机械产品可靠性课件合并.pdf

1北京航空航天大学 工程系统工程系北京航空航天大学 工程系统工程系机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析(第二部分)张建国2机械零部件故障模式、原因和机理?故障模式分析?故障模式的基本概念?机械零件典型故障模式分类?失效分析方法?故障原因分析?受力状况?载荷类型?载荷性质?应力状态?工作环境?环境介质与零件失效?环境温度与零件失效?机械设计?材料性能与生产情况?使用维护?故障机理3机械零部件故障模式、原因和机理为什要进行故障模式、故障原因和机理的分析？4故障模式的基本概念?故障模式、失效、机理的基本概念?故障模式－故障模式－国军标GJB451-89《可靠性维修性术语》 中，定义是：故障的表现型式更确切地说，故障模式 一般是对产品所发生的、能被观察或测量到的故障现象 的规范的描述失效－失效－是指由于材料的力学行为而使构件丧失正常功能 的现象?故障机理—故障机理—是指导致产品功能故障或潜在故障的产品自 身的那些物理、化学或生物变化过程等直接原因?故障原因－故障原因－包括了直接原因和间接原因，后者是指由于 其他产品的故障、环境因素和人为因素等引起的间接故 障原因5故障模式分类?机械零件典型故障模式及机理?按失效的宏观特征，可将零件失效分为四大类。

变形失效?断裂失效?磨损失效?腐蚀失效?按失效性质和具体特征，每一类型还可以包括几 个小类，如图所示举例说明故障模式及原因，如表所示举例：在工程中常见的失效实例？62.1 机械零部件的故障模式和机理机械 零件 失效变形 失效断裂 失效过量弹性变形失效过量塑性变形失效脆性断裂失效塑性断裂失效环境介质引起的断裂 （应力腐蚀、氢脆断裂等）疲劳 断裂低周疲劳高周疲劳腐蚀疲劳热疲劳高温疲劳冲击断裂蠕变持久断裂磨损 失效腐蚀 失效均匀腐蚀局部腐蚀氧化磨损粘着磨损磨粒磨损接触疲劳7变形失效?钻床在钻孔时，立柱受 到一个轴向力和一个弯 矩的作用，这个弯矩使 立柱发生弯曲变形，钻 头就不能保持垂直位 置，从而影响了钻孔的 精度，如果立柱弹性变 形过大，也会因此丧失 其正常的功能，这也是 刚度失效8断裂失效空间对接结构在对接过程中由于过载导致主被动锁钩断裂9磨损失效?轴承、齿轮在工作中， 由于磨损而导致失效10腐蚀失效广东某斜拉桥拉索腐蚀失效分析广东某斜拉桥拉索腐蚀失效分析较 少 腐 蚀 段腐 蚀 严 重 段较 少 腐 蚀 段腐 蚀 严 重 段11机械零件故障模式表2-1 金属弹簧故障模式、原因分析12失效分析方法服役条件失效零件失效分析失效类型失效原因工业试验实验室试验提高零件失效抗力加强管理改进工艺提高主要抗力指标改进设计工 艺使 用材 料设 计13基本载荷类型零件受力情况包括：载荷类型、载荷性质、以及载荷在零件中引起的应力状态，作用在零件的载荷可以分为五类：?轴向载荷轴向载荷?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 轴向压缩载荷?例如，受拉的绳索、受拉或压缩的杆件等等?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 ：主应力/最大切应力=2连 杆 在 装 配 与 拉 伸 载 荷 下 的 应 力 分 布角 接 触 轴 承 轴 向 载 荷 计 算14基本载荷类型?弯曲载荷?垂直于零件轴线的载荷，使零件产生弯曲 变形?在弯曲载荷作用下，应力分布规律为为从 表面应力最大改变到中性轴线应力为零?如图中无人飞机主翼梁在弯曲载荷作用 下的应力分布15基本载荷类型?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例如，如图中汽车扭转刚度试验装置图和扭转工况示意图?在扭转载荷作用下，横截面上的切应力的分布规律是：从表面最大 到横截面中心处为零（这里讲的“中心点”，是指扭转中心轴线与 横截面的交点汽车扭转刚度试验装置扭转工况示意图16基本载荷类型剪切载荷?使零件内相邻两截面发生相对错动的作用力表（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 以不考虑在剪切载荷作用下，力大小沿平行于最小切应力的横截 面上均匀的17基本载荷类型?接触载荷接触载荷?两个零件表面间的接触有点 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。

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,如图所示：?在接触载荷作用下，主应力 与最大切应力之比是不定实际零件工作中往往不是只受 单一载荷作用的，而是同时承 受几种类型载荷的复合作用18应力分布情况载荷类型轴向载荷弯曲载荷扭转载荷剪切载荷接触载荷基本载荷类型19载荷性质?静载荷?缓缓地施加于零件上的载荷，或恒定的载荷?冲击载荷?以很大速度作用于零件上的载荷，冲击载荷往往表现为 能量载荷?交变载荷?载荷的大小、方向随时间变化的载荷，其变化可以是周 期性的，也可以是无规则的20交变载荷?对称循环应力?等值交变的拉伸、压缩和剪切应力例如，弯曲载荷作用下的旋转 轴其最大应力和最小应力数值相等但符号相反，其应力比r=-1?脉动循环应力?单向应力，其应力值从零变化到最大，r=0例如一对齿轮传动，转 动方向不变时，齿轮的弯曲应力即为脉动循环应力非对称循环应力?应力值由最小到最大变化，最小应力既可能是正值，也可能负值 例如，连杆螺栓所受的应力随机循环应力?实际运转的机器，由于服役条件可能发生变化，例如，开车、停 车，工作载荷可能有大有小，运转可能时快时慢，所以交变应力的 波形、应力幅大小、方向和周期都随时间而变化。

