1、Modern Design Methods And Manufacturer Technology机械与电子工程学院山东农业大学机电学院本科专业选修课程山东农业大学机电学院本科专业选修课程机械可靠性设计方法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1、产品更新快，采用新技术等未成熟的实验即被采用。一、可靠性研究的必要性一、可靠性研究的必要性2、整机或系统复杂、零部件数量增多，发生故障的机会增多。3、工业化国家实行产品责任索赔办法，迫使生产厂家注重可靠性。4、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益。机械可靠性设计方法 可靠性是一门独立的工程技术学科，它起源
2、于上个世纪五可靠性是一门独立的工程技术学科，它起源于上个世纪五十年代初。半个世纪以来，可靠性工程经历了十年代初。半个世纪以来，可靠性工程经历了50年代的起步阶年代的起步阶段，段，60年代的发展阶段，年代的发展阶段，70年代的成熟阶段和年代的成熟阶段和80年代的更深更年代的更深更广的发展阶段，以及广的发展阶段，以及90年代年代 以来进入向综合治理化、自动化、以来进入向综合治理化、自动化、智能化和实用化发展阶段，可靠性工程成为一门提高产品质量智能化和实用化发展阶段，可靠性工程成为一门提高产品质量的重要工程技术学科。的重要工程技术学科。可靠性工程已从军事装备的可靠性发展到民用产品的可靠可靠性工程已从
3、军事装备的可靠性发展到民用产品的可靠性；从电子产品发展到非电子产品的可靠性；从硬件的可靠性性；从电子产品发展到非电子产品的可靠性；从硬件的可靠性发展到软件的可靠性；从可靠性工程发展为包括维修工程、测发展到软件的可靠性；从可靠性工程发展为包括维修工程、测试工程、保障性工程在内的可信性工程；从重视可靠性统计试试工程、保障性工程在内的可信性工程；从重视可靠性统计试验发展到强调可靠性工程试验，通过环境应力筛选及可靠性强验发展到强调可靠性工程试验，通过环境应力筛选及可靠性强化试验来暴露产品故障，进而提高产品可靠性。化试验来暴露产品故障，进而提高产品可靠性。机械可靠性设计方法 可靠性的发展可靠性的发展 可
4、靠性的研究开始于20世纪60年代美国的航天计划，起源于军用电子设备。机械和电子故障是NASA主要关心的问题，其中机械故障引起的事故多，损失大。如：1963年同步通讯卫星SYMCOM，高压容器断裂，引起卫星空中坠毁；1964年人造卫星号因机械故障而损坏 1965年始，NASA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，将可靠度设计到结构和机械零部件中 机械可靠性设计方法从20世纪70年代起，西方工业发达国家全面开展可靠性工程实践和应用，可靠性技术变得越来越重要 从航空、航天、尖端武器和电子等行业，逐步推广应用到各
5、个行业 核能、机械、电气、冶金、化工、铁道、船舶、电站、建筑、水利、通讯、医药等 从宇宙飞船到日用产品全面普及 汽车、洗衣机、冰箱、复印机等 NASA将可靠性工程技术列为登月成功的三大技术成就之一机械可靠性设计方法美国六七十年代就将可靠性技术引入汽车、发电设备、拖拉机、发动机等机械产品。80年代，美国罗姆航空研究中心专门作了一次非电子设备可靠性应用情况的调查分析 美国国防部可靠性分析中心（RAC）收集和出版了大量的非电子零部件的可靠性数据手册 以美国亚利桑那大学D.Kececioglu教授为首的可靠性专家开展机械可靠性设计理论的研究，积极推行概率设计法，提出开展机械概率设计的十五个步骤机械可靠
