第四章可靠性設計(1,2,節(jié))

第四章可靠性設計

由于產(chǎn)品的可靠性差造成的損失是驚人的：

1957年美國發(fā)射的“先鋒號”衛(wèi)星，由于一個2美元的電子元件失效，造成了220萬美元的損失。1979年由于核反應堆系統(tǒng)增壓器減壓閥門出了故障，造成舉世震驚的美國三里島核電站事故。

可靠性表示系統(tǒng)、設備、元器件的功能在規(guī)定條件和規(guī)定時間內(nèi)的穩(wěn)定程度的特性，它是衡量機電產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要指標?？煽啃栽O計就是事先考慮產(chǎn)品可靠性的一種設計方法。第一節(jié)概述可靠性研究的歷史（國外）1）美國很早就開始了可靠性的研究：二戰(zhàn)期間，軍用航空電子設備的失效率高，美國運往遠東作戰(zhàn)飛機的機載電子設備60%在運輸中失效，飛行故障引起事故而損失的飛機比被擊落的多1.5倍，海軍艦艇上電子設備70%因意外事故失效。

第一章緒論可靠性研究的歷史（國外）2)20世紀40年代，德國在V-1火箭研制中，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，即把小樣本問題轉(zhuǎn)化為大樣本問題進行研究。3)1957年6月4日，美國的“電子設備可靠性顧問委員會”發(fā)布了《軍用電子設備可靠性報告》，提出了可靠性是可建立的、可分配的及可驗證的，從而為可靠性學科的發(fā)展提出了初步框架。

第一章緒論可靠性研究的歷史（國外）4)20世紀50年代至60年代，美國、蘇聯(lián)相繼把可靠性應用于航天計劃，于是機械系統(tǒng)的可靠性研究得到發(fā)展，如隨機載荷下機械結(jié)構(gòu)和零件的可靠性，機械產(chǎn)品的可靠性設計、試驗、驗證等。5)日本于20世紀50年代后期將可靠性技術推廣到民用工業(yè)，設立了可靠性研究機構(gòu)和可靠性工程控制小組，大大提高了日本產(chǎn)品的可靠度。

第一章緒論可靠性研究的歷史（國內(nèi)）1)國內(nèi)的可靠性工作起步較晚，上世紀50年代末和60年代初在原機械電子工業(yè)部的內(nèi)部期刊有介紹國外可靠性工作的報道。2)20世紀70年代由于我國重點工程的需要，以及消費者的強烈要求，對各行業(yè)開展可靠性的研究起了巨大的推動作用；從1973年起，原國防科工委和原四機部為了解決國家重點工程元器件的可靠性問題，多次召開有關提高可靠性的工作會議。

第一章緒論可靠性研究的歷史（國內(nèi)）3)發(fā)展最快的時期是上世紀80年代初期，出版了大量的可靠性工作專著、國家制定了一批可靠性工作的標準、各學校有大量的人投入可靠性的研究。4)但國內(nèi)的可靠性工作曾在90年代初落入低谷，在這方面開展工作的人很少，學術成果也平平。主要的原因是可靠性工作很難做，出成果較慢。

第一章緒論可靠性研究的歷史（國內(nèi)）5)但在近些年，可靠性工作有些升溫，這次升溫的動力主要來源于企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量的重視，比較理智。許多工業(yè)部門將可靠性工作列在了重要的地位。如原航空工業(yè)部明確規(guī)定，凡是新設計的產(chǎn)品或改型的產(chǎn)品，必須提供可靠性評估與分析報告才能進行驗收。

我認為，目前國內(nèi)的可靠性工作仍在一個低水平上徘徊，研究的成果多，實用的方法少；研究力量分散，缺乏長期規(guī)劃；學術界較混亂，低水平的文章隨處可見，高水平的成果無人過問…第一章緒論可靠性研究的重要性及其意義

