机械可靠性设计
机械设计中的产品可靠性分析与评估
机械设计中的产品可靠性分析与评估在当今竞争激烈的市场环境中，机械产品的可靠性已成为企业赢得市场份额和用户信任的关键因素。
可靠性不仅关系到产品的质量和性能，更直接影响着用户的满意度和企业的声誉。
因此，在机械设计过程中，对产品可靠性进行深入的分析与评估具有重要的意义。
一、产品可靠性的概念与重要性产品可靠性，简单来说，是指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。
这包括了产品在使用过程中的稳定性、耐久性、无故障工作时间等多个方面。
一个可靠的机械产品，能够在各种复杂的工作环境和使用条件下，持续稳定地运行，减少故障和维修的次数，从而为用户提供更好的服务，同时也降低了企业的售后成本。
对于企业而言，产品可靠性的重要性不言而喻。
首先，高可靠性的产品能够提升企业的市场竞争力。
在消费者选择产品时，往往更倾向于那些质量可靠、故障少的品牌。
其次，可靠的产品有助于降低生产成本。
虽然在提高可靠性的过程中可能需要增加前期的研发投入，但由于减少了后期的维修和更换成本，总体成本反而会降低。
再者，良好的可靠性能够增强企业的声誉和品牌形象，促进企业的长期发展。
二、影响产品可靠性的因素在机械设计中，有众多因素会影响产品的可靠性。
设计方面，不合理的结构设计、选用了不合适的材料、零部件之间的匹配度不足等，都可能导致产品在使用过程中出现故障。
制造工艺的优劣也直接关系到产品的质量和可靠性。
例如，加工精度不够、装配不当等都会影响产品的性能和寿命。
此外，使用环境也是一个重要的影响因素。
机械产品在高温、高湿、高压、强腐蚀等恶劣环境下工作，其可靠性会受到极大的挑战。
而用户的操作和维护方式同样不可忽视。
不正确的操作方法、不及时的维护保养，都可能加速产品的损坏。
三、产品可靠性分析方法为了准确评估机械产品的可靠性，需要采用一系列的分析方法。
故障模式与影响分析（FMEA）是一种常用的方法。
它通过对产品可能出现的故障模式进行分析，评估每种故障模式的影响程度和发生概率，从而找出潜在的薄弱环节，并采取相应的改进措施。
机械可靠性设计课程设计
机械可靠性设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解并掌握机械可靠性设计的基本概念、原理和方法；2. 使学生了解机械系统失效的类型及其影响因素，能够运用可靠性理论分析机械故障；3. 引导学生掌握可靠性数学模型，并能运用相关软件进行机械可靠性分析与设计。
技能目标：1. 培养学生运用可靠性理论解决实际工程问题的能力；2. 提高学生运用计算机软件进行机械可靠性分析与设计的能力；3. 培养学生团队协作、沟通表达的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生热爱机械工程，关注机械可靠性设计领域的发展；2. 增强学生的工程意识，培养其严谨的科学态度和良好的职业道德；3. 引导学生认识到机械可靠性设计在工程领域的重要性和价值，提高其社会责任感。
本课程针对高年级本科或研究生阶段的学生，充分考虑学生的知识背景、认知能力和实践需求。
通过本课程的学习，使学生能够将理论知识与实际工程相结合，提高解决实际问题的能力，为今后从事机械设计与制造领域的工作打下坚实基础。
同时，注重培养学生的团队协作、沟通表达等综合素质，使其成为具有创新精神和实践能力的高素质工程技术人才。
二、教学内容本章节教学内容主要包括以下几部分：1. 机械可靠性设计基本概念：介绍可靠性、失效、故障等基本概念，分析可靠性指标及其计算方法。
2. 机械系统失效类型及影响因素：阐述机械系统失效的类型，探讨应力、应变、温度、湿度等影响因素。
3. 可靠性数学模型：讲解可靠性数学模型的基本原理，包括概率论、数理统计、随机过程等。
4. 可靠性分析与设计方法：介绍常见的可靠性分析方法，如故障树分析、事件树分析、蒙特卡洛模拟等，以及可靠性设计方法。
5. 计算机软件应用：教授常用可靠性分析与设计软件的操作方法，如MATLAB、ANSYS等。
6. 实践案例：分析典型机械可靠性设计案例，使学生了解实际工程中的应用。
教学内容依据以下教材章节组织：1. 《机械可靠性设计》第一章：基本概念与方法；2. 《机械可靠性设计》第二章：失效类型及影响因素；3. 《机械可靠性设计》第三章：可靠性数学模型；4. 《机械可靠性设计》第四章：可靠性分析与设计方法；5. 《机械可靠性设计》第五章：计算机软件应用；6. 《机械可靠性设计》附录：实践案例。
机械可靠性设计技术
在可靠性技术迅速发展的今天，从指标试验评价发展到从指标论证、设计、原材料选择到工艺控制及售后服务的全过程的综合管理和评价，许多产品打出“零失效”的王牌。
产品的可靠性在很大程度上取决于设计的正确性。