6、性设计方法由美国、英国、加拿大、澳大利亚和新西兰五国组成的技术合作计划（TTCP）委员会编制出一本常用机械设备可靠性预计手册 日本以民用产品为主，大力推进机械可靠性的应用研究,1958年，日本成立了“可靠性研究委员会”，1973年成立“电子元件可靠性中心”日本科技联盟的一个机械工业可靠性分科会将故障模式、影响（FMEA）等技术成功地引入机械工业的企业中 日本企业界普遍认为：机械产品是通过长期使用经验的累积，发现故障经过不断设计改进获得的可靠性 日本一方面采用成功的经验设计，同时采用可靠性的概率设计方法的结果以及与实物试验进行比较，总结经验，收集和积累机械可靠性数据根据日本统计资料介绍，在197
7、11981年的10年中，电子产品可靠性水平提高了13个数量级，工程机械产品平均无故障时间提高了3倍。机械可靠性设计方法前苏联对机械可靠性的研究十分重视，50年代后期，前苏联开始可靠性研究在其二十年科技规划中，将提高机械产品可靠性和寿命作为重点任务之一。发布了一系可靠性国家标准，这些标准主要以机械产品为对象，适于机械制造和仪器仪表制造行业的产品 在各类机械设备的产品标准中，还规定了可靠性指标或相应的试验方案 苏联还充分利用丰富的实际经验，研究并提出典型机械零件的可靠性设计可经验公式，专门出版机械可靠性设计手册 苏联还十分重视工艺可靠性和制造过程的严格控制管理，认为这是保证机械产品可靠性的重要手段
8、 机械可靠性设计方法80年代以来机械可靠性研究在我国开始受到重视，我国有关可靠性问题的研究。但是可靠性技术在一般工业和企业中的应用还不广泛，与先进工业国家还存在较大的差距。从1986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879种产品已经进行可靠性指标的考核 1990年11月和1995年10月，机械工业部举行了两次新闻发布会，先后介绍了236和159种带有可靠性指标的机电产品 1992年3月国防部科工委委托军用标准化中心在北京召开了“非电产品可靠性工作交流研讨会”2005年GJB450改版，增加机械可靠性内容机械可靠性设计方法阶段阶段阶段成果阶段成果第一阶段第一阶段
9、(1943(194319581958午午)，又称为铅笔一纸，又称为铅笔一纸阶段阶段研究认为，产品故障的发生及其原因是随机事研究认为，产品故障的发生及其原因是随机事件，随机性是事物的内在性质，具有不可避免件，随机性是事物的内在性质，具有不可避免性。性。第二阶段第二阶段(1958(195819681968年年)重新确定了故障原因随机性及其不可避免性的重新确定了故障原因随机性及其不可避免性的概念；对一些偶然故障找到了自身的解释；确概念；对一些偶然故障找到了自身的解释；确定了产品设计、结构、工艺与故障间的关系；定了产品设计、结构、工艺与故障间的关系；产品的可靠性信息更加完整，对故障本质的认产品的可靠性
10、信息更加完整，对故障本质的认识更加深入。识更加深入。第三阶段第三阶段(1968(1968年以后年以后)形成了可靠性试验方法与数据处理方法；颁布形成了可靠性试验方法与数据处理方法；颁布了有关可靠性标准；建立了预防维修体系和可了有关可靠性标准；建立了预防维修体系和可靠性管理机构；并使可靠性的教育更加普及。靠性管理机构；并使可靠性的教育更加普及。可靠性发展历史可靠性发展历史机械可靠性设计方法可靠性学科，就目前所涉及的内容来讲，大致有以下几个方面：可靠性学科，就目前所涉及的内容来讲，大致有以下几个方面：1 1）可靠性工程：指导工程实际的可靠性活动的一门学科。）可靠性工程：指导工程实际的可靠性活动的一门
