机械可靠性设计 (2)精选文档.ppt
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1、机械可靠性设计本讲稿第一页,共六十四页4.1 关于机械可靠性设计的几个问题关于机械可靠性设计的几个问题v 后来就做出一种推断:关于真空管的制造技术,有超出以往制造技术后来就做出一种推断:关于真空管的制造技术,有超出以往制造技术和检查能力以外的某种和检查能力以外的某种特性特性,当它被掌握和发现以后,是可以防止故,当它被掌握和发现以后,是可以防止故障的。这种特性就是障的。这种特性就是“可靠性可靠性”。一、为什么要研究可靠性的问题一、为什么要研究可靠性的问题 v 可靠性设计是第二次世界大战时由一只真空管引起的。可靠性设计是第二次世界大战时由一只真空管引起的。v当时美国在远东军事基地有当时美国在远东军
2、事基地有60的军用飞机电子装置处于故障状态,的军用飞机电子装置处于故障状态,检查结果是由于真空管发生了故障。但出故障的真空管却是完全符合出检查结果是由于真空管发生了故障。但出故障的真空管却是完全符合出厂指标的,虽然多次检查仍找不出原因。厂指标的,虽然多次检查仍找不出原因。v 后来在设计、制造和检查中考虑了可靠性,结果大大减少了故障。后来在设计、制造和检查中考虑了可靠性,结果大大减少了故障。这样,这样,“可靠性可靠性”设计的问题就提出来了。设计的问题就提出来了。可靠性问题的提出:可靠性问题的提出:本讲稿第二页,共六十四页可靠性问题日益受到重视的原因可靠性问题日益受到重视的原因:1)由由于于市市场
3、场竞竞争争激激烈烈,产产品品更更新新快快,许许多多新新元元件件、新新材材料料、新新工工艺艺等未及成熟试验就被采用,因而造成故障。等未及成熟试验就被采用,因而造成故障。2)随随着着产产品品或或系系统统日日益益向向大大容容量量、高高性性能能参参数数发发展展,尤尤其其是是机机电电一一体体化化技技术术的的发发展展,使使整整机机或或系系统统变变得得复复杂杂,零零、部部件件的的数数量量大大增增,致致使使其其发发生生故故障障的的机机会会增增多多,往往往往由由于于一一个个小小零零件件、小小装装置置的的失失效效而酿成大事故。而酿成大事故。3)为了维护用户的利益,在一些工业国家中实行)为了维护用户的利益,在一些工
4、业国家中实行产品责任索赔产品责任索赔办法。办法。4)产品或系统可靠性的提高可使用户)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获得较大的经济效益和社会效益益。本讲稿第三页,共六十四页建国以来,我国机电产品发展迅速,取得了很大成绩。建国以来,我国机电产品发展迅速,取得了很大成绩。但与国外相比,我国机电产品的可靠性普遍较低。但与国外相比,我国机电产品的可靠性普遍较低。二、我国机电产品可靠性现状二、我国机电产品可靠性现状 可靠性问题加剧了我国机电产品出口出不去,进口挡不住的局面。可靠性问题加剧了我国机电产品出口出不去,进口挡不住的局面。本讲稿第四页,共六十四页传统的机械零件设计方法是以
5、计算安全系数为主要内容的。安全系数法对问题的提法是:零件的安全系数(等于零件的强度除以零件的应力;即n=F/S)是多大?机械可靠性设计方法认为:零件的应力、强度以及其他的设计参数,如载荷、几何尺寸和物理量等都是多值的,即呈分布状态。三、为什么会出现可靠性的问题三、为什么会出现可靠性的问题 撇开管理方面的因素不谈,仅就技术理论方面而言:在计算安全系数时,零件材料的强度F和零件所承受的应力S都是取单值的。本讲稿第五页,共六十四页假设强度分布假设强度分布和应力分布都和应力分布都是是正态分布正态分布。零件是否安全,不仅取决于平均安全系数的大小,零件是否安全,不仅取决于平均安全系数的大小,还取决于强度分
