机械可靠性设计2015(公开)

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可靠性设计概述
阿波罗宇宙飞船整个研制的各阶段对可靠性和质量保证的要求
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可靠性设计概述
当前我国在机械可靠性设计方面总体还比较落后
首先表现在认识上。 现有的许多机械设计人员对概率论和数理统计比较生疏。面临一 个知识更新的问题。 缺乏可供机械可靠性设计使用的手册、规范和指南。 机械可靠性试验子样少、周期长，既花钱又耗时 我国的可靠性工作起步较晚，20世纪70年代才开始在电子工业和 航空工业中初步形成可靠性研究体系，并将其应用于军工产品。其他 行业可靠性工作起步更晚，差距更大，与先进国家差距20 ～30年，虽 然国家已制订可靠性标准，但尚未引起所有企业的足够重视。为什么 人们宁愿多花钱买进口汽车、进口设备？究其原因就在于国产的产品 可靠性差。
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六、常规设计与可靠性设计
机械可靠性设计相比常规设计具有以下主要优点： 可靠性设计中应力、强度数值成曲线分布，安全系数也是分布函 数，较科学地反映了实际情况，具有真实性； 在机械可靠性设计中，考虑到强度会随时间的增长而减弱，可靠度 的表达有时间性，由此可靠性设计可以预测零件的寿命； 在可靠性设计中，考虑到环境条件对产品可靠性和寿命的影响，所 以可靠性设计具有环境性； 可靠性设计包括产品从设计制造到使用、管理过程的全生命周期， 所以其具有系统性。
研究的问题较多集中于针对电器产品；
确定可靠性工作的规范、大纲和标准； 组织学术交流等。 在上世纪 60 年代后期，美国约40％的大学设臵了可靠性工程课程。目前 美国等发达国家的可靠性工作比较成熟，其标志性的成果是阿波罗登月计划 的成功。
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三、机械可靠性设计的发展
始于 20世纪60年代美国的航天计划 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 1965年， NASA开始了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，将可靠性设计应用到结构 和机械零部件中
常规设计中，经验性的成分较多，如基于安全系数的设计。 常规设计可通过下式体现：
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六、常规设计与可靠性设计
f
x
f ( F , l , E , ...) [ ] lim S
计算中， F、 l、E、 μ、 lim 等各物理量均视为确定性变量，安全系数则 是一个经验性很强的系数。 上式给出的结论是：若 ≤[]则安全；反之则不安全。 应该说，上述观点不够严谨。首先，设计中的许多物理量分明是随机 变量；基于前一个观点，当 ≤ [ ]时，未必一定安全，可能因随机数的存 在而仍有不安全的可能性。 在常规设计中，代入的变量是随机变量的一个样本值或统计量，如均 值。按概率的观点，当 μζ= μ [ζ]时， ≤[ ]的概率为 50%，即可靠度为 50%， 或失效的概率为 50%，这是很不安全的。
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八、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、可靠性预测。 4、合理分配产品的可靠性指标值。 5、以规定的可靠性指标值为依据对零部件进行可靠性设计。 十、机械可靠性设计步骤 1 、明确可靠性要求。
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2 、调查分析与所要设计的相似产品的使用情况，如常见故障 模式、故障发生频率、成功的设计经验等。 3 、可靠性分配。 4 、进行可靠性分析，确定可靠性关键件。 5 、可靠性定性设计。 6 、可靠性定量设计。 7 、可靠性分析计算和设计评价。
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f
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显然有必要在设计之中引入概率的观点，这就是概率设计，是可靠 性设计的重要内容。 概率设计就是要在原常规设计的计算中引入随机变量和概率运算， 并给出满足强度条件（安全）的概率 ─可靠度。 机械可靠性设计是常规设计方法的进一步发展和深化，它更为科学 地计及了各设计变量之间的关系，是高等机械设计重要的内容之一。
