，主要表现在早期故障和责任故障两类 电子器件、电气设备、液压系统的故障都基本属于单元级带到系统的早期故障； 控制系统属于责任故障，也存在一些设计故障,27,故障判据,产品或其中一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态称为故障；,28,典型的故障模式,紧固件的松动、结构件和电路板的变形、破裂及失效 联结器、继电器、传感器、阀门及开关的瞬间断开 电子器件、固定电路、微电子元件的引线、管脚和导线的磨损和折断 电子插件的性能下降、电器功能下降、粘层、键合点断开、电路瞬间短路和断路 陀螺漂移增大、精度降低、甚至发生故障 控制失灵、结构损伤,29,结构故障,管路系统异常、电缆拉断、结构失效； 管路系统的故障形式是泄露和堵塞； 泄漏（焊缝破裂、焊缝缺陷导致强度降低、密封部位缺陷导致密封缺陷、过热破坏等） 堵塞（燃气杂质沉积过多或管路有多余物）,30,故障分析的两个模型,物论性模型：关注发生故障的部位、形式及其成因，手段是从物理、化学和材料等方面，从微观角度进行机理的模式； 概率论模型：注重故障和时间的关系，用数理统计的方法，研究其故障时间的概率分布，是宏观模式。,31,故障的影响,工作能力下降或功能的丧失 昂贵的保障费用 安全问题 高频发生故障 对有冗余设计和替代工作模式的设计需要考虑双重故障模式的影响，如应急装置同时故障造成的后果,32,主次分析,主次分析是用统计的方法找出所分析对象影响最大的因素 从故障频数、故障原因、故障后果、责任、发现时间等进行分析； 故障频数：组成产品的各系统，按主次排列，找出故障最多的系统，以系统为对象，按故障频数做主次分析，找出故障最多的分系统；依次逐级分析，直到找出故障频数最多的设备和单元；确定薄弱环节。 通过主次分析找到影响产品故障的主要原因和责任；将故障影响后果与发生频数综合一起得到主次分析结果，可以确定故障频数并非最高但造成的影响却很大的关键系统和设备,33,故障影响层次,自身影响：产品有故障征候，产品功能下降，到产品功能完全丧失； 对上一级的影响：无影响，由故障征候，系统功能下降，到系统功能完全丧失； 最终影响：影响执行任务，一般等级事故到严重等级事故。,34,关系可靠性控制的故障,应当计入系统可靠性评估的故障包括组成系统后发生的一切故障； 可控故障是可靠性控制的主要对象； 可靠性控制设计的目标是把故障水平和转移概率控制到系统能接受的水平。,35,指数分布：具有恒定故障率的部件和设备，无余度的复杂系统，经老练试验并经定期维修的部件和设备 威布尔分布：某些电容、继电器、开关、断路器、电子管、电位计、陀螺、电动机、电缆、电池、材料疲劳、滚珠轴承等 对数正态分布：电机绕组绝缘、半导体器件、晶体管、系统结构和金属疲劳 正态分布：轮胎磨损、机械产品等,符合典型分布的产品类型,返回目录,36,2.7 产品安全性与可靠性系统设计,可维修性、保障性、安全防护与可靠性的综合设计,37,大型旋转设备，装局部电源安全开关； 齿轮/叶片/皮带等机械运动零件，加防护板； 机箱/门圆边圆角，向外伸出的边缘短； 外突的边、毛刺、尖角，包垫或标明； 把手凹入； 门/抽斗装锁，免松开； 防护设施应不用卸去即可进行检查； 设支撑杆或插销，维修操作时固定住链接和滑动部分； 可抽出或折叠伸缩装置配限制器； 会产生危险操作的开关或控制器，例如点燃、吊装开关或控制器等，应事先调整或锁定控制； 重型弹簧的安装设计应不能错位、脱开伤人或元件； 在承受恒应变和载荷的机械组件中，联动装置和弹簧应安有告警片。,防机械危害的安全设计规范,返回目录,38,2.8 结构失效机理与设计准则,故障现场保护 失效残骸收集与宏观特征 断口处理与保护 取样程序 扫描电镜试样 低倍金相,返回目录,39,2.9 可靠性指标与经济性问题,案例分析,通过设计与制造赋予产品的可靠性指标和经济指标,返回目录,40,2.10 原材料、器件及工艺选择,原材料、元器件及工艺的失效模式与基于失效机理的设计准则,返回目录,41,2.11 环境防护技术,电气装置的机械可靠性与安全防护专题,返回目录,42,2.12 机械加工工艺、装配、安装、使用与维护质量控制,案例分析,返回目录,43,3.1 结构可靠性设计总则,保持结构设计的传统性 重视理论设计的指导 了解使用条件和任务环境 合理使用新技术 采集客户使用维修信息,44,3、偶然出现的外界应力造成失效,1、失效件的设计、材料、工艺、检验。