04 第四章 机械可靠性设计.pptx

第1页：第四章 机械可靠性设计课件封面

现代机械设计方法：本册内容为第四章 机械可靠性设计，主讲教师白清顺。

第2页：第四章机械可靠性设计章节标题页

第四章机械可靠性设计：本课件讲解机械可靠性设计，从可靠性问题的成因与我国机电产品现状出发，说明可靠度、失效率、平均寿命等指标体系与三种失效模式，并给出串联、并联、混联等系统可靠性预测与分配方法。

第3页：为什么要研究可靠性的问题

为什么要研究可靠性的问题：–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。–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。

–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。–产品或系统可靠性的提高可使生产者和用户都将受益，并产生较好的社会效益。

第4页：我国机电产品可靠性现状

我国机电产品可靠性现状

• 汽车
• 电子产品–如：芯片的生产方式–阻碍新技术的应用
• 如：航天研究中的新技术应用

第5页：为什么会出现可靠性问题

为什么会出现可靠性问题

• 计算安全系数时认为材料的强度F和零件所承受的应力S都是取单值的。
• 如：数控机床的制造问题

第6页：为什么会出现可靠性问题（续）

为什么会出现可靠性问题（续）：为什么会出现可靠性问题–可靠性设计•假设强度分布和应力分布都是正态分布

第7页：为什么会出现可靠性问题（续2）

为什么会出现可靠性问题（续2）：为什么会出现可靠性问题

第8页：安全系数与失效概率的变化

安全系数与失效概率的变化：为什么会出现可靠性问题138此时安全系数为3s和F按比例右移后失效概率的变化

第9页：均值移动后的失效概率

均值移动后的失效概率：此时安全系数仍为326失效概率产生变化三、为什么会出现可靠性问题s和F按比例右移后失效概率的变化

第10页：为什么会出现可靠性问题（续3）

为什么会出现可靠性问题（续3）：为什么会出现可靠性问题

第11页：为什么会出现可靠性问题（续4）

为什么会出现可靠性问题（续4）：为什么会出现可靠性问题–平均安全系数保持不变，但是由于强度平均值和应力平均值的改变，可靠度也将随着改变。–保持强度平均值和应力平均值不变，但是标准离差的改变，可靠度也将随着改变。

通过上面的简单分析和说明，可以看出，传统的按安全系数方法进行机械零件的设计是不合理的，它是一种陈旧的概念和设计方法。

第12页：机械可靠性设计的内容

机械可靠性设计的内容：–可靠性理论基础。如可靠性数学、可靠性物理、可靠性设计技术、可靠性环境技术、可靠性数据处理技术、可靠性基础实验以及人在操作过程中的可靠性等。

–可靠性应用技术。如使用要求调查，现场数据收集和分析，失效分析，零件、机器和系统的可靠性设计和预测，软件可靠性，可靠性评价和验证，包装、运输、保管和使用的可靠性规范，可靠性标准等。

第13页：机械可靠性设计的内容（续）

机械可靠性设计的内容（续）：机械可靠性设计的内容–可靠性涵盖管理、设计、分析、理论、数据、试验和评价等分支。–可靠性设计问题★（可靠性预测、可靠性分配）

第14页：可靠性：产品

可靠性：产品

• 故障：产品丧失规定的功能。
• 维修度：可以维修的产品在规定条件下使用，在规定的时间内按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能的能力。
• 有效度：可以维修的产品在某时刻所具有的或能维持规定功能的能力。

第15页：产品完成的规定功能

产品完成的规定功能

• 性能不超过规定范围的“性能可靠性”
• 结构不断裂破损的“结构可靠性”
• 狭义可靠性和广义可靠性广义可靠性可用性保险期狭义可靠性性能可靠性结构可靠性

第16页：可靠性的指标

可靠性的指标：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)7)重要度(Importance)

本页以公式推导为主，源文件提取的数学符号存在粘连，建议对照原课件图片核对公式。

第17页：可靠度和失效率

可靠度和失效率：一 –可靠度——是时间的函数产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。–故障（失效）概率可靠度可靠度故障概率故障概率