机械可靠性设计是近期发展起来并得到推广应用的一门现代设计理论和方法，以提高产品可靠性为目的、以概率论与数理统计理论为基础，综合运用数学、物理、工程力学、机械工程学、人/机工程学、系统工程学、运筹学等多方面的知识来研究机械工程的最佳设计问题。
为了提高广大企业从业人员机械可靠性设计水平，中国电子标准协会应会员单位要求，决定组织召开“机械可靠性设计技术高级研修班”。
现将相关事宜通知如下：课程特点：本课程针对机械动力学系统的设计，涵盖了材料的选择、力学的计算、表面处理和热处理工艺的选择、失效的分析、振动噪声的消除与预防、动力学测试与分析等方面内容。
提纲：课程大纲以根据学员要求，上课时会有所调整，具体以报到时的讲义为准。
第一章机械可靠性设计基本依据1.1干涉模型 1.2大数定律与中心极限定理 1.3基本载荷形式1.4综合作用类型 1.5主要失效模式 1.6系统功能关系第二章基于载荷环境的材料工艺准则2.1广义载荷 2.2环境类形 2.3材料类型2.4毛坯工艺 2.5加工准则第三章结构可靠性技术准则3.1优化设计 3.2余度设计 3.3防错设计3.4环境适应性设计 3.5维修性设计第四章机械可靠性设计数学模型4.1应力强度干涉模型 4.2静载荷作用的可靠性设计 4.3交变载荷作用的疲劳可靠性设计4.4压力容器的可靠性设计 4.5交变温度作用的热负荷可靠性 4.6腐蚀与磨损条件下构件可靠性第五章机械可靠性设计准则5.1基于材力三大假设的静载设计 5.2基于交变载荷或谱载荷作用的抗疲劳设计5.3基于当量初始缺陷分布的概率断裂控制 5.4基于压力容器快速断裂控制的损伤容限5.5基于交变温度作用的热疲劳特性 5.6构件防腐蚀和耐磨损设计第六章机械可靠性应用6.1冲击载荷与霍普金圣效应 6.2 各态遍历的随机振动 6.3随机振动试验准则6.4冲击载荷作用的设计准则 6.5结构柔性与变形协调设计 6.6压力容器与动载作用设计6.7振动环境作用的可靠性准则 6.8复合载荷环境材料匹配 6.9载荷环境毛坯匹配准则6.10减振器与结构阻尼准则 6.11润滑与降噪准则 6.12表面技术与润滑匹配6.13 箱座、支架类零部件材料阻尼准则 6.14铸件减震设计准则6.15锻件、焊接件抗冲击设计准则第七章受热结构影响因素7.1总体热惯性与最高温度 7.2比热容与高温持续时间 7.3表面辐射系数7.4热阻与热循环特性 7.5隔热设计准则 7.6耐热限制 7.7主动冷却技术第八章机械可靠性工程实施8.1可靠性预计和分配 8.2可靠性设计 8.3可靠性试验- 8.4可靠性管理第九章典型结构可靠性分析与设计9.1弹簧疲劳与老化机理 9.2弹簧抗疲劳设计 9.3橡胶耐磨性分析9.4小子样产品可靠性评价 9.5名义应力-应变与局部应力-应变 9.6结构变形与失稳分析9.7产品安全系数与可靠性参数 9.8机械结构典型寿命分布 9.9旋转件动平衡问题分析9.10 齿轮耐磨性影响分析 9.11受力构件零件的应力松弛分析师资介绍：申博士：机械可靠性技术专家，研究员，专业研究方向为机械装备可靠性与失效控制，长期从事机械可靠性与环境工程研究，曾任国防军工单位高级技术职务，在疲劳、断裂、残骸分析、失效物理和动力学测试技术方面有深厚的功底，提出了变形疲劳、气动激励载荷与振动环境精确预示方法、复杂部件可靠性设计技术、紧固件环境适应性设计、高速运动件动态参数测试技术等新技术，并有光弹、电测、扫描电镜分析和模态的丰富试验经验机械可靠性设计技术培训【时间地点】 2012年12月21-22日深圳【参加对象】从事动力学机构设计的机械工程师、系统工程师、测试工程师、可靠性工程师、技术经理、总工等【费用】 3200元/人（包括资料费、午餐及上下午茶点等）【课程热线】4OO-O33-4O33（森涛培训，提前报名可享受更多优惠）【内训服务】本课程可根据客户需求提供内训服务，欢迎来电咨询。
机械可靠性设计系统可靠性设计
• 1 表决系统（工作储备系统）
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1）2/3表决系统
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例4-4
有一架装有3台发动机的飞机，它至少需要 2台发动机正常才能飞行，设飞机发动机的平 均无故障工作时间MTBF=2000h，试估计工作 时间为10h和100h的飞机可靠度。 解：n=3,k=2
RS (t) 3R 2 2R 3 3e 2t 2e 3t
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1）冷储备系统 （1）两个单元（一个单元备用）的系统
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（2）n个单元（n-1个单元备用）的系统
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（3）多个单元工作的系统
Ri e t
RS(t )
e
Lt
1
Lt
(Lt )2 2!
