1、可靠性设计,一、可靠性基础 二、可靠性研究历史 三、可靠性基本概念 四、可靠性设计常用指标 五、可靠性设计常用分布函数 六、机械类产品可靠性设计思想,随着市场经济的发展，竞争日趋激烈，人们不仅要求产品物美价廉，而且十分重视产品的可靠性和安全性。日本的汽车、家用电器等产品，虽然在性能、价格方面与我国彼此相仿，却能占领美国以及国际市场。主要的原因就是日本的产品可靠性胜过我国一筹。 美国的康明斯、卡勃彼特柴油机，大修期为12000小时，而我国柴油机不过1000小时，有的甚至几十小时、几百小时就出现故障。 我国生产的电梯，平均使用寿命（指两次大修期的间隔时期）为3年左右，而国外的电梯平均寿命在10年以
2、上，是我们的3倍；故障率，国外平均为0.05次，而我国为1次以上，高出20倍，这样的产品怎么有竞争力呢！ 因此要想在竞争中立于不败之地，就要狠抓产品质量，特别是产品可靠性，没有可靠性就没有质量，企业就无法在激烈的竞争中生存和发展。因此，可靠性问题必须引起政府和企业的高度重视，抓好可靠性工作，不仅是关系到企业生存和发展的大问题，也是关系到国家经济兴衰的大问题。,一、可靠性基础,质量的定义 质量：满足使用要求所具备的特性，即适用性。,二、可靠性研究历史,二战期间，军用航空电子设备的失效率高，美国运往远东作战飞机的机载电子设备60%在运输中失效，飞行故障引起事故而损失的飞机比被击落的多1.5倍，海军
3、舰艇上电子设备70%因意外事故失效。 可靠性系统研究：1952年美国国防部成立“电子设备可靠性顾问委员会”(AGREE)，对战争中使用的电子产品从设计、试制、生产到试验、保存、运输、使用等可靠性全面调查和研究。 1957年AGREE发表了“军用电子设备可靠性”报告，成为美国可靠性工程发展的奠基性文件。 前苏联在50年代后期开始可靠性研究.,二、可靠性研究历史日本在1958年成立了“可靠性研究委员会”在60年代中期，又成立了“电子元件可靠性中心”。 法国1962年在国立电讯研究中心建立了可靠性中心。 1965年，国际电子技术委员会IEG设立“可靠性技术委员会”协调有关可靠性的术语、定义和测量方法
4、。 我国60年代开始着手可靠性的研究工作，80年代初在电子学会、机械工程学会、航天航空学会成立了可靠性专业委员会。,1990年，机械电子工业部印发“加强机电产品设计工作的规定”明确指出：可靠性、适用性、经济性统筹作为我国机电产品设计的原则。在新产品鉴定定型时，对可靠性设计和试验报告进行评审；对正在生产的产品，要在试验或现场调查的基础上对失效信息进行分析处理，改进设计，以提高产品可靠性。,二、可靠性研究历史,机械可靠性是可靠性学科的一个重要组成部分。,1947年，Freudenthal教授提出了构件静强度可靠性设计的应力-强度干涉模型； 60年代开始，F.B.Stulen，D.Kececiogl
5、u和A.M.Freudenthal将应力-强度干涉模型用于疲劳强度的可靠性设计中； 70年代前后， D.Kececioglu和E.B.Haugen等人提出了一整套基于干涉模型的疲劳强度可靠性设计方法，并在工程中广泛应用； 1980年， E.B.Haugen出版了比较全面的概率机械设计专著机械概率设计 80年代，美国国防部可靠性分析中心（RAC）收集和出版了非电子零部件的可靠性数据手册。,三、可靠性基本概念,常规设计方法将所涉及物理量视为确定数值。强度设计：实际构件承受载荷随工作状况不同而改变，还受偶然因素影响，工作载荷作为随机变量处理；材料性能存在分散性，进行强度设计时，选用的只是材料平均值，
6、导致大量构件在预定期限内失效；构件尺寸、外界环境属于随机变量在强度设计中，尽可能接近实际情况，采用概率设计方法(可靠性设计)。,三、可靠性基本概念,可靠性(Reliability)：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。四要素：研究对象规定的条件环境条件、维护条件以及使用条件等，载荷、温度、湿度、振动、润滑、腐蚀、含尘量等。3规定的时间产品无限制使用下去，必将全部失效，失效概率是100%。4规定的功能 产品应当在规定的功能参数范围内使用。,三 、可靠性基本概念,可靠性内容：1)可靠性理论基础 概率统计理论、失效物理、可靠性设计技术、可靠性环境技术、可靠性数据处理技术、可靠性基础试
7、验以及人在操作过程中的可靠性。2)可靠性应用技术 使用要求调查、现场数据收集和分析、失效分析、零件/机器/系统可靠性设计和预测、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。机械可靠性设计将概率统计理论、失效物理和机械学等相结合的综合性工程技术。,三、可靠性基本概念,评价产品质量: 1)优良功能；2)高可靠性产品运行时的可靠性工作可靠性，包含产品制造和使用两方面的因素，用“固有可靠性”和“使用可靠性”反映。固有可靠性产品在生产中已确立的可靠性。固有可靠性与产品的材料、设计与制造技术有关。使用可靠性与使用相关的可靠性。使用过程中受操作水平、维修状况和环境等因素影响
