【正文】 可靠性設(shè)計(jì) 可靠性設(shè)計(jì) 可靠性設(shè)計(jì)概述 可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 可靠性設(shè)計(jì)基本方法 機(jī)械系統(tǒng)的可靠性分析 機(jī)械系統(tǒng)的故障分析 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度可靠度分析 可靠性設(shè)計(jì)概述 可靠性是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。 可靠性長(zhǎng)期以來是人們?cè)O(shè)計(jì)制造產(chǎn)品時(shí)的一個(gè)追求目標(biāo)。 但是將可靠性作為設(shè)計(jì)制造中的定量指標(biāo)的歷史卻還不長(zhǎng)，相關(guān)技術(shù)也尚不成熟，工作也不普及。 一、可靠性發(fā)展簡(jiǎn)史 第二次世界大戰(zhàn)：可靠性問題突出的時(shí)期； 上世紀(jì)五十年代：開始系統(tǒng)地進(jìn)行可靠性研究，主要的工作是由美國(guó)軍事部門展開。 1952年，美國(guó)軍事部門、工業(yè)部門和有關(guān)學(xué)術(shù)部門聯(lián)合成立了“電子設(shè)備可靠性咨詢組” — AGREE小組。（ Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment） 1957年提出了 《 電子設(shè)備可靠性報(bào)告 》 (AGREE報(bào)告 )該報(bào)告首次比較完整地闡述了可靠性的理論與研究方向。從此，可靠性工程研究的方向才大體確定下來。 概述 2 可靠性設(shè)計(jì)概述 除美國(guó)以外，還有前蘇聯(lián)、日本、英國(guó)、法國(guó)、意大利等一些國(guó)家，也相繼從 50年代末或 60年代初開始了有組織地進(jìn)行可靠性的研究工作。 在上世紀(jì) 60年代后期，美國(guó)約 40％的大學(xué)設(shè)臵了可靠性工程課程。目前美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的可靠性工作比較成熟，其標(biāo)志性的成果是阿波羅登月計(jì)劃的成功。 本階段工作的特點(diǎn)： ? 研究的問題較多集中于針對(duì)電器產(chǎn)品； ? 確定可靠性工作的規(guī)范、大綱和標(biāo)準(zhǔn)； ? 組織學(xué)術(shù)交流等。 國(guó)內(nèi)的可靠性工作起步較晚，上世紀(jì) 50年代末和 60年代初在原電子工業(yè)部的內(nèi)部期刊有介紹國(guó)外可靠性工作的報(bào)道。 發(fā)展最快的時(shí)期是上世紀(jì) 80年代初期，出版了大量的可靠性工作專著、 國(guó)家制定了一批可靠性工作的標(biāo)準(zhǔn)、各學(xué)校由大量的人投入可靠性的研究。 概述 3 但國(guó)內(nèi)的可靠性工作曾在 90年代初落入低谷，在這方面開展工作的人很少，學(xué)術(shù)成果也平平。主要的原因是可靠性工作很難做，出成果較慢。 許多工業(yè)部門將可靠性工作列在了重要的地位。如原航空工業(yè)部明確規(guī)定，凡是新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品或改型的產(chǎn)品，必須提供可靠性評(píng)估與分析報(bào)告才能進(jìn)行驗(yàn)收和堅(jiān)定。 但在近些年，可靠性工作有些升溫，這次升溫的動(dòng)力主要來源于企業(yè)對(duì) 產(chǎn)品質(zhì)量的重視，比較理智。 應(yīng)該說，目前國(guó)內(nèi)的可靠性工作仍在一個(gè)低水平上徘徊，研究的成果多，實(shí)用的方法少；研究力量分散，缺乏長(zhǎng)期規(guī)劃；學(xué)術(shù)界較混亂，低水平的文章隨處可見，高水平的成果無人過問 … 可靠性設(shè)計(jì)概述 二、常規(guī)設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì) 常規(guī)設(shè)計(jì)中，經(jīng)驗(yàn)性的成分較多，如基于安全系數(shù)的設(shè)計(jì)。 常規(guī)設(shè)計(jì)可通過下式體現(xiàn)： SElFflim][...),( ??????? 計(jì)算中， F、 l、 E、 μ、 ?lim等各物理量均視為確定性變量，安全系數(shù)則是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的系數(shù)。 上式給出的結(jié)論是：若 ?≤[?]則安全；反之則不安全。 應(yīng)該說，上述觀點(diǎn)不夠嚴(yán)謹(jǐn)。首先，設(shè)計(jì)中的許多物理量明是隨機(jī)變量；基于前一個(gè)觀點(diǎn)，當(dāng) ?≤ [?]時(shí)，未必一定安全，可能因隨機(jī)數(shù)的存在而仍有不安全的可能性。 在常規(guī)設(shè)計(jì)中，代入的變量是隨機(jī)變量的一個(gè)樣本值或統(tǒng)計(jì)量，如均值。按概率的觀點(diǎn)，當(dāng) μσ= μ [σ]時(shí)， ?≤[?]的概率為 50%，即可靠度為 50%，或失效的概率為 50%，這是很不安全的。 