机械产品可靠性设计分析案例.pptx
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机械产品可靠性设计分析-案例共41页
寿命期内某锁系自身引起的故障（不含人为故障） 均计为影响系统基本可靠性的关联故障；
在任务剖面中，凡不能完成某锁系正常功能的故障 计为影响任务的关联故障。
零件级产品故障判据 组件级产品故障判据 部件级产品故障判据
17.06.2020
13
某锁机构FMEA分析
严酷度定义
表 14 对接锁系故障严酷度的定义
3 主动航天器第Ⅰ组 对接锁锁紧失败
被动航天器 第Ⅱ组对接 锁锁紧失败
2
3/6
2
不工作 意外中止 卡死
主动锁2 不能锁紧
5
从动锁4 …… 从动锁12 锁合传
锁合传
不能锁紧
不能锁紧 感器无 …… 感器无
信号
信号
5 5个
5
滑轮摩擦 力过大
滑轮支架 结构破坏
6个
壳体失效
主动钩组件 故障
润滑不 良
Ⅳ类(轻度的) 这种故障对航天器的功能及航天员健康无影响，仅轻度影 响产品有效使用和操作。
17.06.2020
14
某锁机构FMEA分析
危害性定性分析
对接锁系故障模式发生概率等级定义
故障模式
等级
定义
发生概率 的特征
故障模式发生概率（在产品使用时间内）
A
经常发 生
高概率
某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的 20%
某锁机构可靠性设计分析
某锁机构产品说明 某锁机构FMEA分析 某锁机构FTA分析 了解强度分析仿真 了解动力学分析仿真 了解可靠性分析仿真
17.06.2020
1
概述
锥杆式
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2
概述
锥杆式
17.06.2020
在任务剖面中，凡不能完成某锁系正常功能的故障 计为影响任务的关联故障。
零件级产品故障判据 组件级产品故障判据 部件级产品故障判据
17.06.2020
13
某锁机构FMEA分析
严酷度定义
表 14 对接锁系故障严酷度的定义
3 主动航天器第Ⅰ组 对接锁锁紧失败
被动航天器 第Ⅱ组对接 锁锁紧失败
2
3/6
2
不工作 意外中止 卡死
主动锁2 不能锁紧
5
从动锁4 …… 从动锁12 锁合传
锁合传
不能锁紧
不能锁紧 感器无 …… 感器无
信号
信号
5 5个
5
滑轮摩擦 力过大
滑轮支架 结构破坏
6个
壳体失效
主动钩组件 故障
润滑不 良
Ⅳ类(轻度的) 这种故障对航天器的功能及航天员健康无影响，仅轻度影 响产品有效使用和操作。
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14
某锁机构FMEA分析
危害性定性分析
对接锁系故障模式发生概率等级定义
故障模式
等级
定义
发生概率 的特征
故障模式发生概率（在产品使用时间内）
A
经常发 生
高概率
某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的 20%
某锁机构可靠性设计分析
某锁机构产品说明 某锁机构FMEA分析 某锁机构FTA分析 了解强度分析仿真 了解动力学分析仿真 了解可靠性分析仿真
17.06.2020
1
概述
锥杆式
17.06.2020
2
概述
锥杆式
17.06.2020
机械可靠性设计方法ppt课件
➢7
可靠性设计与传统设计的区别
可靠性设计
– 载荷、强度、结构、尺寸、工况等都具有变动性和随机 性。
– 将应力和强度视为随机变量 – 用概率和统计方法求解 – 用可靠度表达设计结果
• 传统设计
– 将应力和强度视为一个确定值 – 用安全系数表达设计结果
➢8
机械可靠性设计的目的和方法
可靠性设计目的
420 350 18 2 50 2
1.317
R ZR 1.317 0.9054
• 结论：由于材料强度标准差增加，数据更为分散， 导致零件可靠度从99.7%下降到90.54%
➢27
常用概率分布的可靠度计算公式
➢28
常用概率分布的可靠度计算公式
➢29
安全系数与平均安全系数
• 安全系数 – 强度与应力之比 n
影响强度的因素
材料的机械性能、尺寸、表面质量、工艺方法 ➢25
例：已知某机械零件的工作应力和材料强度均为正态分布，其
工作应力的均值 350 M，P标a准差 s 1而8M材P料a,强度
的均值