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六、常规设计与可靠性设计
机械可靠性一般可分为结构可靠性和机构可靠性。 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。 定性可靠性设计是在进行故障模式影响及危害性分析基础上，有 针对性应用成功的设计经验使所设计的产品达到可靠性的目的。 定量可靠性设计是在充分掌握所涉及零件的强度分布和应力分布 以及各种设计参数的随机分布基础上，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。 机械可靠性定性设计方法是目前开展机械可靠性设计的一种最直 接最有效的常用方法。 可靠性定量设计目前因具体数据比较缺乏，一般在关键或重要的零 部件设计时采用。
零件、部件、机器、机组，甚至可以包含人的因素。
规定的条件：一般指的是使用条件、维护条件、环境条件、操作技术等。
如载荷、温度、压力、湿度、磨损、腐蚀、振动等。这些条件必须在使用 说明书中加以规定，是判断发生故障时有关责任方的关键。
规定的时间：产品的可靠性与时间（使用期限）密切相关，其可靠度是
一个有时间性的定义，是随时间而降低的。对时间性的要求一定要明确。 时间可以是区间（0， t），也可以是区间（t1，t2），甚至可以用其他的指 标，如汽车、摩托车常用行驶里程（距离），滚动轴承常用转动圈数。
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指导用户对产品的正确使用，制定科学的产品维修保养周期和方法， 提供优良的维修保养服务来维持产品的可靠性。
固有可靠性：由设计所决定的产品固有的可靠性； 使用可靠性：在特定的使用条件下产品体现出的可靠性； 环境适应性：产品所处的环境条件对产品可靠性的影响。
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可靠性设计概述
六、常规设计与可靠性设计
可靠性设计概述
七、可靠性工作的特点
可靠性是涉及多种科学技术的新兴交叉学科，涉及数学、失效物理学、 设计方法与方法学、实验技术、人机工程、环境工程、维修技术、生产管 理、计算机技术等； 可靠性工作周期长、耗资大，非几个人、某一个部门可以做好的，需 全行业通力协作、长期工作； 目前，可靠性理论不尽成熟，基础差、需发展。 与其他产品相比机械产品的可靠性技术有以下特点： 因设计安全系数较大而掩盖了矛盾，机械可靠性技术落后； 机械产品的失效形式多，可靠性问题复杂； 机械产品的实验周期长、耗资大、实验结果的可参考性差； 机械系统的逻辑关系不清晰，串、并联关系容易混淆；
九、机械可靠性设计的主要方法
1、概率设计法。 2、故障树分析法（FTA）。 3、失效模式、影响及危害性分析法（FMECA）。
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8、可靠性增长。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
可靠性设计概述
十一、机械可靠性定性设计准则 1、简单化设计准则。 2、模块化、组件化、标准化设计准则。 一、可靠性定义 可靠性： (Reliability)
阿波罗宇宙飞船整个研制的各阶段针对可靠性所做的工作流程
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可靠性设计概述
五、可靠性工程的主要内容
可靠性基础理论：数学、失效物理学(疲劳、磨损、蠕变机理）等； 可靠性工程：可靠性分析、设计、试验、使用与维护等；
可靠性设计概述
五、可靠性工程的主要内容
2、可靠性分析与试验 为可靠性设计提供理论根据 3、可靠性制造、检验与管理 采用能够确保可靠性的制造工艺进行制造，完善质量管理与检验以保 证产品的可靠性。 4、可靠性使用与维修
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提高产品的可靠性，可以减少停机时间和维护人员，提高产品 使用率。
可靠性设计概述
四、可靠性工作的意义
1、产品的可靠性与企业的生命、国家的安全紧密相关；
可靠性设计概述
五、可靠性工程的主要内容
2、产品性能的优化、结构的复杂化要求有很高的可靠性；
3、产品更新速度的加快，使用场所的广泛性、严酷性，要 求有很高的可靠性； 4、产品竞争的焦点是可靠性； 5、大型产品的可靠性是一个企业、一个国家科技水平的重 要标志。
可靠性管理：可靠性规划、评审、标准、指标及可靠性增长；
可靠性工程涉及面较广，需要从科研、设计、试验、制造、运输、 贮存、直到使用和维护等方面，进行研究和实施的工作。 1 、可靠性设计 在机械可靠性设计中，将载荷、材料性能、零部件尺寸等物理变量， 都看做属于一定概率分布的随机变量，通过对这些随机变量进行分析运 算，得到较为合理的设计变量取值范围，进而根据设计需要的可靠度指 标确定设计参数。 可靠性预测是可靠性设计的重要内容之一 系统可靠性分析和可靠性指标分配也是可靠性设计的重要内容
