机械可靠性设计0701绪论.ppt

《机械可靠性设计0701绪论.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械可靠性设计0701绪论.ppt（59页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、机械可靠性设计可靠性设计南京航空航天大学机电学院南京航空航天大学机电学院于明礼于明礼第一章第一章 绪绪 论论工程设计中事物的不确定性工程设计中事物的不确定性 工程设计是一个探索性的工程设计是一个探索性的创造过程创造过程，即按照一定的目标进，即按照一定的目标进行分析、决策、评价、优化的过程。行分析、决策、评价、优化的过程。定义设计变量和参数定义设计变量和参数载荷、应力、强度、变载荷、应力、强度、变形、刚度、寿命形、刚度、寿命工程事物描述工程事物描述拟定设计方案拟定设计方案设计结构、造型设计结构、造型 选择材料、参数、系数选择材料、参数、系数规划工艺流程规划工艺流程自然因素自然因素技术因素：载荷、

2、环境、工艺、维护技术因素：载荷、环境、工艺、维护人文因素：经济效益、社会效益、环保、人文因素：经济效益、社会效益、环保、资源资源设计者的经设计者的经验、智能进验、智能进行判断、推行判断、推理与决策理与决策不确定性不确定性不不确确定定性性因因素素类类型型事物的随机性事物的随机性在相同的条件下，事物呈现不同的结果在相同的条件下，事物呈现不同的结果汽车、拖拉机承受的载荷，所处的工作状态汽车、拖拉机承受的载荷，所处的工作状态零件材料的性能零件材料的性能机器或零件的寿命机器或零件的寿命事物的模糊性事物的模糊性事物本身概念不清楚，在质上没有确切定义，事物本身概念不清楚，在质上没有确切定义，在量上没有确定界

3、限在量上没有确定界限性能好坏性能好坏效率高低效率高低造型美观不美观造型美观不美观事物信息的未确知性事物信息的未确知性受客观条件限制而造成的信息不完善受客观条件限制而造成的信息不完善零件在运行中的磨损、胶合和疲劳点蚀零件在运行中的磨损、胶合和疲劳点蚀概率概率论与论与数理数理统计统计模糊模糊数学数学专家经验专家经验主观概率、主观概率、主观隶属主观隶属度度可靠性、可靠度可靠性、可靠度（ReliabilityReliability）定量（精确）定量（精确）可靠可靠（ReliableReliable）定性（模糊）定性（模糊）可靠性的概念是人们在对一些付出惨痛代价的事可靠性的概念是人们在对一些付出惨痛代价

4、的事故的研究中提出的。例如，二战中美国故的研究中提出的。例如，二战中美国 空军因飞行故障损失飞机空军因飞行故障损失飞机21000架，比实战中被击落的多架，比实战中被击落的多1.5倍；倍；运往远东的飞机电子设备，运往远东的飞机电子设备，60%在运输中失效，在运输中失效，50%在存储期在存储期间失效；间失效；海军舰艇的电子设备，海军舰艇的电子设备，70%因意外事故失效。因意外事故失效。一、可靠性的提出1.1 1.1 可靠性技术的发展简介可靠性技术的发展简介有关可靠性的早期工作有关可靠性的早期工作n1939年，英国航空委员会出版适航性统计学注释年，英国航空委员会出版适航性统计学注释，首次提出飞机，首

5、次提出飞机故障率故障率不应超过不应超过0.00001次次/h，这，这可以认为是最早的飞机安全性和可靠性定量指标。可以认为是最早的飞机安全性和可靠性定量指标。n二战末期，德国火箭专家二战末期，德国火箭专家R卢瑟卢瑟(Lusser)首先提出首先提出概率乘积法则（将系统的可靠度看成其各子系统可概率乘积法则（将系统的可靠度看成其各子系统可靠度的乘积），用于靠度的乘积），用于V-火箭诱导装置的可靠度计火箭诱导装置的可靠度计算，得到其可靠度为算，得到其可靠度为75，这是第一次定量地计算，这是第一次定量地计算一个复杂系统的可靠度问题。一个复杂系统的可靠度问题。n1952年，美国成立了年，美国成立了“电子设备