，42标0准M差Pa
靠度。若该零件材料的标准差为
。 试 1确8定MP该a零件的可 则其 可50靠M度Pa又为多
– 常规设计中，安全系数S为常数
– 由于强度和应力具有随机性，因此带有盲目性和经验性 一般偏于保守
平均安全系数
强度均值与应力均值的比值
n0
s
不能确切的反映零部件的可靠性，具有一定盲目性
➢30
可靠安全系数
可靠安全系数
最小强度与最大应力之比
nk
min
Smax
强度与应力服从正态分布时，最小强度和最大应力为
把规定的可靠性指标直接设计到产品中去，从而保证产品达到目 标可靠性
可靠性设计与传统设计的区别
可靠性设计
– 载荷、强度、结构、尺寸、工况等都具有变动性和随机 性。
– 将应力和强度视为随机变量 – 用概率和统计方法求解 – 用可靠度表达设计结果
• 传统设计
– 将应力和强度视为一个确定值 – 用安全系数表达设计结果
➢8
机械可靠性设计的目的和方法
可靠性设计目的
420 350 18 2 50 2
1.317
R ZR 1.317 0.9054
• 结论：由于材料强度标准差增加，数据更为分散， 导致零件可靠度从99.7%下降到90.54%
➢27
常用概率分布的可靠度计算公式
➢28
常用概率分布的可靠度计算公式
➢29
安全系数与平均安全系数
• 安全系数 – 强度与应力之比 n
影响强度的因素
材料的机械性能、尺寸、表面质量、工艺方法 ➢25
例：已知某机械零件的工作应力和材料强度均为正态分布，其
工作应力的均值 350 M，P标a准差 s 1而8M材P料a,强度
的均值
，42标0准M差Pa
靠度。若该零件材料的标准差为
。 试 1确8定MP该a零件的可 则其 可50靠M度Pa又为多
– 常规设计中，安全系数S为常数
– 由于强度和应力具有随机性，因此带有盲目性和经验性 一般偏于保守
平均安全系数
强度均值与应力均值的比值
n0
s
不能确切的反映零部件的可靠性，具有一定盲目性
➢30
可靠安全系数
可靠安全系数
最小强度与最大应力之比
nk
min
Smax
强度与应力服从正态分布时，最小强度和最大应力为
把规定的可靠性指标直接设计到产品中去，从而保证产品达到目 标可靠性
机械产品可靠性设计分析案例资料42页PPT
机械产品可靠性设计分析案例资料
•
46、寓形宇内复几时，曷不委心任去 留。
•
47、采菊东篱下，悠然见南山。
•
48、啸傲东轩下，聊复得此生。
•
49、勤学如春起环堵萧然，不蔽风日；短褐穿结 ，箪瓢 屡空， 晏如也 。
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
•
46、寓形宇内复几时，曷不委心任去 留。
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47、采菊东篱下，悠然见南山。
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48、啸傲东轩下，聊复得此生。
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49、勤学如春起环堵萧然，不蔽风日；短褐穿结 ，箪瓢 屡空， 晏如也 。
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
机械可靠性设计分析幻灯片
化到最大，r=0，如图1(b)所示。 非对称循环应力——应力值由最小到最大变化，
最小应力既可能是正值〔图1(c)〕，也可能负 值。 随机循环应力——实际运转的机器，由于服役 条件可能发生变化
图1 交变应力的类型
+
+
应
应
Байду номын сангаас
力0
力
辐
辐
_
_0
时间
(a)
+
a
+
应 力 辐
max
a
应
力0 m辐
_0
min
以及载荷在零件中引起的应力状态。
载荷
载荷类型 轴向载荷——力在作用在零件的轴线上，大小相等，
方向相反，包括轴向拉伸和轴向压缩〔表1(a)〕载 荷 在轴向载荷作用下，应力沿横截面的分布式均匀的。 零件上主应力与最大最主 切大应 应切力 力应（ 的） 力 ） 关（2系为
弯曲载荷——垂直于零件轴线的载荷〔有时还有力 偶〕，它使零件产生弯曲变形。
要确定应力和强度的随机特性，首先应了解影 响应力和强度随机性的因素。
影响应力的因素
影响应力的主要因素有所承受的外载荷、构造 的几何形状和尺寸，材料的物理特性等