(Lt )3 3!
(Lt )n n!
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（4）考虑检测器和开关可靠性的系统
Rs(t ) e 1t
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2 全概率公式法（分解法）
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3 检出支路法（路径枚举法）
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4.3 系统可靠性预计
1 可靠性预计的目的
可靠性预计是指产品的设计与研制阶段，根据产品的功能 结构、工作环境以及组成产品单元的相互关系和可靠性数据， 推测产品可能达到的可靠性指标。可靠性预计是一个由局部 到整体、由小到大、由下到上的过程，是一个综合的过程。
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• Rs1=R1R2R3 Rs2=R4R5 Rs3=1-(1-Rs1)(1Rs2) Rs4=1-(1-R6)(1R7) Rs=Rs3Rs4R8
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• 储备模型 当采用串联模型的设计不能满足设计指标要求时，
机械产品的可靠性设计与分析
机械产品的可靠性设计与分析在当今高度工业化的社会中，机械产品在各个领域都发挥着至关重要的作用。
从日常生活中的家用电器到工业生产线上的大型设备，从交通运输工具到航空航天领域的精密仪器，机械产品的可靠性直接影响着人们的生活质量、生产效率以及生命财产安全。
因此，机械产品的可靠性设计与分析成为了机械工程领域中一个极其重要的研究课题。
可靠性设计是指在产品设计阶段，通过采用各种技术和方法，确保产品在规定的条件下和规定的时间内，能够完成规定的功能，并且具有较低的故障率和较长的使用寿命。
可靠性分析则是对产品的可靠性进行评估和预测，找出可能存在的薄弱环节，为改进设计提供依据。
在机械产品的可靠性设计中，首先要进行的是需求分析。
这就需要充分了解产品的使用环境、工作条件、用户要求以及相关的标准和规范。
例如，对于一台用于户外作业的工程机械，需要考虑到恶劣的天气条件、复杂的地形地貌以及高强度的工作负荷等因素；而对于一台家用洗衣机，需要重点关注其洗涤效果、噪声水平和使用寿命等方面的要求。
只有明确了这些需求，才能为后续的设计工作提供正确的方向。
材料的选择是影响机械产品可靠性的重要因素之一。
不同的材料具有不同的物理、化学和机械性能，因此需要根据产品的工作要求和使用环境，选择合适的材料。
例如，在高温、高压和腐蚀环境下工作的零件，需要选用耐高温、耐高压和耐腐蚀的材料；对于承受重载和冲击载荷的零件，则需要选用高强度和高韧性的材料。
同时，还要考虑材料的成本和可加工性等因素，以确保产品在满足可靠性要求的前提下，具有良好的经济性。
结构设计也是可靠性设计的关键环节。
合理的结构设计可以有效地减少应力集中、提高零件的承载能力和抗疲劳性能。
例如，采用圆角过渡可以避免尖锐的棱角引起的应力集中；采用对称结构可以使载荷分布更加均匀；采用加强筋和肋板可以提高结构的刚度和强度。
此外，还需要考虑结构的装配和维修便利性，以便在产品出现故障时能够快速进行维修和更换零件。
第六章-机械可靠性设计原理
S
同样分析方法：
按应力始终小于强度这一条件计算。干涉区内任取
一点δ1，则：
P[(1
d
2
)
(1
d
2
)]
g(1)d
P(S 1)
1 f (S )dS
R P(S ) g( )[ f (S)dS]d
■理论要点:
可靠性设计
• 应力:导致失效的任何因素; 强度:阻止失效发生的任何因素。
• 应力f(s),强度g(δ), 量纲相同，可放在同一坐标系中。
解： 当零件强度标准差为81MPa时
z S 850 380 470 5.1512
2
2 S
422 812 91.2414
R 1(z) 1(5.1512) (5.1512) 0.9999999
当零件强度标准差为120MPa时
可靠性设计
z S 850 380 470 3.6968
2
1
z2
e 2 dz
2
例6－1 已知某零件的工作应力及材料强度均为正态分
布，且应力的均值μS=380MPa,标准差σS=42MPa,材料 强度的均值为850MPa，标准差为81MPa。
