第六章 机械可靠性设计方法ppt课件

现代设计与制造技术 ModernDesignMethodsAndManufacturerTechnology 机械与电子工程学院 山东农业大学机电学院本科专业选修课程 1 关于机械可靠性设计的几个问题 1 产品更新快 采用新技术等未成熟的实验即被采用 一 可靠性研究的必要性 2 整机或系统复杂 零部件数量增多 发生故障的机会增多 3 工业化国家实行产品责任索赔办法 迫使生产厂家注重可靠性 4 产品或系统可靠性的提高可使用户获得较大的经济效益和社会效益 可靠性是一门独立的工程技术学科 它起源于上个世纪五十年代初 半个世纪以来 可靠性工程经历了50年代的起步阶段 60年代的发展阶段 70年代的成熟阶段和80年代的更深更广的发展阶段 以及90年代以来进入向综合治理化 自动化 智能化和实用化发展阶段 可靠性工程成为一门提高产品质量的重要工程技术学科 可靠性工程已从军事装备的可靠性发展到民用产品的可靠性 从电子产品发展到非电子产品的可靠性 从硬件的可靠性发展到软件的可靠性 从可靠性工程发展为包括维修工程 测试工程 保障性工程在内的可信性工程 从重视可靠性统计试验发展到强调可靠性工程试验 通过环境应力筛选及可靠性强化试验来暴露产品故障 进而提高产品可靠性 可靠性的发展 可靠性的研究开始于20世纪60年代美国的航天计划 起源于军用电子设备 机械和电子故障是NASA主要关心的问题 其中机械故障引起的事故多 损失大 如 1963年同步通讯卫星SYMCOM 高压容器断裂 引起卫星空中坠毁 1964年人造卫星 号因机械故障而损坏1965年始 NASA开始三项机械可靠性工作用过载试验方法进行可靠性试验验证用随机动载荷验证结构和零件的可靠性在关键机械零件中采用概率设计方法 将可靠度设计到结构和机械零部件中 从20世纪70年代起 西方工业发达国家全面开展可靠性工程实践和应用 可靠性技术变得越来越重要从航空 航天 尖端武器和电子等行业 逐步推广应用到各个行业核能 机械 电气 冶金 化工 铁道 船舶 电站 建筑 水利 通讯 医药等从宇宙飞船到日用产品全面普及汽车 洗衣机 冰箱 复印机等NASA将可靠性工程技术列为登月成功的三大技术成就之一 美国六七十年代就将可靠性技术引入汽车 发电设备 拖拉机 发动机等机械产品 80年代 美国罗姆航空研究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美国国防部可靠性分析中心 RAC 收集和出版了大量的非电子零部件的可靠性数据手册以美国亚利桑那大学D Kececioglu教授为首的可靠性专家开展机械可靠性设计理论的研究 积极推行概率设计法 提出开展机械概率设计的十五个步骤 由美国 英国 加拿大 澳大利亚和新西兰五国组成的技术合作计划 TTCP 委员会编制出一本常用机械设备可靠性预计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 1958年 日本成立了 可靠性研究委员会 1973年成立 电子元件可靠性中心 日本科技联盟的一个机械工业可靠性分科会将故障模式 影响 FMEA 等技术成功地引入机械工业的企业中日本企业界普遍认为 机械产品是通过长期使用经验的累积 发现故障经过不断设计改进获得的可靠性日本一方面采用成功的经验设计 同时采用可靠性的概率设计方法的结果以及与实物试验进行比较 总结经验 收集和积累机械可靠性数据根据日本统计资料介绍 在1971 1981年的10年中 电子产品可靠性水平提高了1 3个数量级 工程机械产品平均无故障时间提高了3倍 前苏联对机械可靠性的研究十分重视 50年代后期 前苏联开始可靠性研究在其二十年科技规划中 将提高机械产品可靠性和寿命作为重点任务之一 发布了一系可靠性国家标准 这些标准主要以机械产品为对象 适于机械制造和仪器仪表制造行业的产品在各类机械设备的产品标准中 还规定了可靠性指标或相应的试验方案苏联还充分利用丰富的实际经验 研究并提出典型机械零件的可靠性设计可经验公式 专门出版 机械可靠性设计手册 苏联还十分重视工艺可靠性和制造过程的严格控制管理 认为这是保证机械产品可靠性的重要手段 80年代以来机械可靠性研究在我国开始受到重视 我国有关可靠性问题的研究 但是可靠性技术在一般工业和企业中的应用还不广泛 与先进工业国家还存在较大的差距 从1986年起 