11、学科。2 2）可靠性物理：从机理的角度去研究产品造成不可靠的原因。）可靠性物理：从机理的角度去研究产品造成不可靠的原因。3 3）可靠性数学：作为可靠性活动的基础。）可靠性数学：作为可靠性活动的基础。4 4）可靠性教育与管理：研究如何推行可靠性活动的一门学科。）可靠性教育与管理：研究如何推行可靠性活动的一门学科。5 5）可靠性基础理论：包括可靠性数学和失效学两个研究领域。）可靠性基础理论：包括可靠性数学和失效学两个研究领域。概率论与数理统计是可靠性研究的理论基础。概率论与数理统计是可靠性研究的理论基础。6 6）可靠性应用技术：包括可靠性设计和预测，可靠性评价与）可靠性应用技术：包括可靠性设计和预
12、测，可靠性评价与验证，可靠性标准等。验证，可靠性标准等。机械可靠性设计方法 1）可靠性理论应用到产品的可靠性评价方面，有）可靠性理论应用到产品的可靠性评价方面，有可靠性可靠性评估与可靠性预测评估与可靠性预测。2）可靠性理论应用到产品、零件的设计上，有）可靠性理论应用到产品、零件的设计上，有概率工程概率工程设计或可靠性设计设计或可靠性设计。3）将可靠性设计与优化理论结合起来，综合各方面的因）将可靠性设计与优化理论结合起来，综合各方面的因素，考虑设计的最佳效果，有素，考虑设计的最佳效果，有可靠性分配与可靠性优化可靠性分配与可靠性优化。4）考虑设备的维修因素之后的可靠性问题，有）考虑设备的维修因素之
13、后的可靠性问题，有系统的可系统的可维护性与可利用性的估计维护性与可利用性的估计。5）作为以上各分支的基础，有）作为以上各分支的基础，有可靠性试验及其数据处理可靠性试验及其数据处理可靠性工程所包含的内容可靠性工程所包含的内容机械可靠性设计方法可靠性工程的基本内容可靠性工程的基本内容 机械可靠性设计方法机械可靠性设计方法1 1）方案论证阶段：确定可靠性指标，对可靠性和成本进行估）方案论证阶段：确定可靠性指标，对可靠性和成本进行估算。算。2 2）审批阶段：对可靠度及其增长初步评估、验证试验要求、）审批阶段：对可靠度及其增长初步评估、验证试验要求、评价和选择试制厂家。评价和选择试制厂家。3 3）设计研
14、制阶段：主要进行可靠性预测、分配和故障模式及）设计研制阶段：主要进行可靠性预测、分配和故障模式及综合影响分析，进行具体结构设计。综合影响分析，进行具体结构设计。4 4）生产及试验阶段：按规范进行寿命试验、故障分析及反馈、）生产及试验阶段：按规范进行寿命试验、故障分析及反馈、验收试验等。验收试验等。5 5）使用阶段：收集现场可靠性数据，为改型提供依据）使用阶段：收集现场可靠性数据，为改型提供依据可靠性工程的一般步骤可靠性工程的一般步骤 机械可靠性设计方法产品质量是产品的一组固有特性满足顾客和其他相关要求的产品质量是产品的一组固有特性满足顾客和其他相关要求的能力。能力。产品可靠性是产品产品可靠性是
15、产品性能随时间的保持能力性能随时间的保持能力，换言之，要长时，换言之，要长时间地保持性能间地保持性能不出故障或出了故障能很快维修不出故障或出了故障能很快维修是产品很重要是产品很重要的质量特性。的质量特性。产品可靠性是产品最重要的质量指标之一，是产品技术性能产品可靠性是产品最重要的质量指标之一，是产品技术性能和经济性的基本保证，并决定着产品在市场中的竞争能力。和经济性的基本保证，并决定着产品在市场中的竞争能力。工程机械产品质量包括：工程机械产品质量包括：技术性能、可靠性、工艺性、人机技术性能、可靠性、工艺性、人机工程学特性、外观质量等特性工程学特性、外观质量等特性。可靠性与产品质量可靠性与产品质
16、量 机械可靠性设计方法工工程程机机械械产产品品质质量量体体系系 机械可靠性设计方法二、可靠性出现的原因二、可靠性出现的原因 传统的机械零件设计是以计算安全系数为主要内容的，即零件的安全系数（n）零件的强度（F）/零件的应力（S），且强度及压力均为单值来进行计算，但事实并非如此。机械可靠性设计方法 虽然有较高的安全系数，但由于材料强度与应力分布并非单值的，因此，当处于某种情况时，应力S材料强度F，这样零件就可能发生失效。机械可靠性设计方法传统的安全系数设计法的局限性传统的安全系数设计法的局限性：v 若应力和强度分布的标准差S和F保持不变，而以相同的比例K改变两个分布的平均值S和F，当K1时，S和