隨著科學技術的發(fā)展，對機電設備的性能要求越來越高，機電設備的功能越來越多，結(jié)構(gòu)也越來越復雜，因此對可靠性的研究也越來越重要，在航空航天、尖端武器、電子、大型機械等領域，產(chǎn)品的可靠性研究尤其重要。例如，航天器上少則有幾十萬個零件，多則上百萬個零件，對這些設備來說，即使單個零件的失效概率很低，但由于零件數(shù)目大，其中個別零件的失效導致整機失效的概率勢必增加，例如每個零件的可靠度達到0.995，但是由100個零件串聯(lián)組成的設備的可靠度將下降到0.6左右，如果因為某個零件的可靠性差而導致機器的功能失效，其損失將是巨大和慘重的。

高可靠性可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。日本的汽車、工程機械、發(fā)電設備、日用家電等產(chǎn)品能夠暢銷全球，關鍵在于其具有較高的可靠性，日本因而從中獲得了巨額利潤。相反，當產(chǎn)品的可靠性不能滿足用戶的使用要求時，就會使產(chǎn)品的銷量下降，并失去競爭力。則高可靠性、高質(zhì)量是產(chǎn)品生存發(fā)展的根本保證，可靠性的觀點和方法已經(jīng)成為質(zhì)量保證、安全性保證、產(chǎn)品責任預防等不可缺少的依據(jù)和手段，也是我國工程技術人員掌握現(xiàn)代設計方法所必須掌握的重要內(nèi)容之一。第一章緒論一、可靠性的概念和設計特點可靠性(Reliability)定義產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。它標志著產(chǎn)品不會喪失工作能力的可靠程度。要點1)產(chǎn)品：是指作為單獨研究和分別試驗對象的任何零件、設備、裝置、系統(tǒng)（廣義的）。2)規(guī)定條件：包括使用時的環(huán)境條件和工作條件。環(huán)境條件：溫度、濕度、振動、沖擊、輻射等；工作條件：維護方法、儲存條件、操作人員水平等。這些條件對產(chǎn)品的可靠性有著直接的影響。不同條件下相同的產(chǎn)品可靠性也不一樣，所以不在相同的條件下衡量可靠性就視區(qū)了比較產(chǎn)品質(zhì)量的前提。3)規(guī)定時間：產(chǎn)品的規(guī)定壽命。是可靠性定義中的核心，產(chǎn)品的可靠性只能在一定時間范圍內(nèi)達到目標可靠度，不可能永遠保持目標可靠度不降低。討論產(chǎn)品的可靠性要在一定的時間范圍內(nèi)進行。產(chǎn)品的可靠性會隨著產(chǎn)品使用時間的增加而降低的。時間可以是（0，t）或（t1，t2），廣義的時間還可以是車輛行駛的里程數(shù)，回轉(zhuǎn)零件回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)，工作循環(huán)次數(shù)，機械裝置的動作次數(shù)等。例如、：軸承，車輛，齒輪用應力循環(huán)次數(shù)來衡量。4)規(guī)定功能：產(chǎn)品必須具備的功能和技術指標。（例如）儀表的精度，分辨率，量程，動態(tài)范圍等。不同產(chǎn)品功能不同，即使同一產(chǎn)品功能也不一定相同，產(chǎn)品的可靠性和規(guī)定的功能有密切的關系。

一個產(chǎn)品往往具有若干項功能，完成規(guī)定功能是指完成這若干項功能的全體，而不是其中一部分。產(chǎn)品達到規(guī)定的性能指標或沒有損壞就算完成規(guī)定功能，否則稱該產(chǎn)品失效，對可修復產(chǎn)品也稱為故障，有事產(chǎn)品雖能工作，但是不能完成規(guī)定功能，有事局部出現(xiàn)故障，但是能完成規(guī)定功能，因此具體進行可靠性判斷時，合理的，明確的給出故障判據(jù)，或失效判據(jù)很重要。5）能力不僅定性還要求定量，以便說明可靠性的程度。才能比較出產(chǎn)品的好壞。由于產(chǎn)品在工作中發(fā)生故障帶有偶然性，所以不能僅看一個產(chǎn)品的情況，而是應該觀察大量同類產(chǎn)品或者根據(jù)一定數(shù)量是樣品試驗，得出數(shù)據(jù)并經(jīng)統(tǒng)計處理之后，方能確定其可靠性的高低，所以在可靠性定義中“能力”有統(tǒng)計學的意義。例如產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，失效數(shù)量和產(chǎn)品總量之比越小，其可靠性就越高。或者產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，平均無故障工作的時間越長，其可靠性也就越高。產(chǎn)品的可靠性由固有可靠性和使用可靠性兩部分組成。