机械部已经发布了六批限期考核机电产品可靠性指标的清单 前后共有879种产品已经进行可靠性指标的考核1990年11月和1995年10月 机械工业部举行了两次新闻发布会 先后介绍了236和159种带有可靠性指标的机电产品1992年3月国防部科工委委托军用标准化中心在北京召开了 非电产品可靠性工作交流研讨会 2005年GJB450改版 增加机械可靠性内容 可靠性发展历史 可靠性学科 就目前所涉及的内容来讲 大致有以下几个方面 1 可靠性工程 指导工程实际的可靠性活动的一门学科 2 可靠性物理 从机理的角度去研究产品造成不可靠的原因 3 可靠性数学 作为可靠性活动的基础 4 可靠性教育与管理 研究如何推行可靠性活动的一门学科 5 可靠性基础理论 包括可靠性数学和失效学两个研究领域 概率论与数理统计是可靠性研究的理论基础 6 可靠性应用技术 包括可靠性设计和预测 可靠性评价与验证 可靠性标准等 1 可靠性理论应用到产品的可靠性评价方面 有可靠性评估与可靠性预测 2 可靠性理论应用到产品 零件的设计上 有概率工程设计或可靠性设计 3 将可靠性设计与优化理论结合起来 综合各方面的因素 考虑设计的最佳效果 有可靠性分配与可靠性优化 4 考虑设备的维修因素之后的可靠性问题 有系统的可维护性与可利用性的估计 5 作为以上各分支的基础 有可靠性试验及其数据处理 可靠性工程所包含的内容 可靠性工程的基本内容 1 方案论证阶段 确定可靠性指标 对可靠性和成本进行估算 2 审批阶段 对可靠度及其增长初步评估 验证试验要求 评价和选择试制厂家 3 设计研制阶段 主要进行可靠性预测 分配和故障模式及综合影响分析 进行具体结构设计 4 生产及试验阶段 按规范进行寿命试验 故障分析及反馈 验收试验等 5 使用阶段 收集现场可靠性数据 为改型提供依据 可靠性工程的一般步骤 产品质量是产品的一组固有特性满足顾客和其他相关要求的能力 产品可靠性是产品性能随时间的保持能力 换言之 要长时间地保持性能不出故障或出了故障能很快维修是产品很重要的质量特性 产品可靠性是产品最重要的质量指标之一 是产品技术性能和经济性的基本保证 并决定着产品在市场中的竞争能力 工程机械产品质量包括 技术性能 可靠性 工艺性 人机工程学特性 外观质量等特性 可靠性与产品质量 工程机械产品质量体系 二 可靠性出现的原因 传统的机械零件设计是以计算安全系数为主要内容的 即零件的安全系数 n 零件的强度 F 零件的应力 S 且强度及压力均为单值来进行计算 但事实并非如此 虽然有较高的安全系数 但由于材料强度与应力分布并非单值的 因此 当处于某种情况时 应力S 材料强度F 这样零件就可能发生失效 传统的安全系数设计法的局限性 若应力和强度分布的标准差 S和 F保持不变 而以相同的比例K改变两个分布的平均值 S和 F 当K 1时 S和 F右移 此时安全系数n S F虽然没变 但是可靠性却提高了 当K 1时 情况正好相反 若保持应力和强度均值 S和 F不变 而各自的标准差 S和 F发生变化 也会发生故障概率的变化 原分布曲线 失效概率较大 S和 F均变大 S和 F均变小 S变大 F变小 S变小 F变大 若 S F S和 F均发生变化 失效概率变化更大 可靠性包括两部分内容 可靠性理论基础和可靠性实用技术 可靠性性质可靠性设计时可靠性学科的重要分支 它的重要内容之一是可靠性预测 其次是可靠性分配 可靠性预测方法可靠性预测是一种预测方法 即从所得的失效数据预报一个零部件或系统实际可能达到的可靠度 预报这些零件或系统在规定的条件下和在规定的时间内 完成规定功能的概率 三 可靠性的性质和可靠性预测方法 2 可靠性的概念和指标 可靠性 产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力 失效 对不可修复和不予修复的产品 称为失效 维修 为保持或恢复产品能完成规定功能的能力而采取的技术管理措施 维修性 维修度 可以维修的产品在规定条件下使用 在规定时间内按规定的程序和方法进行维修时 保持或恢复到能完成规定功能的能力 可靠性的数值标准 可靠度 Reliability 失效率或故障率 FailureRate 平均寿命 MainLife 有效寿命 UsefulLife 维修度 Maintainability 有效度 Availability 重要度 Importance 