第18页：可靠度和失效率（续）

可靠度和失效率（续）：可靠度和失效率–故障分布函数–故障概率密度函数（在时间t附近的单位时间内失效的产品数和产品总数之比）

第19页：可靠度和失效率（续2）

可靠度和失效率（续2）：可靠度和失效率–故障分布函数•累计故障概率密度函数–可靠度–失效率t-∞N19

第20页：可靠度和失效率（续3）

可靠度和失效率（续3）：可靠度和失效率–失效率N11R(t)f(t)dN(t)QR(t)ndt(t)在时刻t仍正常工作着的每一个零件在下一单位时间内发生故障（失效）的概率

第21页：可靠性的概念和指标：可靠度和失效率

可靠性的概念和指标：可靠度和失效率：可靠度和失效率0.0312/年3.12% /年(1004)174(5)0.36% /103小时(1004)8.7610374(5)如果时间以103小时为单位，则1年=8.76×103小时在时刻t仍正常工作着的每一个零件在下一单位时间内发生故障（失效）的概率例题：设有1000个某种器件，工作5年失效4件，工作6年失效7件。

求t=5年的失效率。如果时间单位为1年，则

本页以公式推导为主，源文件提取的数学符号存在粘连，建议对照原课件图片核对公式。

第22页：可靠度与失效率的关系式

可靠度与失效率的关系式：可靠度和失效率0t(t)dtlnR(t)可靠度与失效率之间的关系–失效率可靠度与失效率之间的关系经过理论推导可得：2200ttR(t)expe[(t)dt][(t)dt]

第23页：可靠度故障概率故障分布函数故障概

可靠度故障概率故障分布函数故障概：率密度函数失效率失效率1123f(t)R(t)dN(t)QR(t)ndt(t)

第24页：三种失效率

三种失效率：失效模式机电产品零件的典型失效率曲线（失效或故障模式）机电产品零件的典型失效率曲线（失效或故障模式）

第25页：思考题

思考题：1.试从材料性能和工艺方面分析机械结构出现“可靠性”问题的原因？传统的安全系数方法在某些条件下存在显著地不合理性，机械零件的应力和强度呈现分布状态。

2.可靠性的数值标准主要包括哪些具体的指标？1可靠度失效率或故障率平均寿命……25第四章机械可靠性设计

第26页：第四章 机械可靠性设计过渡页

本页为分册过渡页，标注课程名称现代机械设计方法与主讲教师白清顺，其后进入4.2 可靠性的概念和指标。

第27页：第四章机械可靠性设计章节分隔页2

第四章机械可靠性设计：本课件讲解机械可靠性设计，从可靠性问题的成因与我国机电产品现状出发，说明可靠度、失效率、平均寿命等指标体系与三种失效模式，并给出串联、并联、混联等系统可靠性预测与分配方法。

第28页：三种失效率（续）

三种失效率（续）

• 指数分布–失效概率为常数–功能失效
• 正态分布–均值—正态分布曲线的位置–标准差（方差）—正态分布曲线的形状（标准正态分布）–零件的疲劳寿命和强度
• 韦布尔分布指数分布指数分布正态分布正态分布

第29页：平均寿命

平均寿命：–平均寿命又称平均失效时间(MTBF)，它是和可靠性有关的很有用的数量指标。它是失效的平均间隔时间，即平均无故障工作时间。

MTBF：MeanTimeBetweenFailureMTBF：MeanTimeBetweenFailure29

第30页：–主要设计

–主要设计

• 应力强度干涉理论
• 期望、标准差
• 平均寿命、可靠度–设计方法
• 查表
• 数值积分

第31页：系统的组成

系统的组成：–单元→子系统→系统•可靠性设计的含义–可靠性预测：按照系统的组成形式，根据已知单元和子系统的可靠度计算求得。（自下而上）–可靠性分配：将已知系统的可靠性指标合理地分配到其组成的各子系统和单元上去，从而求得各单元的可靠度。

（自上而下）

第32页：系统模型

系统模型：1.串联系统

第33页：并联系统

并联系统：系统模型2. 只有当所有单元都失效时，系统才失效。例如：民用客机的发动机驱动系统

第34页：混联系统的两种形式

混联系统的两种形式：系统模型3.混联系统串-并联系统并-串联系统

第35页：备用冗余系统例如

备用冗余系统例如：系统模型4. ：飞机起落架的收放系统

第36页：复杂系统

复杂系统：系统模型5

第37页：系统模型（续2）

系统模型（续2）：系统模型6.表决系统•如果组成系统的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，简写成K/n系统。

