机械可靠性设计绪论(ppt 77页).ppt

机械可靠性设计,华东理工大学机械与动力工程学院主讲：董雷云,课程名称：可靠性概论选用教材：机械可靠性设计（刘混举2012）教学安排：总学时：24讲课：22复习：2考核方式：开卷考试成绩评定方法：考试成绩占70%，平时成绩占30%，其中平时成绩主要由考勤、课堂练习等组成。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),教材:机械可靠性设计(刘混举2012),第1章绪论第2章可靠性数学基础第3章机械可靠性设计原理与可靠度计算第4章机械系统可靠性设计第5章故障模式影响及危害性分析与故障树分析,第1章绪论,可靠性是一门新兴的工程学科，是研究产品全寿命过程中故障的发生原因、发展规律，达到预防故障、降低故障率、提高产品质量为目的的工程技术。应用领域广泛，如军工、航天、航空、电子、机械等，遍布整个工业领域。,第1章绪论,1.1可靠性研究的历史1.2可靠性研究的重要性及其意义1.3可靠性的定义和特征量1.4机械可靠性设计的内容、特点和方法,1.1可靠性研究的历史,1.1可靠性研究的历史可靠性工程的诞生要追溯到20世纪3040年代，特别是第二次世界大战中，当时飞机已成为重要的运输工具和武器，但当时飞机、舰艇等武器装备中的电子设备经常发生故障，使装备失去战斗能力，贻误战机。比如美国运往远东的机载电子设备60%在运输中失效；海军舰艇上的电子设备70%因意外事故而失效。人们注意到并开始研究这些“意外”事故发生的规律，这就是可靠性问题的提出。,1.1可靠性研究的历史,1939年英国航空委员会出版飞机适航性注释，首次提出飞机故障率不应超过0.00001次/h，这可以认为是最早的飞机安全性和可靠性定量指标。二战末期，德国火箭专家R卢瑟（Lusser）首先提出概率乘积法则，用于V-火箭诱导装置的可靠度计算，得到其可靠度为75%，这是第一次定量的计算一个复杂系统的可靠度问题。1942年美国麻省理工学院一个研究室开始对真空管的可靠性进行深入的调查研究工作。,1952年美国成立了“电子设备可靠性顾问委员会，即AGREE”。AGREE对电子产品的设计、制造、试验、储存、运输及使用等各方面作了全面的可靠性调查研究，于1957年发布著名的“军用电子设备可靠性报告”。该报告首次比较完整的阐述了可靠性的理论和研究方法，该报告被公认为可靠性工程的奠基性文件。1965年美国宇航局（NASA）开展了机械可靠性研究,1.1可靠性研究的历史,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。日本可靠性工作虽然开展较晚，但日本主要是注重民用产品可靠性研究，强调实用，这就大大促进了日本机电产品可靠性水平的提高。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,1.1可靠性研究的历史,苏联：20世纪50年代为了保证人造地球卫星发射与飞行的可靠性，开始了可靠性的研究工作。1961年，苏联发射第一艘载人宇宙飞船时，对宇宙飞船安全飞行和安全返回地面的可靠性提出了0.999的概率要求。可靠性研究人员把宇宙飞船系统的可靠性转化为各个元器件的可靠性进行研究取得了成功，满足了对宇宙飞船系统提出的可靠性要求。从此，苏联对可靠性问题展开了全面深入的研究。,1.1可靠性研究的历史,20世纪70年代，各种各样的电子设备或系统广泛应用于各科学技术领域、工业生产部门以及人们的日常生活中，电子设备的可靠性直接影响着生产效率和设备寿命以及人员的生命安全，对可靠性问题的研究显得日益重要。,1.1可靠性研究的历史,1.1可靠性研究的历史,20世纪80年代，可靠性研究继续朝广度和深度发展，中心内容是实现可靠性保证。1985年美国军方提出在2000年实现“可靠性加倍，维修时间减半”的新目标，并付诸实施。1991年海湾战争的“沙漠风暴”行动和科索沃战争表明，未来的战争是高技术的较量。为了保证装备的完好性、任务的成功性以及减少维修人员和费用，可靠性工程将大力扩展。,1.1可靠性研究的历史,中国：我国的可靠性工作起步并不晚，20世纪50年代就建立了温热带环境暴露试验机构，1972年在此基础上建立了我国的电子产品可靠性与环境试验研究所。1960年前后，由于国防尖端工程（原子弹、氢弹、人造卫星）的需要，对电子产品和设备进一步开展了失效机理及筛选、设计、工艺、制造等方面的研究。20世纪70年代末，可靠性研究在电子工业部门普遍开展，建立了中国电子学会可靠性委员会和中国运筹学会可靠性专业委员会，使可靠性研究扩展到机械、宇航、军工、核能、土建工程领域。,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；80年代：可靠性研究工作广泛开展；1982年国家标准局正式颁发“可靠性基本名词术语及定义”GB3187-82，在1983年开始实施。使我国可靠性技术的研究和应用进入到一个新的阶段。90年代：开展机械可靠性设计工作。,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。,1.2可靠性研究的重要性及其意义,1.2可靠性研究的重要性及其意义1）产品的可靠性与企业的生命、国家的安全紧密相关；国防科工委总结中国两弹一星成功的经验时将可靠性列为三大技术成就之一二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1979年3月28日美国三漓岛核电站发生放射性物质泄漏1984年12月美国联合碳化物公司（印度）农药厂毒气泄漏事故1999年5月4日，一枚“德尔塔”3型火箭发生故障，使价值1.45亿美元的“猎户座”通信卫星低于预定轨道数千英里而无法使用，造成经济损失总计超过35亿美元。,1.2可靠性研究的重要性及其意义,2）产品结构复杂化要求有很高的可靠性美国研制F-105战斗机时，投资2500万美元，使其可靠度从0.7263提高到0.8986，每年节省维修费用达到5400万美元。,102,103,104,107,106,105,1.2可靠性研究的重要性及其意义,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造成7名宇航员死亡，经济损失达12亿美元。,“挑战者”号,1.2可靠性研究的重要性及其意义,4）产品竞争的焦点是可靠性日本：将可靠性作为企业的主要奋斗目标美国：认为世界产品竞争的焦点是可靠性苏联：将可靠性纳入25年发展规划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”,1.2可靠性研究的重要性及其意义,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1969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。