17、F右移，此时安全系数n S/F虽然没变，但是可靠性却提高了。当K4000小时的概小时的概率。即：率。即：4000)()(dttftR机械可靠性设计方法解：解：1、计算联结系数、计算联结系数Z。5.240050004000ttZ2、两种求解方法：计算法与查表法。、两种求解方法：计算法与查表法。计算法计算法40002221)(dtetRt 查表法查表法当联结系数Z为负数时，查表获得的数值为可靠度R(t)99.38。机械可靠性设计方法随机变量的均值（数学期望值）和方差的近似计算泰勒公式：随机变量的均值（数学期望值）和方差的近似计算泰勒公式：函数y=f(x)中的随机变量x是一维时，函数在点x（均值）出
18、的泰勒展开式为：.2)()()()()()(/2/fxfxfxfy此时，函数y=f(x)的数学期望E(y)=Ef(x)f（）,它的方差D(x)=Df(x)f(x)2D(x)函数y=f(x1,x2,x3,xn)随机变量x是n维时，函数在点x（均值）出的泰勒展开式为：.)()(21)()(),.,(),.,(12112121ixnjjiniijiiixniiiinniixxxfxxxxfxfxxxfy机械可靠性设计方法此时，函数y的数学期望E(y)f（1,2,3,n）,它的方差:niixjixDxxxfyDii122)()()(例例2：作用在一杆件上的载荷为P，其均值P10KN，标准差P1KN，杆
19、件横截面积A的均值A5.0cm2，标准差A0.4cm2，试求作用在杆件上的应力S的均值和标准差S、S。解：解：1、计算应力均值S。MPafAPAPfSAPAPs2510),(),(机械可靠性设计方法2、计算应力标准差S。22,22,2),(APsAPAPAfPfAPAPfS222222422211ASPAAAAPPA当应力和强度都是随机变量时，某一瞬时的强度和应力的差值大于零的概率就等于可靠度，若强度(F,F 2)和应力(S,S 2)是相互独立的，则两者之差的分布均值和标准值分别等于：2221ASPAS22,SFSFMPaS2561.0本题求解得：机械可靠性设计方法当和均服从正态分布时，则差值
20、大于零得概率可以用下面得形式可靠度三参数关系式计算：2222SFSFSFSFZZ或者上式为联结方程得另一种表达形式，这里可称为机械零件的可靠度方程。机械可靠性设计方法例例3：设已知某零件的强度F250MPa，标准差F16MPa，又知道零件所受得应力S210MPa，标准差S20MPa，且均符合正态分布，试求零件的可靠度R。解：解：1、由于该零件的强度与所受应力数值均符合正态分布。根据联结方程（机械零件的可靠度方程）：56.120162102502222SFSFZ2、查表可得该零件的失效概率Q：Q0.066，R1-Q94，由此可以看出，虽然零件强度大于其受到的应力，但是，在实际情况下，仍然有6的失
21、效概率。这也是传统单值设计方法不足之处。机械可靠性设计方法机械可靠性设计方法例例4：设结构件的强度F、拉力P和杆的直径d均服从正态分布，而且这些参数都是独立的随机变量，他们的均值分别为：F250MPa，130，30，现在假定：各自的标准差分别为：F26.7MPa，P14KN，d0.4mm。试求零件的可靠度R。分析：分析：若要求可靠度R必须根据联结方程求出F、F、S和S 其中F、F已知重点求出S和S 而SP/A此为二维随机变量问题2222SFSFSFSFZZ或者APAPsfAPAPfS),(),(42dA一维随机变量问题机械可靠性设计方法解：解：1、该结构件的强度均值，标准差已知，F250MPa