影响强度的因素
影响强度的主要因素有材料的机械性能、工艺 方法和使用环境等
根本随机变量
载荷 机械产品所承受的载荷大都是一种不规那么的、
剪切载荷——使零件内相邻两截面发生相对错 动的作用力。
表1〔d〕表示螺栓在连接接合面处受剪切，并 与被连接孔壁互压。螺杆还受弯曲，但在各接 合面贴紧的情况下可以不考虑。
载荷
载荷类型 接触载荷——两个零件外表间的接触有点接触、
线接触和面接触。零件受载后在接触部位的正 交压缩载荷称为接触载荷〔表1〔e〕〕 例如，滚动轴承工作时，滚子与滚道之间，齿 轮传动中轮齿与轮齿之间的压力都是接触载荷。 在接触载荷作用下，主应力与最大切应力之比 是不定。
最小应力既可能是正值〔图1(c)〕，也可能负 值。 随机循环应力——实际运转的机器，由于服役 条件可能发生变化
图1 交变应力的类型
+
+
应
应
Байду номын сангаас
力0
力
辐
辐
_
_0
时间
(a)
+
a
+
应 力 辐
max
a
应
力0 m辐
_0
min
以及载荷在零件中引起的应力状态。
载荷
载荷类型 轴向载荷——力在作用在零件的轴线上，大小相等，
方向相反，包括轴向拉伸和轴向压缩〔表1(a)〕载 荷 在轴向载荷作用下，应力沿横截面的分布式均匀的。 零件上主应力与最大最主 切大应 应切力 力应（ 的） 力 ） 关（2系为
弯曲载荷——垂直于零件轴线的载荷〔有时还有力 偶〕，它使零件产生弯曲变形。
要确定应力和强度的随机特性，首先应了解影 响应力和强度随机性的因素。
影响应力的因素
影响应力的主要因素有所承受的外载荷、构造 的几何形状和尺寸，材料的物理特性等
影响强度的因素
影响强度的主要因素有材料的机械性能、工艺 方法和使用环境等
根本随机变量
载荷 机械产品所承受的载荷大都是一种不规那么的、
剪切载荷——使零件内相邻两截面发生相对错 动的作用力。
表1〔d〕表示螺栓在连接接合面处受剪切，并 与被连接孔壁互压。螺杆还受弯曲，但在各接 合面贴紧的情况下可以不考虑。
载荷
载荷类型 接触载荷——两个零件外表间的接触有点接触、
线接触和面接触。零件受载后在接触部位的正 交压缩载荷称为接触载荷〔表1〔e〕〕 例如，滚动轴承工作时，滚子与滚道之间，齿 轮传动中轮齿与轮齿之间的压力都是接触载荷。 在接触载荷作用下，主应力与最大切应力之比 是不定。
机械产品可靠性设计分析
机械产品可靠性设计分析1 应力—强度干涉模型1.1 理论基础应力—强度干涉理论认为可靠性就是产品在给定的运行条件下对抗失效的能力，在机械产品中就是承受应力的能力，即应力与强度相互作用的结果。
施加在零件上的应力大于它的强度时就会发生失效。
应力施加在零件上时，强度就是阻止失效的能力。
应力或负载可以定义为机械载荷、空间变化、环境、温度等一切可能引起失效的因素。
由于强度和应力都是随机变量，所以可以用概率分布来表示。
记应力为L、强度为S，则产品的可靠性为强度大于应力的概率：22()RxtR P S L dx∞-=>=⎰不可靠性为应力大于强度的概率，即1()R P S L-=≤，如图1中阴影部分为应力和强度干涉的结果。
图1 应力-强度干涉图机械产品可分为结构和机构。
对于结构类产品，可根据应力和强度分布，按照结构静强度理论，利用应力强度干涉模型进行可靠性预计；对于机构类产品，如机构运动学和动力学问题，需要通过试验手段进行参数临界值的摸底，通过临界值和设计值的分布关系确定设计裕度，进而预计产品可靠度。
除此之外，对于机械产品还存在疲劳等可靠性问题，都可以利用概率设计方法，利用机械可靠性设计的思想来进行可靠性计算。
1.2 正态分布可靠度计算方法在不很精确的概率设计法可靠性计算中，通常不考虑随机变量的实际分布而假定服从正态分布或对数正态分布，利用正态分布进行可靠度计算。
在假设应力、强度均为正态分布随机变量2(,)L LN μσ、2(,)s s N μσ且相互独立情况下，可靠性表示为：()R R t =ΦR t =或R t =式中，S μ——强度均值；L μ——应力均值； S σ——强度标准差； L σ——应力标准差；SL f μμ=； SS S C σμ=； LL LC σμ=； 当应力为一确定的量L 时，()S SLR μσ-=Φ 如果应力和强度的母体分布参数均值和方差未知时，用样本均值和样本方差来代替。
