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文檔簡(jiǎn)介

1、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)第1章 緒 論第2章 可靠性數(shù)學(xué)基礎(chǔ)第3章 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)原理與可靠度設(shè)計(jì)第4章 機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)第5章 故障模式影響及危害(FMECA)與故障樹(shù)分析第6章 機(jī)械零部件的可靠性設(shè)計(jì)第7章 機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)及可靠性提高(簡(jiǎn)介)第1章 緒 論1.1可靠性研究的歷史1.2可靠性研究的意義1.3可靠性的定義及基本內(nèi)容1.4可靠性的特征量可靠性研究的歷史可靠性工程的誕生可追溯到20世紀(jì)40年代。 第二次世界大戰(zhàn)期間,德國(guó)的V1火箭飛彈被大量用于攻擊英國(guó)東南部目標(biāo)和歐洲大陸的各種目標(biāo)。英國(guó)稱之為“有翼飛彈”或“飛機(jī)飛彈”。這種飛彈長(zhǎng)26英尺(7.90米),采用中單翼,裝有一臺(tái)簡(jiǎn)單的脈沖噴

2、氣發(fā)動(dòng)機(jī). 在研制中,提出了火箭系統(tǒng)的可靠性等于所有元器件可靠度乘積的理論.20世紀(jì)50年代初期,美國(guó)為了發(fā)展軍事需要,先后成立了可靠性問(wèn)題的研究機(jī)構(gòu)。1957年6月4日,美國(guó)發(fā)布了軍用電子設(shè)備可靠性報(bào)告,這就是著名的“AGREE”報(bào)告,可靠性工程學(xué)發(fā)展的奠基性文件。1961年4月12日世界上第一艘載人宇宙飛船“ 東方”號(hào)在蘇聯(lián)發(fā)射升空 。對(duì)可靠性提出了0.999的概率要求。宇航員加加林東方號(hào)1958年,日本科學(xué)技術(shù)聯(lián)盟成立了”可靠性研究委員會(huì)”,專門(mén)對(duì)可靠性工作進(jìn)行研究。20世紀(jì)70年代,人們對(duì)非電子設(shè)備(機(jī)械設(shè)備)可靠性開(kāi)始重視。 20世紀(jì)80年代,可靠性研究朝廣度和深度發(fā)展,中心內(nèi)容是實(shí)

3、現(xiàn)可靠性保證。20世紀(jì)90年代,隨著軟件技術(shù)的飛速發(fā)展,軟件可靠性問(wèn)題的重要性更加突出。 我國(guó)對(duì)可靠性科學(xué)和技術(shù)的研究也有較長(zhǎng)的歷史,大約從20世紀(jì)50年代初期研制“兩彈一星”就開(kāi)設(shè)。20世紀(jì)60年代,我國(guó)在雷達(dá)、通信機(jī)、電子計(jì)算機(jī)等方面開(kāi)始提出可靠性問(wèn)題。70年代,由于我國(guó)國(guó)家重點(diǎn)工程的需要,以及消費(fèi)者的強(qiáng)烈要求(電視機(jī)的質(zhì)量問(wèn)題),對(duì)各行業(yè)開(kāi)展可靠性研究起了巨大的作用。1979年3月,美國(guó)三里島核電站發(fā)生放射性物質(zhì)泄露事故,主要是由于冷凝器循環(huán)泵故障和操作人員的不可靠造成的。2007年又發(fā)生泄露事故。2003年2月1日,美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)發(fā)射后不久從外部燃料箱外脫落的泡沫材料,擊中了航天飛

4、機(jī)左翼的第8號(hào)增強(qiáng)型碳基復(fù)合材料板。這一撞擊造成的損傷使超高溫氣體在“哥倫比亞”號(hào)重返大氣層時(shí)得以進(jìn)入航天飛機(jī)內(nèi)部,最終導(dǎo)致飛機(jī)解體。 前蘇聯(lián)-1986-切爾諾貝利核泄漏事件-人為,設(shè)計(jì)日本-2011.3.11-海嘯,核事故-自然,設(shè)計(jì)中國(guó)-2011.7.23-動(dòng)車相撞事故-自然,人為,設(shè)計(jì)概述5概率設(shè)計(jì)就是要在原常規(guī)設(shè)計(jì)的計(jì)算中引入隨機(jī)變量和概率運(yùn)算,并給出滿足強(qiáng)度條件(安全)的概率可靠度。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)是常規(guī)設(shè)計(jì)方法的進(jìn)一步發(fā)展和深化,它更為科學(xué)地考慮了各設(shè)計(jì)變量客觀現(xiàn)實(shí)及其之間的關(guān)系,是高等機(jī)械設(shè)計(jì)重要的內(nèi)容之一。顯然有必要在設(shè)計(jì)之中引入概率的觀點(diǎn),這就是概率設(shè)計(jì),是可靠性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容