机械可靠性设计基础
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。
3、降额设计和安全裕度设计准则。
4、合理选材准则。 5、冗余设计准则。 6、耐环境设计准则。 7、失效安全设计准则。 8、防错设计准则 9、维修性设计准则 10、人机工程设计准则。
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产品：指作为单独研究和分别试验的对象，是泛指的。可以是元件、组件、
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可靠性设计概述
四、可靠性工作的意义
2 、可靠性高的产品具有实用性
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四、可靠性工作的意义
3、可靠性高的产品能创造大的经济效益 要想在竞争中立于不败之地，就要狠抓产品质量，特别是产品可 靠性，没有可靠性就没有质量，企业就无法在激烈的竞争中生存和发 展。 日本的汽车、家用电器等产品，虽然在性能、价格方面与我国彼 此相仿，却能占领美国以及国际市场。主要的原因就是日本的产品可 靠性胜过我国一筹。美国的康明斯、卡勃彼特柴油机，大修期为 12000小时，而我国柴油机不过1000 小时，有的甚至几十小时、几百 小时就出现故障。我国生产的电梯，平均使用寿命（指两次大修期的 间隔时期）为3年左右，而国外的电梯平均寿命在10年以上，是我们 的 3倍；故障率，国外平均为0.05次，而我国为1次以上，高出 20倍， 这样的产品怎么有竞争力呢！
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1957年提出了《军用电子设备可靠性报告》 (AGREE报告 )该报告首次比 较完整地阐述了可靠性的理论与研究方向。被公认为可靠性工程的奠基性文 件。从此，对可靠性问题的研究逐渐发展成为一门新兴的独立学科。 除美国以外，还有前苏联、日本、英国、法国、意大利等一些国家，也 相继从 50年代末或60年代初开始了有组织地进行可靠性的研究工作。 本阶段工作的特点：
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机械可靠性设计基础
一、可靠性定义
规定的功能：要明确产品规定功能的内容。所谓“完成规定功能”是
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可靠性设计概述
六、常规设计与可靠性设计
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S 应力
r 强度
S
极限
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R P( s S )
判断一个零件是否安全可靠，是以强 度大于应力所发生的概率来表示。能 定量回答零件在运行中的安全和可靠 程度，预测零件的寿命。
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S 应力
r 强度
安全系数未能定量反映影响零件强 度的许多非确定因素，不能回答零 件在运行中有多大可靠程度。
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四、可靠性工作的意义 可靠性是产品质量的一项重要指标。
重要关键产品的可靠性问题突出，如航空航天产品； 量大面广的产品，可靠性与经济性密切相关，如洗衣机等； 高可靠性的产品，市场的竞争力强； 1、可靠性高的产品具有安全性 提高产品的可靠性，可以防止事故和 故障的发生，尤其避免灾难性事故的发生。
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一、可靠性发展简史
1939年，英国航空委员会出版《适航性统计学注释》，首次提出飞机故 障率不应超过0.00001次／h，这可以认为是最早的飞机安全性和可靠性定量 指标。 第二次世界大战：可靠性问题突出的时期； 二战末期，德国火箭专家R· 卢瑟 (Lusser)首先提出概率乘积法则（将系 统的可靠度看成其各子系统可靠度的乘积），用于V-Ⅱ火箭诱导装臵的可靠 度计算，得到其可靠度为75％，这是第一次定量地计算一个复杂系统的可靠 度问题。 上世纪五十年代：开始系统地进行可靠性研究，主要的工作是由美国军 事部门展开。 1952年，美国军事部门、工业部门和有关学术部门联合成立了“电子设备 可靠性咨询组” —AGREE小组。（Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment ）