《机械可靠性设计》ppt课件

1、4.1 关于机械可靠性设计的几个问题,4.2 可靠性的概念和指标,第四章 机械可靠性设计,4.3 可靠性设计方法举例,4.4 系统的可靠性设计,4.5 可靠性设计方法举例,4.6 系统的可靠性设计,4.1 关于机械可靠性设计的几个问题,后来就做出一种推断：关于真空管的制造技术，有超出以往制造技术和检查能力以外的某种特性，当它被掌握和发现以后，是可以防止故障的。这种特性就是“可靠性”。,一、为什么要研究可靠性的问题,可靠性设计是第二次世界大战时由一只真空管引起的。 当时美国在远东军事基地有60的军用飞机电子装置处于故障状态，检查结果是由于真空管发生了故障。但出故障的真空管却是完全符合出厂指标的，虽然多次检查仍找不出原因。,后来在设计、制造和检查中考虑了可靠性，结果大大减少了故障。这样，“可靠性”设计的问题就提出来了。,可靠性问题的提出：,可靠性问题日益受到重视的原因：,1）由于市场竞争激烈，产品更新快，许多新元件、新材料、新工艺等未及成熟试验就被采用，因而造成故障。,2）随着产品或系统日益向大容量、高性能参数发展，尤其是机电一体化技术的发展，使整机或系统变得复杂，零、部件的数量大增，致使

2、其发生故障的机会增多，往往由于一个小零件、小装置的失效而酿成大事故。,3）为了维护用户的利益，在一些工业国家中实行产品责任索赔办法。,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。,建国以来，我国机电产品发展迅速，取得了很大成绩。,但与国外相比，我国机电产品的可靠性普遍较低。,二、我国机电产品可靠性现状,可靠性问题加剧了我国机电产品出口出不去，进口挡不住的局面。,传统的机械零件设计方法是以计算安全系数为主要内容的。,安全系数法对问题的提法是：零件的安全系数（等于零件的强度除以零件的应力；即n=F/S)是多大?,机械可靠性设计方法认为：零件的应力、强度以及其他的设计参数，如载荷、几何尺寸和物理量等都是多值的，即呈分布状态。,三、为什么会出现可靠性的问题,撇开管理方面的因素不谈，仅就技术理论方面而言：,在计算安全系数时，零件材料的强度F和零件所承受的应力S都是取单值的。,假设强度分布和应力分布都是正态分布。,零件是否安全，不仅取决于平均安全系数的大小， 还取决于强度分布和应力分布的离散程度。,对于同样大小的强度平均值F和应力平均值s， 如果应力和强度两个分布的尾部不发生重

3、叠， 则零件不致于破坏。,传统的按安全系数方法进行机械零件的设计是不合理的。,但是，在零件工作过程中，随着时间的推移和环境等因素的变化以及材料强度的老化等原因，将可能导致应力分布和强度分布的尾部发生干涉。即有可能出现应力大于强度的工作条件，此时零件将发生失效。,四、机械可靠性设计的内容,可靠性学科的内容包括：,可靠性理论基础如可靠性数学，可靠性物理,2)可靠性应用技术如失效分析，零件、机器和系统的可靠性设计和预测，可靠性评价和验证，可靠性规范等。,可靠性设计的内容：可靠性预测、可靠性分配。,可靠性预测是从所得的失效数据预报一个零、部件或系统 实际可能达到的可靠度，预报这些零、部件或系统 在规定的条件下和在规定的时间内，完成规定功能 的概率。,4.2 可靠性的概念和指标,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。,可靠性尺度,1)可靠度(Reliability)；,2)失效率或故障率(FailureRate)；,3)平均寿命(MeanLife)；,4)有效寿命(UsefulLife)；,5)维修度(Maintainability)；,6)有效度(Availability)；

