机械可靠性概述(1)

1、机械产品可靠性概述机械产品可靠性概述 l 机械产品可靠性的定义 在规定的使用条件和规定时间内，机械产品完成规定功 能的能力。 l 按应用对象分类 (1)结构可靠性 考虑结构疲劳、磨损、断裂等强度失效问题。 (2)机构可靠性 考虑机构在运动过程中，由于变形、磨损等引起的功 能失效。 1、概述 l 机械可靠性设计方法 (1)定性设计方法 成功的设计经验或失败的经验教训，有针对性地应 用到设计中，避免故障或设计缺陷。 (2)定量设计方法 概率设计法以应力强度干涉模型和功能失效极限 状态函数理论为基础，将应力、强度视为随机变量，利 用概率方法计算出给定设计条件下产品的失效概率或可 靠度，以符合给定的可

2、靠性要求。 1、概述 2、机械产品可靠性的特点 性能可靠性 l 确定性 l 可重复 l 真值可测可见 l 应用传统学科知识 l 不确定性/随机性 l 不可重复 l 真值不可测不可见 l 以传统学科知识为基础，考虑 不确定性 2、机械产品可靠性的特点 电子产品机械产品 失效模式比较简单 失效模式比较复杂 失效主要是由偶然因素造成 失效通常是由于疲劳、老化、磨损、 腐蚀等 ESS剔除早期失效，经济合理有效的 寿命和可靠性试验一般是小子样， 试验时间较长 ，费用高 失效率接近常数，有标准手册，可 利用国军标GJB299-或MIL-HBK-217 预计 多是专用件，标准件少，环境影响 严劣，失效率不是

3、常数 维修主要以更换元器件为主 修复和更换相结合 2、机械产品可靠性的特点 常规设计概率设计 应力和强度为常量，乘以各种系数应力和强度为随机变量 以安全系数进行设计校核多种指标设计校核，可预测失效概 率或可靠度 取过大的安全系数往往导致保守的 设计 能得到较小的零件尺寸、体积和重 量，在节省原材料和降低设计或加 工工艺要求等方面带来效益 从控制参数的均值方面入手提高可 靠性 从控制参数均值和参数标准差两方 面提高可靠性 1）不存在一个综合性的可靠性指标）不存在一个综合性的可靠性指标 由于机械产品可靠性设计方法涉及的因素很多，不可能像由于机械产品可靠性设计方法涉及的因素很多，不可能像 传统的设计

4、方法那样用安全系数作为唯一的评价度量。根据传统的设计方法那样用安全系数作为唯一的评价度量。根据 具体情况可以选用如失效率、可靠度、具体情况可以选用如失效率、可靠度、MTBF、维修度、有用、维修度、有用 度等作为评价的项目，对设计者来说，必须在设计开始时，度等作为评价的项目，对设计者来说，必须在设计开始时， 就弄清楚指标的大小。就弄清楚指标的大小。 2、机械产品可靠性的特点 2）可靠性设计强调）可靠性设计强调“把可靠性设计到零件中把可靠性设计到零件中”。 这个可靠度叫固有可靠度，它是由设计决定的，有生产这个可靠度叫固有可靠度，它是由设计决定的，有生产 保证的。如果设计不当，就不能生产出本质上可靠

5、的零件；保证的。如果设计不当，就不能生产出本质上可靠的零件； 不论工艺水平多高都不能得到高可靠的产品。不论工艺水平多高都不能得到高可靠的产品。 实践证明，机械产品的失效主要是由于设计不当造成的。实践证明，机械产品的失效主要是由于设计不当造成的。 3）可靠性设计必须考虑环境因素）可靠性设计必须考虑环境因素 环境对应力的影响很大，因而影响可靠性。如高温、低环境对应力的影响很大，因而影响可靠性。如高温、低 温、冲击、振动和盐雾等环境条件都是导致产品可靠性下降温、冲击、振动和盐雾等环境条件都是导致产品可靠性下降 的重要原因。研究表明，应力分布尾部对可靠度的影响较强的重要原因。研究表明，应力分布尾部对可

6、靠度的影响较强 度尾部的影响大得多，因此对环境质量的控制比对强度质量度尾部的影响大得多，因此对环境质量的控制比对强度质量 的控制重要得多。的控制重要得多。 4）可靠性设计与维修性设计相结合）可靠性设计与维修性设计相结合 可靠性设计赋予产品固有可靠性，而在耗损期中失效率可靠性设计赋予产品固有可靠性，而在耗损期中失效率 急剧升高，这时就要通过更换或维修恢复产品的可靠性，因急剧升高，这时就要通过更换或维修恢复产品的可靠性，因 此维修会使使用可靠性得到恢复。设计时必须考虑到维修内此维修会使使用可靠性得到恢复。设计时必须考虑到维修内 容。容。 5）可靠性设计过程是可靠性增长过程）可靠性设计过程是可靠性增