可靠性设计
试确定零件的可靠度。另一批零件由于热处理不佳及 环境温度的较大变化，使零件强度的标准差增大至 120MPa。问其可靠度如何？
R
exp
1 2
2s
2 s 2
5
指数
es
正态
N , 2
R 1 exp
1 2
2 s
s2 2
6
指数
es
,
R
1
s
可靠性设计
第三节 机械静强度的可靠性设计
机械系统可靠性分析与优化设计
机械系统可靠性分析与优化设计引言：在现代工业中，机械系统扮演着至关重要的角色。
而机械系统的可靠性则直接决定着产品的性能、生产的稳定性以及企业的竞争力。
因此，机械系统的可靠性分析与优化设计成为了现代工程师不可忽视的重要任务。
本文将探讨机械系统可靠性的分析方法和优化设计策略，为工程师提供一些有益的指导意见。
一、可靠性分析方法1. 故障树分析（FTA）故障树分析是一种常用的可靠性分析方法，通过分析系统的组成部分以及它们之间的关系，来推断导致系统失效的故障事件。
利用故障树分析，工程师可以识别出系统中最重要的故障因素，并针对这些因素进行改进和优化。
通过FTA，工程师可以定量评估系统的可靠性指标，如失效概率和失效率，并进一步识别出系统的薄弱环节。
2. 可靠性块图分析（RBD）可靠性块图分析是另一种常用的可靠性分析方法，通过将系统分解为不可靠性块和可靠性块，并利用布尔代数和概率论的方法，来计算系统的可靠性指标。
通过RBD分析，工程师可以探索系统中各个组件之间的相互作用，找出系统中可能存在的故障模式，并进行适当的改进和调整。
RBD分析可以帮助工程师在优化设计阶段发现并消除系统结构中的潜在问题，提高系统的可靠性水平。
二、可靠性优化设计策略1. 冗余设计冗余设计是提高系统可靠性的常用策略之一。
通过增加系统中的备用部件或系统组件，工程师可以在某些关键节点构建双重或者多重冗余结构，从而提高系统的可用性和可靠性。
冗余设计可以在一个组件失效时提供备用访问路径，并通过及时切换或修复来减少系统故障时间和停机时间。
然而，冗余设计也会增加系统的成本和复杂性，因此需要权衡利弊。
2. 故障预测和预防在系统设计的早期阶段，通过对潜在故障进行预测和预防，可以显著提高系统的可靠性。
工程师可以利用故障数据、历史记录和可靠性模型等方法，来进行故障预测和分析，识别出可能的故障模式和影响因素。
在设计过程中，针对这些故障模式和影响因素进行风险评估和控制，采取相应的措施来消除或减小故障的发生概率和影响程度。
机械可靠性设计6
3.修正名义强度 修正名义强度 考虑尺寸系数、 表面质量系数、 考虑尺寸系数 、 表面质量系数 、 应力集中 系数等对强度的影响。 系数等对强度的影响。 4.确定强度公式中每一修正系数的分布； 确定强度公式中每一修正系数的分布； 确定强度公式中每一修正系数的分布 5.确定强度分布 确定强度分布 如代数法、矩法、蒙特卡罗法。 如代数法、矩法、蒙特卡罗法。
选定可靠度R=0.999 解：⑴ 选定可靠度 ⑵ 计算零件发生强度破坏的概率 F=1-R=1-0.999=0.001 查正态函数表， ⑶ 由F查正态函数表，Z=-3.09，则ZR=3.09 查正态函数表 ， ⑷ 强度分布参数
r − N ( 667 , 25 . 3
2
)
⑸ 列出应力表达式
P s= A uA = ,
ZR = ur − us
σ r2 + σ s2
求截面尺寸。 求截面尺寸。
§6.3.2受拉零件的静强度可靠性 6.3.2受拉零件的静强度可靠性 设计
例：要设计一园柱拉杆，所承受的拉力: 要设计一园柱拉杆，所承受的拉力: P ~ N (u p ,σ 2 ) = N (4000012002 )N , p 强度为： 拉杆材料 45 # 钢，强度为： r ~ N (u r , σ r2 ) = N (667,25.32 )mpa 园直径的公差 ± ∆ d = ± 0 .03 u d ，求拉杆的直 径 。
§6.2.2 强度分布参数的近似计算
1.材料的静强度指标 材料的静强度指标 金属材料的抗拉强度和屈服极限能近似或 较好地符合正态分布。 较好地符合正态分布。 2.材料的变异系数 材料的变异系数 金属材料拉伸强度极限：变异系数 金属材料拉伸强度极限：变异系数0.05～0.1 ～ 常用0.05 常用 金属材料屈服极限：变异系数 金属材料屈服极限：变异系数0.05～0.1 ～ 用0.07 常
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。