21交变载荷minσmaxσ mσaσaσ对称循环载荷非对称循环载荷脉动循环载荷对称循环载荷22断口三要素?断口形态?杯锥装?纤维区F：裂纹形成区?杯底中心区，纤维状，无金属光 泽?原因：三向应力状态下，裂纹首 先形成，吸收大量塑性变形功?放射区R：裂纹快速扩展区?中间层，环形，形似山脊?剪切唇S ：最后破坏区?最外层，环形，表面光滑?最终断裂时，在与拉力轴线成45 度的最大切应力作用下，大量滑 移位移造成23断口特征?静载荷或冲击载荷作用下发 生断裂的断口与交变载荷引 起的疲劳断口特征有明显的 不同双向弯曲单向弯曲24点应力定义表示体微元（dx,dy,dz）上应力分布的情况，用符号σ表示垂直于正方体表面的正应力，用符号τ表示平行于正方体表面的剪应力一般情况下，一个点的三轴应力可用九个应力来表示，如图所示九个应力分别是：zyxzyyzzxxzyxxyσσσττττττ,,,,,,,,25应力状态?定义：?零件的应力状态是指通过受载零件任一点所作的各个截 面上的应力状态?分类：?零件的应力状态可分为单向应力，多向应力等软性”应力状态、“硬性”应力状态26应力状态?软性系数表示最大切应力和最大正应力的比值大小,因加载方式的不同，的值不同。

是应力状态的一种标志，称为应力状态的软性系数?把的应力状态称为“软性”应力状态?的应力状态称为“较软性”应力状态?的应力状态称之为“硬性”应力状态?三向等拉伸时的应力状态最硬；单向拉伸、三向不等拉伸 均属“硬性”应力状态；单向压缩、三向不等压缩则属于 “软性”应力状态maxmax στα＝α ()1maxmax>>αστ()1maxmax≈≈αστ ()1maxmax=βξξ——产品故障前的工作时间；t——规定的寿命时间β——可靠度指标Φ(·)_标准正态分布函数10基本概念可靠度表达式：( )( )( ){| () 0}1fX gR tI gfdΩ =X可靠域( )000g⎩X失效状态极限状态可靠状态极限状态方程二维解析表示16基本概念?极限状态方程例：?承受轴向拉力的圆形杆件，圆杆直径d,屈服极限r,轴向拉力F，则 极限状态方程为?受永久载荷作用的薄壁型钢梁，弯矩M，截面抵抗矩W，钢材强 度f ,则极限状态方程为2( , )04Zf r dd rFπ==−=()0,,=−==MWfMfWgZ17基本概念?一受扭矩的圆形截面杆，截面直径为d,所受扭矩为 T，扭转许用切应力为，则极限状态方程为?一受均布载荷q的一段固支，一端自由的梁，长度为 l，自由端所允许的位移最大值为w，弯曲刚度为EI， 则极限状态方程为τ316( , )0TZg d Tdτπ==−=4 ( , , )8qlZg q l wwEI==−18基本随机变量?随机变量?载荷?载荷类型?载荷性质?设计与几何形状及尺寸?工作环境?环境介质与零件失效?环境温度与零件失效?材料性能与生产情况?使用维护情况?实例分析19基本随机变量?随机变量：?常规的机械产品设计使用安全系数安全系数来考虑这种分散特性 的影响 ，对不同分散特性（分布类型和分布参数）的情 况没有区分?机械产品可靠性机械产品可靠性分析理论根据产品基本变量存在的随机 分散特性应用概率论和数理统计的方法，分析计算机械 产品在使用期内满足规定功能的概率?影响应力和强度的因素都可以看成是随机变量?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20不确定模型?概率密度函数、累计分布函 数是概率不确定性模型?PDF和CDF是描述同样数据 的两种不同的方法?CDF是PDF的积分－－更直 接用于设计00.10.20.30.40.5012345678910Xf(x)00.10.20.30.40.50.60.70.80.91012345678910XF(x)x1Fx (x1 )fx (x1 )x121安全系数法S=2500MPas=1000MPaS,s25002.51000n ==22概率设计干涉区干涉区( )f s( )f S25002.51000==安全系数1000MPa2500MPasS023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24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3-1(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?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（表3-1(b)） 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2=）最大切应力（）主应力（ τσ25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（表3-1(c))在扭转载荷作用下，横截面上的切应力的分布规律 是：从表面最大到横截面中心处为零（这里讲的“中心 点”，是指扭转中心轴线与横截面的交点）剪切载荷——使零件内相邻两截面发生相对错动的作用 力表3-1（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 情况下可以不考虑在剪切载荷作用下，力大小沿平行于最小切应力的横 截面上均匀的26载荷?载荷类型?接触载荷——两个零件表面间的接触有点接触、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3-1（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27载荷表3-1 载荷基本类型序应力分布情况载荷类型(a)轴向载荷(b)弯曲载荷(c)扭转载荷(d)剪切载荷(e)接触载荷28载荷?载荷性质 载荷的性质可以分为以下几种：?静载荷——缓缓地施加。