第四章_可靠性设计

4.2
可靠性
第4章 可靠性设计
1、可靠性：产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力
“规定条件”包括使用时的环境条件和工作条件。产品 的可靠性和它所处的条件关系极为密切，同一产品在不同 条件下工作表现出不同的可靠性水平。（例如:汽车不同路 行驶） “规定的时间”这个时间是广义的，除时间外，还可以 是里程、次数等。产品的可靠性和时间的关系呈递减函数 关系。 “规定的功能”指的是产品规格书中给出的正常工作的 性能指标。
第4章 可靠性设计
4.1为什么研究可靠性 一、可靠性的提出
农业、工业、交通运输等行业的发展，对产品提出了质量
可靠要求。因此，逐渐在很多场合下，提出了耐久性、寿 命、稳定性、安全性、维修性等概念来进一步描述产品的 质量问题。 很显然，对于技术性能合格的产品来说，还有一个保持产 品技术性能而不至于失效的问题，这就是产品的可靠性问 题。可见，可靠性也是评价产品质量的一个重要指标。 可靠性问题的严重性是在第二次世界大战反映出来的，从 而引起有关国家的军事工业生产和科研部门的重视，并作 为重大科研问题研究。
第4章 可靠性设计
根据联结方程（机械零件的可靠度方程）：
Z
F S F2 S2

250 210 162 202
1.56
2、查表可得该零件的失效概率Q：Q＝0.06＝6％，R＝1-Q＝ 94％，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％的失效概率。这也是传统单值设计 方法不足之处。
第4章 可靠性设计
传统的安全系数设计法的局限性：
若应力和强度分布的标准差σS和σF保持不变，而以相同的
比例K改变两个分布的平均值μS和μF ，当K>1时， μS和μF 右移，此时安全系数n＝ μS/μF虽然没变，但是可靠性却提高
了。当K<1时，情况正好相反。
第4章 可靠性设计
若保持应力和强度均值μS和μF不变，而各自的标准差σS和 σF发生ห้องสมุดไป่ตู้化，也会发生故障概率的变化。
第4章 可靠性设计
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1971～1981年的10年中 ，电子产品可靠性水平显著提高，工程机械产品平 均无故障时间提高了3倍。
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。 概率论与数理统计是可靠性研究的理论基础。
6）可靠性应用技术：包括可靠性设计和预测，可靠性评价与 验证，可靠性标准等。
第4章 可靠性设计
可靠性工程所包含的内容
1）可靠性理论应用到产品的可靠性评价方面，有可靠 性评估与可靠性预测。 2）可靠性理论应用到产品、零件的设计上，有概率工 程设计或可靠性设计。 3）将可靠性设计与优化理论结合起来，综合各方面的 因素，考虑设计的最佳效果，有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，有系统的 可维护性与可利用性的估计。 5）作为以上各分支的基础，有可靠性试验及其数据处 理。
5）使用阶段：收集现场可靠性数据，为改型提供依据
第4章 可靠性设计
可靠性与产品质量
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。
产品可靠性是产品性能随时间的保持能力，换言之，要长时 间地保持性能不出故障或出了故障能很快维修是产品很重要 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 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：技术性能、可靠性、工艺性、人机 工程学特性、外观质量等特性。
R(t )

4000
f (t )dt
第4章 可靠性设计
解：1、计算联结系数Z。
Z t t


4000 5000 2.5 400
t 2 2
2、两种求解方法：计算法与查表法。
计算法 查表法
1 R(t ) e 4000 2

dt
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 ％。

原分布曲线，失效
概率较大。
σS和σF均变大。 σS和σF均变小，
σS变大，σF变小。
σS变小，σF变大。
若μS、μF、σS和σF均发生变化，失效概率变化更大。
第4章 可靠性设计
可靠性设计方法举例
例1：设某零件的可靠度服从正态分布，并已知其平均寿命μt ＝5000小时，标准差σ＝400小时，试求该零件工作4000小时后 的可靠度。 本问题即为求解 t >4000小时的概 率。即：
第4章 可靠性设计
可靠性发展历史
阶段
第一阶段(1943—1958)， 又称为铅笔一纸阶段
阶段成果
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 性。 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 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 识更加深入。 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 靠性管理机构；并使可靠性的教育更加普及。
第4章 可靠性设计
–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
第4章 可靠性设计
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
第4章 可靠性设计
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年国家机械标准改版，增加机械可靠性内容
第4章 可靠性设计
1、产品更新快，采用新技术等未成熟的实验即被采用。 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。
第4章 可靠性设计
可靠性的发展
可靠性的研究开始于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SYMCOMⅠ，高压容器断裂，引起卫 星空中坠毁； • 1964年人造卫星Ⅲ号因机械故障而损坏
第4章 可靠性设计
2、产品可靠性分类：
3．基本可靠性—--产品在规定条件下无故障的持
续时间或概率，它反映产品对维修人力的要求。 因此在评定产品基本可靠性时应统计产品的所有 寿命单位和所有故障，而不局限于发生在任务期 间的故障，也不局限于是否危及任务成功的故障 。 4. 任务可靠性—产品在规定的任务剖面内完成规 定功能的能力。提高任务可靠性可采用冗余或代 替工作模式，不过这将增加产品的复杂性，从而 降低基本可靠性，因此设计时要在两者之间进行 权衡。
第4章 可靠性设计
2、产品可靠性分类：
1．固有可靠性 ----产品在设计、制造中赋予的，
是一种固有特性，也是产品的开发者可以控制的 。 2. 使用可靠性----产品在实际使用过程中表现出的 一种性能的保持能力的特性，它除了考虑固有可 靠性的影响因素之外，还要考虑产品安装、操作 使用和维修保障等方面因素的影响。
第4章 可靠性设计
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。
第4章 可靠性设计
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。
第4章 可靠性设计
当μ和σ均服从正态分布时，
则差值大于零的概率可以用
下面参数关系式计算：
Z
F S F2 S2
或者Z
F S F2 S2
上式为联结方程的另一种表达形式，这里可称为机械零件的可
靠度方程。
第4章 可靠性设计
例2：设已知某零件的强度μF＝250MPa，标准差σF＝16MPa ， 又知道零件所受得应力μS＝210MPa，标准差σS＝20MPa，且 均符合正态分布，试求零件的可靠度R 。 解：1、由于该零件的强度与所受应力数值均符合正态分布 。
第二阶段(1958—1968 年)