7、长过程 所谓可靠性增长是指随着产品的设计、试制、生产各阶所谓可靠性增长是指随着产品的设计、试制、生产各阶 段的进展，产品可靠性水平逐步提高的过程。因此，在不同段的进展，产品可靠性水平逐步提高的过程。因此，在不同 阶段要对产品的可靠性反复预测，发现问题及时改进，直到阶段要对产品的可靠性反复预测，发现问题及时改进，直到 达到要求为止。达到要求为止。 6）可靠性设计要贯彻系统工程的观点）可靠性设计要贯彻系统工程的观点 从整体出发，全面权衡可靠性设计，切忌从整体出发，全面权衡可靠性设计，切忌“头痛医头，头痛医头， 脚痛医脚脚痛医脚”的权宜之计。的权宜之计。 7）可靠性设计贯彻人）可靠性设计贯彻人-机工

8、程观点机工程观点 8）可靠性设计贯彻全寿命周期总费用最优的观点，而不只）可靠性设计贯彻全寿命周期总费用最优的观点，而不只 是考虑造价。是考虑造价。 3、机械产品的主要失效模式 机械产品可靠性设计的根本任务是预防潜在故障及纠正故障 失效类型说明 (1)功能失效型 操纵失灵、不启动、不工作、卡死等 (2)功能失常型 压力过高或过低、不到位、转速异常、功率不足等 (3)损坏损伤型 断裂、破碎、裂纹、扭曲变形、点蚀、剥落等 (4)松脱漏堵型 松动、脱落、漏油、漏水、漏气、堵塞等 (5)退化变质型 老化、变质、腐蚀、锈蚀、积碳等 (6)其他类型 与具体产品相关 GJB3554-车辆系统质量与可靠性信息分

9、类和编码要求 3、机械产品的主要失效模式 l 强度是机械零件可靠性的最基本要求 强度不足产生的断裂往往引发重大安全事故。 l 疲劳、磨损、腐蚀 尽管机械产品种类繁多，不同机械产品的失效模式和 失效机理也各异，但由于疲劳、磨损、腐蚀而导致的失效 在整个机械产品失效中所占比例超过80%，因此机械可靠性 定量设计也往往针对这三种失效机理进行分析计算。 4、机械产品可靠性的度量参数 机械产品一般可分为整机（或称系统）和零部件 l 度量产品可靠性的参数 可靠度 失效率 累积失效概率 平均寿命 平均故障间隔时间 可靠寿命 可靠寿命 l 机械产品最常用的可靠性度量参数就是可靠度、寿命或可 靠寿命以及MTBF

10、 4、机械产品可靠性的度量参数 (1)可靠度：(Reliability) 用随机变量T表示产品从开始工作到发生失效或故障的 寿命，概率密度函数为f(t) N tn N tnN tR )( 1 )( )( 用统计方法：若有N个相同的产品同时投入试验，经 历时间后有n(t)件产品失效。 失效概率为： N tn tRtF )( )(1)( 可靠度为： t ttftTPtRd)()()( 4、机械产品可靠性的度量参数 (2) 失效率 若定义：为平均失效率 则： 为失效率 例：100件产品，实验10小时2件失效。再观测1小时，发现有1 件失效 若实验到50小时时共有10件失效。再观测1小时，也发现有1件

11、 失效，这时 ttnN tn t )( )( )( dttF tdF t N tn N tn t N t t N t )(1 ( )( )( 1 )( 0 lim)( 0 lim)( 98 1 1)2100( 1 )10( 90 1 1)10100( 1 )50( 4、机械产品可靠性的度量参数 显然有： 失效率曲线（也称浴盘曲线） 早期失效期偶然失效期 耗损失效期 t 适于电产品适于机械产品 tt tRtdR tR dtt 00 )(ln)( )( 1 )( dttR tdR dttR tRd dttF tFd t )( )( )( )(1 ( )(1 ( )( )( )(t 通过维修来降 低

12、失效率 磨合期有效寿命 4、机械产品可靠性的度量参数 （3) 平均寿命 l 不可修产品为平均无故障时间MTTF (Mean Time To Failure) l 可修产品为平均故障间隔时间MTBF(Mean Time Between Failure) l 电子产品失效率基本为常数，相当于寿命服从指数分布， 则平均寿命的计算公式为 n i i t n t 1 1 /1t 4、机械产品可靠性的度量参数 )(tR )(tF )(tf )(t )(tR )(1tF t ttfd)( t tt e 0 d)( )(tF )(1tR t ttf 0 d)( t tt e 0 d)( 1 )(tf t tR