产品强度试验结果取得x n 个强度试验值1x ，2x ，…，x n x ；产品应力试验结果取得y n 个应力试验值1y ，2y ，…，y n y 。
机械可靠性设计分析
零件的失效通常是由于其所承受的载荷超过了零件 在当时状态下的极限承载能力的结果。
零件的受力状况包括：载荷类型、载荷性质，以及 载荷在零件中引起的应力状态。
2020/5/7
5
载荷
载荷类型
轴向载荷——力在作用在零件的轴线上，大小相等，方 向相反，包括轴向拉伸和轴向压缩（表1(a)）载荷 在轴向载荷作用下，应力沿横截面的分布式均匀的。 零件上主应力与最大切应力的关系为
最主大应切力应（力（）） 2
弯曲载荷——垂直于零件轴线的载荷（有时还有力偶）， 它使零件产生弯曲变形。 在弯曲载荷作用下，零件横截面上的主应力分布的规 律是：从表面应力最大改变到中性轴线处应力为零。 并且，中性轴线一侧为拉伸应力，另一侧为压缩应力。
2020/5/7
6
载荷
载荷类型
扭转载荷——作用在垂直于零件轴线平面内的力偶， 它使零件发生扭转变形。
机器在使用过程中超载使用，润滑不良，清洁不好， 腐蚀生锈，表面碰伤，在共振频率下使用，违反操 作规程，出现偶然事故，没有定期维修或维修不当 等，都会造成零件的早期破坏。
2020/5/7
19
应力－强度干涉理论
应力－强度干涉模型
在机械产品中，零件（部件）是正常还是失效决定 于强度和应力的关系。 当零件（部件）的强度大于应力时，其能够正常 工作； 当零件（部件）的强度小于应力时，其发生失效。 因此，要求零件（部件）在规定的条件下和规定 的时间内能够承载，必须满足以下条件
O
2020/5/7
图10-1 应力-强度干涉模型
s，S
22
可靠度的一般表达式
根据以上干涉模型计算在干涉区内强度大于应 力的概率——可靠度。如图4所示，当应力为时， 强度大于应力的概率为
零件的受力状况包括：载荷类型、载荷性质，以及 载荷在零件中引起的应力状态。
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5
载荷
载荷类型
轴向载荷——力在作用在零件的轴线上，大小相等，方 向相反，包括轴向拉伸和轴向压缩（表1(a)）载荷 在轴向载荷作用下，应力沿横截面的分布式均匀的。 零件上主应力与最大切应力的关系为
最主大应切力应（力（）） 2
弯曲载荷——垂直于零件轴线的载荷（有时还有力偶）， 它使零件产生弯曲变形。 在弯曲载荷作用下，零件横截面上的主应力分布的规 律是：从表面应力最大改变到中性轴线处应力为零。 并且，中性轴线一侧为拉伸应力，另一侧为压缩应力。
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6
载荷
载荷类型
扭转载荷——作用在垂直于零件轴线平面内的力偶， 它使零件发生扭转变形。
机器在使用过程中超载使用，润滑不良，清洁不好， 腐蚀生锈，表面碰伤，在共振频率下使用，违反操 作规程，出现偶然事故，没有定期维修或维修不当 等，都会造成零件的早期破坏。
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19
应力－强度干涉理论
应力－强度干涉模型
在机械产品中，零件（部件）是正常还是失效决定 于强度和应力的关系。 当零件（部件）的强度大于应力时，其能够正常 工作； 当零件（部件）的强度小于应力时，其发生失效。 因此，要求零件（部件）在规定的条件下和规定 的时间内能够承载，必须满足以下条件
O
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图10-1 应力-强度干涉模型
s，S
22
可靠度的一般表达式
根据以上干涉模型计算在干涉区内强度大于应 力的概率——可靠度。如图4所示，当应力为时， 强度大于应力的概率为
机械可靠性设计分析
要确定应力和强度的随机特性，首先应了解影响应 力和强度随机性的因素。
影响应力的因素
影响应力的主要因素有所承受的外载荷、结构的几 何形状和尺寸，材料的物理特性等
影响强度的因素
影响强度的主要因素有材料的机械性能、工艺方法 和使用环境等
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4
基本随机变量
载荷
机械产品所承受的载荷大都是一种不规则的、不能 重复的随机性载荷 ，例如 自行车因人的体重和道路的情况差别等原因，其 载荷就是随机变量。 飞机的载荷不仅与载重量有关，而且飞机重量、 飞行速度、飞行状态、气象及驾驶员操作有关。