数据收集要进行可靠性预测分析，我们需要收集一些与原料输送机相关的数据，包括系统的组成部件、使用环境、历史维修记录等。
可靠性模型建立基于收集到的数据，我们可以建立一个可靠性模型来估计原料输送机的可靠性水平。
机械产品结构可靠性设计的十种方法
机械产品结构可靠性设计的十种方法机械可靠性一般可分为结构可靠性和机构可靠性。
结构可靠性主要考虑机械结构的强度以及由于载荷的影响使之疲劳、磨损、断裂等引起的失效；机构可靠性则主要考虑的不是强度问题引起的失效，而是考虑机构在动作过程由于运动学问题而引起的故障。
机械可靠性设计可分为定性可靠性设计和定量可靠性设计。
所谓定性可靠性设计就是在进行故障模式影响及危害性分析的基础上，有针对性地应用成功的设计经验使所设计的产品达到可靠的目的。
所谓定量可靠性设计就是充分掌握所设计零件的强度分布和应力分布以及各种设计参数的随机性基础上，通过建立隐式极限状态函数或显式极限状态函数的关系设计出满足规定可靠性要求的产品。
机械可靠性设计方法是常用的方法，是目前开展机械可靠性设计的一种最直接有效的方法，无论结构可靠性设计还是机构可靠性设计都是大量采用的常用方法。
可靠性定量设计虽然可以按照可靠性指标设计出满足要求的恰如其分的零件，但由于材料的强度分布和载荷分布的具体数据目前还很缺乏，加之其中要考虑的因素很多，从而限制其推广应用，一般在关键或重要的零部件的设计时采用。
机械可靠性设计由于产品的不同和构成的差异，可以采用的可靠性设计方法有：1.预防故障设计机械产品一般属于串联系统.要提高整机可靠性,首先应从零部件的严格选择和控制做起。
例如，优先选用标准件和通用件；选用经过使用分析验证的可靠的零部件；严格按标准的选择及对外购件的控制；充分运用故障分析的成果，采用成熟的经验或经分析试验验证后的方案。
2.简化设计在满足预定功能的情况下，机械设计应力求简单、零部件的数量应尽可能减少，越简单越可靠是可靠性设计的一个基本原则，是减少故障提高可靠性的最有效方法。
但不能因为减少零件而使其它零件执行超常功能或在高应力的条件下工作。
否则，简化设计将达不到提高可靠性的目的。
3.降额设计和安全裕度设计降额设计是使零部件的使用应力低于其额定应力的一种设计方法。
机械可靠性工程教学设计 (2)
机械可靠性工程教学设计背景机械可靠性是机械工程领域中重要的一个研究方向，在现代工业生产中具有重要的应用价值。
机械可靠性不仅关乎产品的安全性和质量，也与经济效益密切相关。
在此背景下，针对机械可靠性工程的教学设计具有重要的意义。
目的本文旨在设计一门既注重理论教学，又关注实践应用的机械可靠性工程课程，以提高学生的能力水平，培养适应工程实践需求的高素质人才。
内容1. 课程设置本门课程分为两个部分：理论教学和实践应用。
1.1 理论教学该部分内容包括以下主题：•可靠度的基本概念及其应用•可靠性分析方法与技术•可靠性设计•可靠性实验与测试1.2 实践应用该部分内容包括以下主题：•工程案例分析•可靠性测试实验•报告撰写2. 课程特色为了使该课程达到更高的教学效果，我们设计了以下特色环节：•前沿技术介绍：每周安排一节特别讲座，邀请业界专家介绍最新研究进展和最先进的技术应用。
•经典案例分析：设计一系列机械领域的经典案例，引导学生从多个角度进行分析和思考。
•精品课件讲解：采用多媒体教学手段，制作详实而生动的课件，增强学生的学习兴趣和理解深度。
•实践应用：增加实践环节，帮助学生更好地理解和掌握机械可靠性工程的核心理论和技术，并提高其实际操作能力。
3. 实验室建设本课程需要建设机械可靠性实验室，实验室应配备完善的测试设备和实验仪器，包括但不限于以下：•恒温恒湿房•液压试验机•压缩试验机•多媒体教学设备4. 教学方法在教学中，我们将采用以下教学方法：•讲授式教学结合案例分析•实验操作•报告撰写与汇报我们将采用基于学生的教育理念，注重学生主体地位，以学生为中心，通过不同方式建立知识桥梁，争取达到较好的教学效果。
总结机械可靠性工程教学设计是一项既具有挑战又具有挑战的任务，需要综合考虑课程设置、特色环节、实验室建设、教学方法等方面。
合理的教学设计，科学的教学方法，鼓励学生的实践操作，将会培养出适应工程实践的高素质人才。
机械可靠性设计
机械可靠性设计1. 引言机械可靠性设计是在机械工程中至关重要的一个方面。
在设计机械系统时，通过考虑各种可能的故障和失效情况，以及如何预防和减轻这些故障和失效的影响，可以提高机械系统的可靠性和稳定性。
本文将探讨机械可靠性设计的基本原理和方法，并提供一些建议和指导。
2. 机械可靠性概述机械可靠性是指在特定的工作条件下，机械系统能够正常运行的能力。