5、。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)概述機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)一、可靠性定義產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi),完成規(guī)定功能的能力??煽啃裕?Reliability)要 點(diǎn):(1)“產(chǎn)品”,指作為單獨(dú)研究和分別試驗(yàn)對(duì)象的任何元件、零件、部件、設(shè)備、機(jī)組等,甚至人的因素也可作為研究對(duì)象。(2)“規(guī)定的條件”,一般指使用條件、維護(hù)條件、環(huán)境條件、操作技術(shù),如載荷、溫度、壓力、適度、振動(dòng)、噪聲、磨損、腐蝕等。這些條件是設(shè)計(jì)的前提,也必須 寫(xiě)在說(shuō)明書(shū)中,是判斷發(fā)生故障時(shí)有關(guān)責(zé)任方的關(guān)鍵。(3)“規(guī)定的時(shí)間”,可靠度是隨時(shí)間而降低的,產(chǎn)品只能在一定的時(shí)間內(nèi)才能達(dá)到目標(biāo)可靠度。(日歷時(shí)間、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、汽車?yán)锍?/p>

6、數(shù)等)(4)“規(guī)定的功能”,明確規(guī)定失效或發(fā)生故障的判定指標(biāo)。就某個(gè)可靠性,這個(gè)是一定的。例子:齒輪失效的例子。 (5)“能力”,需對(duì)產(chǎn)品的能力作定量的分析。應(yīng)從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上評(píng)價(jià)和分析產(chǎn)品能力的高低。產(chǎn)品的可靠性可分為:固有可靠性、使用可靠性和環(huán)境適應(yīng)性三個(gè)方面。固有可靠性是指產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中已確立的可靠性,它是產(chǎn)品內(nèi)在的可靠性,是生產(chǎn)廠家模擬實(shí)際工作條件進(jìn)行檢測(cè)并給以保證的可靠性。固有可靠性與產(chǎn)品的材料、設(shè)計(jì)與制造技術(shù)有關(guān)。使用可靠性是產(chǎn)品在使用中的可靠性,它與產(chǎn)品的運(yùn)輸、貯藏保管以及使用過(guò)程中的操作水平、維修狀況和環(huán)境等因素有關(guān),所有這些與使用相關(guān)的可靠性稱為使用可靠性。 據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明

7、: 電子設(shè)備故障原因中屬于產(chǎn)品固有可靠性部分占了80%: 其中設(shè)計(jì)技術(shù)占40%,器件和原材料占30%,制造技術(shù)占10%; 屬于產(chǎn)品使用可靠性部分占20%,其中現(xiàn)場(chǎng)使用占15%。 不可靠度(累積失效概率,失效概率) 產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間t內(nèi)不能完成規(guī)定功能的概率,即發(fā)生故障的時(shí)刻 T 小于t 時(shí)的概率。 當(dāng) N足夠大時(shí) 1.3 產(chǎn)品可靠性的度量0100t59550F(t)R(t)F(t)/%R(t)/%圖1-1 R(t)和F(t)隨工作時(shí)間t的變化情況例:某批電子器件有1000個(gè),開(kāi)始工作至500h內(nèi)有100個(gè)失效,工作至1000h 共有500個(gè)失效,試求該批電子器件工作到500h 和1000h 的

8、可靠度。解: 由已知條件可知:(2) 失效概率密度f(wàn)(t)平均失效概率密度直方圖 1)取N 件產(chǎn)品作壽命試驗(yàn),測(cè)量其失效時(shí)間(是隨機(jī)變量);2)將失效時(shí)間分為K個(gè)區(qū)段:to,t1,t1,t2tk-1,tk,3)第i個(gè)區(qū)段 內(nèi) 產(chǎn)品失效數(shù)為 失效頻率 平均失效頻率密度 工作到 t i 時(shí)刻的累積失效頻率 序號(hào) 時(shí)間區(qū)間 (1h)時(shí)間區(qū)間內(nèi)失效數(shù) 累積失效數(shù)未失效數(shù)平均失效頻率密度累積失效頻率 存活頻率平均失效率10111990.010.010.990.0121223970.020.030.970.020232336940.030.060.940.031434511890.050.110.890.