2020/3/29
28
强度分布的确定
建立与失效应力判据相对应的强度判据，常用的强度判 据有最大正应力强度判据、最大剪应力强度判据、最大 变形能强度判据等。
确定名义强度。名义强度指在标准试验条件下确定的试 件强度，常用名义强度有强度极限、屈服极限、疲劳极 限、变形、变形能和磨损（腐蚀）量等。
用适当的修正系数修正名义强度，通常考虑的修正系数 有尺寸系数、表面质量系数、应力集中系数等。
最主大应切力应（力（）） 2
弯曲载荷——垂直于零件轴线的载荷（有时还有力偶）， 它使零件产生弯曲变形。 在弯曲载荷作用下，零件横截面上的主应力分布的规 律是：从表面应力最大改变到中性轴线处应力为零。 并且，中性轴线一侧为拉伸应力，另一侧为压缩应力。
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6
载荷
载荷类型
扭转载荷——作用在垂直于零件轴线平面内的力偶， 它使零件发生扭转变形。
2020/3/29
8
表1 载荷基本类型
序
应力分布情况
载荷类型
(a)
拉伸
压缩
悬臂
(b) 简单弯曲
影响应力的因素
影响应力的主要因素有所承受的外载荷、结构的几 何形状和尺寸，材料的物理特性等
影响强度的因素
影响强度的主要因素有材料的机械性能、工艺方法 和使用环境等
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4
基本随机变量
载荷
机械产品所承受的载荷大都是一种不规则的、不能 重复的随机性载荷 ，例如 自行车因人的体重和道路的情况差别等原因，其 载荷就是随机变量。 飞机的载荷不仅与载重量有关，而且飞机重量、 飞行速度、飞行状态、气象及驾驶员操作有关。
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28
强度分布的确定
建立与失效应力判据相对应的强度判据，常用的强度判 据有最大正应力强度判据、最大剪应力强度判据、最大 变形能强度判据等。
确定名义强度。名义强度指在标准试验条件下确定的试 件强度，常用名义强度有强度极限、屈服极限、疲劳极 限、变形、变形能和磨损（腐蚀）量等。
用适当的修正系数修正名义强度，通常考虑的修正系数 有尺寸系数、表面质量系数、应力集中系数等。
最主大应切力应（力（）） 2
弯曲载荷——垂直于零件轴线的载荷（有时还有力偶）， 它使零件产生弯曲变形。 在弯曲载荷作用下，零件横截面上的主应力分布的规 律是：从表面应力最大改变到中性轴线处应力为零。 并且，中性轴线一侧为拉伸应力，另一侧为压缩应力。
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6
载荷
载荷类型
扭转载荷——作用在垂直于零件轴线平面内的力偶， 它使零件发生扭转变形。
2020/3/29
8
表1 载荷基本类型
序
应力分布情况
载荷类型
(a)
拉伸
压缩
悬臂
(b) 简单弯曲
机械零件的可靠性设计.ppt
n 则在强度和应力的可靠度分别为Rδ和Rs时的安全系数 R，
称为可靠度意义下的安全系数，用下式表示：
nR
min (R )
smax (Rs )
例，当 smax s 3 s min 3 时
R P( min) 1 0.0013 0.9987 Rs P(s sm )a2x7
例1 在结构件的设计中，已知强度与应力均服从正态分布，
f ( )
f (s)
1 2
y
0 exp[
(y
y
2
2 y
)2
]dy
y S
y＝－S
0
-10
0
10
20
y ＝－S
y0 y0
30
40
S
50
y＝
2
2 S
不可靠度为： F P ( y 0)
1
2 y
0
exp[
(
y
y
2
2 y
)2
]dy
11
可靠度为 R P( y 0)
1
2 y
0
exp[
则他们之间具有下列关系：
2 ln
s＝ln
2 s
s2
1
ln
s＝ln
s－12
2 ln
s
2 ln
＝ln
2
2
1
ln
＝ln
－12
2 ln
15
当应力和强度均为对数状态分布时，有：
y ln ln S ln( )
服从正态分布
s
知道了 ln 和ln S 的均值标准差为的lns、ln 和 lns、 ln
当强度均值大于应力的均值时，方差越大，可靠度越小。