6、可靠性顾问团电子设备可靠性顾问团”(Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment，即，即 AGREE)。AGREE对电子产品的对电子产品的设计、制造、试验、储存、运输及使用等各个方面设计、制造、试验、储存、运输及使用等各个方面作了全面的可靠性调查研究，于作了全面的可靠性调查研究，于1957年发表了著名年发表了著名的的军用电子设备可靠性报告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。方法，该报告被公认为可靠性工程的奠基性文件

7、。n从此，对可靠性问题的研究逐渐发展成为一门新兴从此，对可靠性问题的研究逐渐发展成为一门新兴的独立学科的独立学科有关可靠性的早期工作有关可靠性的早期工作二、可靠性工程的发展与应用二、可靠性工程的发展与应用电子设备电子设备空间科学空间科学宇航技术宇航技术一般工业部门一般工业部门民用民用五十年代五十年代六十年代六十年代七十年代以后七十年代以后美国于美国于1961开始计开始计划研制划研制Apollo-11号号宇宙飞船，它有宇宙飞船，它有720万个零件，其万个零件，其重要零件可靠性为重要零件可靠性为99.9999999。可靠性工程的应用实例（可靠性工程的应用实例（1）Apollo计划计划 1969年年

8、7月登月成功。尽管月登月成功。尽管Apollo计划的种种技计划的种种技术，现在为世界上的各种产品所应用，但是其中影术，现在为世界上的各种产品所应用，但是其中影响最为深远的是可靠性技术。响最为深远的是可靠性技术。Apollo-11的的控制舱控制舱可靠性工程的应用实例（可靠性工程的应用实例（1）Apollo计划计划阿波罗宇宙飞船整个研制的各阶段对可靠性和质量保证的要求阿波罗宇宙飞船整个研制的各阶段对可靠性和质量保证的要求可靠性工程的应用实例（可靠性工程的应用实例（1）Apollo计划计划长征运载火箭长征运载火箭中国可靠性研究的代表中国可靠性研究的代表 长征运载火箭通过对故障原因分析、长征运载火箭通

9、过对故障原因分析、可靠性标准的规范应用等一系列措施，可靠性标准的规范应用等一系列措施，大大提高了整个系统的可靠性。是目前大大提高了整个系统的可靠性。是目前最安全可靠的航天运载工具之一。最安全可靠的航天运载工具之一。可靠性工程的应用实例（可靠性工程的应用实例（2）长征运载火箭）长征运载火箭早期的长征运载火箭各阶段的故障原因分析早期的长征运载火箭各阶段的故障原因分析 设计设计 管理管理 生产生产 操作操作 设备设备 元器件元器件 其它其它 故障原因故障原因391212876161009080706050403020100百分比百分比%三、机械可靠性设计发展三、机械可靠性设计发展20世纪世纪40年代

10、，年代，A.M.Freudenthal提出构件强度可靠提出构件强度可靠性设计的应力性设计的应力-强度干涉模型，用于构件可靠性设计强度干涉模型，用于构件可靠性设计由于影响机械设备和系统可靠性的因素太多，难以控由于影响机械设备和系统可靠性的因素太多，难以控制，而且产品批量较小，试验费用昂贵，机械可靠性制，而且产品批量较小，试验费用昂贵，机械可靠性设计在设计在5060年代未能全面展开。年代未能全面展开。三、机械可靠性设计发展三、机械可靠性设计发展 系统的机械可靠性研究始于系统的机械可靠性研究始于20世纪世纪60年代美国的年代美国的航天计划航天计划 机械和电子故障是机械和电子故障是NASA主要关心的问

11、题，其中主要关心的问题，其中机械故障引起的事故多，损失大。如：机械故障引起的事故多，损失大。如：l1964年人造卫星年人造卫星III号因机械故障而损坏号因机械故障而损坏l1965年始，年始，NASA开始三项机械可靠性工作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构和机械零部件中l1963年同步通讯卫星年同步通讯卫星SYMCOM，高压容器断裂，高压容器断裂，引起卫星空中坠

12、毁；引起卫星空中坠毁；在通用零件方面，滚动轴承最早引用了可靠性概念，在通用零件方面，滚动轴承最早引用了可靠性概念，制定了额定寿命的可靠性指标并付诸实用。制定了额定寿命的可靠性指标并付诸实用。齿轮强度计算标准相继引进了可靠性指标。齿轮强度计算标准相继引进了可靠性指标。已深入到结构设计、机械零件的强度和寿命设计，以已深入到结构设计、机械零件的强度和寿命设计，以及机械产品设计。及机械产品设计。三、机械可靠性设计发展三、机械可靠性设计发展 在在E.B.Haugen、F.B.Stulen、D.Kececioglu和和A.M.Freudenthal等人的努力下，等人的努力下，70年代前后，建立了年代前后，