机械可靠性设计的目标是使机械系统具有较高的可靠性，即在工作中不发生故障或失效的概率较小。
机械可靠性设计通常涉及以下几个方面：•设计阶段的可靠性分析和评估：在设计过程中，通过应用各种可靠性工具和技术，分析和评估机械系统的可靠性。
•可靠性指标的确定：根据系统的工作条件和要求，确定合适的可靠性指标，如失效率、可靠度、平均无故障时间等。
•故障预防和控制：通过合适的设计措施和工程标准，预防和控制机械系统的故障和失效。
•故障排除和修复：在机械系统故障发生时，及时排除故障并进行修复，以最小化系统的停机时间和生产损失。
3. 机械可靠性设计的基本原则在进行机械可靠性设计时，需要遵循以下几个基本原则：3.1 设计的可靠性优先在机械系统的设计过程中，可靠性应该是首要考虑的因素。
在选择和确定各个零部件、结构和材料时，应优先考虑其可靠性和稳定性。
3.2 故障模式和影响分析在设计阶段，应对机械系统进行故障模式和影响分析，了解可能的故障模式和失效的影响，以便采取相应的措施进行预防和修复。
3.3 容错和冗余设计在机械系统设计中，应采用容错和冗余设计，以提高系统的可靠性。
容错设计是指通过设计和选择合适的零部件和系统结构，使系统在部分失效的情况下仍能继续工作；冗余设计是指在系统中增加冗余部件或冗余系统，以提供备用和替代功能。
3.4 可维护性设计在机械系统设计中，应考虑系统的可维护性。
合理的结构设计、易于维修和更换的零部件、合理的维护策略等，可以减少维修时间和维修成本，提高系统的可靠性。
4. 机械可靠性设计的方法和工具4.1 可靠性工具在机械可靠性设计过程中，可以使用各种可靠性工具和技术进行分析和评估。
机械可靠性设计
可靠性设计方法论
1
可靠性要求分析
分析并明确机械系统的可靠性要求，以便在设计阶段确定合适的可靠性指标。
2
故障排除与容错设计
开发故障排除策略和容错机制，以最小化故障对系统性能的影响。
3
可靠性优化技术
使用数学建模和模拟分析，优化机械系统的设计，以实现最佳的可靠性性能。
可靠性测试技术与应用
可靠性测试方法
介绍常见的可靠性测试方法， 如可靠性试验和环境试验，以 验证机械系统的可靠性。
振动分析
故障诊断
学习如何使用振动分析技术来 检测机械系统中的故障和异常。
探讨机械系统故障诊断的方法 和工具，以及如何通过准确诊 断来采取械系统的状态监测 技术，以及如何及早预警 并采取措施以防止系统故 障。
机械可靠性设计
欢迎来到机械可靠性设计的世界！通过本次演示，我们将一起探索机械可靠 性设计的重要性以及实践应用。
机械可靠性设计介绍
学习如何通过可靠性设计提高机械系统的性能、可靠性和寿命，从而最大程 度地减少故障和维修成本。
机械系统失效模式分析
了解常见的机械故障模式，并通过失效模式分析（FMEA）来预测并减少系统故障的发生。
定期维护计划
制定有效的定期维护计划， 以确保机械系统的可靠性 和长期稳定运行。
故障分析与根本原因
通过故障分析和根本原因 分析，了解并解决机械系 统故障的根本问题，以防 止再次发生。
案例分析及实践应用
深入研究一些成功的机械可靠性设计案例，并探索如何将所学应用到实际工程项目中。
总结和展望
总结机械可靠性设计的重要性和应用，并展望未来的发展趋势和挑战。
机械可靠性设计的基本方法及其指标体系
机械可靠性设计太原理工大学机械工程学院主讲：刘混举机械可靠性设计第2讲机械可靠性设计的基本方法及其指标体系2.1可靠性基本概念⏹可靠性的概念及基本思想可靠性的经典定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。
⏹可靠性的基本思想任何参数均为多值的，且呈一定分布。
安全系数大的设备或产品不一定是百分之百的安全。
2.2可靠性定义可靠性的概念可靠性的经典定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。
产品：指作为单独研究和分别试验对象的任何元件、设备或系统，可以是零件、部件，也可以是由它们装配而成的机器，或由许多机器组成的机组和成套设备，甚至还把人的作用也包括在内。
规定条件：一般指的是使用条件,环境条件。
包括应力温度、湿度、尘砂、腐蚀等，也包括操作技术、维修方法等条件。
规定时间：是可靠性区别于产品其他质量属性的重要特征，一般也可认为可靠性是产品功能在时间上的稳定程度。
规定功能：道德要明确具体产品的功能是什么，怎样才算是完成规定功能。
产品丧失规定功能称为失效，对可修复产品通常也称为故障。