以上统称 可靠性尺度 一 可靠度和失效率 可靠度 产品在规定条件下 在规定的时间内 保持规定工作能力的概率 及某个零部件在规定的寿命期限内 在规定的使用条件下 无故障的进行工作的概率 在规定的使用条件下 可靠度是时间的函数 可靠度的计算公式 若令R t 代表零件的可靠度 Q t 代表零件失效的概率或零件的故障概率 则当对总数为N个零件进行实验 经过t时间后 有NQ t 件失效 NR t 件仍正常工作 该零件的可靠度 该零件的故障 失效 概率 零件寿命 故障个数分布直方图 1 故障分布函数Q t 该直方图反映了某类零件在各个寿命间隔时间内故障发生的可靠性大小 即故障概率的大小 2 故障分布函数f t 曲线f t 反映了故障概率的频谱 在可靠性里称为故障 失效 概率密度函数 定义为 在时间t附近的单位时间内 失效的产品数dNQ t dt和产品总数之比 可靠度分布函数R t 3 失效率 t 在时刻t仍然正常工作着的每一个零件在下一单位时间内发生故障 失效 的概率 反映了某一时刻t残存的产品在其后紧接着的一个单位时间内失效的产品数量对时刻t的残存产品数之比 它能更直观的反映每一时刻的失效情况 失效率 t 与故障概率密度函数f t 的关系 4 几个参数间的相互关系式 R t 可靠度 Q t 故障概率 f t 故障概率密度函数 t 失效率 二 三种失效率 失效模式 机电产品典型的失效曲线 早期失效区域 正常工作区域 功能失效区域 1 指数分布 失效率为常数时 即产品失效概率密度函数 t 为常数 该失效率分布主要用于随机失效情况 如处于稳定工作状态的电子机械或电子系统的失效 可靠度计算公式 故障概率计算公式 指数分布的均值为 方差为 2 正态分布 是一种常见的分布 它具有对称性 产品的性能参数 如零件的应力和强度等多数是正态分布 部件的寿命 功能失效区域的曲线也都具有正态分布特性 正态分布的失效概率密度函数f t 为 其中 为随机变量t的均值 而 为t的标准离差 均值 决定了正态分布的中心倾向或集中趋势 即正态分布曲线的位置 而标准差 决定了正态分布曲线的形状 表征分布的离散程度 0 1的正态分布称为标准正态分布 正态分布的失效概率Q t 为 正态分布的可靠度R t 为 正态分布的失效率 t 为 变量Z称为标准分布的随机变量 简称标准变量 通过查表 可以迅速计算出产品 零件的可靠度 称为可靠度表 联结方程或可靠度方程Z 对于机械零件来说 Z将应力分布参数 强度分布参数和可靠度三者联系起来 是在机械可靠性设计中的一个重要方程 Z还称为联结系数或可靠性系数 或称安全指数系数 3 威布尔分布 是工程实际上应用最为广泛的一种分布 一般来说 零件的疲劳寿命和强度等都可以用之来描述 可以认为 正态分布 指数分布等都是它的特例 3 可靠性设计方法举例 例1 设某零件的可靠度服从正态分布 并已知其平均寿命 t 5000小时 标准差 400小时 试求该零件工作4000小时后的可靠度 本问题即为求解t 4000小时的概率 即 解 1 计算联结系数Z 2 两种求解方法 计算法与查表法 计算法 查表法 当联结系数Z为负数时 查表获得的数值为可靠度R t 99 38 随机变量的均值 数学期望值 和方差的近似计算 泰勒公式 函数y f x 中的随机变量x是一维时 函数在点x 均值 出的泰勒展开式为 此时 函数y f x 的数学期望E y E f x f 它的方差D x D f x f x 2D x 函数y f x1 x2 x3 xn 随机变量x是n维时 函数在点x 均值 出的泰勒展开式为 此时 函数y的数学期望E y f 1 2 3 n 它的方差 例2 作用在一杆件上的载荷为P 其均值 P 10KN 标准差 P 1KN 杆件横截面积A的均值 A 5 0cm2 标准差 A 0 4cm2 试求作用在杆件上的应力S的均值和标准差 S S 解 1 计算应力均值 S 2 计算应力标准差 S 当应力和强度都是随机变量时 某一瞬时的强度和应力的差值大于零的概率就等于可靠度 若强度 F F2 和应力 S S2 是相互独立的 则两者之差的分布均值和标准值分别等于 当 和 均服从正态分布时 则差值大于零得概率可以用下面得形式可靠度三参数关系式计算 上式为联结方程得另一种表达形式 这里可称为机械零件的可靠度方程 例3 设已知某零件的强度 F 250MPa 标准差 F 16MPa 又知道零件所受得应力 