13、建立了一整套基于干涉模型的机械可靠性设计方法一整套基于干涉模型的机械可靠性设计方法 我国机械产品的可靠性工作正在普及推广中，我国机械产品的可靠性工作正在普及推广中，相继颁布了一批机电产品的可靠性指标，并限期考相继颁布了一批机电产品的可靠性指标，并限期考核。仪表、汽车的可靠性技术研究与应用，先行了核。仪表、汽车的可靠性技术研究与应用，先行了一步，已获得成效。机械可靠性设计将得到更为广一步，已获得成效。机械可靠性设计将得到更为广泛的应用和发展。泛的应用和发展。l从从1986年起，机械部已经发布了六批限期考核机电产品年起，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，前后共有可靠性指标的清单

14、，前后共有879种产品已经进行可靠性种产品已经进行可靠性指标的考核指标的考核l1990年年11月和月和1995年年10月，机械工业部举行了两次新闻月，机械工业部举行了两次新闻发布会，先后介绍了发布会，先后介绍了236和和159种带有可靠性指标的机电种带有可靠性指标的机电产品产品l1992年年3月国防部科工委委托军用标准化中心在北京召月国防部科工委委托军用标准化中心在北京召开了开了“非电产品可靠性工作交流研讨会非电产品可靠性工作交流研讨会”l2005年年GJB450改版，增加机械可靠性内容改版，增加机械可靠性内容三、机械可靠性设计发展三、机械可靠性设计发展1.2 研究可靠性技术的意义研究可靠性技

15、术的意义 提高产品的可靠性是可以获得很高经济效益的。提高产品的可靠性是可以获得很高经济效益的。比如，美国西屋公司为提高某产品可靠性，曾对其比如，美国西屋公司为提高某产品可靠性，曾对其作了一次全面设计审查，结果是：所得到经济效益作了一次全面设计审查，结果是：所得到经济效益是为提高可靠性所花费用的是为提高可靠性所花费用的100倍以上。倍以上。二、提高经济效益二、提高经济效益三、提高市场竞争能力三、提高市场竞争能力 只有产品的可靠性水平提高了，才能通过产品只有产品的可靠性水平提高了，才能通过产品的信誉，增强市场竞争能力。的信誉，增强市场竞争能力。一、保证和提高产品的可靠性水平一、保证和提高产品的可靠

16、性水平1.3 可靠性的基本概念可靠性的基本概念一、可靠性的定义一、可靠性的定义 产品产品在在规定的条件规定的条件下和下和规定的时间规定的时间内完成内完成规定规定功能功能的的能力能力。根据国家标准根据国家标准(GB 31871982可靠性基本名可靠性基本名词术语及定义，这种能力以词术语及定义，这种能力以概率概率(可能性可能性)表示，故表示，故可靠性也称可靠性也称可靠度可靠度。产品：产品：指作为单独研究和分别试验的对象，是泛指的。可以指作为单独研究和分别试验的对象，是泛指的。可以是元件、组件、零件、部件、机器、机组，甚至可以包含人的是元件、组件、零件、部件、机器、机组，甚至可以包含人的因素。因素。

17、规定的条件规定的条件：指运输条件、储存条件、使用时的环境条件指运输条件、储存条件、使用时的环境条件（温度、压力、湿度、载荷、振动、腐蚀（温度、压力、湿度、载荷、振动、腐蚀）、使用方法、）、使用方法、维修水平维修水平，这些因素对产品的可靠性都有很大影响。，这些因素对产品的可靠性都有很大影响。规定的时间规定的时间：产品的可靠性与时间（使用期限）密切相关，产品的可靠性与时间（使用期限）密切相关，其可靠度是一个有时间性的定义，是随时间而降低的。对时间其可靠度是一个有时间性的定义，是随时间而降低的。对时间性的要求一定要明确。时间可以是区间（性的要求一定要明确。时间可以是区间（0，t），也可以是区），也可