8、。固有可靠性大于使用可靠性。产品的固有可靠性与使用可靠性的综合，形成产品的工作可靠性，即,三、可靠性基本概念,产品分可修复产品和不可修复产品。在失效后通过修复而恢复其原有的功能可修复产品；在失效后不能修复和不值得修复的产品不可修复产品。不可修复产品，主要考虑其在规定时间内发生失效的难易程度狭义可靠性。可修复产品，还要考虑产品出现故障后修复的难易程度维修性。狭义可靠性与维修性结合广义可靠性。,对可靠性进行概率度量，即可靠度。有时也用与产品失效有关的“寿命”作为衡量可靠性的指标。对于修复产品，采用维修度、平均无故障工作时间和有效度来衡量可靠性。,四、可靠性设计常用指标,设有N个相同的产品在相同的条
9、件下工作，到任一给定的工作时间t 时，累计有Nf(t)个产品失效，剩下Np(t)个产品仍能正常工作，该产品到时间t的可靠度为,四、可靠性设计常用指标,不可靠度或失效概率表示产品在规定的条件下和规定的时间内不能完成规定功能的概率，F表示，时间函数F(t)失效概率函数,不可靠度与可靠度互补,失效密度函数f(t),四、可靠性设计常用指标,2失效率(故障率)工作到某时刻t时尚未失效(故障)的产品，在该时刻t 以后的下一个单位时间内发生失效(故障)的概率。在某时刻t 以后的下一个单位时间内失效的产品数与工作到该时刻尚未失效的产品数之比，(t)表示,四、可靠性设计常用指标,时间函数失效率函数失效率单位：每
10、千小时百分之几，即%/1000h = 10-5/h可靠度高、失效率低Fit(Failure Unit)=10-6/103h=10-9/h为单位有时不用时间倒数而用与其相当的“动作次数”、“转数”、“距离”等。 产品失效率曲线(死亡曲线，浴盆曲线)(1)早期失效期(DFR型)出现在产品投入使用初期，呈递减型。设计疏忽、材料缺陷、工艺质量、检验差错、不适应外部环境等及设备中寿命短的部件等因素引起。缩短： 试运转；试验筛选；跑合和调整。,四、可靠性设计常用指标,四、可靠性设计常用指标,(2)偶然失效期(CFR型)早期失效期之后期，失效率趋向稳定并降至最低，呈恒定型。故障的发生偶然、随机偶然失效期。
11、偶然失效期是设备或系统的最佳状态时期，在规定的失效率下的持续时间使用寿命或有效寿命。(3)耗损失效期(IFR型)出现在设备、系统使用后期，呈递增型。,四、可靠性设计常用指标,返回,齿轮故障模式所占比例 序号 齿轮故障模式 占总故障模式所占比例%1 疲劳断齿 32.82 过载断齿 19.53 轮齿碎裂 4.34 轮子毂撕裂 4.65 表面疲劳 20.36 表面磨损 13.27 齿面塑性变形 5.3,3.平均寿命平均寿命(Mean Life)产品寿命的平均值，产品的寿命是无故障工作时间。,四、可靠性设计常用指标,不可修复产品，指失效前的工作时间。平均寿命就是该产品从开始使用到失效前的工作时间(或工
12、作次数)平均值，或称失效前平均时间MTTF(mean time to failure)。,可修复产品，寿命指相邻两次故障间的工作时间。平均寿命即为平均无故障工作时间或称为平均故障间隔，记为MTBF(mean time between failure)。MTTF与MTBF的理论意义和数学表达式的实际内容一样，统称平均寿命。,4.维修度维修活动以维修性来描述，维修性是可修复产品所具备的维修难易程度维修性的衡量尺度是维修度，定义：在规定条件下和规定期限内完成维修的概率。,平均修复时间MTTR(Mean Time To Repare)指产品修复时间的平均值,四、可靠性设计常用指标,5. 有效度可修复产
13、品在规定时间和规定条件下维持其规定功能的概率，A(t),有效度是综合可靠度和维修度的广义可靠性尺度。不可修复产品，有效度不受维修度的影响，R(t)=A(t)。,3. 正态分布,正态分布性质：对称性、单峰性、有界性、渐近性(以坐标轴 t 为渐近线),正态分布记,对称分布，均值决定正态分布曲线的位置，表征随机变量分布的集中趋势；标准差决定正态分布的形状，表征随机变量分布的离散程度。,正态分布概率密度函数为,3. 正态分布,随机变量x服从标准正态分布，记,概率密度函数和累积分布函数,经过变量置换，非标准正态分布化为标准正态分布,查标准正态分布面积表。,3. 正态分布,例 有1000个试件进行抗拉强度
14、试验，今测得试件材料的强度均值=600MPa，标准差 =50MPa。求： (1)试件的强度均值为600MPa时的可靠度、失效概率和失效试件数； (2)强度落在(500-450)MPa区间内的失效概率和失效试件数； (3)失效概率为0.05时材料的强度值。,3. 正态分布,解 (1)变量置换,由附表1查得失效概率,可靠度,试件失效数,(2)失效概率,3. 正态分布,试件失效数,3. 正态分布,查表注意： 1)附表与图a对应，F(-Z)=1-F(Z)； 2)图a 面积F(Z)，图b面积1-F(Z)；图c面积F(Z) 0.5；图d面积/2+0.5=图a 面积。,4. 对数正态分布,随机变量x的自然对
15、数y=lnx服从正态分布。随机变量取值x0，概率密度函数向右倾斜不对称，对数正态分布是描述不对称随机变量的分布。材料的疲劳强度和寿命，系统的修复时间等都可用对数正态分布拟合。,5. 威布尔分布,威布尔分布是含有三参数或二参数的分布。,5. 威布尔分布,位置参数 =0，为两参数威布尔分布，概率密度函数和累积分布函数为,参数对威布尔分布影响：,5. 威布尔分布,形状参数影响f(t)分布曲线的形状,1，曲线f(t)与横轴为渐近线, =1，曲线f(t)是指数分布密度曲线, 1， f(t)呈单峰曲线，2.7 3.7，威布尔分布与正态分布非常近似。 =3.313，正态分布； =2, =1，瑞利分布,5.
