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(ppt 41页)
备份失效
备份第Ⅱ组对接 锁锁紧失败
备份第Ⅰ组对接 锁锁紧失败
驱动组合故障 B
主动航天器第Ⅱ组 对接锁锁紧失败
2
对接锁故障不能 锁紧
3
锁紧不到位 钢丝绳 断裂
被动航天器第Ⅱ组对 接锁被动钩锁紧失败
被动航天器第 Ⅰ组对接锁被 动钩锁紧失败
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
2020/8/27
10
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
垫圈79
螺钉63,76
端盖74,77
轴承端盖69
2020/8/27
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
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%
B
有时发生 中等概率
机械产品可靠性设计分析案例
机械产品可靠性设计分析案例
引言
机械产品的可靠性设计是在设计和制造过程中考虑到产品在特定条件下的使用寿命，以及避免因故障而导致的损失。本文将通过一个原料输送机设计的案例来探讨机械产品可靠性设计的重要性以及所需的分析方法。
案例描述
假设我们正在设计一个原料输送机，这是一个用于在工厂中将原料从一个地方输送到另一个地方的机械设备。该设备由许多不同的部件组成，包括传动系统、输送带、电机等。
可靠性设计分析方法
故障模式和影响分析（Flure Mode and Effects Analysis, FMEA）
故障模式和影响分析是一种常用的可靠性设计分析方法，它通过识别潜在的故障模式和评估其
对系统性能的影响来帮助设计人员减少故障的发生。在我们的案例中，我们可以使用FMEA来识别原料输送机各个部件可能发生的故障模式，并评估其对输送机性能和生产效率的影响。
步骤1：识别故障模式
首先，我们将列出原料输送机的各个部件，并识别每个部件可能发生的故障模式。例如，输送带可能会断裂、传动系统可能会卡住或失效、电机可能会烧坏等等。
步骤2：评估影响
对于每个故障模式，我们需要评估其对输送机性能和生产效率的影响。例如，输送带断裂可能导致原料无法顺利输送，造成生产线停工并导致生产延误。
步骤3：制定改进措施
根据故障模式和影响的评估结果，我们可以确定一些改进措施来降低故障发生的可能性和减少其对系统性能的影响。例如，我们可以使用更耐
用的材料制造输送带，选择更可靠的传动系统组件，以及定期进行电机维护和检修。
可靠性预测分析
可靠性预测分析是一种定量的可靠性设计分析方法，它通过统计模型和数据分析来预测系统在一定时间内的可靠性水平。在我们的案例中，我们可以使用可靠性预测分析来评估原料输送机的预期寿命和故障率。
机械产品可靠性设计分析-案例共41页
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
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%
严酷度类别
严重程度定
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，对航天员的健康有些影响。
B
有时发 生
机械可靠性设计方法ppt课件
常见的失效模式主要有：材料屈服、断裂、疲劳、过 度变形、失稳、腐蚀、磨损、振幅过大、噪声过大、 蠕变和松弛等
确定与失效模式对应的判据
得出应力计算公式和应力的分布
➢11
寻找导致零件致命的失效模式 • 对于整个产品而言，产品的可靠性指标要合理地
分配给各个零件
– 考虑到功能、重要性、变化程度和设计的要求等因素 – 也可以用优化设计的原则进行分配，以求得到最大经
因为 f 为常量，所以
D y D f X f 2 • D X
➢42
泰勒展开法
• 多维随机变量
设函数y
f
x
i
,
xi的均值和方差x
i
和
x
已知，用泰勒级数
i
展开近似求解y的均值和方差y和 y ,现将y f xi 在xi i
处展开
y f xi f x1, x2, , xn
济效益条件下各零部件可靠性指标的最合理的匹配
➢12
应力－强度干涉理论
应力-强度分布干涉理论
以应力-强度分布干涉模型为基准 在机械产品中，零件是正常还是失效决定于强度和应
力的关系
当零件的强度大于应力时，能够正常工作 当零件的强度小于应力时，其发生失效 因此，要求零件在规定的条件下和规定的时间内能够承载，必
内的情况，有强度大于应力的概率（可靠度）为
R
确定与失效模式对应的判据
得出应力计算公式和应力的分布
➢11
寻找导致零件致命的失效模式 • 对于整个产品而言，产品的可靠性指标要合理地
分配给各个零件
– 考虑到功能、重要性、变化程度和设计的要求等因素 – 也可以用优化设计的原则进行分配，以求得到最大经
因为 f 为常量，所以
D y D f X f 2 • D X
➢42
泰勒展开法
• 多维随机变量
设函数y
f
x
i
,
xi的均值和方差x
i
和
x
已知，用泰勒级数
i
展开近似求解y的均值和方差y和 y ,现将y f xi 在xi i
处展开
y f xi f x1, x2, , xn
济效益条件下各零部件可靠性指标的最合理的匹配
➢12
应力－强度干涉理论
应力-强度分布干涉理论
以应力-强度分布干涉模型为基准 在机械产品中，零件是正常还是失效决定于强度和应
力的关系
当零件的强度大于应力时，能够正常工作 当零件的强度小于应力时，其发生失效 因此，要求零件在规定的条件下和规定的时间内能够承载，必
内的情况，有强度大于应力的概率（可靠度）为
R
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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
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
输出结果
零件静强度分析计算 组合件整体分析计算 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
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
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
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
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
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%
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
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
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
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。
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
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ຫໍສະໝຸດ Baidu5
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
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，对航天员的健康有些影响。
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
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
输出结果
零件静强度分析计算 组合件整体分析计算 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
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
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
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
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
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%
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
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
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
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。
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
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ຫໍສະໝຸດ Baidu5
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
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，对航天员的健康有些影响。