机械可靠性设计0701绪论2

规定的条件：指运输条件、储存条件、使用时的环境条件
（温度、压力、湿度、载荷、振动、腐蚀……）、使用方法、 维修水平……，这些因素对产品的可靠性都有很大影响。
规定的时间：产品的可靠性与时间（使用期限）密切相关，
其可靠度是一个有时间性的定义，是随时间而降低的。对时间 性的要求一定要明确。时间可以是区间（0，t），也可以是区 间（t1，t2），甚至可以用其他的指标，如汽车、摩托车常用行 驶里程（距离），滚动轴承常用转
6
操作
16
故障原因
早期的长征运载火箭各阶段的故障原因分析
长征运载火箭通过对故障原因分析、 可靠性标准的规范应用等一系列措施， 大大提高了整个系统的可靠性。是目前 最安全可靠的航天运载工具之一。
长征运载火箭—中国可靠性研究的代表
三、机械可靠性设计发展
20世纪40年代，A. M. Freudenthal提出构件强度可靠 性设计的应力-强度干涉模型，用于构件可靠性设计 由于影响机械设备和系统可靠性的因素太多，难以控 制，而且产品批量较小，试验费用昂贵，机械可靠性 设计在50~60年代未能全面展开。
例1－1检验一批轴承的可靠性： 记样本零件总数N0，到某时刻 t, 累计失效数Nf(t)，仍 正常工作数Ns (t ) ，
定义存活频率为：
N s (t ) R (t ) N0
N s (100) 34 R(100) 0.68 N0 50
N s (400) 22 R(400) 0.44 N0 50
•用过载试验方法进行可靠性试验验证 •用随机动载荷验证结构和零件的可靠性 •在关键机械零件中采用概率设计方法，将可靠度设计到结 构和机械零部件中
三、机械可靠性设计发展
在E.B. Haugen、F.B. Stulen、D. Kececioglu和A. M. Freudenthal等人的努力下，70年代前后，建立了 一整套基于干涉模型的机械可靠性设计方法 •在通用零件方面，滚动轴承最早引用了可靠性概念， 制定了额定寿命的可靠性指标并付诸实用。 •齿轮强度计算标准相继引进了可靠性指标。 •已深入到结构设计、机械零件的强度和寿命设计，以 及机械产品设计。
§1.2 研究可靠性技术的意义
一、保证和提高产品的可靠性水平 二、提高经济效益 提高产品的可靠性是可以获得很高经济效益的。 比如，美国西屋公司为提高某产品可靠性，曾对其 作了一次全面设计审查，结果是：所得到经济效益 是为提高可靠性所花费用的100倍以上。 三、提高市场竞争能力 只有产品的可靠性水平提高了，才能通过产品 的信誉，增强市场竞争能力。
事物本身概念不清楚，在质上没有确切定义， 在量上没有确定界限 性能好坏 效率高低 造型美观不美观
事物信息的未确知性
受客观条件限制而造成的信息不完善 零件在运行中的磨损、胶合和疲劳点蚀
§1.1 可靠性技术的发展简介
一、可靠性的提出
可靠（Reliable） 定性（模糊） 可靠性、可靠度（Reliability） 定量（精确）
一、可靠性的定义
规定的功能：要明确产品规定功能的内容。所谓 “完成规定功能”是指产品在规定的使用条件和规 定的功能参数下正常运行而不失效。失效不一定是 产品不能工作。 概率：可靠度是可靠性的概率表示。把概念性的可 靠性用具体的数学形式—概率表示，是可靠性技术 发展的出发点。用概率来定义可靠度后，对产品的 可靠程度的测定、比较、评价、选择才有了共同的 基础。
F (t ) P(T t ) 1 R(t )
可靠度和不可靠度都是对于一定的时间而言，若指定 的时间不同，同一产品的可靠度也就不同
例1－1 检验一批轴承的可靠性：
抽取50个轴承为样本，考察其在稳定载荷条件下的运行情况。 结果记录于下表：
时间（小时）
0 10 25 50 100 150 250 350 400 500 600 700 1000 1200 2000 3000
拟定设计方案
设计结构、造型 选择材料、参数、系数
规划工艺流程……
事物的随机性 不 确 定 性 因 素 类 型
在相同的条件下，事物呈现不同的结果 汽车、拖拉机承受的载荷，所处的工作状态 零件材料的性能 机器或零件的寿命……
概率 论与 数理 统计
模糊 数学 专家经验 主观概率、 主观隶属 度
事物的模糊性
§1.3 可靠性的基本概念
一、可靠性的定义 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。
根据国家标准(GB 3187—1982《可靠性基本名 词术语及定义》，这种能力以概率(可能性)表示，故 可靠性也称可靠度。
一、可靠性的定义
产品：指作为单独研究和分别试验的对象，是泛指的。可以
是元件、组件、零件、部件、机器、机组，甚至可以包含人的 因素。