18、以是区间（间（t1，t2），甚至可以用其他的指标，如汽车、摩托车常用行），甚至可以用其他的指标，如汽车、摩托车常用行驶里程（距离），滚动轴承常用转动圈数。驶里程（距离），滚动轴承常用转动圈数。一、可靠性的定义一、可靠性的定义规定的功能：规定的功能：要明确产品规定功能的内容。所谓要明确产品规定功能的内容。所谓“完成规定功能完成规定功能”是指产品在规定的使用条件和规定是指产品在规定的使用条件和规定的功能参数下正常运行而不失效。失效不一定是产的功能参数下正常运行而不失效。失效不一定是产品不能工作。品不能工作。概率概率：可靠度是可靠性的概率表示。把概念性的可：可靠度是可靠性的概率表示。把概念性的可靠性

19、用具体的数学形式靠性用具体的数学形式概率表示，是可靠性技术概率表示，是可靠性技术发展的出发点。用概率来定义可靠度后，对产品的发展的出发点。用概率来定义可靠度后，对产品的可靠程度的测定、比较、评价、选择才有了共同的可靠程度的测定、比较、评价、选择才有了共同的基础。基础。一、可靠性的定义一、可靠性的定义可靠度可靠度 产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。记为能的概率。记为R ，因其与时间有关，又可表示为，因其与时间有关，又可表示为R=R(t)二、可靠性的特征量二、可靠性的特征量 设产品正常工作的时间（寿命）为设产品正常工作的时间（寿命）为T，

20、“产品在产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能规定的条件下和规定的时间内完成规定功能”这一事这一事件记为件记为E，E 发生的概率为发生的概率为P(E)，也就是可靠度，也就是可靠度R(t)，这里规定的时间即为这里规定的时间即为t1 可靠度与不可靠度可靠度与不可靠度0R(t)1R(t)=P(E)=P(Tt)0t 与可靠度相对应的是与可靠度相对应的是不可靠度不可靠度，也就是，也就是“产品在产品在规定的条件下和规定的时间内不能完成规定功能的概规定的条件下和规定的时间内不能完成规定功能的概率率”，又称，又称失效概率失效概率，记为，记为F(Failure)。失效概率为时间失效概率为时间t 的函数，故

21、又称为的函数，故又称为失效概率函数失效概率函数或或不可靠度函数不可靠度函数F(t)。因为它是累积分布函数，所以。因为它是累积分布函数，所以又称为又称为累积失效概率累积失效概率。显然有显然有可靠度和不可靠度都是对于一定的时间而言，若指定可靠度和不可靠度都是对于一定的时间而言，若指定的时间不同，同一产品的可靠度也就不同的时间不同，同一产品的可靠度也就不同二、可靠性的特征量二、可靠性的特征量时间（小时）时间（小时）失效数（只）失效数（只）累计失效数累计失效数N Nf f（只）（只）仍正常工作数仍正常工作数N Ns s （只）（只）0 00 00 0505010104 44 4464625252 26

22、 6444450503 39 941411001007 7161634341501505 5212129292502503 3242426263503502 2262624244004002 2282822225005000 0282822226006000 0282822227007000 028282222100010000 028282222120012001 129292121200020001 130302020300030001 131311919例例11 检验一批轴承的可靠性：检验一批轴承的可靠性：抽取抽取50个轴承为样本，考察其在稳定载荷条件下的运行情况。个轴承为样本，考察其在

23、稳定载荷条件下的运行情况。结果记录于下表：结果记录于下表：记样本零件总数记样本零件总数N0，到某时刻，到某时刻 t,累计失效数累计失效数Nf(t)，仍，仍正常工作数正常工作数Ns(t)，例例11检验一批轴承的可靠性：检验一批轴承的可靠性：定义定义存活频率存活频率为：为：N0时时定义定义累积失效频率累积失效频率为：为：例例11检验一批轴承的可靠性：检验一批轴承的可靠性：0.680.440.320.56例例11检验一批轴承的可靠性：检验一批轴承的可靠性：一般情况一般情况可靠度可靠度R(t)累累积失效率失效率F(t)1.000.750.500.250.00时间 t可靠度可靠度/累累积失效率失效率 失

