機械產品可靠性設計概論

1、概述

機械設計的三個階段

機械產品可靠性的定義

          在規定的使用條件和規定時間內，機械產品完成規定功能的能力。

按應用對象分類

(1)結構可靠性

    考慮結構疲勞、磨損、斷裂等強度失效問題。

(2)機構可靠性

     考慮機構在運動過程中，由于變形、磨損等引起的功能失效。

機械可靠性設計方法

(1)定性設計方法 

      成功的設計經驗或失敗的教訓，有針對性地應用到設計中，避免故障或設計缺陷。 

(2)定量設計方法 

      概率設計法以應力—強度干涉模型和功能失效狀態函數理論為基礎，將應力、強度視為隨機變量，利用概率方法計算出給定設計條件下產品的失效概率或可靠度，以符合給定的可靠性要求。

2、機械產品可靠性的特點

 不確定性/隨機性

 不可重復

 真值不可測不可見

 以傳統學科知識為基礎，考慮  

 不確定性

 確定性

 可重復

 真值可測可見

 應用傳統學科知識

可靠性

性能

修復和更換相結合 

維修主要以更換元器件為主 

多是專用件，標準件少，環境影響嚴劣，失效率不是常數

失效率接近常數，有標準手冊，可利用國軍標GJB299-或MIL-HBK-217 預計

壽命和可靠性試驗一般是小子樣，試驗時間較長 ，費用高 

ESS剔除早期失效，經濟合理有效的

失效通常是由于疲勞、老化、磨損、腐蝕等 

失效主要是由偶然因素造成 

失效模式比較復雜 

失效模式比較簡單 

機械產品

電子產品

能得到較小的零件尺寸、體積和重量，在節省原材料和降低設計或加工工藝要求等方面帶來效益 

取過大的安全系數往往導致保守的設計

從控制參數均值和參數標準差兩方面提高可靠性

從控制參數的均值方面入手提高可靠性

多種指標設計校核，可預測失效概率或可靠度

以安全系數進行設計校核

應力和強度為隨機變量

應力和強度為常量，乘以各種系數

常規設計

概率設計

3、機械產品的主要失效模式

        機械產品可靠性設計的根本任務是預防潛在故障及糾正故障 

與具體產品相關

(6)其他類型 

老化、變質、腐蝕、銹蝕、積碳等 

(5)退化變質型 

松動、脫落、漏油、漏水、漏氣、堵塞等 

(4)松脫漏堵型 

斷裂、破碎、裂紋、扭曲變形、點蝕、剝落等 

(3)損壞損傷型 

壓力過高或過低、不到位、轉速異常、功率不足等 

(2)功能失常型 

操縱失靈、不啟動、不工作、卡死等 

(1)功能失效型 

說明

失效類型

GJB3554-《車輛系統質量與可靠性信息分類和編碼要求》 

3、機械產品的主要失效模式

強度是機械零件可靠性的較基本要求

  強度不足產生的斷裂往往引發重大安全事故。

疲勞、磨損、腐蝕

         盡管機械產品種類繁多，不同機械產品的失效模式和失效機理也各異，但由于疲勞、磨損、腐蝕而導致的失效在整個機械產品失效中所占比例超過80%，因此機械可靠性定量設計也往往針對這三種失效機理進行分析計算。

4、機械產品可靠性的度量參數

     機械產品一般可分為整機（或稱系統）和零部件

度量產品可靠性的參數

■ 可靠度                          ■ 失效率

■ 累積失效概率              ■ 平均壽命

■ 平均故障間隔時間      ■ 可靠壽命

■ 可靠壽命                      ■  …

機械產品較常用的可靠性度量參數就是可靠度、壽命或可靠壽命以及MTBF 

(1)可靠度：(Reliability)

           用隨機變量T表示產品從開始工作到發生失效或故障的壽命，概率密度函數為f(t)