固有可靠性：是在產(chǎn)品設計制造過程中已經(jīng)確定，并最終在產(chǎn)品上得以實現(xiàn)的可靠性。是產(chǎn)品的內(nèi)在性能之一，產(chǎn)品一旦被設計完成并按要求生產(chǎn)出來，其固有可靠性就完全確定了。使用可靠性：是產(chǎn)品在使用中的可靠性，它往往與產(chǎn)品的固有可靠性存在著差異。這是由于產(chǎn)品生產(chǎn)出來要經(jīng)過包裝、運輸、儲存安裝、使用和維修等環(huán)節(jié)，且使用環(huán)節(jié)與設計所規(guī)定的條件往往不一致，使用者操作水平維修水平也不相同。往往，固有可靠性高，使用條件好的產(chǎn)品使用可靠性也高，一般可以將產(chǎn)品的可靠性看做是固有可靠性和使用可靠性的乘積。資料表明，電子設備故障原因中屬于產(chǎn)品固有可靠性的占80%，其中設計技術占40%，元器件和元材料占30%，制造技術占10%，屬于使用可靠性的占20%，其中現(xiàn)場使用占15%。因此提高產(chǎn)品的可靠性，除設法提高產(chǎn)品的固有可靠性之外，還應改善其使用條件，加強使用中的保養(yǎng)和維修，使產(chǎn)品的固有可靠性在使用中得到充分發(fā)揮。實際工作中，往往由于各種偶然的因素導致產(chǎn)品發(fā)生故障，比如元件發(fā)生失效，應力突然改變，維修或使用不當?shù)取Ｓ捎谶@些原因具有偶然性，所以對于具體的產(chǎn)品來說，在規(guī)定條件和規(guī)定的時間內(nèi)能否完成規(guī)定的功能是無法知道的，也就是說這是一個隨機事件，隨機事件也包含著規(guī)律，偶然中有必然，雖然不知道確切時間，但是可以估計某一時間段內(nèi)，產(chǎn)品完成規(guī)定功能的能力大小。應用概率論和數(shù)量統(tǒng)計理論對產(chǎn)品的可靠性進行定量計算是可靠性學科的基礎。設計特點：可靠性設計是常規(guī)設計方法的深化和發(fā)展，所以有關課程的計算原理、方法和基本公式對可靠性設計仍然有用。具有如下特點：1）可靠性設計法認為作用在零部件上的載荷(廣義的）和材料性能等都不是定值，而是隨機變量，具有明顯的離散性質(zhì)，在數(shù)學上必須用分布函數(shù)來描述。2）由于載荷和材料性能都是隨機變量，所以必須用概率統(tǒng)計的方法求解。3）可靠性設計法認為所設計的任何產(chǎn)品都存在一定的失效可能性，并且可以定量的回答產(chǎn)品在工作中的可靠程度，從而彌補了常規(guī)設計法的不足。上面的可靠性定義只是一個一般性的定義，并沒有給出任何數(shù)量表示，而在產(chǎn)品可靠性設計、制造、試驗和管理等多個階段都需要有“量”的概念。只有將其量化，才能對產(chǎn)品的可靠性提出明確的要求，這些要求即產(chǎn)品的各類可靠性指標。通常叫可靠性特征量。根據(jù)可靠性指標，就可以在產(chǎn)品規(guī)劃、設計、制造時根據(jù)可靠性理論，預測和分配它們的可靠性，在產(chǎn)品研制出來后，就可按照一定的可靠性試驗方法鑒定它們的可靠性或者比較各種產(chǎn)品的可靠性。第一章緒論可靠性尺度二、可靠性設計中常用的特征量1.可靠性特征量：度量產(chǎn)品可靠性的各種量（指標）統(tǒng)稱為特征量。第一章緒論第一章緒論第一章緒論由概率論得出的性質(zhì)1.剛開始可靠度等于12、隨著時間的推移可靠度是時間的遞減函數(shù)。3.時間趨于無窮大時，可靠度為零。4.任意時刻，可靠度的值永遠位于0-1之間。第一章緒論失效率(FailureRate)又稱為故障率,其定義為“工作到某時刻t時尚未失效(故障)的產(chǎn)品,在該時刻t以后的下一個單位時間內(nèi)發(fā)生失效(故障)的概率”。記為λ(t)，稱為失效率函數(shù)。根據(jù)樣本觀察值可以這樣理解：設有N個產(chǎn)品,從t=0開始工作,到時刻t時產(chǎn)品的失效數(shù)為Nf(t),而到時刻(t+Δt)時產(chǎn)品的失效數(shù)為Nf(t+Δt),即在[t,t+Δt)時間區(qū)間內(nèi)有Δ