22、，F26.7MPa。2、计算S：求出F、F、S和SMPadPdPAPs18444223、计算S：2221ASPAS2A285.1824mmddfdAddMPaS20若没有所需数据，则对于国外经验公式：S(0.040.08)S，国内目前材质可以把系数增大一些：S(0.090.1)S。机械可靠性设计方法878.2207.262801842222SFSFZ4、代入联结方程，得到可靠性系数Z：5、查表可得该零件的失效概率Q：Q0.0020.2，R1-Q99.8。例例5：有一受拉圆杆，已知其强度均值及标准差分别为：F200MPa，F15MPa，又知作用于拉杆上的拉力300，相应的P30KN，求在可靠度R
23、0.99时拉杆的直径d，设拉杆直径的平均直径为，根据其公差情况取直径的标准差d0.005。机械可靠性设计方法分析：分析：这个问题是从规定的目标可靠度出发，计算零件的尺寸，通过这样的计算，就可以达到“把可靠度设计到零件中去”的可靠性设计的目的。其实质是可靠度计算的逆运算。其实质是可靠度计算的逆运算。仍然运用联结方程来进行计算。2222SFSFSFSFZZ或者解：解：1、该零件的强度均值，标准差已知，F200MPa，F15MPa。2、计算S：222382.044ddPdPAPs机械可靠性设计方法3、计算面积标准差A：200785.02dddA4、计算应力标准差S：22220384.01dASPAS
24、5、当R0.99时，Q0.01，查表可得可靠性系数Z-2.33。根据联结方程，有如下关系：000000274.000394.00384.015382.020033.224222222ddddSFSFZmd5515.0即d55.12mm时，能保证拉杆有99的可靠度。机械可靠性设计方法6、通过计算，各参数分别为：S125.74MPa，F200MPa；S12.65MPa，F15MPa。安全系数n：59.174.125200sFn即在安全系数为1.59情况下，拉杆具有99的可靠度。若安全系数也是随机变量，则它的均值n和可靠度的关系为：RRncnn111式中，式安全系数的标准差，而sFcn机械可靠性设计
25、方法4、系统的可靠性设计、系统的可靠性设计一个机械系统常常由许多子系统组成，而每个子系统又可能由若干个单元（零、部件）组成，因此，单元的功能及实现其功能的概率都直接影响系统的可靠度。系统的可靠性设计有两个方面：系统可靠性的预测和可靠性的分配。系统可靠性预测：系统可靠性预测：按系统的组成形式，根据已知单元和子系统的可靠度计算求得。单元子系统系统，是一种合成方法。系统可靠性分配：系统可靠性分配：将已知系统的可靠性指标合理分配到各个单元和子系统上去。系统子系统单元，是一种分解方法。机械可靠性设计方法系统模型及可靠度求解：系统模型及可靠度求解：1、串联系统：、串联系统：系统由相互独立可靠性的单元组成，
26、当任一单元失效后，都会导致产品或整个系统失效。机械可靠性设计方法串联系统的可靠度计算概率乘法定律：串联系统的可靠度计算概率乘法定律：niiStRtR1)()(RS(t)是系统的可靠度，Ri(t)是单元i的可靠度若在串联系统中，各单元的可靠度函数服从指数分布，则系统的失效率等于各组成单元失效率之和，即：niiS1)()(ttSiseetR则整个系统的可靠度为：例例1：某电子产品有8个部件串联组成，可靠度服从指数分布，失效率s(t)分别如表所示。预测该产品1000h及10h的可靠度。产品代号12345678失效率（10-6）1201001451070252018机械可靠性设计方法解：解：1、产品的