可靠性設(shè)計(jì)概述 概率設(shè)計(jì)就是要在原常規(guī)設(shè)計(jì)的計(jì)算中引入隨機(jī)變量和概率運(yùn)算，并給出滿足強(qiáng)度條件（安全）的概率 ─可靠度。 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)是常規(guī)設(shè)計(jì)方法的進(jìn)一步發(fā)展和深化，它更為科學(xué)地計(jì)及了各設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系，是高等機(jī)械設(shè)計(jì)重要的內(nèi)容之一。 顯然有必要在設(shè)計(jì)之中引入概率的觀點(diǎn)，這就是概率設(shè)計(jì)，是可靠性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。 可靠性設(shè)計(jì)概述 g ( f f x概述 6 三、可靠性工作的意義 可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。 ? 重要關(guān)鍵產(chǎn)品的可靠性問題突出，如航空航天產(chǎn)品； ? 量大面廣的產(chǎn)品，可靠性與經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)，如洗衣機(jī)等； ? 高可靠性的產(chǎn)品，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)； 四、可靠性學(xué)科的內(nèi)容 ? 可靠性基礎(chǔ)理論：數(shù)學(xué)、失效物理學(xué) (疲勞、磨損、蠕變機(jī)理）等； ? 可靠性工程：可靠性分析、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、使用與維護(hù)等； ? 可靠性管理：可靠性規(guī)劃、評(píng)審、標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)及可靠性增長(zhǎng)； 固有可靠性：由設(shè)計(jì)所決定的產(chǎn)品固有的可靠性； 使用可靠性：在特定的使用條件下產(chǎn)品體現(xiàn)出的可靠性； 可靠性設(shè)計(jì)概述 概述 7 五、可靠性工作的特點(diǎn) ? 可靠性是涉及多種科學(xué)技術(shù)的新興交叉學(xué)科，涉及數(shù)學(xué)、失效物理學(xué)、設(shè)計(jì)方法與方法學(xué)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、人機(jī)工程、環(huán)境工程、維修技術(shù)、生產(chǎn)管理、計(jì)算機(jī)技術(shù)等； ? 可靠性工作周期長(zhǎng)、耗資大，非幾個(gè)人、某一個(gè)部門可以做好的，需全行業(yè)通力協(xié)作、長(zhǎng)期工作； ? 目前，可靠性理論不盡成熟，基礎(chǔ)差、需發(fā)展。 與其他產(chǎn)品相比機(jī)械產(chǎn)品的可靠性技術(shù)有以下特點(diǎn)： ? 因設(shè)計(jì)安全系數(shù)較大而掩蓋了矛盾，機(jī)械可靠性技術(shù)落后； ? 機(jī)械產(chǎn)品的失效形式多，可靠性問題復(fù)雜； ? 機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、耗資大、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可參考性差； ? 機(jī)械系統(tǒng)的邏輯關(guān)系不清晰，串、并聯(lián)關(guān)系容易混淆； 可靠性設(shè)計(jì)概述 ? 可靠性：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力 ? 包含五個(gè)要素：產(chǎn)品，規(guī)定時(shí)間，規(guī)定條件，規(guī)定功能，能力 – 產(chǎn)品：作為單獨(dú)研究和分別試驗(yàn)對(duì)象的任何元件、器件、設(shè)備和系統(tǒng) – 規(guī)定時(shí)間：可靠性定義的核心。時(shí)間是一個(gè)廣義的概念 – 規(guī)定條件：產(chǎn)品的使用條件、維護(hù)條件、環(huán)境條件和操作技術(shù) – 規(guī)定功能：產(chǎn)品的各種性能指標(biāo)。不同產(chǎn)品功能不同 – 能力：定性、定量規(guī)定說明產(chǎn)品可靠性的程度 可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 一、可靠性定義與指標(biāo) 產(chǎn)品可靠性由固有可靠性和使用可靠性組成。 – 固有可靠性： 是產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造中賦予的，是 產(chǎn)品的一種固有特性，也是產(chǎn)品的開發(fā)者可以控制的 – 使用可靠性： 產(chǎn)品在實(shí)際使用過程中表現(xiàn)出的一種性能的保持能力的特性，除考慮固有可靠性的影響因素外，還考慮產(chǎn)品安裝、 操作使用和維修保障等方面因素的影響 – 固有可靠性高，使用條件好的產(chǎn)品可靠性較高 – 產(chǎn)品可靠性近似為二者乘積 可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 一、可靠性定義與指標(biāo) ? 