可靠性的类型可靠性可分为固有可靠性和使用可靠性⏹固有可靠性是通过设计、制造赋予产品的可靠性；⏹使用可靠性既受设计、制造的影响，又受使用条件的影响。
一般使用可靠性总低于固有可靠性。
可靠性的类型及影响因素2.3可靠性特征量(可靠性指标)⏹可靠度可靠度是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率，一般记为R。
它是时间的函数，故也记为R（t）,称为可靠度函数。
⏹1）可靠度如果用随机变量T表示产品从开始工作到发生失效或故障的时间，其概率密度为f（t）如右图所示，若用t表示某一指定时刻，则该产品在该时刻的可靠度。
对于不可修复的产品，可靠度的观测值是指直到规定的时间区间终了为止，能完成规定功能的产品数与在该区间开始时投入工作产品数之比，即:2）可靠寿命可靠寿命是给定的可靠度所对应的时间，一般记为t（R）一般可靠度随着工作时间t的增大而下降，对给定的不同R，则有不同的t（R），即t（R）=R-1（R）式中R-1——R的反函数，即由R（t）=R反求t4）平均寿命⏹平均寿命：平均寿命是寿命的平均值，对不可修复产品常用失效前平均时间，一般记为MTTP ，对可修复产品则常用平均无故障工作时间，一般记为MTBF 。
第四章 机械可靠性设计原理与可靠度计算
以螺栓拉伸强度可靠度计算说明静强度计算方法：
1)失效模式分析：螺栓疲劳拉断；
2) 失效判据(公式)：
3) 设计变量和参数分析：
已知：拉力
直径
求解：强度
应力
4) 强度、应力计算 强度计算：
4.1.2 可靠性设计方法
机械可靠性设计包 括定性：可靠性设计，就是在进行故障模式影响及危害性分析的
基础上，有针对性地应用成功的设计经验使所设计的产品达 到可靠性的目的。
式中，R(t)表示零件安全运行的概率。[R]表示
零件的设计要求。 可靠性设计是传统设计的延伸和发展。
由此可见：从传统的设计准则 或 n n 变换到
可靠性设计准则 Rt P S R ,这是设计理论的发展，
设计概念的深化。可靠性设计以随机方法（概率论和数理统计） 分析研究系统和零件在运行状态下的随机规律和可靠性，不仅 更能揭示事物的本来面貌，而且能较全面地提供设计信息，是 传统设计方法无法做到的。
理论分析和实践表明：可靠性设计比传统设计，能有效
地处理设计中的一些问题，提高产品质量，减小零件尺寸， 从而节约原材料，降低成本，带来较大的经济效益。
4.2 应力—强度干涉理论及可靠度计 算
可靠性设计理论的基本任务：是在可靠性物理学研 究的基础上结合可靠性试验及可靠性数据的统计与 分析，提出可供实际设计计算用的物理数学模型和 方法，以便在产品设计阶段就能规定其可靠性指标， 或估计、预测机器及其主要零部件在规定的工作条 件下的工作能力状态或寿命，保证所设计的产品具 有所需要的可靠度。机械零件的可靠性设计是以应 力—强度干涉理论为基础的。
的随机变量。
欲使产品或零件在规定的时间内可靠地工作，必须 满足：
Z S 0 R P(Z ≥ 0)
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2) 提高产品的可靠性,能使产品总的费用降低.提高产
品的可靠性,首先要增加费用,如选用好的元器件,研制部分
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。
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。
3）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 GE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1%，成本提高10%也 是合算的。
《机械可靠性设计》刘惟信 清华大学出版 社
考核方式
考试*80%+平时*20%
第一章 可靠性概论
§1-1 可靠性概述 §1-2 可靠性尺度 §1-3 可靠性设计与传统设计的异同
§1-1 可靠性概述
一、可靠性的研究意义 二、可靠性定义
一、可靠性研究意义
1、意义：
1)提高产品可靠性,可以防止故障和事故的发生,尤其 是避免灾难性的事故发生.86年1月28日,美航天飞机”挑 战者号”由于1个密封圈失效,起飞76S后爆炸,其中7名宇 航员丧生,造成12亿美元的经济损失;92年我国发射”澳星 号”时由于一个小小零件的故障,发射失败,造成了巨大的 经济损失和政治影响.
