机械可靠性设计的基本方法及其指标体系

机械可靠性设计

太原理工大学机械工程学院

主讲：刘混举

机械可靠性设计

第2讲机械可靠性设计的

基本方法及其指标体系

2.1可靠性基本概念⏹

⏹可靠性的概念及基本思想可靠性的经典定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。可靠性的基本思想

任何参数均为多值的，且呈一定分布。安全系数大的设备或产品不一定是百分之百的安全。

2.2可靠性定义

可靠性的概念

可靠性的经典定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。

产品：指作为单独研究和分别试验对象的任何元件、设备或系统，可以是零件、部件，也可以是由它们装配而成的机器，或由许多机器组成的机组和成套设备，甚至还把人的作用也包括在内。

规定条件：一般指的是使用条件, 环境条件。包括应力温度、湿度、尘砂、腐蚀等，也包括操作技术、维修方法等条件。

规定时间：是可靠性区别于产品其他质量属性的重要特征，一般也可认为可靠性是产品功能在时间上的稳定程度。

规定功能：道德要明确具体产品的功能是什么，怎样才算是完成规定功能。产品丧失规定功能称为失效，对可修复产品通常也称为故障。

可靠性的类型

可靠性可分为固有可靠性和使用可靠性⏹固有可靠性是通过设计、制造赋予产品的可靠性；

⏹使用可靠性既受设计、制造的影响，又受使用条件的影响。一般使用可靠性总低于固有可靠性。

2.3可靠性特征量(可靠性指标) ⏹可靠度

可靠度是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率，一般记为R 。它是时间的函数，故也记为R （t ）, 称为可靠度函数。

⏹

1）

可靠度

如果用随机变量T

表示产品从开始工作到发生失效或

故障的时间，其概率密度为

f （t ）如右图所示，若用t 表示某一指定时刻，则该产品在该时刻的可靠度。

对于不可修复的产品，可靠度的观测值是指直到

规定的时间区间终了为止，能完成规定功能的产品数与在该区间开始时投入工作产品数之比，即:

2）

可靠寿命

可靠寿命是给定的可靠度所对应的时间，一般记为t

（R

）一般可靠度随着工作时间t 的

增大而下降，对给定的不同

R ，则有不同的t （R ），即

t （R ）=R-1（R ）

式中R -1——R 的反函数，即由

R （t ）=R反求t

4）平均寿命⏹平均寿命：平均寿命是寿命的平均值，对不可修复产品常用失效前平均时间，一般记为MTTP ，对可修复产品则

常用平均无故障工作时间，一般记为MTBF

。它们都表示无故障工作时间

T 的期望

E （

T ）或简记为t 。如已知T 的概率密度函数f （t ），则

⏹

⏹经分部积分后也可求得

5）失效率和失效率曲线 失效率：失效率是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。一般记为

λ,

它也是时间t

的函数,

故也记为λ

(t),称为失效率函

数,

有时也称为故障率函数或风险函数

. 按上述定义

, 失效率是

在时刻t+△t 的单位时间内发生失t 尚未失效产品在

效的条件概率. 即

失效率曲线

失效期的成因分析:

⏹

⏹

⏹早期失效期:设计、制造、存储缺陷及使用不当；(DFR——Decreasing Failure Rate)偶然失效期:意外过载、误操作、不可抗拒因素等；(CFR——Constant Failure Rate)耗损失效期:疲劳、磨损等。

(IFR——Increasing Failure Rate)

5. 已知某产品的失效率为常数

可靠度函数R (t )=e −λt ，试求可靠度R=0.999的相应可靠寿命t 0.999, 中位寿命t 0.5。λ(t )=0. 30×10−4/h

2.4机械可靠性设计的

基本特点、内容和方法

1）机械可靠性设计的基本特点

2）机械可靠性设计的主要内容

3）机械可靠性设计的方法和步骤

机械可靠性设计的基本特点

1)以应力和强度为随机变量作为设计的出发点;

2)引用概率和统计方法进行分析和求解;

3)能够定量地回答产品的失效率和可靠度;