Nf(t)=Nf(t+Δt)-Nf(t)個產(chǎn)品失效,則定義該產(chǎn)品在時間區(qū)間[t,t+Δt)內(nèi)的平均失效率為

簡單的說，失效率就是產(chǎn)品在時刻t后的一個單位時間內(nèi)失效的產(chǎn)品數(shù)與在時刻t仍工作的產(chǎn)品數(shù)的比值。失效率可以更直觀的反映每一時刻的失效情況。能反應出故障率隨壽命變化的規(guī)律。前面提到的失效概率密度函數(shù)反映的是產(chǎn)品在時刻t附近的一個單位時間內(nèi)的失效數(shù)與起始時刻t=0的工作產(chǎn)品總數(shù)N的比。因此失效概率密度函數(shù)主要反映產(chǎn)品在所有可能工作時間領域內(nèi)相對于起始的失效分布情況。對于任意時刻而言，用失效概率密度函數(shù)來反映瞬時失效的情況，往往顯的不夠靈敏，而用失效率這與概念正好克服這一缺點，因此失效率是標志產(chǎn)品可靠性常用的數(shù)量特征之一，失效率越低，可靠性越高。失效率的單位用單位時間的百分數(shù)來表示，常用的單位有每小時或每千小時的百分數(shù)。第一章緒論例題1-1今有100個某種零件,已工作了6年,工作滿5年時共有3個失效,工作滿6年時共有6個失效。試計算這批零件工作滿5年時的失效率。如果時間以103h為單位,則Δt=1年=8.76×103h,因此例題：某批產(chǎn)品120個，工作了80h,還有100個產(chǎn)品仍在工作，但是到了第81h,失效了1個，第82h,失效了3個，分別求失效率。第一章緒論反映了產(chǎn)品總體整個壽命期失效的情況。由許多零件構(gòu)成的機器、設備或系統(tǒng),在不進行預防性維修時,或者對于不可修復的產(chǎn)品,其失效率曲線的典型形態(tài)如圖所示。早期失效期(DFR型)幼兒期偶然失效期(CFR型)青壯期耗損失效期(IFR型)老年期失效率曲線：如果用橫坐標表示時間t,/縱坐標表示失效率，則可以繪制出反映產(chǎn)品在整個壽命期失效率情況曲線，稱為失效率曲線或浴盆曲線。第一章緒論偶然失效期有效壽命期第一章緒論4.平均壽命(MeanLife)是產(chǎn)品壽命的平均值,而產(chǎn)品的壽命則是它的無故障的工作時間。對于不可修復的產(chǎn)品,其壽命是指它的失效前的工作平均時間。稱為失效前平均時間,記為MTTF(MeanTimeToFailure）