S 210MPa 标准差 S 20MPa 且均符合正态分布 试求零件的可靠度R 解 1 由于该零件的强度与所受应力数值均符合正态分布 根据联结方程 机械零件的可靠度方程 2 查表可得该零件的失效概率Q Q 0 06 6 R 1 Q 94 由此可以看出 虽然零件强度大于其受到的应力 但是 在实际情况下 仍然有6 的失效概率 这也是传统单值设计方法不足之处 例4 设结构件的强度F 拉力P和杆的直径d均服从正态分布 而且这些参数都是独立的随机变量 他们的均值分别为 F 250MPa 130 30 现在假定 各自的标准差分别为 F 26 7MPa P 14KN d 0 4mm 试求零件的可靠度R 分析 若要求可靠度R 必须根据联结方程 求出 F F S和 S 其中 F F已知 重点求出 S和 S 而S P A 此为二维随机变量问题 解 1 该结构件的强度均值 标准差已知 F 250MPa F 26 7MPa 2 计算 S 求出 F F S和 S 3 计算 S 若没有所需数据 则对于国外经验公式 S 0 04 0 08 S 国内目前材质可以把系数增大一些 S 0 09 0 1 S 4 代入联结方程 得到可靠性系数Z 5 查表可得该零件的失效概率Q Q 0 002 0 2 R 1 Q 99 8 例5 有一受拉圆杆 已知其强度均值及标准差分别为 F 200MPa F 15MPa 又知作用于拉杆上的拉力 300 相应的 P 30KN 求在可靠度R 0 99时拉杆的直径d 设拉杆直径的平均直径为 根据其公差情况取直径的标准差 d 0 005 分析 这个问题是从规定的目标可靠度出发 计算零件的尺寸 通过这样的计算 就可以达到 把可靠度设计到零件中去 的可靠性设计的目的 其实质是可靠度计算的逆运算 仍然运用联结方程来进行计算 解 1 该零件的强度均值 标准差已知 F 200MPa F 15MPa 2 计算 S 3 计算面积标准差 A 4 计算应力标准差 S 5 当R 0 99时 Q 0 01 查表可得可靠性系数Z 2 33 根据联结方程 有如下关系 6 通过计算 各参数分别为 S 125 74MPa F 200MPa S 12 65MPa F 15MPa 安全系数n 即在安全系数为1 59情况下 拉杆具有99 的可靠度 若安全系数也是随机变量 则它的均值 n和可靠度的关系为 式中 式安全系数的标准差 而 4 系统的可靠性设计 一个机械系统常常由许多子系统组成 而每个子系统又可能由若干个单元 零 部件 组成 因此 单元的功能及实现其功能的概率都直接影响系统的可靠度 系统的可靠性设计有两个方面 系统可靠性的预测和可靠性的分配 系统可靠性预测 按系统的组成形式 根据已知单元和子系统的可靠度计算求得 单元 子系统 系统 是一种合成方法 系统可靠性分配 将已知系统的可靠性指标合理分配到各个单元和子系统上去 系统 子系统 单元 是一种分解方法 系统模型及可靠度求解 1 串联系统 系统由相互独立可靠性的单元组成 当任一单元失效后 都会导致产品或整个系统失效 串联系统的可靠度计算 概率乘法定律 RS t 是系统的可靠度 Ri t 是单元i的可靠度 若在串联系统中 各单元的可靠度函数服从指数分布 则系统的失效率等于各组成单元失效率之和 即 则整个系统的可靠度为 例1 某电子产品有8个部件串联组成 可靠度服从指数分布 失效率 s t 分别如表所示 预测该产品1000h及10h的可靠度 解 1 产品的失效率是各部件失效率的总和 2 产品1000小时和10小时的失效率为 对于串联系统 虽然提高其组成单元的可靠度或降低他们的失效率可以提高整个系统的可靠度 但是提高单元可靠度必将提高产品的制造成本 因此 对于该系统来说 其总体可靠度较低 组成单元数目越多 其可靠性越低 2 并联系统 只有当组成单元都失效时 整个系统才失效 因此 可以把同种零部件进行并联组合 在不提高零件可靠度的条件下 大幅度提高产品或系统的可靠度 并联系统的失效率计算 概率乘法定律 QS t 是系统的失效概率 Qi t 是单元i的失效概率 并联系统的可靠度计算 若在并联系统中 各单元的可靠度函数服从指数分布 则整个系统的可靠度为 对于并联系统 它的可靠度总是大于系统种任一个单元的可靠度 或者说 各单元的可靠度均低于系统的可靠度 另外 并联系统的组成单元越多 系统的可靠度越大 或者说 每个单元的可靠度可以越低 这对