4)根据不同的产品、不同的使用场合采用不同的可靠性指标；

5）强调设计对产品可靠性的主导作用，由设计决定产品的固有可靠性，由制造保证固有可靠性。

机械可靠性设计的基本特点

6)必须考虑环境的影响；

7)必须考虑产品的维修性；

8)从整体的、系统的观点出发：

⏹人——机——环境系统；

⏹重视产品在全寿命周期的总费用。

9）承认在设计阶段及以后的阶段都需要可靠性增长。

3）机械可靠性设计的方法与步骤

（1）方法：

⏹概率设计法

⏹失效树分析法（FTA ）

⏹失效模式、影响及致命度分析（FMECA ）⏹模糊可靠性设计方法

3）机械可靠性设计的方法与步骤

2）步骤：

明确可靠性要求；

调查分析类似产品的使用情况；

可靠性分配；

进行可靠性分析，确定关键件、重要件；可靠性定性设计——非关键件；

可靠性定量设计——关键件；

可靠性分析计算与设计评审；

可靠性增长（完善）。

设计方法，其步骤也不同。（⏹⏹⏹⏹⏹⏹⏹⏹注：不同类型的产品，其步骤不尽相同，而采用不同的可靠性

可靠性设计技术——定性与定量⏹

⏹定性：以经验为主，即将过去积累处理失效的经验设计到产品中去，使其具有较高的可靠性；定量：定量地设计、试验、控制和管理产品的可靠性

可靠性设计分析

⏹

⏹

⏹事前分析——在设计阶段预测和预防所有可能发生的故障和隐患，消除于未然，把可靠性设计到产品中去；事中分析——产品在运行中的故障诊断、检测和寿命分析技术，以保持运行的可靠性；事后分析——找出产品故障模式的原因，研究预防故障技术（失效分析）。

第2讲机械可靠性设计

的基本方法及其指标体系

2.5机械可靠性定性设计的十大准则

1）简单化准则

在满足预定功能的情况下，机械设计应力求简单、零部件的数量应尽可能减少，越简单越可靠是可靠性设计的一个基本原则，是减少故障提高可靠性的最有效方法。但不能因为减少零件而使其它零件执行超常功能或在高应力的条件下工作。否则，简化设计将达不到提高可靠性的目的。

2.5机械可靠性定性设计的十大准则

2）模块化、组件化、标准化准则

产品零部件的模块化、组件化及其标准化是现代化生产的重要标志，是提高产品可靠性水平的重要手段。

尽量采用模块化、通用化设计方案。优先选用标准件，提高互换性。

2.5机械可靠性定性设计的十大准则

3）降额设计准则

降额设计是使零部件的使用应力低于其额定应力的一种设计方法。降额设计可以通过降低零件承受的应力或提高零件的强度的办法来实现。工程经验证明，大多数机械零件在低于额定承载应力条件下工作时，其故障率较低，可靠性较高。

2.5机械可靠性定性设计的十大准则

4）合理选材准则

正确选择材料是保证可靠性设计的必要条件之一。除要考虑材料的结构性能、化学性能和热性能外，还必须考虑材料的稳定性（使用环境、加工方法等的影响）。选用的零部件、原材料除满足结构尺寸、重量、强度、刚度要求外，还应满足使用环境和寿命要求。

2.5机械可靠性定性设计的十大准则

5）冗余设计准则

余度设计是对完成规定功能设置重复的结构、备件等，以备局部发生失效时，整机或系统仍不致于发生丧失规定功能的设计。

2.5机械可靠性定性设计的十大准则

6）耐环境设计准则

耐环境设计是在设计时就考虑产品在整个寿命周期内可能遇到的各种环境影响，例如装配、运输时的冲击，振动影响，贮存时的温度、湿度、霉菌等影响，使用时的气候、沙尘振动等影响。认识环境；控制环境；适应环境。

2.5机械可靠性定性设计的十大准则

7）失效安全设计（Failure Safe）准则

系统某一部分即使发生故障，但使其限制在一定范围内，不致影响整个系统的功能。

2.5机械可靠性定性设计的十大准则

8）防误设计准则

采用不同的安全保护装置，如灯光、音响等报警装置，监视装置，保护性开关、防误插定位卡、定位销等，并有符合国家标准的醒目的识别标志、防差错或危险标志，防止误动作引起重大事故，主要用于产品或设备的操作系统设计。

2.5机械可靠性定性设计的十大准则

9）维修性设计准则

指产品或设备的结构设计应充分考虑其维修性能的优劣。

2.5机械可靠性定性设计的十大准则

10）人机工程设计准则

人机工程设计的目的是为减少使用中人的差错，发挥人和机器各自的特点以提高机械产品的可靠性。例如，设计的操作环境尽量适合于人的工作需要，减少引起疲劳、干扰操作的因素，如温度、湿度、气压、光线、色彩、噪声、振动、沙尘、空间等。

机械可靠性设计注意事项：⏹权衡设计——是指在可靠性、维修性、安全性、功能重量、体积、成本（制造成本与运行成本）等之间进行综合权衡，以求得最佳的结果。

创新设计——优先选用经过充分验证、技术比较成熟的设计方案，提高产品设计的继承性。日本一些企业的专家认为：一个新产品的设计，其80%是采用原有产品或相似产品的设计经验，只有20%是因为产品的功能、性能的变化需要进行重新设计。（新技术应用原则）⏹