1 n f (t ) n t
失效概率密度、累积失效概率和可靠度的关系
由定义可得：
R(t) F(t) R(t) F(t)
F (t ) f (t )dt
0
t
R(t ) 1 F (t )
1 f (t )dt
0 t
f(t)
O
t
R(t) F(t) O R(t)、F(t)与f(t)的关系
三、机械可靠性设计发展
系统的机械可靠性研究始于20世纪60年代美国的 航天计划 机械和电子故障是NASA主要关心的问题，其中 机械故障引起的事故多，损失大。如： 1963年同步通讯卫星SYMCOMⅠ，高压容器断裂， 引起卫星空中坠毁； 1964年人造卫星III号因机械故障而损坏 1965年始，NASA开始三项机械可靠性工作
二、可靠性的特征量
与可靠度相对应的是不可靠度，也就是“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”，又称失效概率，记为F (Failure)。 失效概率为时间t 的函数，故又称为失效概率函数 或不可靠度函数F (t )。因为它是累积分布函数，所以 又称为累积失效概率。 显然有
R(t ) F (t ) 1
dF (t ) d [1 R(t )] dR (t ) f (t ) dt dt dt
失效密度函数f(t)
O
t,/h
失效概率密度的估计值
F (t t ) F (t ) ˆ f (t ) t
n f (t t ) n f (t ) t n n
例1－1检验一批轴承的可靠性：
定义累积失效频率为：
F (t ) N f (t ) N0
N0 N s (t ) N s (t ) 1 1 R (t ) N0 N0
F (100) F (400) N f (100) N0 N f (400) N0 16 0.32 50 28 0.56 50

二、可靠性工程的发展与应用
电子设备
空间科学 宇航技术 一般工业部门 民用
五十年代
六十年代
七十年代以后
可靠性工程的应用实例（1） Apollo计划
美国于1961开始计 划研制Apollo-11号 宇宙飞船，它有 720万个零件，其 重要零件可靠性为 99.9999999％。
1969年7月登月成功。尽管Apollo计划的种种技 术，现在为世界上的各种产品所应用，但是其中影 响最为深远的是可靠性技术。
2
10
2
10 t(h)
3
10
4
0 1 10
t(h)
10
3
10
4
1.00 可靠度/累积失效率
一般情况
0.75 累积失效率F(t) 0.50 0.25 0.00
可靠度R(t)
时间 t
2．失效概率密度
失效概率密度是累积失效概率对时间的导数，记 作f(t)。它表示产品寿命落在包含的单位时间内的概 率，即产品在单位时间内失效的概率。可表示为：
失效数（只）
0 4 2 3 7 5 3 2 2 0 0 0 0 1 1 1
累计失效数Nf （只） 0 4 6 9 16 21 24 26 28 28 28 28 28 29 30 31
仍正常工作数Ns （只）
50 46 44 41 34 29 26 24 22 22 22 22 22 21 20 19
三、机械可靠性设计发展
我国机械产品的可靠性工作正在普及推广中， 相继颁布了一批机电产品的可靠性指标，并限期考 核。仪表、汽车的可靠性技术研究与应用，先行了 一步，已获得成效。机械可靠性设计将得到更为广 泛的应用和发展。
从1986年起，机械部已经发布了六批限期考核机电产品 可靠性指标的清单，前后共有879种产品已经进行可靠性 指标的考核 1990年11月和1995年10月，机械工业部举行了两次新闻 发布会，先后介绍了236和159种带有可靠性指标的机电 产品 1992年3月国防部科工委委托军用标准化中心在北京召 开了“非电产品可靠性工作交流研讨会” 2005年GJB450改版，增加机械可靠性内容
机械可靠性设计
第一章 绪 论
工程设计中事物的不确定性
工程设计是一个探索性的创造过程，即按照一定的目标进 行分析、决策、评价、优化的过程。 不确定性
自然因素 技术因素：载荷、环境、工艺、维护…… 人文因素：经济效益、社会效益、环保、 资源…… 工程事物描述 定义设计变量和参数 载荷、应力、强度、变 形、刚度、寿命…… 设计者的经 验、智能进 行判断、推 理与决策
N0
N0→∞时
N 0
lim R (t ) R(t )
lim F (t ) F (t )
例1－1检验一批轴承的可靠性：
1 0.9 0.8
0.7
0.68 0.44
F(t)
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
R(t)
0.7 0.6 0.5 0.4 10
1
0.56 0.32