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案例教学
机械产品可靠性 设计分析
北京航空航天大学工程系统工程系
2020/9/19
1
某锁机构可靠性设计分析
某锁机构产品说明 某锁机构FMEA分析 某锁机构FTA分析 了解强度分析仿真 了解动力学分析仿真 了解可靠性分析仿真
2020/9/19
2
概述
锥杆式
2020/9/19
3
概述
锥杆式
2020/9/19
角度位移传感器
故障时向地面传送 遥感信号
电 源
主动锁钩
锁合传感器
力
开/
关
偏心套
信
号
偏心轴
驱动组合 力矩
主动锁 绳轮
钢丝 绳1
从动锁 力矩 偏
绳轮1
心 轴
偏 主动 心 锁钩 套
锁合传 感器
主动锁
钢丝 绳3
从动锁 绳轮2
力矩 偏 心 轴
偏 心 套
主动 锁钩
锁合传 感器
钢丝 绳11
……
钢丝 绳9
……
从动锁
垫圈79
螺钉63,76
端盖74,77
轴承端盖69
挡圈71
端盖62,82
轴承座67
对接锁火工品
螺钉80
和目标航天器被动锁钩相互作用，实现锁合,解锁等 火工品工作后使锁钩绕其旋转,和限位板65一起限定锁钩轨迹
限制主动锁销68的运动轨迹 固定限位板65到壳体上;固定拉簧21的另一端到偏心套上
承受锁紧拉力，传动 通过拉簧支架对偏心套施加拉力
说明
1
不同步
是指同一组锁的主动锁钩不能满足同步性 要求
是指在主、被动航天器对接过程中，锁系
2
锁紧失败
正常锁紧失败后，备份锁紧失败。（这里 对控制系统、转换装置的可靠性不进行展
开分析）
3
锁紧保持失是指在主、被动航天器在联合飞行期间， 败 主、被动锁系结构无法保持结构完整性。
2020/9/19
19
某锁机构FTA分析
严酷度类别
严重程度定义
Ⅰ类(灾难的) 这是一种会导致主动（被动）航天器毁坏或引起航天员伤 亡的故障。
Ⅱ类(致命的) 这种故障会导致航天器部分系统严重损坏，不能完成基本 功能或影响航天员健康的故障。
Ⅲ类(临界的) 这种故障会引起航天器的部分功能无法完成，为了完成这 些功能，需要采取应急措施，对航天员的健康合件整体分析计算 零件、组件对比分析
2020/9/19
24
强度分析仿真
材料属性
2020/9/19
25
载荷分析计算
壳体上表面施 加纵向约束
主、被动锁钩钩面分别施 加40KN纵向拉力（正常 情况下仅主动钩承力）
壳体上表面四 个螺栓安装孔 施加固定载荷
故障树的建造
锁紧失败故障树
2020/9/19
20
某锁机构FTA分析
故障树定性分析
锁紧失败故障树的最小割集
2020/9/19
21
某锁机构FTA分析
故障树定性分析
底事件清单
2020/9/19
22
某锁机构FTA分析
故障树分析的结果和建议
2020/9/19
23
强度分析仿真
输入条件
功能分析 材料属性 工作环境 载荷分析计算
2020/9/19
16
某锁机构FMEA分析
FMEA输出
I、II类故障模式(零件)清单
2020/9/19
17
某锁机构FTA分析
顶事件的选择和描述 故障树的建造 故障树的定性分析 故障树分析的结果和建议
2020/9/19
18
某锁机构FTA分析
某锁机构顶事件的选择和描述
序号 顶事件定义
定位滚针轴承83内外圈
图1主动钩组安装件定位结轴承 构78功、8能3 图
异常情况下强制解锁脱开 紧固绳轮与偏心轴33之间的花键配合
完成 主动 运动 ，和 被动 钩实 现对 接， 锁紧 ，保 持和 解锁 等动
作
2020/9/19
12
某锁机构FMEA分析
航天器给出对 接锁工作信号
控制系统
4/6(G)
触点信号
Ⅳ类(轻度的) 这种故障对航天器的功能及航天员健康无影响，仅轻度影 响产品有效使用和操作。
2020/9/19
15
某锁机构FMEA分析
危害性定性分析
对接锁系故障模式发生概率等级定义
等级
故障模式发 定义 生概率的特
征
故障模式发生概率（在产品使用时间内）
A 经常发生 高概率 某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的20%
力矩 偏 心
绳轮5
轴
偏 心 套
主动 锁钩
锁合传 感器
被动航天 器主动锁
力 被 动 航
力天 器 从 动 锁
力
从动锁(5个)
某锁机构（正常）对接阶段功能流程图
2020/9/19
13
某锁机构FMEA分析
故障判据
在正常的设计、使用、维护和环境条件下，凡是满 足不了对接锁系设计指标及要求的故障，都定为系 统故障。