三峡工程大坝合拢时，使用的全部车辆为进口产品。“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.,为了提高产品的可靠性，必须在生产的各个环节上做出努力，但最重要的是设计阶段。如果设计不合理，想通过事后的修理来达到所期望的可靠性，这几乎是不可能的。因此，从事机械研究和系统设计的科研人员应该熟悉和掌握保证可靠性的各种方法和手段。,1.3可靠性的定义和特征量,可靠性的概念及基本思想可靠性的经典定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。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。,.3.1可靠性定义,根据GB3187-1982可靠性基本名词术语及定义可靠性的定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。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。规定的条件：一般指的是使用条件、维护条件、环境条件、操作技术，如载荷、温度、压力、湿度、振动、磨损、腐蚀等。,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：首先要明确具体产品的功能是什么，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：这里所说的能力具有统计学的意义，需要用概率论和数理统计的方法来处理。,.3.1可靠性定义,可靠性的类型,可靠性可分为固有可靠性和使用可靠性固有可靠性是通过设计、制造赋予产品的可靠性；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,1.3.2可靠性的特征量,用来表示产品总体可靠性高低的各种可靠性指标称为可靠性特征量。其真值是理论上的数值，实际上是未知的。根据样本的观测数据，经一定的统计计算所得到的是特征量真值的估计值。按可靠性标准的具体定义计算出来的特征量的估计值称为特征量的观测值。特征量的观测值是较易计算的，但从统计意义上讲，未必是最优的。,1.3.2可靠性的特征量,1.3.2可靠性的特征量,1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。,可靠度如果用随机变量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。,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了为止，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:,例1-1在规定条件下对12个不可修复产品进行无替换试验，试验。在某观测时间内对3个可修复产品进行试验，试验结果见下图所示。两图中“”均为产品出现故障时的时间，t为规定时间，求以上两种情况的产品可靠度的估计值。,解：不可修复产品试验由图（a）统计可得Nf（t）=7，N=12，由公式（1-2）有,解：3台可修复产品的试验由图（b）统计可得Ns（t）=5，N=12，由公式（1-3）有,例1-2在规定条件下对10件某不可修复产品进行无替换试验，试验结果如下图（a）所示，在某观测时间内对3件某可修复产品进行试验，试验结果见下图（b）所示，两图中“”均为产品出现故障时的时间，t为规定时间（500h），求以上两种情况的产品可靠度的观测值。,解：不可修复产品由图（a）统计可得Nf（t）=7，N=10，由公式（1-2）有,解：可修复产品试验由图（b）统计可得Ns（t）=3，N=9，由公式（1-3）有,2可靠寿命和中位寿命,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,3累积失效概率,累积失效概率：累积失效概率是产品在规定条件下和规定时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）。因为完成规定功能与未完成规定功能是对立事件，按概率互补定理可得F（t）=1-R（t）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,例1-3有110只电子管，工作500h时有10只失效，工作到1000h时总共有53只电子管失效，求该产品分别在500h和1000h时的累积失效概率。,4平均寿命,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MTTF，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），则经分部积分后也可求得,5失效率,失效率：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,有时也称为故障率函数或风险函数.按上述定义，失效率是在时刻t尚未失效产品在t+t的单位时间内发生失效的条件概率。即,失效率的观测值是在某时刻后单位时间内失效的产品数与工作到该时刻尚未失效产品数之比，即,例1-4,6失效率曲线,早期失效期:特点：产品开始使用时失效率很高，随着产品工作时间增加，失效率迅速降低，失效率属于递减型（DFR）。原因：大多是由设计、原料和制造过程中的缺陷造成的。,6失效率曲线,偶然失效期:特点：失效率较低，且较稳定，可近似看作常数，失效率属于恒定型（CFR）。原因：产品失效是由意外过载、误操作、不可抗拒等偶然因素引起的。研究这一时期的失效原因对提高产品的可靠性具有重要意义。,6失效率曲线,耗损失效期:特点：这一阶段的失效率随时间延长而急速增加，产品的失效率属于递增型（IFR）原因：到这一阶段，大部分产品都要开始失效。其失效是由带全局性的原因造成的。说明由于疲劳、磨损等造成的损伤已经很严重，寿命即将终止。,6失效率曲线,可靠性特征量间的关系,各类产品常用的可靠性指标,1.4机械可靠性设计的内容、特点和方法1.4.1机械可靠性设计的基本特点,1.4.2机械可靠性设计的主要内容,1研究产品的故障机理和故障模型2确定产品的可靠性指标及其等级3可靠性预测4合理分配产品的可靠性指标值5以规定的可靠性指标为依据对零件进行可靠性设计,1.4.3机械可靠性设计的方法与步骤,1机械可靠性设计方法机械可靠性设计的主要方法有：概率设计法、故障树设计法（FTA）、失效模式