維修性：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí)，保持或恢復(fù)執(zhí)行規(guī)定狀態(tài)的能力 – 維修性是產(chǎn)品質(zhì)量的一種特性，即由產(chǎn)品設(shè)計(jì)賦予的使其維修簡(jiǎn)便、迅速和經(jīng)濟(jì)的固有特性 ? 保障性：系統(tǒng)（裝備）的設(shè)計(jì)特性和計(jì)劃的保障資源滿足平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)使用要求的能力 – 與裝備保障有關(guān)的設(shè)計(jì)特性充足和適 用程度 – 保障資源的充足和適 用程度 可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ) ? 可用性：在要求的外部資源得到保證的前提下，產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)刻或時(shí)間區(qū)間內(nèi)處于可執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力。 – 產(chǎn)品可靠性、維修性和維修保障的綜合反映 – 可靠性是從延長(zhǎng)其正常工作時(shí)間來提高 產(chǎn)品可用性，而維修性則是從縮短因維修的停機(jī)時(shí)間來提高可用性 ? 可信性：集合性術(shù)語(yǔ)，用來表示可用性及其影響因素：可靠性、維修性、維修保障 – 可信性的定性和定量具體要求是通過可用性、可靠性、維修 性、維修保障的定性和定量要求表達(dá)的 可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 基礎(chǔ) 2 ２、可靠性指標(biāo) 可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ) ? 可靠度： (Reliability) 產(chǎn)品在 規(guī)定 的條件下和 規(guī)定 的時(shí)間內(nèi)，完成 規(guī)定 功能的概率。 記為： R(ｔ ) 即： R(ｔ )=P{Ｔ ｔ } 其中： T為產(chǎn)品的壽命；ｔ為規(guī)定的時(shí)間； 事件 {Ｔ ｔ }有下列三個(gè)含義： ? 產(chǎn)品在時(shí)間ｔ內(nèi)完成規(guī)定的功能； ? 產(chǎn)品在時(shí)間ｔ內(nèi)無故障； ? 產(chǎn)品的壽命Ｔ大于ｔ。 若有 N個(gè)相同的產(chǎn)品同時(shí)投入試驗(yàn)，經(jīng)歷時(shí)間ｔ后有 n(t)件產(chǎn)品 失效，則產(chǎn)品的可靠度為： NtnNtnNtR )(1)()( ????基礎(chǔ) 2 ２、可靠性指標(biāo) 可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ) ? 可靠度： (Reliability) 同時(shí)，失效（故障）概率為： NtntRtF )()(1)( ??? 又稱累積失效概率，不可靠度。是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定 時(shí)間內(nèi)喪失規(guī)定功能的概率。 為了表征故障概率隨壽命變化的規(guī)律，描繪出了失效頻率直方圖。 失效概率密度函數(shù)和失效概率的關(guān)系為 基礎(chǔ) 2 ２、可靠性指標(biāo) 可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ) ? 可靠度： (Reliability) 由概率論可得出以下性質(zhì)： （ 1） R(0)=1表示產(chǎn)品在開始時(shí)處于良好狀態(tài)； （ 2） R(t）是時(shí)間 t的單調(diào)遞減函數(shù)，即 t增大， R(t）減?。? （ 3） limR(t→∞） =0，即當(dāng)時(shí)間 t充分大時(shí)可靠度的值趨于零； （ 4） 0≤R(t） ≤1，即無論任何時(shí)刻，可靠度的值永遠(yuǎn)介于 0和 1之間。 基礎(chǔ) 3 可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ) ? 失效率： 若定義： ttnNtnt?????))(()()( 為平均失效率 則： dttFtdFtNtnNtntttNtN ))(1()()(1)(lim)(lim)(00????????? ??????????????為失效率 例：若有 100件產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn) 10小時(shí)已有 2件失效。此時(shí)觀測(cè) 1小時(shí)，發(fā)現(xiàn)有 1件失效，這時(shí) 11( 1 0 )98? ?? ?（1 0 0 2 ）1 若實(shí)驗(yàn)到 50小時(shí)時(shí)共有 10件失效。再觀測(cè) 1小時(shí)，也發(fā)現(xiàn)有 1件失效，這時(shí) 11( 5 0 )90? ?? ?（1 0 0 1 0 ）1工作到某個(gè)時(shí)刻尚未失效的產(chǎn)品在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)失效的概率。