I、II类故障模式(零件)清单 危害性矩阵
2020/9/19
11
某锁机构FMEA分析
主动锁钩43
主动锁销68,66
限位板65
螺钉组合16,17,22
偏心套41
拉簧21
拉簧支架55
主动绳轮72
螺钉49
螺钉组合7,8,9
主
簧片96
动 钩
主动钩定位棒104
组
偏心轴33
件
滚针轴承73,78
轴承70,83
拉住拉簧21的另一端 连接电机，将电机的动力通过绳索传出
固定拉簧支架55到壳体上 固定簧片
为主动钩定位棒提供压紧力 火工品工作后，定位主动钩
偏心转动，产生锁钩行程 减小摩擦力；支撑偏心轴 承受轴向力，定位轴承73、78；减小摩擦力
防止螺钉松动 紧固轴承座67到壳体上;紧固轴承端盖69到偏心套上
固定和定位滚针轴承78 定位轴承70外圈 定位轴承70内圈
寿命期内某锁系自身引起的故障（不含人为故障） 均计为影响系统基本可靠性的关联故障；
在任务剖面中，凡不能完成某锁系正常功能的故障 计为影响任务的关联故障。
零件级产品故障判据 组件级产品故障判据 部件级产品故障判据
2020/9/19
14
某锁机构FMEA分析
严酷度定义
表 14 对接锁系故障严酷度的定义
B
有时发生 中等概率
某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的10%， 小于20%
C
偶然发生 不常发生
某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的1%，小 于10%
D
很少发生
不大可能发 生
某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的0.1%， 小于1%
E 极少发生 近乎为零 某一故障模式发生概率小于产品总故障概率的0.1%
4
概述
锥杆式
2020/9/19
5
概述
周边外翻式
2020/9/19
6
概述
周边内翻式
2020/9/19
7
产品说明
某锁结构示意图
2020/9/19
8
某锁机构FMEA分析
某锁机构FMEA实施
对接锁系功能分析 故障判据 对接锁系故障模式分析 严酷度定义 危害性定性分析
FMECA输出
机械产品可靠性 设计分析
北京航空航天大学工程系统工程系
2020/9/19
1
某锁机构可靠性设计分析
某锁机构产品说明 某锁机构FMEA分析 某锁机构FTA分析 了解强度分析仿真 了解动力学分析仿真 了解可靠性分析仿真
2020/9/19
2
概述
锥杆式
2020/9/19
3
概述
锥杆式
2020/9/19
角度位移传感器
故障时向地面传送 遥感信号
电 源
主动锁钩
锁合传感器
力
开/
关
偏心套
信
号
偏心轴
驱动组合 力矩
主动锁 绳轮
钢丝 绳1
从动锁 力矩 偏
绳轮1
心 轴
偏 主动 心 锁钩 套
锁合传 感器
主动锁
钢丝 绳3
从动锁 绳轮2
力矩 偏 心 轴
偏 心 套
主动 锁钩
锁合传 感器
钢丝 绳11
……
钢丝 绳9
……
从动锁
垫圈79
螺钉63,76
端盖74,77
轴承端盖69
挡圈71
端盖62,82
轴承座67
对接锁火工品
螺钉80
和目标航天器被动锁钩相互作用，实现锁合,解锁等 火工品工作后使锁钩绕其旋转,和限位板65一起限定锁钩轨迹
限制主动锁销68的运动轨迹 固定限位板65到壳体上;固定拉簧21的另一端到偏心套上
承受锁紧拉力，传动 通过拉簧支架对偏心套施加拉力
说明
1
不同步
是指同一组锁的主动锁钩不能满足同步性 要求
是指在主、被动航天器对接过程中，锁系
2
锁紧失败
正常锁紧失败后，备份锁紧失败。（这里 对控制系统、转换装置的可靠性不进行展
开分析）
3
锁紧保持失是指在主、被动航天器在联合飞行期间， 败 主、被动锁系结构无法保持结构完整性。
2020/9/19
19
某锁机构FTA分析
严酷度类别
严重程度定义
Ⅰ类(灾难的) 这是一种会导致主动（被动）航天器毁坏或引起航天员伤 亡的故障。
Ⅱ类(致命的) 这种故障会导致航天器部分系统严重损坏，不能完成基本 功能或影响航天员健康的故障。
Ⅲ类(临界的) 这种故障会引起航天器的部分功能无法完成，为了完成这 些功能，需要采取应急措施，对航天员的健康合件整体分析计算 零件、组件对比分析
2020/9/19
24
强度分析仿真
材料属性
2020/9/19
25
载荷分析计算