4、,7)重要度(Importance)。,有了尺度，则在设计和生产时就可用数学方法来计算和预测，也可以用试验方法来评定产品或系统的可靠性。,一、可靠度和失效率,可靠度: 零、部件在规定的寿命期限内，在规定的使用条件下，无故障地进行工作的概率。,对总数为N个零件进行试验，经过t时间后，有NQ(t)件失效，NR(t)件仍正常工作，那么该类零件的可靠度R(t)定义为：,零件失效的概率或零件的故障概率Q(t)定义为：,在规定的使用条件下，可靠度是时间的函数，用R(t)表示。,常用故障频数直方图来反映某类零件发生故障的概率。,横坐标取为某类零件的寿命间隔；,纵坐标表示某类零件在各寿命间隔内发生故障的个数（或频次）。,故障概率密度函数f(t),二、三种失效率失效模式,产品的失效(或故障)有其规律。, 大量的研究表明，机电产品零件的典型失效率曲线，明显可划分为三个区域：早期失效区域、正常工作区域和功能失效区域。,1）早期失效区域的失效率较高，故障率由较高的值迅速下降。一般属于试车的跑合期。,2）正常工作区域出现的失效具有随机性，故障率变化不太大，有的微微下降或上升。可以称为使用寿命期或偶然故障期。在此

5、区域内，故障率较低。,3）功能失效区域的失效率迅速上升。一般情况下，零件表现为耗损、疲劳或老化所致的失效。,失效率曲线的三个区域反映了零件的三种故障模式，它们均具有一定的概率分布特性。,在机械可靠性研究中常用的几种概率分布,指数分布的均值,1指数分布,当失效率为常数，即(t)= 时，可靠度,失效概率密度函数,大量实际工作表明：处于稳定工作状态的机械、电子或机电系统的故障率基本上是常数。,正常使用期内由于偶然原因而发生的失效就常用指数分布来描述。,方差,2正态分布,产品的性能参数，如零件的应力和强度等多数是正态分布 部件的寿命也多是正态分布,正态分布的概率密度函数,3韦布尔分布,零件的疲劳寿命和强度等都可以用韦布尔分布来描述。,正态分布、指数分布等都是它的特例。,韦布尔分布的失效率密度函数：,位置参数 仅影响曲线起点的位置，对曲线的形状没有影响。取 =0，上式变成两参数韦布尔分布失效概率密度函数。,b: 形状参数，: 尺度参数，: 位置参数,三参数韦布尔分布失效概率密度函数,三、平均寿命,平均寿命又称平均失效时间(MTBF)，它是失效的平均间隔时间，即平均无故障工作时间。,寿命t的均值当

6、然就是平均失效时间MTBF，,4.3 可靠性设计方法举例,利用正态分布函数表进行零件可靠度的计算,方法：根据可靠性系数 和R(t)的相应数值表直接 算出可靠性R(t)的值。,可靠度计算,，且服从正态分布,：强度和应力的差值大于零的概率,4.4 系统的可靠性设计,系统的可靠性设计有两个方面的含义：可靠性预测、可靠性分配。,系统的可靠性预测：按系统的组成形式，根据已知单元和 子系统的可靠度来计算系统的可靠度。,系统的可靠性分配：将已知的系统可靠性指标合理地分配 到各子系统和单元上去，从而求出各 单元应具有的可靠度。,系统常由许多子系统组成，而每个子系统又可能由若干单元(如零、部件)组成。,一、系统模型,1串联系统,系统由若干个单元或子系统组成，当任一个单元失效时，都会导致产品或整个系统失效，则称这种系统为串联系统。,在由若干个单元组成的系统中，只要有一个单元仍在发挥其功能，产品或系统就能维持其功能；或者说，只有当所有单元都失效时系统才失效，这样的系统称为并联系统。,2并联系统,3混联系统,混联系统是由一些串联的子系统和并联的子系统组合而成的。,可分为：,串并联系统(先串联后并联的系统),并

7、串联系统(先并联再串联的系统),混联系统的模型,4备用冗余系统,在产品或系统中，将同功能单元或部件重复配置以作备用；当其中一个单元或部件失效时，用备用的来替代以继续维持其功能，这种系统称为备用冗余系统。,特点：有一些并联单元，但它们在同一时刻不全部投入运行。,备用冗余系统的模型,5复杂系统,6表决系统,组成系统的n个单元中，只要有K个单元不失效，系统就不会失效，这样的系统称为n中取K系统。,例：有4台发动机的飞机，设计要求至少有2台发动机正常工作飞机才能安全飞行，这种发动机系统就是表决系统，它是一个24系统。,二、系统的可靠性预测,根据系统的可靠性模型，由单元的可靠度通过计算预测出系统的可靠度。,1串联系统的可靠度计算,串联系统的可靠度为,由于0Ri(t) l，则串联系统的可靠度将因其组成单元数的增加而降低，且其值要比可靠度最低的那个单元的可靠度还低。,最好采用等可靠度单元组成系统，并且组成单元越少越好。,若串联系统各单元的可靠度函数服从指数分布， 则系统的失效率等于各组成单元失效率之和。,系统的平均无故障工作时间,2并联系统的可靠度计算,系统的失效概率或故障概率,由于1-Ri(t)是