6、布和应力分布的离散程度。还取决于强度分布和应力分布的离散程度。对于同样大小的强度平均值对于同样大小的强度平均值F和应力平均值和应力平均值s,如果应力和强度两个分布的尾部不发生重叠,如果应力和强度两个分布的尾部不发生重叠,则零件不致于破坏。则零件不致于破坏。本讲稿第六页,共六十四页传统的按安全系数方法进行机械零件的设计是不合理的。传统的按安全系数方法进行机械零件的设计是不合理的。但是,在零件工作过程中,随着但是,在零件工作过程中,随着时间的推移和环境等因素的变化以及时间的推移和环境等因素的变化以及材料强度的老化材料强度的老化等原因,将可能导致应力分布和强度分布的尾部发等原因,将可能导致应力分布和
7、强度分布的尾部发生干涉。即有可能出现应力大于强度的工作条件,此时零件将发生干涉。即有可能出现应力大于强度的工作条件,此时零件将发生失效。生失效。本讲稿第七页,共六十四页四、机械可靠性设计的内容四、机械可靠性设计的内容可靠性学科的内容包括:可靠性学科的内容包括:1)1)可靠性理论基础可靠性理论基础如可靠性数学,可靠性物理如可靠性数学,可靠性物理2)2)可靠性应用技术可靠性应用技术如失效分析,零件、机器和系统的可靠性设计和如失效分析,零件、机器和系统的可靠性设计和预测,可靠性评价和验证,可靠性规范等。预测,可靠性评价和验证,可靠性规范等。可靠性设计可靠性设计的内容:的内容:可靠性预测可靠性预测、可
8、靠性分配可靠性分配。可靠性预测可靠性预测是从所得的失效数据预报一个零、部件或系统是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、部件或系统实际可能达到的可靠度,预报这些零、部件或系统在规定在规定的条件下和在规定的时间内,完成规定功能的条件下和在规定的时间内,完成规定功能的概率。的概率。本讲稿第八页,共六十四页4.2 可靠性的概念和指标可靠性的概念和指标 可靠性可靠性:产品在:产品在规定条件下规定条件下和和规定时间内规定时间内完成完成规定功能规定功能的能力。的能力。可靠性尺度可靠性尺度 1)可靠度(Reliability);2)失效率或故障率(FailureRate);
9、3)平均寿命(MeanLife);4)有效寿命(UsefulLife);5)维修度(Maintainability);6)有效度(Availability);7)重要度(Importance)。有了尺度,则在设计有了尺度,则在设计和生产时就可用数学和生产时就可用数学方法来计算和预测,方法来计算和预测,也可以用试验方法来也可以用试验方法来评定产品或系统的可评定产品或系统的可靠性。靠性。本讲稿第九页,共六十四页一、可靠度和失效率一、可靠度和失效率 可靠度可靠度:零、部件在规定的寿命期限内,在规定的使用条件下,无故障地进行工作的概率。对总数为N个零件进行试验,经过t时间后,有NQ(t)件失效,NR(
10、t)件仍正常工作,那么该类零件的可靠度R(t)定义为:零件失效的概率或零件的故障概率Q(t)定义为:在规定的使用条件下,可靠度是时间的函数,用R(t)表示。本讲稿第十页,共六十四页常用常用故障频数故障频数直方图直方图来反映来反映某类零件发生某类零件发生故障的概率。故障的概率。横坐标横坐标取为某类零件的取为某类零件的寿命间隔寿命间隔;纵坐标纵坐标表示某类零件在各寿命间隔内表示某类零件在各寿命间隔内发生故障的个数发生故障的个数(或频次)(或频次)。本讲稿第十一页,共六十四页故障概率密度函数故障概率密度函数f(t)本讲稿第十二页,共六十四页本讲稿第十三页,共六十四页二、三种失效率二、三种失效率失效模
11、式失效模式 产品的失效(或故障)有其规律。大量的研究表明,机电产品零件的大量的研究表明,机电产品零件的典型失效率曲线典型失效率曲线,明显可划分为,明显可划分为三三个区域个区域:早期失效区域、正常工作区域和功能失效区域。早期失效区域、正常工作区域和功能失效区域。1)早期失效区域的失效率较高,)早期失效区域的失效率较高,故障率由较高的值迅速下降。故障率由较高的值迅速下降。一般属于试车的跑合期。一般属于试车的跑合期。2)正常工作区域出现的失效具有)正常工作区域出现的失效具有随机性,故障率变化不太大,有随机性,故障率变化不太大,有的微微下降或上升。可以称为使的微微下降或上升。可以称为使用寿命期或偶然故