13、 d )(d t tF d )(d t tt et 0 d)( )( )(t )(ln d d tR t t tF tFd )(d )(1 1 t ttf tf d)( )( 基本函数 l 失效率为常数时，相当于寿命服从指数分布 l 机械产品的失效率不是常数 4、机械产品可靠性的度量参数 (1)可靠度 机械产品可靠度与载荷、环境、失效机理等密切相关 失效影响可靠度 造成重大后果0.999991 损失重大0.999 一般损失0.99 影响较小0.9 基本无影响，可更换0.9 l 对故障引起不同后果的零部件和系统，应结合产品的设 计寿命选用不同的可靠度 l 关键零件可靠度取高值 4、机械产品可靠性

14、的度量参数 (2)寿命 l任何机械产品均有使用寿命问题，例如汽车的设计寿命 一般为50万公里，飞机的设计寿命为60000飞行小时。 l在现代设计中，一般采用等寿命设计方法，因此其寿命 本质上取决于关键零部件的寿命。 l对机械零部件而言，大多是不可修复的，如果出现失效， 在维修时一般给予更换。所以设计机械零件，不但要确 保其可靠度，更为重要的是使其设计寿命达到要求。 4、机械产品可靠性的度量参数 (3)可靠寿命 l可靠度为给定值R时的工作寿命。例如轴承常采用可靠 度为0.9时的寿命作为可靠性度量参数(额定寿命)。 l可靠寿命一般通过统计试验确定，其观测值是能完成规 定功能的产品的比例恰好等于给定

15、可靠度时所对应的时 间。 例如，对例如，对100个产品进行寿命试验，指定可靠度个产品进行寿命试验，指定可靠度R=0.9， 若当第若当第10个产品发生失效时的时间为个产品发生失效时的时间为250小时，则可靠度小时，则可靠度 为为0.9的可靠寿命约为的可靠寿命约为250小时。小时。 4、机械产品可靠性的度量参数 (4)平均故障间隔时间/里程（MTBF） l平均故障间隔时间/里程常用于机械产品整机或系统可靠 性的度量 lMTBF本质上是一种基于统计的可靠性度量参数，可以 反映产品的可靠性水平 l但对机械系统而言，由于各组成零部件的失效率非恒定， 只能借助大量统计或试验数据才能确定 5、机械可靠性设计

16、分析主要步骤 可靠性从何入手？可靠性从何入手？ 故障故障/ /失效失效 预防预防发现发现 验证验证纠正纠正 从故障入手从故障入手 可靠性工程的四大重点可靠性工程的四大重点 验证故障验证故障 预防故障预防故障 纠正故障纠正故障 发现故障发现故障 可靠性模型可靠性模型 可靠性预计可靠性预计 可靠性分配可靠性分配 设计准则设计准则 FMECA FTA 元器件控制元器件控制 有限元分析有限元分析 耐久性分析耐久性分析 可靠性评审可靠性评审 可靠性增长可靠性增长 试验试验 环境应力筛选环境应力筛选 FRACAS 利用传统学科利用传统学科 纠正故障实现纠正故障实现 五归零五归零 可靠性研制可靠性研制 试验

17、试验 寿命试验寿命试验 可靠性鉴定可靠性鉴定 试验试验 可靠性验收可靠性验收 试验试验 机械可靠性可靠性设计步骤机械可靠性可靠性设计步骤 根据应力和强度都是随机变量根据应力和强度都是随机变量实际使用和工作环境实际使用和工作环境 下零件所受的应力的诸参数是随机变量，实际的零件强度也下零件所受的应力的诸参数是随机变量，实际的零件强度也 是随机变量；构造一统一计量使之为应力和强度的函数，建是随机变量；构造一统一计量使之为应力和强度的函数，建 立计量与可靠性之间的函数关系，计算可靠度，一般的设计立计量与可靠性之间的函数关系，计算可靠度，一般的设计 分分14步。步。 （1）分析任务概貌和确定设计的问题。

18、）分析任务概貌和确定设计的问题。 如果要设计一个常用零件，如轴，则设计任务简单明确：如果要设计一个常用零件，如轴，则设计任务简单明确： 确定轴的危险面的直径。如果要设计一个复杂系统，就必须确定轴的危险面的直径。如果要设计一个复杂系统，就必须 进行任务概貌和环境概貌的分析。例如。某航天飞机的任务进行任务概貌和环境概貌的分析。例如。某航天飞机的任务 概貌和环境概貌如图，在此基础上确定各子系统的可靠度指概貌和环境概貌如图，在此基础上确定各子系统的可靠度指 标。标。 （2）确定有关设计变量和参数）确定有关设计变量和参数 （3）进行失效模式、影响及危害分析）进行失效模式、影响及危害分析 （4）确定零件的

