机械产品可靠性设计概论

机械产品可靠性设计概论

1、概述

机械设计的三个阶段

机械产品可靠性的定义

          在规定的使用条件和规定时间内，机械产品完成规定功能的能力。

按应用对象分类

(1)结构可靠性

    考虑结构疲劳、磨损、断裂等强度失效问题。

(2)机构可靠性

     考虑机构在运动过程中，由于变形、磨损等引起的功能失效。

机械可靠性设计方法

(1)定性设计方法 

      成功的设计经验或失败的教训，有针对性地应用到设计中，避免故障或设计缺陷。 

(2)定量设计方法 

      概率设计法以应力—强度干涉模型和功能失效状态函数理论为基础，将应力、强度视为随机变量，利用概率方法计算出给定设计条件下产品的失效概率或可靠度，以符合给定的可靠性要求。

2、机械产品可靠性的特点

 不确定性/随机性

 不可重复

 真值不可测不可见

 以传统学科知识为基础，考虑  

 不确定性

 确定性

 可重复

 真值可测可见

 应用传统学科知识

可靠性

性能

修复和更换相结合 

维修主要以更换元器件为主 

多是专用件，标准件少，环境影响严劣，失效率不是常数

失效率接近常数，有标准手册，可利用国军标GJB299-或MIL-HBK-217 预计

寿命和可靠性试验一般是小子样，试验时间较长 ，费用高 

ESS剔除早期失效，经济合理有效的

失效通常是由于疲劳、老化、磨损、腐蚀等 

失效主要是由偶然因素造成 

失效模式比较复杂 

失效模式比较简单 

机械产品

电子产品

能得到较小的零件尺寸、体积和重量，在节省原材料和降低设计或加工工艺要求等方面带来效益 

取过大的安全系数往往导致保守的设计

从控制参数均值和参数标准差两方面提高可靠性

从控制参数的均值方面入手提高可靠性

多种指标设计校核，可预测失效概率或可靠度

以安全系数进行设计校核

应力和强度为随机变量

应力和强度为常量，乘以各种系数

常规设计

概率设计

3、机械产品的主要失效模式

        机械产品可靠性设计的根本任务是预防潜在故障及纠正故障 

与具体产品相关

(6)其他类型 

老化、变质、腐蚀、锈蚀、积碳等 

(5)退化变质型 

松动、脱落、漏油、漏水、漏气、堵塞等 

(4)松脱漏堵型 

断裂、破碎、裂纹、扭曲变形、点蚀、剥落等 

(3)损坏损伤型 

压力过高或过低、不到位、转速异常、功率不足等 

(2)功能失常型 

操纵失灵、不启动、不工作、卡死等 

(1)功能失效型 

说明

失效类型

GJB3554-《车辆系统质量与可靠性信息分类和编码要求》 

3、机械产品的主要失效模式

强度是机械零件可靠性的较基本要求

  强度不足产生的断裂往往引发重大安全事故。

疲劳、磨损、腐蚀

         尽管机械产品种类繁多，不同机械产品的失效模式和失效机理也各异，但由于疲劳、磨损、腐蚀而导致的失效在整个机械产品失效中所占比例超过80%，因此机械可靠性定量设计也往往针对这三种失效机理进行分析计算。

4、机械产品可靠性的度量参数

     机械产品一般可分为整机（或称系统）和零部件

度量产品可靠性的参数

■ 可靠度                          ■ 失效率

■ 累积失效概率              ■ 平均寿命

■ 平均故障间隔时间      ■ 可靠寿命

■ 可靠寿命                      ■  …

机械产品较常用的可靠性度量参数就是可靠度、寿命或可靠寿命以及MTBF 

(1)可靠度：(Reliability)

           用随机变量T表示产品从开始工作到发生失效或故障的寿命，概率密度函数为f(t)

　　用统计方法：若有N个相同的产品同时投入试验，经历时间ｔ后有n(t)件产品失效。

失效概率为：

可靠度为：

         机械产品可靠度与载荷、环境、失效机理等密切相关

<0.9

基本无影响，可更换

0.9

影响较小

0.99

一般损失

0.999

损失重大

0.99999～1

造成重大后果

可靠度

失效影响

 对故障引起不同后果的零部件和系统，应结合产品的设 

   计寿命选用不同的可靠度

 关键零件可靠度取高值

(2) 失效率

（3) 平均寿命

 不可修产品为平均无故障时间MTTF (Mean Time To Failure)

 可修产品为平均故障间隔时间MTBF(Mean Time Between Failure)                                                                  

 电子产品失效率基本为常数，相当于寿命服从指数分布， 

    则平均寿命的计算公式为

        任何机械产品均有使用寿命问题，例如汽车的设计寿命一般为50万公里，飞机的设计寿命为60000飞行小时。

      在现代设计中，机械产品一般采用等寿命设计方法，因此其寿命本质上取决于关键零部件的寿命。

      对机械零部件而言，大多是不可修复的，如果出现失效，在维修时一般给予更换。所以设计机械零件，不但要确保其可靠度，更为重要的是使其设计寿命达到要求。

      平均故障间隔时间/里程(MTBF)常用于机械产品整机或系统可靠性的度量

MTBF本质上是一种基于统计的可靠性度量参数，可以反映产品的可靠性水平

但对机械系统而言，由于各组成零部件的失效率非恒定，只能借助大量统计或试验数据才能确定

(4)可靠寿命

可靠度为给定值R时的工作寿命。例如轴承常采用可靠度为0.9时的寿命作为可靠性度量参数(额定寿命)。

可靠寿命一般通过统计试验确定，其观测值是能完成规定功能的产品的比例恰好等于给定可靠度时所对应的时间。

         例如，对100个产品进行寿命试验，指定可靠度R=0.9，若当第10个产品发生失效时的时间为250小时，则可靠度为0.9的可靠寿命约为250小时。

    5、机械可靠性设计分析主要步骤主要分为九步

(1)明确可靠性要求

    包括定性和定量的要求，如可靠度、寿命、平均故障间隔里程等。定性定量要求的提出必须根据机械产品的使用要求，包括寿命剖面、任务剖面、故障判别准则等。 

(2)调查分析与所要设计的相似产品的使用情况

    如常见故障模式、故障发生频率、故障发生的原因、成功的设计经验和失败的教训，制定可靠性设计准则。

(3)可靠性分配

     产品的可靠性是依赖于产品的各组成单元，因此必须把产品整机的可靠性要求按一定的规则合理地依次分配到部件和零件。

(4) 进行FMEA和FTA分析

    发现影响产品可靠性的薄弱环节，确定关键件、重要件。

(5) 一般零件的可靠性设计 

    可以借鉴以往的设计经验，用常规设计方法进行设计。 

(6)关重件的可靠性设计 

    除借鉴经验进行定性设计之外，应开展可靠性定量设计。采用定量设计必须明确给定设计工况和可靠性要求，然后利用概率设计法进行可靠性定量设计分析。

(7)可靠性分析评价

    通过分析与计算，估计所设计零部件的可靠性，并与分配的可靠性要求进行分析比较，如达到规定的要求，则设计结束，如未能达到规定的要求则须重新设计。

(8)设计评审

    为了保证设计与分析结果的正确性，应组织同行专家进行认真的设计评审，对发现的设计缺陷进行改进设计。

(9)可靠性增长

    设计完成的图纸，应严格按规定要求进行制造，制造出的产品必须进行充分的试验，以便进一步暴露设计缺陷，并采取措施加以改进。

可靠性从何入手？

故障/失效

预防

发现

验证

纠正