12、障期。在此区用寿命期或偶然故障期。在此区域内,故障率较低。域内,故障率较低。3)功能失效区域的失效率迅速上升。一般情况下,零件表现为耗损、疲)功能失效区域的失效率迅速上升。一般情况下,零件表现为耗损、疲劳或老化所致的失效。劳或老化所致的失效。失效率曲线的三个区域反映了零件的失效率曲线的三个区域反映了零件的三种故障三种故障模式模式,它们均具有一定的概率分布特性。,它们均具有一定的概率分布特性。本讲稿第十四页,共六十四页在机械可靠性研究中常用的几种概率分布在机械可靠性研究中常用的几种概率分布指数分布的均值均值 1指数分布 当失效率为常数,即(t)=时,可靠度 失效概率密度函数大量实际工作表明:处于
13、稳定工作状态的机械、电子或机电系统的故障率基本上是常数。正常使用期内由于偶然原因而发生的失效就常用正常使用期内由于偶然原因而发生的失效就常用指数分布指数分布来描述。来描述。方差方差 本讲稿第十五页,共六十四页2正态分布正态分布 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也多是正态分布正态分布的概率密度函数正态分布的概率密度函数 本讲稿第十六页,共六十四页本讲稿第十七页,共六十四页3韦布尔分布韦布尔分布 零件的疲劳寿命和强度等都可以用韦布尔分布来描述。零件的疲劳寿命和强度等都可以用韦布尔分布来描述。正态分布、指数分布等都是它的特例。正态分布、指数分布等都是它的特例。韦布尔分布的
14、失效率密度函数:韦布尔分布的失效率密度函数:位置参数位置参数 仅影响曲线起点的位置,对曲线的形状没有影响。取仅影响曲线起点的位置,对曲线的形状没有影响。取=0,上式变成两参数韦布尔分布失效概率密度函数。,上式变成两参数韦布尔分布失效概率密度函数。b:形状参数,:尺度参数,:位置参数 三参数韦布尔分布失效概率密度函数本讲稿第十八页,共六十四页本讲稿第十九页,共六十四页三、平均寿命三、平均寿命 平均寿命又称平均失效时间(MTBF),它是失效的平均间隔时间,即平均无故障工作时间。寿命t的均值当然就是平均失效时间MTBF,本讲稿第二十页,共六十四页4.3 可靠性设计方法举例可靠性设计方法举例 利用正态
15、分布函数表进行零件可靠度的计算 方法:方法:根据可靠性系数 和R(t)的相应数值表直接 算出可靠性R(t)的值。可靠度计算可靠度计算 本讲稿第二十一页,共六十四页本讲稿第二十二页,共六十四页本讲稿第二十三页,共六十四页,且服从正态分布,且服从正态分布:强度和应力的差值大于零的概率:强度和应力的差值大于零的概率本讲稿第二十四页,共六十四页本讲稿第二十五页,共六十四页本讲稿第二十六页,共六十四页本讲稿第二十七页,共六十四页本讲稿第二十八页,共六十四页4.4 系统的可靠性设计系统的可靠性设计系统的可靠性设计系统的可靠性设计有两个方面的含义:可靠性预测可靠性预测、可靠性分配可靠性分配。系统的可靠性预测
16、系统的可靠性预测:按系统的组成形式,根据已知单元和 子系统的可靠度来计算系统的可靠度。系统的可靠性分配系统的可靠性分配:将已知的系统可靠性指标合理地分配 到各子系统和单元上去,从而求出各 单元应具有的可靠度。系统系统常由许多子系统子系统组成,而每个子系统又可能由若干单元单元(如零、部件)组成。本讲稿第二十九页,共六十四页一、系统模型一、系统模型 1串联系统串联系统 系统由若干个单元或子系统组成,当任一个单元失效时,都会导致产品或整个系统失效,则称这种系统为串联系统串联系统。在由若干个单元组成的系统中,只要有一个单元仍在发挥其功能,产品或系统就能维持其功能;或者说,只有当所有单元都失效时系统才失
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