19、失效模式是对立的还是相关的。）确定零件的失效模式是对立的还是相关的。 如果所有的零件的失效模式都是相互对立的，亦即一种如果所有的零件的失效模式都是相互对立的，亦即一种 失效模式对其它失效模式无影响，那么在计算一种失效模式失效模式对其它失效模式无影响，那么在计算一种失效模式 下的应力和强度时，不需考虑所有其它失效模式的影响；否下的应力和强度时，不需考虑所有其它失效模式的影响；否 则，对于受到影响的强度和应力应进行修正。则，对于受到影响的强度和应力应进行修正。 （5）确定有关的每种失效模式的判据，比如）确定有关的每种失效模式的判据，比如 l 最大正应力最大正应力 l 最大剪应力最大剪应力 l 最大

20、变形能最大变形能 l 最大应变能最大应变能 l 最大应变最大应变 l 最大变形最大变形 l 疲劳情况下的变形能疲劳情况下的变形能 l 最大许用腐蚀量最大许用腐蚀量 l 最大许用磨损最大许用磨损 l 最大振幅最大振幅 （6）确定应力分布函数。）确定应力分布函数。 对每一种失效模式都必须确定载荷、尺寸、温度、时间、对每一种失效模式都必须确定载荷、尺寸、温度、时间、 物理的性质，使用和工作环境条件等设计变量和参数之间的物理的性质，使用和工作环境条件等设计变量和参数之间的 函数关系，从而得到应力函数。函数关系，从而得到应力函数。 （7）确定每一种失效模式对应的应力分布。）确定每一种失效模式对应的应力分

21、布。 根据根据FMEA、FTA所确定的重要和致命的失效模式，按所确定的重要和致命的失效模式，按 上述过程确定应力分布。上述过程确定应力分布。 （8）确定强度分布。）确定强度分布。 对于确定的失效模式来说，强度应该是失效时的应力，对于确定的失效模式来说，强度应该是失效时的应力， 一旦应力超过强度，就会导致该失效模式的发生。失效发生一旦应力超过强度，就会导致该失效模式的发生。失效发生 的概率就是可靠度。通常得到的是材料的强度数据，要通过的概率就是可靠度。通常得到的是材料的强度数据，要通过 修正得到零件的强度数据。修正得到零件的强度数据。 （9）确定每一失效对应的强度分布。）确定每一失效对应的强度分

22、布。 将材料强度数据和修正系数综合起来就得到零件的强度将材料强度数据和修正系数综合起来就得到零件的强度 分布。分布。 （10）确定与每一失效模式的可靠度。）确定与每一失效模式的可靠度。 对于零件每一失效模式应计算其可靠度。而有时有多种对于零件每一失效模式应计算其可靠度。而有时有多种 失效模式，要分别计算。失效模式，要分别计算。 （11）确定同时考虑所有致命失效模式的零件可靠度。大多）确定同时考虑所有致命失效模式的零件可靠度。大多 是串联模型。是串联模型。 （12）对所有关重件重复以上步骤，求出各自的可靠度。）对所有关重件重复以上步骤，求出各自的可靠度。 （13）根据零件的可靠度计算部件、分系统

23、和系统的可靠度。）根据零件的可靠度计算部件、分系统和系统的可靠度。 （14）如有必要，对整个设计的下列内容进行优化。）如有必要，对整个设计的下列内容进行优化。 包括：性能、可靠性、维修性、安全性、费用、重量、包括：性能、可靠性、维修性、安全性、费用、重量、 体积、操作性等体积、操作性等 机械可靠性常用算法机械可靠性常用算法 、对于零件、对于零件 干涉模型、功能函数的零件。干涉模型、功能函数的零件。 l正态、对数正态、指数，矩法、正态、对数正态、指数，矩法、JC法。法。 l威布尔分布，数值积分威布尔分布，数值积分 2、系统可靠性、系统可靠性 蒙特卡罗抽样、串并联模型（考虑相关性）、简化公式蒙特卡罗抽样、串并联模型（考虑相关性）、简化公式 对于弹箭类产品，根据链式模型，可得到系统可靠度计对于弹箭类产品，根据链式模型，可得到系统可靠度计 算得近似公式：算得近似公式： 注：对于不符合正态分布，可采用等效正态，进行转化。注：对于不符合正态分布，可采用等效正态，进行转化。 n i i n PP 1 ) 1( 11 随机变量变异系数的确定随机变量变异系数的确定 基本概念基本概念 1、基本可靠性、基本可靠性 basic reliability 产品在规定的条件下，规定的时间内，无故障工作的能力。产品在规定的条件下，规定的时