壳体上表面施 加纵向约束
主、被动锁钩钩面分别施 加40KN纵向拉力（正常 情况下仅主动钩承力）
壳体上表面四 个螺栓安装孔 施加固定载荷
故障树的建造
锁紧失败故障树
2020/9/19
20
某锁机构FTA分析
故障树定性分析
锁紧失败故障树的最小割集
2020/9/19
21
某锁机构FTA分析
故障树定性分析
底事件清单
2020/9/19
22
某锁机构FTA分析
故障树分析的结果和建议
2020/9/19
23
强度分析仿真
输入条件
功能分析 材料属性 工作环境 载荷分析计算
2020/9/19
16
某锁机构FMEA分析
FMEA输出
I、II类故障模式(零件)清单
2020/9/19
17
某锁机构FTA分析
顶事件的选择和描述 故障树的建造 故障树的定性分析 故障树分析的结果和建议
2020/9/19
18
某锁机构FTA分析
某锁机构顶事件的选择和描述
序号 顶事件定义
定位滚针轴承83内外圈
图1主动钩组安装件定位结轴承 构78功、8能3 图
异常情况下强制解锁脱开 紧固绳轮与偏心轴33之间的花键配合
完成 主动 运动 ，和 被动 钩实 现对 接， 锁紧 ，保 持和 解锁 等动
作
2020/9/19
12
某锁机构FMEA分析
航天器给出对 接锁工作信号
控制系统
4/6(G)
触点信号
Ⅳ类(轻度的) 这种故障对航天器的功能及航天员健康无影响，仅轻度影 响产品有效使用和操作。
2020/9/19
15
某锁机构FMEA分析
危害性定性分析
对接锁系故障模式发生概率等级定义
等级
故障模式发 定义 生概率的特
征
故障模式发生概率（在产品使用时间内）
A 经常发生 高概率 某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的20%
力矩 偏 心
绳轮5
轴
偏 心 套
主动 锁钩
锁合传 感器
被动航天 器主动锁
力 被 动 航
力天 器 从 动 锁
力
从动锁(5个)
某锁机构（正常）对接阶段功能流程图
2020/9/19
13
某锁机构FMEA分析
故障判据
在正常的设计、使用、维护和环境条件下，凡是满 足不了对接锁系设计指标及要求的故障，都定为系 统故障。
I、II类故障模式(零件)清单 危害性矩阵
2020/9/19
11
某锁机构FMEA分析
主动锁钩43
主动锁销68,66
限位板65
螺钉组合16,17,22
偏心套41
拉簧21
拉簧支架55
主动绳轮72
螺钉49
螺钉组合7,8,9
主
簧片96
动 钩
主动钩定位棒104
组
偏心轴33
件
滚针轴承73,78
轴承70,83
拉住拉簧21的另一端 连接电机，将电机的动力通过绳索传出
固定拉簧支架55到壳体上 固定簧片
为主动钩定位棒提供压紧力 火工品工作后，定位主动钩
偏心转动，产生锁钩行程 减小摩擦力；支撑偏心轴 承受轴向力，定位轴承73、78；减小摩擦力
防止螺钉松动 紧固轴承座67到壳体上;紧固轴承端盖69到偏心套上
固定和定位滚针轴承78 定位轴承70外圈 定位轴承70内圈
寿命期内某锁系自身引起的故障（不含人为故障） 均计为影响系统基本可靠性的关联故障；
在任务剖面中，凡不能完成某锁系正常功能的故障 计为影响任务的关联故障。
零件级产品故障判据 组件级产品故障判据 部件级产品故障判据
2020/9/19
14
某锁机构FMEA分析
严酷度定义
表 14 对接锁系故障严酷度的定义
B
有时发生 中等概率
某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的10%， 小于20%
C
偶然发生 不常发生
某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的1%，小 于10%
D
很少发生
不大可能发 生
某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的0.1%， 小于1%
E 极少发生 近乎为零 某一故障模式发生概率小于产品总故障概率的0.1%
4
概述
锥杆式
2020/9/19
5
概述
周边外翻式
2020/9/19
6
概述
周边内翻式
2020/9/19
7
产品说明
某锁结构示意图
2020/9/19
8
某锁机构FMEA分析
某锁机构FMEA实施
对接锁系功能分析 故障判据 对接锁系故障模式分析 严酷度定义 危害性定性分析
FMECA输出