N為測試的產(chǎn)品總數(shù);ti——第i個產(chǎn)品失效前的工作時間。對于可修復的產(chǎn)品,壽命期內(nèi)累計工作時間與故障次數(shù)之比。稱為平均無故障工作時間,記為MTBF(MeanTimeBetweenFailures)。ni為第i個測試產(chǎn)品的故障數(shù);tij為第i個產(chǎn)品從第j-1次故障到第j次故障的工作時間。.-有效壽命在可靠性研究中把失效過程劃分為早期失效期、隨機失效期和損耗失效期三個階段。隨機失效期是系統(tǒng)的主要工作期，設備工作時間長、失效率恒定，處于最佳工作狀態(tài)，是設備處于最佳工作狀態(tài)的時間稱有效壽命。第一章緒論可靠壽命：指可靠度為給定值R時的工作壽命。用tR表示。中位壽命:指可靠度為R=50%時的可靠壽命。用t0.5表示。特征壽命：指可靠度R=e-1=0.37時的可靠壽命。用te-1表示。第一章緒論例題1-2若已知某產(chǎn)品的失效率為常數(shù):λ(t)=λ=0.25×10-4h-,可靠度函數(shù)R(t)=e-λt,試求可靠度R=99%的相應可靠壽命t0.99和中位壽命t0.5。解因R(t)=e-λt,故有R(tR)=e-λtR兩邊取對數(shù)lnR(tR)=-λtR

得In提高可靠度或者提高維修度均能達到提高有效度的目的，為了獲得很高的有效度，提高維修度往往比提高可靠度更容易實現(xiàn)并且較經(jīng)濟，應在設計開始就注意提高維修度，因為維修度不僅取決于維修人員的技術，維修設備，工具、備件及管理等因素，而且還取決于所設計的結(jié)構(gòu)是否便于維修。第二章可靠性的數(shù)學基礎2.1

隨機事件與概率

第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎2.2隨機變量

1.離散型隨機變量的概率分布第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎2.連續(xù)型隨機變量的概率分布第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎3.隨機變量的數(shù)字特征第二章可靠性的數(shù)學基礎DDDDDD第二章可靠性的數(shù)學基礎DDDDDDDDDD第二章可靠性的數(shù)學基礎DD第二章可靠性的數(shù)學基礎D第二章可靠性的數(shù)學基礎2.3

隨機事件的概率分布

1.連續(xù)型分布第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎D第二章可靠性的數(shù)學基礎D第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎2.離散型分布第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎第二章可靠性的數(shù)學基礎課后習題習題2-1習題2-2習題2-3習題2-4習題2-5習題2-6第三節(jié)應力-強度干涉模型和

零部件的可靠性設計一、應力-強度干涉模型在常規(guī)的機械設計中，經(jīng)常用安全系數(shù)n來判斷零部件的安全性，即n=c/s≥[n]（課本上公式）

C為材料強度，s為零件薄弱處應力，[n]為許用安全系數(shù)。這種安全系數(shù)設計法雖然簡單，方便，但是卻沒有考慮到強度c和應力s各自的分散性，以及安全系數(shù)的確定具有較大的經(jīng)驗性和盲目性。有的時候安全系數(shù)高不一定安全，安全系數(shù)低不一定危險。因為沒有考慮強度和應力的離散性。機械可靠性設計的理論：應力s：是施加于產(chǎn)品或零件的物理量，如應力、壓力、溫度、濕度、沖擊等導致失效的任何因素。是一個隨機變量，遵循某一個分布規(guī)律，設應力的概率密度為g(s),在此與應力相關的參數(shù)如載荷、零件的尺寸、材料的硬度以及各種影響因素等都屬于隨機變量，它們都服從各自特定的分布規(guī)律，都呈現(xiàn)或大或小的離散性，都應依照概率取值。并經(jīng)過分布間的運算可求得相應的應力分布。強度c：產(chǎn)品或零件能夠承受這種應力的程度，即阻止失效發(fā)生的任何因素統(tǒng)稱為強度。也是隨機變量，設其概率密度函數(shù)為f(c).零件的強度包括材料本身的強度，如抗拉強度、屈服強度、疲勞強度等機械性能，以及考慮零部件尺寸，加工情況，結(jié)構(gòu)形狀和工作環(huán)境等在內(nèi)的影響強度的各種因素，它們都不是一個定值，有各自的概率分布，對零件的強度分布可以由各隨機變量分布間