(t )
n(t
t)
n(t)
n(t)
[N n(t)]• t [N n(t)]• t
(t) lim (t) lim
n(t)
N
N [N n(t)]• t
t 0
t 0
2、失效率曲线
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。
3、失效率与可靠度之间的关系
可以找出提高整个设备的可靠度的有效途径。
2）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。
3、机械可靠性设计的特点
1）将载荷、材料性能和强度及零、部件的尺寸都视为属 于某种概率分布的统计量。
2）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。
数为F(t) R(t)+F(t)=1
对F (t)求导，则得失效密度函数f (t)
f (t) dF (t) dR(t)
dt
dt
t
F (t) f (t)dt 0
t
R(t) 1 F (t) 1 f (t)dt f (t)dt
0
t
二、失效率
1、定义：工作到某时刻t时尚未失效的产品，在
可靠性设计
机械工程系 杨化动
本课程主要的教学内容
第一章 可靠性概论 第二章 可靠性理论中常用的几种概率分布 第三章 分布参数的估计与分布函数的假设
检验 第四章 机械可靠性设计原理与可靠度计算 第五章 机械静强度与可靠性设计 第六章 系统可靠性设计 第七章 机械零部件的可靠性设计
使用教材
i 1
2)对于可以修复的产品，其寿命是指相邻两次故障间的工 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MTBF
MTBF
1
N
N ni
tij
ni i1 j1
i 1
§1-3 可靠性设计与传统设计之间的异同
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：
1、以应力和强度为随机变量作为出发点 2、应用概率和统计方法进行分析、求解 3、能定量的回答产品的失效概率和可靠度 4、有多种可靠性指标供选择 5、强调设计对产品可靠性的主导作用 6、必须考虑环境的影响 7、必须考虑维修性 8、从整体的、系统的观点出发 9、承认在设计期间及其以后都需要可靠性的增长
4）规定功能 正常工作而不失效 5）概率
§1-2 可靠性尺度
一、可靠度与不可靠度 二、失效率 三、平均寿命
一、可靠度与不可靠度
1、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R表示。
1）0≤R(t) ≤1 2）R(t)=P(E)=P(T≥t) 3）不可靠度记为F,对应的失效概率密度函
该时刻t以后下一个单位时间内发生失效的概率。
设有N个产品，从t=0开始工作，到时刻t时产品的 失效率为n(t)，而到时刻(t+△t)时产品的失效数为 n(t+△t)，即在[t, t+△t)时间区间有△n(t)=n(t+ △t)-n(t)个产品失效，则定义该产品在时间区间[t, t+△t)内的平均失效率为：
3）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。
二、 可靠性的定义
1、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能 力
2、注意的问题
1）对象 可以是零件，也可以是系统 2）使用条件 包括运输条件、环境条件、使用方法等 3）规定时间
可靠度是一个有时间性的定义。可以是区间（0，t），也 可以是行使里程、规定周期、次数等等
联系到可靠度函数看 失效率的定义：表示 系统、机器、设备等 产品一直到某一时刻t 为止尚未发生故障的 可靠度R(t)在下一个 单位时间内可能发生 故障的条件概率。
(t) dF (t) / dt dR(t) / dt f (t)
R(t)
R(t) R(t)
或
(t) d ln R(t)
dt
t
R(t) exp[ (t)dt] 0
三、平均寿命
1、定义：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。
1）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 MTTF
1 N
MTTF
N
ti
4）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。
2、几个基本概念
1）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， 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。
机械可靠性设计的主要内容
1、研究产品的故障物理和故障模型 2、确定产品的可靠性指标及其等级 3、合理分配产品的可靠性指标值 4、以规定的可靠性指标值为依据对零件进行可靠