8、个小于l的数，则并联系统的可靠度总是大于系统中任一个单元的可靠度。,组成并联系统的单元越多，系统的可靠度越大。,当单元的可靠度函数为指数分布，且每个单元的可靠度函数都相等时，并联系统的可靠度为：,另一种算法：,3混联系统的可靠度计算,混联系统是串联和并联系统的组合，它们的可靠度计算可直接参照串联和并联系统的公式进行。,也可以采用“等效单元”的办法进行计算：即首先把其中的串联和并联系统分别进行计算，得出“等效单元”的可靠度，然后再就等效单元组成的系统进行综合计算，从而给出系统的可靠度。,例,4备用冗余系统的可靠度计算,假定贮备单元在储备期时间，内不发生故障，且转换开关(自动或手动的)是完全可靠的。,当各单元的可靠度函数是指数分布，并且,系统的可靠度,系统的平均无故障工作时间,5表决系统的可靠度计算,设表决系统中每个单元的可靠度为R(t)，则系统的可靠度为,6复杂系统的可靠度计算,当系统可以分解为串联、并联和混联系统时，复杂系统可靠度的计算就可以按照前面说明的方法进行。,不能简单地分解成串联、并联等子系统来进行计算的系统，可以采用分解法、布尔真值表法 、卡诺图法进行计算。,（1）分解法,首

9、先选出系统中的关键单元以简化系统；,然后根据这个单元是处于正常的或失效的两种状态， 采用全概率公式计算系统的可靠度。,例,(2)布尔真值表法(状态穷举列表法),把系统模型看成一个开关网络，每一单元只有工作状态和失效状态这两种状态。,然后把系统的所有可能状态列举出来组成布尔真值表。,列表时用“0”代表单元失效，“1”代表单元工作；F代表系统失效，S代表系统工作。,把系统所有能正常工作的状态的概率相加，就是系统能正常工作的概率，即系统的可靠度。,例,(3)卡诺图法,例,三、系统的可靠性分配,可靠性分配：系统的可靠度目标确定后，进一步把它分配 给组成系统的零、部件或子系统。,1等同分配法,分配的方法,全部子系统或各组成单元的可靠度相等。,串联系统,并联系统,2按可靠度变化率的分配方法,串联系统,RS(t)对某单元i的可靠度Ri(t)的变化率,如果要用改变一个单元可靠度的办法来提高串联系统的可靠度，就应当提高可靠度最低的那个单元的可靠度。,各组成单元的可靠度各不相同，其中必有一个最小的。,假设第 k 个单元的可靠度最小，则 RS(t) 对 Rk(t) 的变化率最大。,按可靠度变化率的分配方法：按系统可靠度对单元可靠度的变 化率进行单元可靠度分配的方法。,并联系统,RS(t)对某单元i的可靠度Ri(t)的变化率,如果要用改变一个单元可靠度的办法来提高并联系统的可靠度，就应当提高可靠度最大的那个单元的可靠度。,各组成单元的可靠度各不相同，其中必有一个最大的。,假设第 k 个单元的可靠度最大，则 RS(t) 对 Rk(t) 的变化率最大。,3按相对失效率比的分配方法,按相对失效率比的分配方法：按照单元预计的失效率越大，分配给它的失效率也越大的原则进行系统失效率分配的方法。,串联系统,串联系统各子系统的预计失效率为i,取各子系统作失效率分配时的加权系数,由,分配给各子系统的失效率为,i(t)= i S(t),相应的可靠度为,Ri(t)= e-i(t),1)求加权系数,2)求系统失效率,3)求分配给子系统的失效率,4)求分配给子系统的可靠度,4AGREE法,AGREE法又称为按重要度的分配方法。,考虑了各单元的复杂性、重要性及工作时间等的差别 是

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