24、效概率密度是累积失效概率对时间的导数，记失效概率密度是累积失效概率对时间的导数，记作作f(t)。它表示产品寿命落在包含的单位时间内的概。它表示产品寿命落在包含的单位时间内的概率，即产品在单位时间内失效的概率。可表示为：率，即产品在单位时间内失效的概率。可表示为：2失效概率密度失效概率密度失效密度函数失效密度函数f(t)Ot,/h失效概率密度的估计值失效概率密度的估计值由定义可得：由定义可得：F(t)R(t)失效概率密度、累积失效概率和可靠度的关系失效概率密度、累积失效概率和可靠度的关系F(t)R(t)OR(t)F(t)ttf(t)OR(t)、F(t)与与f(t)的关系的关系 失效率是工作到某时

25、刻尚未失效的产品，在该时刻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。记作后单位时间内发生失效的概率。记作(t)，称为失效率，称为失效率函数，有时也称为故障率函数。函数，有时也称为故障率函数。失效率是条件概率，失效率是条件概率，即即 3失效率失效率失效率的估计值：失效率的估计值：(1-6)为在（为在（t，t+t）时间间隔内失效的产品数）时间间隔内失效的产品数设有设有N0个产品，从个产品，从t=0开始工作，到某时刻开始工作，到某时刻 t 的失效的失效数数 ，正常工作数，正常工作数 ，到时刻，到时刻 的失效的失效数为数为则有则有 可靠度函数可靠度函数R(t)不可靠度函数

26、不可靠度函数F(t)Ot,/h95%100%5%R(t)，可靠度，可靠度F(t)，不可靠度，不可靠度失效密度函数失效密度函数f(t)O正常正常95%100%故障故障5%R(t)，可靠度，可靠度t,/hOt,/h失效率失效率(t)规定时间规定时间可靠度函数、失效密度函数与失效率可靠度函数、失效密度函数与失效率 对对100个某种产品进行寿命试验，在个某种产品进行寿命试验，在t100h以前没有以前没有失效，而在失效，而在100一一105h之间有之间有1个失效，到个失效，到1000h前共有前共有51个失效，个失效，10001005h失效失效1个，分别求出个，分别求出100h 和和1000h时，产品失效

27、率和失效概率密度时，产品失效率和失效概率密度 解解：t=100h时，时，据题意有据题意有例例12例例12t=1000h时，时，据题意有据题意有失效规律与类型：失效规律与类型：(t)t0(t)t0(t)t0（a a）早期失效型）早期失效型（b b）偶然失效型）偶然失效型（c c）耗损失效型）耗损失效型(t)t0I II III 规定的规定的失效率失效率使用寿命使用寿命早期失效期早期失效期（幼儿期）（幼儿期）偶然失效期偶然失效期（青壮期）（青壮期）损耗失效期损耗失效期（老年期）（老年期）浴盆曲线三、寿命指标：三、寿命指标：在可靠性工程中，规定了一系列与寿命有关的指标：在可靠性工程中，规定了一系列与

28、寿命有关的指标：平均寿命、可靠寿命、特征寿命和中位寿命等。都是衡平均寿命、可靠寿命、特征寿命和中位寿命等。都是衡量产品可靠性的尺度。量产品可靠性的尺度。1平均寿命平均寿命 在寿命特征中最重要的是平均寿命，它定义为寿命在寿命特征中最重要的是平均寿命，它定义为寿命的平均值。平均寿命的数学意义就是寿命的数学期望，的平均值。平均寿命的数学意义就是寿命的数学期望，记作记作，1-7T 所有产品的总工作时间所有产品的总工作时间nf 总失效数总失效数1平均寿命平均寿命对于不可修复产品对于不可修复产品MTTF称为称为“失效前的平均工作时间失效前的平均工作时间”(Mean Time To Failure)对于不可

29、修复产品对于不可修复产品MTBF称称“平均无故障工作时间平均无故障工作时间”(Mean Time Between failure);2可靠寿命、特征寿命和中位寿命可靠寿命、特征寿命和中位寿命 前面已经提到可靠度函数前面已经提到可靠度函数R(t)=R是产品工作时间是产品工作时间t的的函数、有时需要知道可靠度等于给定值时，产品的寿函数、有时需要知道可靠度等于给定值时，产品的寿命是多少。命是多少。可靠寿命可靠寿命tR就是给定可靠度就是给定可靠度R时对应的寿命，时对应的寿命，即：即：可靠寿命可靠寿命tR与可靠度水平与可靠度水平R的关系的关系R(t)tORtR 当当R(t)e-1 0.37时，可时，可靠

30、寿命靠寿命T，称为，称为特征寿命特征寿命，对，对于失效规律服从指数分布的于失效规律服从指数分布的产品而言产品而言,特征寿命就是平均特征寿命就是平均寿命。寿命。2可靠寿命、特征寿命和中位寿命可靠寿命、特征寿命和中位寿命特征寿命特征寿命中位寿命中位寿命当当R(t)=0.5时，可靠寿命时，可靠寿命T 称为中位寿命。当称为中位寿命。当产品工作到中位寿命时，可靠度产品工作到中位寿命时，可靠度R(t)和累积失和累积失效概率效概率F(t)都等于都等于50%，T0.5可靠度可靠度R(t)累累积失效率失效率F(t)1.000.750.500.250.00时间 t可靠度可靠度/累累积失效率失效率50%37%四、维

31、修指标：四、维修指标：1维修度维修度M()可以维修的产品，在规定的条件下和规定的时间内完成维修可以维修的产品，在规定的条件下和规定的时间内完成维修的概率，即的概率，即m()为维修时间的概率密度函数为维修时间的概率密度函数产品在任意维修时间产品在任意维修时间 时的维修度观测值为时的维修度观测值为n为投入维修的产品数为投入维修的产品数 ns()为为 时刻已维修的产品数时刻已维修的产品数维修与未维修是对立事件维修与未维修是对立事件 未维修度为未维修度为 1-M()2维修率维修率()在在 时刻尚未修复的产品，在下阶段时刻尚未修复的产品，在下阶段 的单位时间内的维修的单位时间内的维修概率概率其观测值为其

32、观测值为ns(+)、ns()为为(+)、时刻的修复产品数时刻的修复产品数 nf()为为 时刻未修复的产品数时刻未修复的产品数3平均维修时间平均维修时间MTTR(Mean Time To Repair)产品修复时间的平均值，即维修时间的数学期望产品修复时间的平均值，即维修时间的数学期望平均修复时间的观测值，按修复时间的总和与修理次数之比确定平均修复时间的观测值，按修复时间的总和与修理次数之比确定4有效度有效度A(t)瞬时有效度是指产品在任意时刻瞬时有效度是指产品在任意时刻t具有维持其功能的概率。具有维持其功能的概率。某个观察时期内，产品的开工时间某个观察时期内，产品的开工时间U（Up-Time）

33、，停工时间），停工时间D（down-Time）。有效度观测值为）。有效度观测值为 上式为维修产品在长期使用中的平均有效度，成为稳态有效度上式为维修产品在长期使用中的平均有效度，成为稳态有效度产品工作时间和维修时间为指数分布时产品工作时间和维修时间为指数分布时5重要度重要度系统中某一设备故障所引起的系统故障次数与系统中所有设备发系统中某一设备故障所引起的系统故障次数与系统中所有设备发生故障的次数之比生故障的次数之比重要度重要度=某一设备故障引起的系统故障次数某一设备故障引起的系统故障次数系统中所有设备发生故障的次数系统中所有设备发生故障的次数产品质量与可靠性的关系产品质量与可靠性的关系产品质量产

34、品质量功能（狭义质量）功能（狭义质量）广义可靠性（有效性）广义可靠性（有效性）狭义可靠性狭义可靠性维修性维修性固有可靠性固有可靠性使用可靠性使用可靠性一、传统机械设计与机械可靠性设计的相同点：一、传统机械设计与机械可靠性设计的相同点：它们共同的核心内容都是针对所研究对象的失效它们共同的核心内容都是针对所研究对象的失效与防失效问题，建立的起一整套的设计计算理论和方与防失效问题，建立的起一整套的设计计算理论和方法。法。1.4 传统机械设计与机械可靠性设计的关系传统机械设计与机械可靠性设计的关系二、传统机械设计与机械可靠性设计的差异：二、传统机械设计与机械可靠性设计的差异：设计变量处理方法和运算方法