第38页：冷贮备系统与热贮备系统

冷贮备系统与热贮备系统

• 严格地说，上述六种系统中，除串联系统外，都可称为冗余系统或贮备系统。因为并联、混联、等待系统等等，实际上也都是部分单元在工作，而另一些单元是作为备用的。
• 备用冗余系统又可分为：冷贮备系统和热贮备系统两类。贮备单元在贮备期间没有失效的叫冷贮备系统；而贮备单元在贮备期间可能失效时，则称为热贮备系统。因此，并联系统和表决系统是热贮备系统。

第39页：系统的可靠性预测

系统的可靠性预测

• 串联系统的可靠度因其组成单元数的增加而降低，且其值要比可靠度最低的单元的可靠度还要低。因此，最好采用等可靠度单元组成系统，并且组成单元越少越好。
• 对于串联系统，虽然提高其组成单元的可靠度或降低它们的失效率可以提高整个系统的可靠度，但提高单元可靠度必将提高产品的制造成本，因此宜权衡其得失。例如，对于一个由10个单元组成的串联系统。假定这10个单元的可靠度相同，则当失效率从10%降低到1%，系统的可靠度将从0.0026%升高到36.6%。然而，这个数值对一般产品或系统来说，并不是很理想的。但失效率从10%降到1%却是件不容易的事。

第40页：并联系统的可靠度计算

并联系统的可靠度计算：如果把同种零、部件进行并联组合，却可在不提高零件可靠度(即不降低失效率)的条件下，提高产品或系统的可靠度。二.系统的可靠性预测2.并联系统的可靠度计算•这类系统只有当所有组成单元都失效时系统才失效。

第41页：系统的可靠性预测（续）

系统的可靠性预测（续）

• 混联系统是串联和并联系统的组合，其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。

第42页：系统的可靠性预测（续2）

系统的可靠性预测（续2）：系统的可靠性预测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t内不发生故障，且转换开关是完全可靠的。则当各单元的可靠度函数是指数分布，并且各单元的失效率相等且为λ时，则系统的可靠度为：42

第43页：系统的可靠性预测（续3）

系统的可靠性预测（续3）

• 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述方法进行。
• 但在实际中，有的系统是不能简单地分解成串联、并联等来进行计算的。例如，桥式网络系统和非串、并联系统就是这类系统。对这类复杂系统，可以采用分解法、布尔真值表法或卡诺图法计算。

第44页：表决系统的可靠度计算•设

表决系统的可靠度计算•设：系统的可靠性预测6. 表决系统中每个单元的可靠度为R(t)，则系统的可靠度为：44

第45页：系统的可靠性分配（6种方法）

系统的可靠性分配（6种方法）

• 等同分配法
• 按可靠度变化率的分配方法
• 按相对失效率比的分配方法
• 按重要度的分配方法（AGREE）
• 按相对失效率比和重要度的分配方法
• 花费最小的分配方法

第46页：失效模式

失效模式：影响和严重度分析（FMECA）失效树分析法（FTA）

第47页：维修度：产品发生故障后尽快修复到

维修度：产品发生故障后尽快修复到：正常状态的能力。对可以修复的产品或系统，在规定的条件下，按规定的程序和方法，在规定的时间内，通过维修保持和恢复到能完成规定功能状态的概率。

M(t)1etμ：修复率有效度：产品或系统在特定的瞬时能维持其功能的概率。

第48页：系统的可靠性计算有几种？

系统的可靠性计算有几种？：1.以3-4个零件组成的机构为例，采用失效树分析法进行定性的失效分析？失效树图故障概率……2.系统的可靠性计算有几种？说明它们在设计中的作用。

1串联系统的可靠度计算2并联系统的可靠度计算3混联系统的可靠度计算……48第四章机械可靠性设计

第49页：本章小结

本章小结：第四章机械可靠性设计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4.3可靠性设计方法举例4.4系统的可靠性设计令传统设计与可靠性设计令可靠性设计的意义令平均寿命令维修度令……令可靠度令故障概率令失效率三种失效率——失效模式4.5失效分析方法4.6维修度和有效度令系统模型令可靠性预测令可靠性分配