1、2023-2-15机械可靠性设计机械可靠性设计机械可靠性设计机械可靠性设计本课程主要的教学内容本课程主要的教学内容l第一章第一章 可靠性概论可靠性概论l第二章第二章 可靠性理论中常用的几种概率分布可靠性理论中常用的几种概率分布l第三章第三章 分布参数的估计与分布函数的假设分布参数的估计与分布函数的假设检验检验l第四章第四章 机械可靠性设计原理与可靠度计算机械可靠性设计原理与可靠度计算l第五章第五章 机械静强度与可靠性设计机械静强度与可靠性设计l第六章第六章 系统可靠性设计系统可靠性设计l第七章第七章 机械零部件的可靠性设计机械零部件的可靠性设计机械可靠性设计使用教材使用教材l机械可靠性设计机械
2、可靠性设计刘惟信刘惟信 清华大学出版清华大学出版社社机械可靠性设计考核方式考核方式l考试考试*80%+80%+平时平时*20%20%机械可靠性设计第一章第一章 可靠性概论可靠性概论l1-1 1-1 可靠性概述可靠性概述l1-2 1-2 可靠性尺度可靠性尺度l1-3 1-3 可靠性设计与传统设计的异同可靠性设计与传统设计的异同机械可靠性设计1-1 可靠性概述可靠性概述l一、可靠性的研究意义一、可靠性的研究意义l二、可靠性定义二、可靠性定义机械可靠性设计一、可靠性研究意义一、可靠性研究意义l1 1、意义：、意义：l 1)1)提高产品可靠性提高产品可靠性,可以防止故障和事故的发生可以防止故障和事故的
3、发生,尤尤其是避免灾难性的事故发生其是避免灾难性的事故发生.86.86年年1 1月月2828日日,美航天飞机美航天飞机”挑战者号挑战者号”由于由于1 1个密封圈失效个密封圈失效,起飞起飞76S76S后爆炸后爆炸,其中其中7 7名名宇航员丧生宇航员丧生,造成造成1212亿美元的经济损失亿美元的经济损失;92;92年我国发射年我国发射”澳澳星号星号”时由于一个小小零件的故障时由于一个小小零件的故障,发射失败发射失败,造成了巨大造成了巨大的经济损失和政治影响的经济损失和政治影响.l 2)2)提高产品的可靠性提高产品的可靠性,能使产品总的费用降低能使产品总的费用降低.提提高产品的可靠性高产品的可靠性,
4、首先要增加费用首先要增加费用,如选用好的元器件如选用好的元器件,研研制部分冗余功能的电路及进行可靠性设计、分析、实验，制部分冗余功能的电路及进行可靠性设计、分析、实验，这些都需要经费这些都需要经费。机械可靠性设计l然而，产品可靠性的提高使得维修费及停机检查损失费大然而，产品可靠性的提高使得维修费及停机检查损失费大大减小，使总费用降低。大减小，使总费用降低。l3 3）提高产品的可靠性，可以减少停机时间，提高产品可）提高产品的可靠性，可以减少停机时间，提高产品可用率，一台设备可顶几台用，可以发挥几倍的效益。美国用率，一台设备可顶几台用，可以发挥几倍的效益。美国GEGE公司经过分析认为，对于发电、冶
5、金、矿山、运输等连公司经过分析认为，对于发电、冶金、矿山、运输等连续作业的设备，即使可靠性提高续作业的设备，即使可靠性提高1%1%，成本提高，成本提高10%10%也是合也是合算的。算的。l 4 4）对于公司来讲，提高产品的可靠性，可以改善公）对于公司来讲，提高产品的可靠性，可以改善公司信誉，增强竞争力，扩大市场份额，从而提高经济效益。司信誉，增强竞争力，扩大市场份额，从而提高经济效益。机械可靠性设计2 2、几个基本概念、几个基本概念l1 1）可靠性预测：是一种预报方法，在设计阶段即从所得）可靠性预测：是一种预报方法，在设计阶段即从所得的失效率数据预报零部件和系统实际可能达到的可靠度，的失效率数
6、据预报零部件和系统实际可能达到的可靠度，预报这些零件、部件和系统在规定的条件下和规定的时间预报这些零件、部件和系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。内完成规定功能的概率。l 可以找出提高整个设备的可靠度的有效途径。可以找出提高整个设备的可靠度的有效途径。l2 2）系统可靠性分配：将系统规定的容许失效概率合理的）系统可靠性分配：将系统规定的容许失效概率合理的分配给该系统的零、部件。分配给该系统的零、部件。机械可靠性设计3 3、机械可靠性设计的特点、机械可靠性设计的特点l1 1）将载荷、材料性能和强度及零、部件的尺寸都视为属）将载荷、材料性能和强度及零、部件的尺寸都视为属于某种概率分