35、不同设计变量处理方法和运算方法不同。设计准则含义的不同设计准则含义的不同。s1r1s2r2snrns1f1(s1)r1g1(r1)s2f2(s2)r2g2(r2)snfn(sn)rngn(rn)O安全区间安全区间s,rOf(s)f(r)srs=f(s1,s2,sn)r=g(r1,r2,rn)f(s)g(r)s=f(s1,s2,sn)r=g(r1,r2,rn)设计变量处理方法的差异设计变量处理方法的差异称为称为确定性设计法确定性设计法设计变量设计变量确定值确定值称为称为非确定性概率设计法非确定性概率设计法设计变量设计变量概率分布概率分布s=f(s1,s2,sn)r=g(r1,r2,rn)s=f(

36、s1,s2,sn)r=g(r1,r2,rn)确定性设计法确定性设计法非确定性概率设计法非确定性概率设计法srO安全区间安全区间s,rOf(s)g(r)f(s)g(r)设计变量运算方法不同设计变量运算方法不同非确定性的非确定性的随机变量随机变量的数字的数字特征之间的函数关系，通过特征之间的函数关系，通过随机变量的组合运算规则，随机变量的组合运算规则，得到得到变量与函数间的多值变变量与函数间的多值变换换。F与与A是确定性的函数关是确定性的函数关系，通过系，通过实数代数运算实数代数运算，得到得到确定性的单值变换确定性的单值变换。例如受拉杆例如受拉杆式中式中 n 安全系数安全系数判断一个零件是否安全可

37、靠，判断一个零件是否安全可靠，是以强度大于应力所发生的是以强度大于应力所发生的概率概率来表示。来表示。能定量回答零件在运行中的能定量回答零件在运行中的安全和可靠程度，预测零件安全和可靠程度，预测零件的寿命。的寿命。设计准则含义的不同设计准则含义的不同 安全系数不能定量反映影安全系数不能定量反映影响零件强度的许多响零件强度的许多非确定非确定因素因素，因而不能回答零件，因而不能回答零件在运行中有多大可靠程度。在运行中有多大可靠程度。式中式中 R 可靠度可靠度序号序号强强度均度均值值应应力均力均值值S强强度度标标准差准差应应力力标标准差准差S安全系数安全系数n可靠度可靠度R1172.469.06.9

38、10.32.50.91662172.469.034.520.72.50.99493172.469.055.220.72.50.95994172.469.034.551.72.50.95255172.469.055.251.72.50.91466172.469.069.041.42.50.89977172.469.0172.4175.92.50.6628886.234.56.910.32.50.9489344.8137.96.910.32.5110344.8137.9172.4175.92.50.79951186.234.534.520.72.50.901512344.869.06.910.35

39、113172.434.5172.4175.950.712314172.4138.06.910.31.250.99731569.069.06.910.31.00.5应力和强度的单位是应力和强度的单位是 Mpa 在规定的应力和强度分布下的在规定的应力和强度分布下的 安全系数及可靠度安全系数及可靠度三、几点说明三、几点说明1.传统设计方法设计准则表达形式简单、直观明确，传统设计方法设计准则表达形式简单、直观明确，长期沿用，积累了大量的数据；但未考虑事物的不长期沿用，积累了大量的数据；但未考虑事物的不确定性，有较大的经验性和盲目性。确定性，有较大的经验性和盲目性。2.可靠性设计是传统设计方法的发展与深

40、化，比传可靠性设计是传统设计方法的发展与深化，比传统设计能更有效的处理设计中的一些问题。统设计能更有效的处理设计中的一些问题。3.传统机械设计和机械可靠性设计都以机械零件和传统机械设计和机械可靠性设计都以机械零件和机械系统的安全与失效作为主要研究内容机机械系统的安全与失效作为主要研究内容机械零件械零件和机械系统的安全与失效作为主要研究内容，二者和机械系统的安全与失效作为主要研究内容，二者是密切联系的，后者在前者基础上补充了一些可靠是密切联系的，后者在前者基础上补充了一些可靠性特殊技术。实际设计中要将二者有机结合起来。性特殊技术。实际设计中要将二者有机结合起来。4.可靠性技术起源于电子产品领域，