　　用統計方法：若有N個相同的產品同時投入試驗，經歷時間ｔ后有n(t)件產品失效。

失效概率為：

可靠度為：

         機械產品可靠度與載荷、環境、失效機理等密切相關

<0.9

基本無影響，可更換

0.9

影響較小

0.99

一般損失

0.999

損失重大

0.99999～1

造成重大后果

可靠度

失效影響

 對故障引起不同后果的零部件和系統，應結合產品的設 

   計壽命選用不同的可靠度

 關鍵零件可靠度取高值

(2) 失效率

（3) 平均壽命

 不可修產品為平均無故障時間MTTF (Mean Time To Failure)

 可修產品為平均故障間隔時間MTBF(Mean Time Between Failure)                                                                  

 電子產品失效率基本為常數，相當于壽命服從指數分布， 

    則平均壽命的計算公式為

        任何機械產品均有使用壽命問題，例如汽車的設計壽命一般為50萬公里，飛機的設計壽命為60000飛行小時。

      在現代設計中，機械產品一般采用等壽命設計方法，因此其壽命本質上取決于關鍵零部件的壽命。

      對機械零部件而言，大多是不可修復的，如果出現失效，在維修時一般給予更換。所以設計機械零件，不但要確保其可靠度，更為重要的是使其設計壽命達到要求。

      平均故障間隔時間/里程(MTBF)常用于機械產品整機或系統可靠性的度量

MTBF本質上是一種基于統計的可靠性度量參數，可以反映產品的可靠性水平

但對機械系統而言，由于各組成零部件的失效率非恒定，只能借助大量統計或試驗數據才能確定

(4)可靠壽命

可靠度為給定值R時的工作壽命。例如軸承常采用可靠度為0.9時的壽命作為可靠性度量參數(額定壽命)。

可靠壽命一般通過統計試驗確定，其觀測值是能完成規定功能的產品的比例恰好等于給定可靠度時所對應的時間。

         例如，對100個產品進行壽命試驗，指定可靠度R=0.9，若當第10個產品發生失效時的時間為250小時，則可靠度為0.9的可靠壽命約為250小時。

    5、機械可靠性設計分析主要步驟主要分為九步

(1)明確可靠性要求

    包括定性和定量的要求，如可靠度、壽命、平均故障間隔里程等。定性定量要求的提出必須根據機械產品的使用要求，包括壽命剖面、任務剖面、故障判別準則等。 

(2)調查分析與所要設計的相似產品的使用情況

    如常見故障模式、故障發生頻率、故障發生的原因、成功的設計經驗和失敗的教訓，制定可靠性設計準則。

(3)可靠性分配

     產品的可靠性是依賴于產品的各組成單元，因此必須把產品整機的可靠性要求按一定的規則合理地依次分配到部件和零件。

(4) 進行FMEA和FTA分析

    發現影響產品可靠性的薄弱環節，確定關鍵件、重要件。

(5) 一般零件的可靠性設計 

    可以借鑒以往的設計經驗，用常規設計方法進行設計。 

(6)關重件的可靠性設計 

    除借鑒經驗進行定性設計之外，應開展可靠性定量設計。采用定量設計必須明確給定設計工況和可靠性要求，然后利用概率設計法進行可靠性定量設計分析。

(7)可靠性分析評價

    通過分析與計算，估計所設計零部件的可靠性，并與分配的可靠性要求進行分析比較，如達到規定的要求，則設計結束，如未能達到規定的要求則須重新設計。

(8)設計評審

    為了保證設計與分析結果的正確性，應組織同行專家進行認真的設計評審，對發現的設計缺陷進行改進設計。

(9)可靠性增長

    設計完成的圖紙，應嚴格按規定要求進行制造，制造出的產品必須進行充分的試驗，以便進一步暴露設計缺陷，并采取措施加以改進。

可靠性從何入手？

故障/失效

預防

發現

驗證

糾正