失效的性质是个别（偶然的）的还是批次性（可再现）的？,2、误用是不按规定条件使用产品引起的失效；占的比例较大,4、供应商出厂检验合格，客户筛选入库验收时却不合格，可能的原因是客户在入检过程筛选中将产品损坏,45,3.2 结构可靠性设计细则,优化设计 余度设计 防错设计 环境适应性设计 维修性设计,46,3.3 机构可靠性设计原则,功能正常设计 备份设计 防卡滞设计 防磨设计,47,4 可靠性试验,可靠性测试问题： 时间 样本量 设备 定量指标 实验方法,环境应力筛选试验 可靠性增长试验 可靠性测定试验 可靠性验证试验（包括可靠性验收试验与可靠性鉴定试验）,48,高温测试（高温运行、高温贮存）； 低温测试（低温运行、低温贮存）； 高低温交变测试（温度循环测试、热冲击测试）； 高温高湿测试（湿热贮存、湿热循环）； 机械振动测试（随机振动测试、扫频振动测试）； 汽车运输测试（模拟运输测试、碰撞测试）； 机械冲击测试； 开关电测试； 电源拉偏测试； 冷启动测试； 盐雾测试； 淋雨测试； 尘砂测试； 接口输入输出极限条件测试,可靠性 测试项目,49,可靠性数据,数据的质与量 真实性（对产品故障的描述、故障发生的时机、原因、故障现象及造成的影响均应有明确地记录； 连续性（产品在工作中所有事件发生的时间记录及过程的描述） 完整性（故障产品本身的使用情况及该产品的历史及送修、报废等应尽可能清楚,50,如何制订试验要求,用途（任务剖面） 控制的期望目标 相关产品的研制水平 标准条件下的特性参数 使用环境下的可能问题 和故障模式 实验类型与研制阶段匹配,了解产品,制订 试验,试验要求： 试验种类、 试验设备、 量程、 精度、 控制方式、 载荷水平等,51,环境应力筛选,受筛产品的组装等级（单元、分组件、模件），技术状态，物理尺寸重量，复杂程度等 设备及状态说明 检测仪器及精度说明 方法（应力类型、应力参数、通电断电要求、检测要求、故障界定等） 性能检测项目（前、中、后） 筛选过程及故障记录要求 详细的操作规程,52,应力筛选原则,每增加一道工序就会引入新的缺陷； 高一级的筛选可以代替低一级的筛选，低一级的不能代替高一级的； 印制电路板进行不通电的温度循环可筛选出大部分元器件缺陷； 从技术效果、故障可探测性、费效比等方面进行评估,53,筛选试验要求,环境应力筛选是一种工艺，而不是一种试验； 明显缺陷、潜在缺陷 明显缺陷通过常规检测手段和相应的质量工序即可排除； 潜在缺陷不能通过常规检测手段发现和排除，会在实际使用中以早期故障的形式暴露，因此要求100%筛选试验,54,组件级筛选,优点： 缺陷筛选成本低； 不通电即可批筛选，效率高； 热惯性小，能以较高的温变率进行筛选，筛选效率高； 缺点： 因为不通电，筛选寻找故障效率低； 可以发现的缺陷： 漏检的元器件缺陷； 组装工艺缺陷、剥离、破裂； 元器件与电路板焊点分离； 焊接缺陷（开口、裂缝） 参数漂移、超出容差,55,单元级筛选,筛选期间进行通电和检测； 检测效率高； 能筛选出各种类型的潜在缺陷包括单元各级间的接口； 发现设计缺陷； 筛选效率较低，成本较高；,56,单元级筛选可筛选缺陷,印制电路板组件连接缺陷（接点松动、弯曲、裂口、污染和连接器碎裂） 导线连接缺陷（连接松动、插针弯曲、导线绝缘受损及多余残留物） 输入输出连接缺陷 但愿内部电缆敷设缺陷； 组装中使用了未经筛选组件而引入缺陷,57,筛选类型选择,温度循环和随机载荷 筛选应力组合有振动温度循环振动，第一次振动后必须有5个循环的温度筛选 筛选应力拟选用加速应力，但不超过设计的极限应力； 温度循环合理确定参数（低温极值、高温极值、温度变化速率、极限温度上的停留时间、循环次数、设备状态监测性能等）,58,准则,选择温度极限的关键： 考虑储存温度和最高工作温度，达到析出缺陷又不损坏好的产品，温度极限一般低于上述温度； 温变率以复杂的方式影响筛选效果，其选择取决于受筛产品的特性和预期的缺陷性质； 温变率不小于5/min; 温度达到稳定的时间（D1）取决于选用的准则，浸泡时间（D2）一是保证发生蠕变和完成功能测试，找出一般温度下不会显示的故障。