41、由于机械产品可靠性技术起源于电子产品领域，由于机械产品的特殊性，的特殊性，电子元件是大批量生产的；电子元件是大批量生产的；更换失效元件方便；更换失效元件方便；不同电子设备中采用大量相同元件；不同电子设备中采用大量相同元件；可大量存储备用元件；可大量存储备用元件；工作无故障率要求很高，可以采用冗余系统等等。工作无故障率要求很高，可以采用冗余系统等等。机械系统一般不具备这些特点机械系统一般不具备这些特点(t)Ot使用寿命使用寿命机械零件机械零件电子元件电子元件(t)Ot机械零件机械零件t1t2Q总OR机械零件的失效率曲线机械零件的失效率曲线Q总Q修修Q制造制造5.产品的可靠性不不是越高越好产品的可

42、靠性不不是越高越好机械可靠性设计的特点机械可靠性设计的特点1.以应力和强度为随机变量作为出发点；以应力和强度为随机变量作为出发点；2.应用概率和统计方法进行分析、设计；应用概率和统计方法进行分析、设计；3.能定量地回答产品的失效率和可靠度；能定量地回答产品的失效率和可靠度；4.有多种可靠性指标供选择，如可靠度、失效率、有多种可靠性指标供选择，如可靠度、失效率、MTBF；5.强调设计对产品可靠性的主导作用强调设计对产品可靠性的主导作用;6.必须考虑环境的影响；必须考虑环境的影响；7.必须考虑维修性；必须考虑维修性；8.从整体的、系统的观点出发；从整体的、系统的观点出发；9.承认设计期间及其以后都

43、需要可靠性增长。承认设计期间及其以后都需要可靠性增长。1.5 机械可靠性设计步骤机械可靠性设计步骤(a)明确可靠性要求。明确可靠性要求。(b)调查分析与所要设计的相似产品的使用情况，如常调查分析与所要设计的相似产品的使用情况，如常见故见故 障模式、故障发生频率、成功的设计经验等。障模式、故障发生频率、成功的设计经验等。(c)可靠性分配。可靠性分配。(d)进行可靠性分析，确定可靠性关键件。进行可靠性分析，确定可靠性关键件。(e)可靠性定性设计。可靠性定性设计。(f)可靠性定量设计。可靠性定量设计。(g)可靠性分析计算和设计评价。可靠性分析计算和设计评价。(h)可靠性增长。可靠性增长。1.6 本课

44、程的主要内容本课程的主要内容（一）可靠性概论（一）可靠性概论 可靠性工程的发展过程；可靠性定义；可靠性指标的量化及各可靠性工程的发展过程；可靠性定义；可靠性指标的量化及各指标间的关系、产品质量与可靠性。指标间的关系、产品质量与可靠性。（二）可靠性基础数学（二）可靠性基础数学 可靠性数学模型的建立；概率分布的描述；威布尔分布，分布可靠性数学模型的建立；概率分布的描述；威布尔分布，分布参数的估计，分布率的假设检验。参数的估计，分布率的假设检验。（三）机械强度可靠性设计（三）机械强度可靠性设计 强度概率设计的基本理论；零件承载能力分布律及分布参数的强度概率设计的基本理论；零件承载能力分布律及分布参数

45、的确定；零件工作应力分布律及分布参数的确定，强度可靠性计算条确定；零件工作应力分布律及分布参数的确定，强度可靠性计算条件式与许用可靠度，强度可靠性设计方法与步骤。件式与许用可靠度，强度可靠性设计方法与步骤。（四）机械系统可靠性设计（四）机械系统可靠性设计 系统可靠性的综合与分解；故障树分析；系统可靠性预测。系统可靠性的综合与分解；故障树分析；系统可靠性预测。（五）可靠性专题（五）可靠性专题 可靠性优化，可靠性试验，维修可靠性可靠性优化，可靠性试验，维修可靠性 概念性介绍。概念性介绍。n总学时：总学时：32hn讲讲 课：课：30hn复复 习：习：2hn考考 试：试：教学安排教学安排参考书：参考书：l 刘惟信刘惟信 机械可靠性设计，清华大学出版社机械可靠性设计，清华大学出版社 1996l 朱文予朱文予 可靠性概率设计与模糊设计，高等教育出版社可靠性概率设计与模糊设计，高等教育出版社 2001l 卢玉明卢玉明 机械零件的可靠性设计，高等教育出版社机械零件的可靠性设计，高等教育出版社 1989l （日）额田（日）额田啓啓三三 著著 王茂庆王茂庆 柯发钦柯发钦 译译 机械可靠性与故障分析机械可靠性与故障分析 国防工业出版社国防工业出版社 2006