7、布的统计量。于某种概率分布的统计量。l2 2）采用了可靠度或其他可靠性指标，来确保结构的可靠）采用了可靠度或其他可靠性指标，来确保结构的可靠性，而传统机械设计是用安全系数来保证结构的可靠性。性，而传统机械设计是用安全系数来保证结构的可靠性。l3 3）对结构的安全系数进行了统计分析，得出的安全系数）对结构的安全系数进行了统计分析，得出的安全系数比传统的安全系数更符合实际。比传统的安全系数更符合实际。机械可靠性设计二、二、可靠性的定义可靠性的定义l1 1、定义、定义l 产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力能力l2 2、注意的问题、注意的问
8、题l1 1）对象）对象l 可以是零件，也可以是系统可以是零件，也可以是系统l2 2）使用条件）使用条件l 包括运输条件、环境条件、使用方法等包括运输条件、环境条件、使用方法等l3 3）规定时间）规定时间机械可靠性设计l可靠度是一个有时间性的定义。可以是区间（可靠度是一个有时间性的定义。可以是区间（0 0，t t），也），也可以是行使里程、规定周期、次数等等可以是行使里程、规定周期、次数等等l4 4）规定功能）规定功能l 正常工作而不失效正常工作而不失效l5 5）概率）概率机械可靠性设计1-2 可靠性尺度可靠性尺度l一、可靠度与不可靠度一、可靠度与不可靠度l二、失效率二、失效率l三、平均寿命三、
9、平均寿命机械可靠性设计一、可靠度与不可靠度一、可靠度与不可靠度l1 1、定义：产品在规定的条件下和规定的时、定义：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，通常以间内，完成规定功能的概率，通常以R R表示。表示。l1 1）0R(t)10R(t)1l2 2）R(t)=P(E)=P(Tt)R(t)=P(E)=P(Tt)l3 3）不可靠度记为）不可靠度记为F,F,对应的失效概率密度函对应的失效概率密度函数为数为F(t)F(t)lR(t)+F(t)=1R(t)+F(t)=1机械可靠性设计机械可靠性设计二、失效率二、失效率l1 1、定义、定义：工作到某时刻：工作到某时刻t t时尚未失效的产品
10、，在时尚未失效的产品，在该时刻该时刻t t以后下一个单位时间内发生失效的概率。以后下一个单位时间内发生失效的概率。l设有设有N N个产品，从个产品，从t=0t=0开始工作，到时刻开始工作，到时刻t t时产品的时产品的失效率为失效率为n(t)n(t)，而到时刻，而到时刻(t+(t+t)t)时产品的失效数时产品的失效数为为n(t+n(t+t)t)，即在，即在t,t+t,t+t)t)时间区间有时间区间有n(t)=n(t+n(t)=n(t+t)-n(t)t)-n(t)个产品失效，则定义该产个产品失效，则定义该产品在时间区间品在时间区间t,t+t,t+t)t)内的平均失效率为：内的平均失效率为：机械可靠
11、性设计2 2、失效率曲线、失效率曲线l如果对这批零件测得多年的失效数据，则可以绘出观测值如果对这批零件测得多年的失效数据，则可以绘出观测值随时间的变化曲线，成为该零件的失效率曲线。随时间的变化曲线，成为该零件的失效率曲线。机械可靠性设计3 3、失效率与可靠度之间的关系、失效率与可靠度之间的关系l联系到可靠度函数看联系到可靠度函数看失效率的定义：表示失效率的定义：表示系统、机器、设备等系统、机器、设备等产品一直到某一时刻产品一直到某一时刻t t为止尚未发生故障的为止尚未发生故障的可靠度可靠度R(t)R(t)在下一个在下一个单位时间内可能发生单位时间内可能发生故障的条件概率。故障的条件概率。机械可
12、靠性设计三、平均寿命三、平均寿命l1 1、定义、定义：是产品寿命的平均值，而产品的寿命则是是产品寿命的平均值，而产品的寿命则是它的无故障的工作时间。它的无故障的工作时间。l1 1）对于）对于不可修复不可修复的产品，其寿命是指它的失效前的工的产品，其寿命是指它的失效前的工作时间。平均寿命就是指该产品从开始使用到失效前的作时间。平均寿命就是指该产品从开始使用到失效前的工作时间的平均值，或称为失效前平均时间，记为工作时间的平均值，或称为失效前平均时间，记为MTTFMTTF机械可靠性设计l2)2)对于对于可以修复可以修复的产品，其寿命是指相邻两次故障间的工的产品，其寿命是指相邻两次故障间的工作时间。平