钎料松弛所需的时间一般5min，功能测试的时间取决于测试的参数量； 温度循环次数、设备状态、无故障循环次数、随即振动谱形、量值、振动轴向要求、检测仪表测试设备参照标准和产品特性制定。,59,环境应力容差,箱内温度梯度应小于1/m； 箱内温度不超过筛选温度的2； 振动试验控制点谱形和按功率谱计算的容差分贝数应按照环境预示的谱形执行，一般为3dB，高频部分6dB，计算公式：dB=10lgW/W0；均方根加速度容差不大于1.5dB（dB=20lgGRMS/GRMS0）； 试验时间的允差为标称值的1%.,60,常规筛选用于可靠性增长、鉴定验收试验的预处理手段和生产过程的质量控制 定量ESS是筛选的高级阶段（对产品提出定量的可靠性目标要求，对筛选后产品中无可筛选却显得概率和置信度提出定量要求；对筛选成本提出阈值要求，并且要求具备定量ESS所必需的数据）,筛选功用,61,主要变量： 引入缺陷密度、筛选检出度、缺陷析出密度、残留缺陷密度 引入缺陷密度（DIN）决定于制造过程中从元器件和制造工艺两方面引入的潜在缺陷密度； 筛选检出度（TS）决定于筛选所选用的应力把引入的潜在的缺陷加速发展成故障的能力（已与该应力对应的筛选度SS度量）和所用监测仪表把这些故障检测出来的能力（以检出效率DE度量）； 残留缺陷度（DR）和缺陷析出密度（F）取决于引入缺陷密度和筛选检出度；,定量筛选,62,可靠性验证试验包括可靠性鉴定试验及可靠性验收试验； （摸底和可靠性试验）可靠性筛选试验的基础 环境适应性的依据,验证试验,63,由于产品的复杂性和新技术的应用，产品设计需要一个不断深化的过程 设计和工艺的缺陷导致试验和初始使用中，故障和问题较多，需要有计划针对性地采取纠正措施，根除隐患，实现可靠性增长，贯穿于产品的寿命周期内；,可靠性增长试验,64,通过分析和试验发现故障源（在研制阶段产品性能基本达到规定要求之后进行暴露缺陷的试验和分析） 发现问题的反馈 根据发现的问题，所采取的行之有效的措施 概括为：试验分析改进（TAAF）过程。,实现可靠性增长的三个因素,65,依靠分析、设计实施可靠性增长； 依靠试验实施可靠性增长（专门安排在实验室中所作的可靠性增长试验；利用性能试验、功能试验、环境试验、环境应力筛选等实验发现问题；内场试验和外场试验相结合）； 依靠生产经验实施可靠性增长； 依靠使用经验实施可靠性增长；,可靠性增长的方法,66,故障缺陷；即使是合格品，也可能存在缺陷； 故障缺陷的关系和区别： NASA规定空间项目的器件管理和控制要求的标准中规定，不作特殊说明时，用于寿命保证和任务完成所不可缺少的或关键性应用场合的么一批元器件类型，都应做DPA； 欧洲空间局（ESA）在ESA空间系统的器件选型、采购和控制的标准中规定，承包商应对器件按统一日期代号的种类各取3只做DPA，承包商不得委托生产厂承担DPA或者委托有资质的第三方独立实验室。,DPA,67,欧洲检测项目14个：外部目检、机械性能电性能测试、X射线照相、密封性检测、可焊性、抗溶性、引线牢固性、开帽、微剖面、内部目检、键合强度、扫描电子显微镜、芯片剪切（美标增加：颗粒碰撞噪声检测、内部水汽含量监测和内部结构） DPA项目增删的依据是出现问题的频率和用较少的样品获得较多的质量和可靠性信息；,DPA要求,68,简化、普通、寿命试验和全项四个等级； 简化级项目占普通级的75%，占寿命试验级的69%，占全项的56%，提高等级的原则是以简化级项目为基础，再增加新的项目，不是任意组合项目达到一定数量后等级就提高。 IC简化级包括7个项目（必做外部目测、开帽、内部目检、键合强度、芯片剪切；选做机械和电测）,DPA等级,返回目录,69,5.1 可靠性设计管理体系,目的： 通过审查分析，发现疑点和薄弱环节，纠正潜在设计缺陷，为设计改进指明方向，加速设计成熟； 作用： 评价设计是否满足合同要求，是否符合可靠性规范、标准和准则； 发现和确定设计的薄弱环节可高风险区域； 对研制试验、检查程序、维修资源预先考核； 检查和监督可靠性保障大纲的实施； 减少设计修改，缩短研制周期，降低生命周期费用。