系统可靠性大作业

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可靠性设计大作业

零部件的可靠性设计班级：学号：姓名：文威威摘要:本学期选修了电子设备可靠性工程，对这项科学有了更深的了解，进一步了解了本学科在工业生产和科学研究上的重要性。

据国外有关资料介绍，在船用电子设备的故障原因中，属设计不合理的占40%,电子元器件质量问题约占30%,曲操作和维护引起的故障占1 0 %,由制造工艺引起的故障约占1 0 %;对我国某炮瞄雷达现场故障统计数据分析表明，约有25%以上是山设计不合理所造成的。

引言:在可靠性技术迅速发展的今天，从指标试验评价发展到从指标论证、设计、原材料选择到工艺控制及售后服务的全过程的综合管理和评价，许多产品打出“零失效”的王牌。

产品的可黑性在很大程度上取决于设计的正确性, 而这乂基于零部件的可靠性设计。

零部件的可鼎性设计是以提高产品可靠性为LI的、以概率论与数理统汁理论为基础，综合运用数学、物理、丄程力学、机械工程学、人机工程学、系统工程学、运筹学等多方面的知识来研究机械工程的最佳设计问题。

利用可黑性设讣,可以降低元器件及系统的使用失效率，降低设备的成本，提高设备的可鼎性。

电子设备可靠性设计技术主要包括热设计、降额设汁、动态设计、三防设计、电磁兼容设计、振动与冲击隔离设计等。

正文：国内外的实践经验表明，机械结构的可靠性是由设计决定的，而由制造、安装和管理来保证的。

因此将概率设计理论和可黑性分析与设计方法应用于机械结构设讣中，才能得到既有足够安全可靠性，乂有适当经济性的优化结构。

这样，以估计结构系统可鼎度为LI标的、以概率统讣和随机过程理论为基础的、以各种结构分析技术为工具的多种结构可鼎性分析与设计方法迅速发展oRaize r综述了一次二阶矩法和以一次二阶矩法为基础的现代可靠性分析理论。

赵国藩等建立了广义随机空间内考虑随机变量相关性的结构可靠度实用分析方法，扩大了现有可幕度计算方法的适用范围。

并且贡金鑫和赵国藩还研究了原始空间内的可靠性分析方法，这种方法不需要将非正态随机变量映射或当量正态化为正态随机变量，因而特别适合于当随机变量的概率分布函数不存在显式时可靠度的讣算。

系统可靠性方案

系统可靠性方案简介系统可靠性是指系统在一定时间内能够正常运行的能力。

在设计和开发系统时，系统可靠性是非常重要的一个考虑因素。

本文将探讨如何制定一个系统可靠性方案，以确保系统的稳定性和可靠性。

目标制定一个系统可靠性方案的目标是保证系统的正常运行，并且能够在出现故障或异常情况时快速恢复。

具体目标包括：1.提高系统的稳定性，减少系统故障发生的概率；2.提供完善的容错和错误处理机制，保证系统能够在异常情况下正常运行；3.快速恢复系统正常运行，减少系统宕机时间，减少对用户的影响；4.提供详细的日志记录和监控系统，方便故障排查和系统性能优化。

系统设计1. 架构设计系统的架构设计是制定可靠性方案的基础。

在架构设计中，需要考虑以下几个方面：•分布式架构：采用分布式架构可以降低单点故障的风险，提高系统的可靠性。

可以使用多台服务器组成集群，实现负载均衡和故障转移。

•容错设计：采用容错设计，如备份、冗余和恢复机制，可以在主机故障时快速切换到备份主机，保证系统的连续性。

•异常处理：合理设计异常处理流程，包括异常检测、异常处理和异常恢复机制，确保系统可以在出现异常情况时自动恢复正常。

2. 数据备份与恢复数据备份与恢复是系统可靠性方案中的重要部分。

确保数据的完整性和可用性对于系统的正常运行至关重要。

•定期备份：定期对系统数据进行备份，确保在数据丢失或损坏时能够快速恢复。

备份频率可以根据数据重要性来确定，关键数据可以实时备份。

•冗余存储：数据冗余存储是一种常用的数据备份方式，可以将数据复制到多个存储设备上，以防止单点故障导致数据的丢失。

•数据恢复：在数据丢失或损坏时，需要有快速且可靠的数据恢复机制。

可以恢复备份数据，或者使用数据同步技术实时恢复数据。

3. 高可用设计高可用设计是确保系统可靠性的重要手段，能够提供连续性的服务。

•多服务器部署：采用多服务器部署可以实现负载均衡和故障转移，提供高可用性的服务。

可以使用负载均衡器将请求分发到多个服务器上，当某个服务器发生故障时，可以快速切换到其他服务器上。

可靠性维修性作业(南京理工大学)