27、失效率是各部件失效率的总和。000508.01050861niiS2、产品1000小时和10小时的失效率为：%1.60601.0)1000(508.01000eeRsS%4.99994.0)10(00508.010eeRsS对于串联系统，虽然提高其组成单元的可靠度或降低他们的失效率可以提高整个系统的可靠度，但是提高单元可靠度必将提高产品的制造成本，因此，对于该系统来说，其总体可靠度较低，组成单元数目越多，其可靠性越低。机械可靠性设计方法2、并联系统：、并联系统：只有当组成单元都失效时，整个系统才失效，因此，可以把同种零部件进行并联组合，在不提高零件可靠度的条件下，大幅度提高产品或系统的可靠度。
28、并联系统的失效率计算概率乘法定律：并联系统的失效率计算概率乘法定律：niiStQtQ1)()(QS(t)是系统的失效概率，Qi(t)是单元i的失效概率并联系统的可靠度计算并联系统的可靠度计算)(1(1)(1)(1niiSStRtQtR机械可靠性设计方法若在并联系统中，各单元的可靠度函数服从指数分布，则整个系统的可靠度为：ntSetR)1(1)(对于并联系统，它的可靠度总是大于系统种任一个单元的可靠度，或者说，各单元的可靠度均低于系统的可靠度，另外，并联系统的组成单元越多，系统的可靠度越大，或者说，每个单元的可靠度可以越低。这对于降低产品成本是非常有帮助的。例例2：某飞机有3台发动机驱动，只要有
29、一台发动机工作，飞机就不致坠落，各台发动机的失效率分别为0.01/小时，0.02/小时，0.03/小时，每航行一次飞行10小时，预测此飞机的可靠度。机械可靠性设计方法解：解：1、先计算各台发动机的可靠度。10.01/小时，则当t10h时，同时其服从指数分布，则有 999.0)10(100001.01eeRt997.0)10(,998.0)10(32RR 2、计算该飞机的可靠度。99999999.0)997.01()998.01()999.01(1)(1(1)(1niiStRtR3、混联系统：、混联系统：由一些串联的子系统和一些并联的子系统组合而成的，可以分为两种：串并联系统（先串联后并联）；并
30、串联系统（先并联后串联）。机械可靠性设计方法混联系统的可靠度计算混联系统的可靠度计算 混联系统是由串联和并联系统的组合，它们的可靠度计算可直接参照串联和并联系统的公式进行。niiStRtR1)()()(1(1)(1niiStRtR并联系统可靠度串联系统可靠度机械可靠性设计方法4、备用冗余系统：、备用冗余系统：一般来说，在产品或系统的构成种，把同种功能单元或部件重复配置以作备用，当其中一个单元或部件失效时，用备用的来代替（或自动或手动）以继续维持其功能。也称为等待系统，或旁联系统，或并联非贮备系统。该系统的特点是有一些并联单元，但他们并非同一时刻全部运行。机械可靠性设计方法备用冗余系统的可靠度计
31、算备用冗余系统的可靠度计算 假定贮备单元在储备期时间t内不发生故障，且转换开关（自动或手动）是完全可靠的，则当各单元的可靠度函数是指数分布，并且1(t)2(t)n(t)时，系统的可靠度为：tnKKntseKtnttttetR10132!)()!1()(.!3)(!2)(1)(5、复杂系统：、复杂系统：非串并联系统和桥式网络系统都属于复杂系统。机械可靠性设计方法6、表决系统：、表决系统：如果组成系统的n个单元中，只要有K个单元不失效，系统就不会失效，这样的系统称为n中取K系统，简写成K/n系统。n中取K系统分为两类：一类称为n中取K好系统，此时要求组成系统的n个单元中有K个以上完好，系统才能正常工作，记为K/nG；另一类称为n中取K坏系统，此时要求组成系统的n个单元中有K个以上失效，系统就不能正常工作，记为K/nF；复杂系统的可靠度计算复杂系统的可靠度计算 有三种方法：分解法，布尔真值法和卡诺图法