13、均寿命即为平均无故障工作时间或称为平均故作时间。平均寿命即为平均无故障工作时间或称为平均故障间隔，记为障间隔，记为MTBFMTBF机械可靠性设计1-3 可靠性设计与传统设计之间的异同可靠性设计与传统设计之间的异同l机械可靠性设计与传统机械设计方法不同，它具机械可靠性设计与传统机械设计方法不同，它具有以下的基本特点：有以下的基本特点：l1 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l2 2、应用概率和统计方法进行分析、求解、应用概率和统计方法进行分析、求解l3 3、能定量的回答产品的失效概率和可靠度、能定量的回答产品的失效概率和可靠度l4 4、有多种可靠性指标供选择、
14、有多种可靠性指标供选择l5 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l6 6、必须考虑环境的影响、必须考虑环境的影响l7 7、必须考虑维修性、必须考虑维修性l8 8、从整体的、系统的观点出发、从整体的、系统的观点出发l9 9、承认在设计期间及其以后都需要可靠性的增长、承认在设计期间及其以后都需要可靠性的增长机械可靠性设计机械可靠性设计的主要内容机械可靠性设计的主要内容l1 1、研究产品的故障物理和故障模型、研究产品的故障物理和故障模型l2 2、确定产品的可靠性指标及其等级、确定产品的可靠性指标及其等级l3 3、合理分配产品的可靠性指标值、合理分配产品的可靠性指标值l4
15、 4、以规定的可靠性指标值为依据对零件进行可靠、以规定的可靠性指标值为依据对零件进行可靠性设计性设计机械可靠性设计机械可靠性设计的方法机械可靠性设计的方法l概率设计法概率设计法l失效树分析法及失效模式、影响及致命度分析法失效树分析法及失效模式、影响及致命度分析法机械可靠性设计机械可靠性设计的步骤机械可靠性设计的步骤l1 1、提出设计任务、规定详细指标、提出设计任务、规定详细指标l2 2、确定有关的设计变量及参数、确定有关的设计变量及参数l3 3、失效模式、影响及致命度分析、失效模式、影响及致命度分析l4 4、确定零件的失效模式是否是互相独立的、确定零件的失效模式是否是互相独立的l5 5、确定失
16、效模式的判据、确定失效模式的判据l6 6、得出应力公式、得出应力公式l7 7、确定每种失效模式下的应力分布、确定每种失效模式下的应力分布机械可靠性设计l8 8、确定强度计算公式、确定强度计算公式l9 9、确定每种失效模式下的强度分布、确定每种失效模式下的强度分布l1010、确定每种致命失效模式下与应力分布和强度分布、确定每种致命失效模式下与应力分布和强度分布相关的可靠度相关的可靠度l1111、确定零件的可靠度、确定零件的可靠度l1212、确定零件可靠度的置信度、确定零件可靠度的置信度l1313、按上述步骤求出系统中所有关键零、部件的可靠、按上述步骤求出系统中所有关键零、部件的可靠度度l1414
17、、计算子系统和整个系统的可靠度、计算子系统和整个系统的可靠度l1515、必要时可对某些设计内容进行优化、必要时可对某些设计内容进行优化机械可靠性设计第二章第二章 可靠性理论中常用的几种概率分布可靠性理论中常用的几种概率分布l2-1 2-1 离散性随机变量的几种常见的分布离散性随机变量的几种常见的分布l2-22-2连续性随机变量的几种常见的分布连续性随机变量的几种常见的分布l2-32-3抽样分布抽样分布机械可靠性设计2-1 离散型随机变量的几种常见分布离散型随机变量的几种常见分布l一、一、0-10-1分布分布l又称为两点分布又称为两点分布lE(X)=pE(X)=plD(X)=p-pD(X)=p-p2 2=pq=pqX=xk10P(X=xk)=pkpq机械可靠性设计2-2连续性随机变量的几种常见的分布连续性随机变量的几种常见的分布2023-2-15机械可靠性设计