9、053545718820.070.180.820.079656927730.090.270.730.117671239610.120.390.610.1648781554460.150.540.460.2469891367330.130.670.330.283109101077230.100.770.230.303111011885150.080.850.150.34812111279280.070.920.080.46713121349640.040.960.040.50014131439910.030.990.010.750151415110000.011.000.001.00時(shí)間區(qū)間失效

10、頻率密度分布直方圖中的每一小方塊面積代表失效頻率當(dāng)時(shí),直方圖趨于一條曲線,叫做“失效概率密度曲線” 圖1-2 平均失效頻率密度直方圖2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 t / h 0246810121416/%失效概率密度曲線設(shè)工作到 t 時(shí)刻的失效數(shù)為 設(shè)工作到 t+t 時(shí)刻的失效數(shù)為 失效概率 可靠度 f(t)f(t)0ttaF(ta)R(ta)f(t)與F(t)(3) 失效率(t)工作到時(shí)刻 t 尚未失效的產(chǎn)品,在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率。平均失效率估計(jì)值 單位:單位時(shí)間的百分?jǐn)?shù)表示例:設(shè)t=0,投入工作的10000只燈泡,以天為度量時(shí)間單位,在t

11、=365天時(shí),發(fā)現(xiàn)有300只燈泡壞了,(1)求這時(shí)的工作可靠度;(2)若一年后的一天又有1只燈泡壞了,求失效率。解:失效率(t):工作到時(shí)刻t尚未失效的產(chǎn)品,在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)失效概率的變化.失效概率密度f(wàn) (t):開(kāi)始工作(時(shí)刻t=0)時(shí)的產(chǎn)品,在時(shí)刻t時(shí)單位時(shí)間內(nèi)失效概率的變化.平均失效概率密度 平均失效率 圖1-3 各個(gè)時(shí)刻的平均失效率平均失效率 %/a失效率反映產(chǎn)品的失效規(guī)律 產(chǎn)品的失效率 與時(shí)間 t 的關(guān)系曲線如圖所示。它可分為三個(gè)特征區(qū):圖 產(chǎn)品典型失效率曲線 偶然失效期(正常運(yùn)行期)耗損失效期早期失效期耗損失效期(1)早期失效期早期失效期一般出現(xiàn)在產(chǎn)品開(kāi)始工作后的較早時(shí)期,一般

12、為產(chǎn)品試車跑合階段。在這一階段中,失效率由開(kāi)始很高的數(shù)值急劇地下降到某一穩(wěn)定的數(shù)值。引起這一階段失效率特別高的原因主要是由于材料不良、制造工藝缺陷、檢驗(yàn)差錯(cuò)以及設(shè)計(jì)缺點(diǎn)等因素引起。 為了縮短這段時(shí)間,產(chǎn)品在投入運(yùn)行之前進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn),及早發(fā)現(xiàn)缺陷;或通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行篩選,剔除不合格產(chǎn)品。在該階段內(nèi)如果產(chǎn)品發(fā)生失效,一般都是由于偶然的原因而引起的。其失效的特點(diǎn)是隨機(jī)的,例如個(gè)別產(chǎn)品由于使用過(guò)程中工作條件發(fā)生不可預(yù)測(cè)的突然變化而導(dǎo)致失效。這個(gè)時(shí)期的失效率低且穩(wěn)定,近似為常數(shù),是產(chǎn)品的最佳狀態(tài)時(shí)期。 (2)偶然失效期(正常運(yùn)行期、有效壽命期)(3)耗損失效期 耗損失效期出現(xiàn)在產(chǎn)品使用的后期。其特點(diǎn)是失效率

13、隨工作時(shí)間的增加而上升。耗損失效主要是產(chǎn)品經(jīng)長(zhǎng)期使用后,由于某些零件的疲勞、老化、過(guò)度磨損等原因,已漸近衰竭,從而處于頻發(fā)失效狀態(tài),使失效率隨時(shí)間推移而上升,最終會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的功能終止。 注意:浴盆曲線反映的為不可修復(fù)且較為復(fù)雜的設(shè)備和或系統(tǒng)使用后的失效率變化曲線。對(duì)于單一的失效機(jī)理而引起的失效零件、部件,其失效率變化曲線為遞減型。(4) 可靠性壽命的數(shù)字特征1). 平均壽命MTTF (Mean Time To Failure,失效前的平均工作時(shí)間) 不可維修產(chǎn)品從開(kāi)始 工作到 發(fā)生失效的平均時(shí)間。MTBF (Mean Time Between Failure,平均故障間隔時(shí)間) 可維修產(chǎn)品從一次故障到下次故障的平均時(shí)間(平均故障間隔時(shí)間)。式中:N產(chǎn)品總數(shù); ti第i個(gè)產(chǎn)品失效前的工作時(shí)間,i=1,2,N.。 平均壽命平均壽命平均壽命表明無(wú)故障工作時(shí)間T的數(shù)學(xué)期望。例:設(shè)有5個(gè)不可修復(fù)產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn),它們失效時(shí)間分別為:1000h,1500h,2000h,2200h,2300h,求該產(chǎn)品的MTTF。解:MTTF=(1000+1500+2000+2200+2300)/5=1800h2)

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