16、威布尔分布,1， (t)随时间增长而减小，早期失效期,形状参数影响(t), =1，失效率 =1/=const，描述产品偶然失效期, 1， (t)随时间增长而增大，描述产品损耗期,5. 威布尔分布,位置参数不同值时的曲线,改变时，仅曲线起点的位置改变，曲线的形状不变,当随机变量为零件寿命时， 0表示开始发生失效的时间t，即t=之前发生失效的概率为零为最小保证寿命。 0表示系统中在存储期间失效。,5. 威布尔分布,尺度参数 对曲线影响, 、不变取不同值时的威布尔分布曲线起始点相同(不变)，分布曲线形状相似(不变)，只是在横坐标轴方向上离散程度不同,6. 指数分布,当形状参数=1，位置参数 =0，威
17、布尔分布化为,令 = 1 / ，得,指数分布，指数分布是威布尔分布的特例。威布尔分布对产品的三个失效期都适用，而指数分布仅适用于偶然失效期。,6. 指数分布,指数分布描述了产品偶然失效期的寿命分布，此时失效率与时间无关，保持为定值。指数分布不仅广泛应用于描述电子产品的寿命分布，而且对某些机械系统以及系统中一部分零件是新的、失效率较低，另一部份较老、失效率较高的系统的寿命也可用指数分布来描述。,指数分布概率密度函数和累积分布函数分别为,指数分布特点：无记忆性,6. 指数分布,表明：产品工作时的失效率为，它在时间t 内的可靠度为e-t ，产品在t 后仍能正常工作，则下一个同样时间t 内的可靠度仍为
18、e-t 。,六、机械类产品可靠性设计思想,安全系数法（许用应力法）结构承受外载荷后，由计算得到工作应力应小于该结构件的许用应力，即 其中lim为材料的极限应力；n为预定的设计安全系数。,强度概率计算法的基本理论,基本出发点：认为零件材料的强度c是服从于概率密度函数f (c)随机变量，而作用于零件危险截面上的工作应力s，是服从于概率密度函数g(s)的随机变量。,g(s),概率密度曲线不重叠。工作应力大于零件强度的概率等于零。如用安全系数的概念来表达，则计算安全系数小于1的概率等于零，即 P(sc)=0P(n计1)=0具有这样强度应力关系的机械零件是安全的，不会发生强度破坏。,两概率密度曲线有相互
19、重叠的部分。虽然工作应力的平均值s仍远小于极限应力(强度)的平均值c，但不能绝对保证工作应力在任何情况下都不大于极限应力。,虽然以 均值计算的安全系数是大于1的，但从上分析可见，仍不能保证100%的安全。对于机械零件的疲劳强度，零件的承载能力将随时间而衰减，,f(c),s,c,g(s),c,s,t,概率密度函数联合积分法,零件破坏的概率为：P(sc)，即当零件材料的强度c小于零件工作应力s时，零件发生强度破坏。曲线f (c)以下，a-a线以左(即变量c小于s时)的面积，表示零件的强度值小于s的概率，它按下式计算： ,g(s),f(c),f(c),c,s, c,s,s,ds,曲线g(s)下，位于s到s+ds之间的面积，它代表了工作应力s处于ss+ds之间概率，它的大小为g(s)ds。,零件的强度和工作应力两个随机变量。根据概率乘法定理： P(AB)=P(A)P(B)所以乘积f (c)g(s)ds即为对于确定的s值时，零件中的工作应力刚刚大于强度值的概率。,把应力s值在它一切可能值的范围内进行积分当f (c) 和g(s)服从指数分布或正态分布时，计算量不是很大。,