,可靠性设计评审,70,可靠性设计规范,EMC设计规范 热设计规范 降额设计规范 结构可靠性设计规范 环境设计规范 防爆设计规范 可靠性测试技术规范 物料编码管理及物料图文档工具软件 ,结构设计基本准则 防腐蚀设计准则 铸件结构设计准则 焊接结构设计准则 符合公差原则要求的结构设计准则 遵循力学原理的结构设计准则 轴支承结构设计准则 塑料件结构设计准则 切削件结构设计准则 锻件结构设计准则 陶瓷件设计准则 热胀冷缩的结构设计准则 薄板件的结构设计准则 可靠性要求的结构设计准则 符合装配要求的结构设计准则,71,低级故障（责任故障、软硬件技术状态管理失误、岗位检查不到位、检查项目有遗漏或信息传递不畅通或文件管理上的脱节现象） 重复性故障（主要在故障原因查明之前，对待故障设备或系统单元的状态控制所出现的问题或重新又投入使用导致的故障）,可靠性管理,72,在任一时刻当任务需要时，系统处于可工作状态的概率； 在可用度模型中，只要系统处于维修状态就认为系统是不可用的； 在设备完好率模型中，即使系统因故障处于维修状态，只要其维修的时间在系统战备允许的范围内，认为该次维修不影响战备完好；,可用度与设备完好率,73,装备在任一时刻需要和开始执行任务时，处于可工作或可使用状态的程度； 可用形式构成装备效能的关键要素之一，同时又是影响装备作战能力的主要特性，他把装备的可靠性、维修性、测试性和保障性综合成为使用部门所关心的各种装备使用参数； 可用性通常使用可用度（A0）、能执行任务率（MCR）、储存可用度（SA）、能工作时间比（UTR）、在轨可用度（OA）等参数度量。,可用性,74,仅与工作时间和修复维修时间有 关的一种可用性参数； 可达可用度 使用可用度 储存可用度 在轨可用度,固有可用度,75,装备效能是系统可用性、可信性和固有能力的综合反映； 可用性（可靠性、维修性、测试性、人为因素、保障资源） 可信性（任务可靠性、任务维修性、安全性、生存性） 固有能力（运输能力、发射能力、运载能力、精度）,效能,76,定费用设计的概念（DTC） 是用于保障的DTC指标一般以使用与保障费用的主宰参数表示；控制住这些费用的主宰参数就可控制住使用与保障费用； 装备的RandMandS是影响使用与保障费用的主宰因素，提高武器装备的RandMandS是降低LCC的有效途径。,控制寿命周期费用的方法,77,可靠性与维修性系数（MTBF、MTTR） 备件数量 维修工时 保障设备的工作时间 人员数量与劳动力价格 其他消耗性资源的数量 为降低使用保障费用和LCC，必须在装备研 制中充分重视RandMandS的设计与管理工作,主宰参数,78,控制用于产品硬件、软件、人为因素对产品可靠性造成的影响，预防设计缺陷、选择不恰当的元器件和原材料以及减少生产过程中的波动等； 采用可靠性增长与控制技术； 采用规范化的工程途径，开展有效的可靠性工程活动；,可靠性工程的工作重点,79,可靠性要求（分定性和定量要求）是进行可靠性设计、分析、制造、试验、验收的依据； 定性分析要求：功能危险分析（FHA），目的是检查系统功能障碍，确定设计方案的可行性发现设计中潜在的问题，提出改进措施； 故障模式与影响分析，自下而上，评价设备及其以下各级别的故障模式对产品的影响，确定其严酷度，发现设计中的薄弱环节，提出改进措施；,可靠性要求（1）,80,故障树与事件树分析（FTA、ETA），自下而上，分析造成系统某种故障状态的各种原因和条件，已确定各种原因或原因组合，发现设计中的薄弱环节，提出改进控制措施； 区域安全性分析（ZSC），判断是否由于系统的安装不当而产生不可接受的风险，或是否会由于该区域中某系统的设备故障而引起另外系统的故障（关联故障）,可靠性要求（2）,81,准则：将可靠性设计要求及使用中的约束条件转换为可靠性设计的边界条件； 简化设计： 余度设计：用多于一种的途径来完成规定的功能米高产品的任务可靠性和安全性； 降额设计：降低元器件、零部件的故障率，提高产品的基本、任务可靠性和安全性； 制定和实施元器件可靠性大纲,可靠性定性设计要求（1）,82,确定关键件和重要件 环境防护设计 热设计 软件可靠