6
产品的可靠性还与规定的功能有密切关系。与可靠性一样，维修性也是一个设计特性，维修性好的系统将能
以很低的费用，快速而方便地进行维修。维修性与可靠性的重要区别在于对人的因素的依赖程度不同。系
统的固有可靠性主要地取决于系统各构成成分的物理特性；而系统的固有维修性不可能脱离开人的因素的影响。相同的系统，由于采用了不同的维修概念和不同的后勤保障方式，还由于从事维修工作的人员在技术水平上的差异，会表现出不同韵维修性特性。通常在工程设计中，作为一种工作性的陈述，把维修性观为一种设计出来的系统固有特性，这种固有的系统特性决定了为把系统维持在或恢复到给定使用状态所需的维修工作量。说得确切些，维修性就是某一系统(或产品) 在预定的维修级别上，由具有规定的技术水平的人员，利用规定的程序和资源进行维修时，保持或恢复到规定的状况的能力的度量。从上述维修性的定义可以看出维修性除与系统的设计特点有关外，还受到维修人员技术水平、维修程序，维修设施的情况以及进行维修时所处的环境等因素的影响。 10．维修性设计与系统设计有什么关系？答：系统的维修性首先是通过系统的设计过程来实现的。根据系统的工作要求，建立维修概念：确定系统的维修性定量和定性要求：建立维修性模型，对系统的定量指标进行维修性分配和预计：确定维修性设计准则，以便将定量和定性的维修性要求和规定的约束条件转换成详细的硬件和软件设计：维修性工程人员参加系统设计过程并从事维
3
(1)对于复杂度高的分系统、设备等，应分配较低的可靠性指标，因为产品越复杂，其强盛单元就越多，要达到高可靠性就越困难，并且要花费较多的时间和费用。
(2)对于重要度高的产品的可靠性指标应分配得高一些，因为关键件一旦故障，将使整个系统的功能受到影响，影响人身安全及重要任务的完成。

系统可靠性设计中的可靠性增长分析实际案例(五)

在当今科技发达的社会中，对于系统可靠性的要求越来越高。

无论是电子设备、软件系统还是工业控制系统，都需要具备较高的可靠性，以保证其在长时间运行中不会出现故障。

而系统可靠性设计中的可靠性增长分析则是一个重要的环节，通过对系统运行过程中的故障数据进行分析，可以帮助工程师们找到系统中的薄弱环节，并进行相应的改进，从而提高系统的可靠性。

本文将通过一个实际案例来探讨系统可靠性设计中的可靠性增长分析。

案例描述某工业企业生产线上的一台自动化控制系统，在运行一段时间后出现了频繁的故障，导致生产线停工，造成了严重的生产损失。

经过初步调查，工程师们发现这些故障主要集中在系统的传感器和执行器上，而且故障频率逐渐增加，说明系统的可靠性正在下降。

为了解决这一问题，工程师们决定对系统进行可靠性增长分析，以找到故障的根本原因。

数据收集与整理首先，工程师们对系统运行过程中的故障数据进行了详细的收集和整理。

他们记录了系统在不同时间段内出现的故障数量、类型、以及对生产造成的影响程度。

通过对这些数据的分析，工程师们发现系统的故障频率呈现出明显的增长趋势，特别是在最近的几个月内，故障频率急剧上升，给生产带来了严重的影响。

可靠性增长分析在收集和整理完故障数据之后，工程师们开始进行可靠性增长分析。

首先，他们对系统的结构和工作原理进行了深入的了解，发现系统中的传感器和执行器是整个控制系统的关键组成部分，而这些部件的故障频率正是造成系统可靠性下降的重要原因。

接着，工程师们利用统计学和数学分析的方法，对故障数据进行了进一步的分析，找出了故障发生的规律和特点。

通过这些分析，工程师们发现了一些之前并未注意到的故障模式和故障原因，这些发现为后续的改进工作提供了重要的参考。

改进措施有了可靠性增长分析的结果，工程师们制定了一系列针对性的改进措施。

首先，他们对系统中的传感器和执行器进行了全面的检查和测试，发现了一些隐性故障，并及时进行了更换和修理。

同时，工程师们还对系统的控制逻辑和软件进行了优化，增加了一些自动故障诊断和恢复功能，以提高系统对故障的容忍度和恢复能力。

可靠性工程作业

5.计算结果
将各个组件的失效性数据带入，可得Gr1的拒动p概率为 ,当Gr1与Gr2均处于拒动状态时，IP通道才会处于拒动状态，期每小时拒动概率为 ,所以IP通道的每小时拒动概率约为6.4 。
图8逻辑降级表
由逻辑降级表可知，无论是有1.2.3.4路比较结果无效，通道的MPU模块都具有对应的产生停堆信号方式，即若干路的无效比较结果（定义为其它通路比较结果信号未能传入该通路的下层MPU，或者该通路的上层MPU未能将该通路的比较结果传送至下层MPU）对MPU模块的判决并不产生影响，或者说IP并不会因此而拒动，因此，由光电转换与NCU组成的通信模块认为对IP拒动没有影响；
图5故障模式1故障树
（2）故障模式2—当AI与BO正常，但Gr1主通路（即Gr1的上方通路，由CCS1，MPU1，SCU1，CSS2组成）故障，假设管理模块位于主通路的MPU机笼中，此时若管理模块故障，且主通路故障，则Gr1必定处于拒动状态，因为此时无论备用通道的状态如何，由于管理模块的损坏，无法诊断出主通路的故障，也不能切换到另一备用通路；其具体通路故障情况可分为两种讨论，（1）MPU机笼供电正常，此时要求SCU或者MPU板卡故障，且管理板卡故障；（2）MPU机笼供电故障，包括电源故障或者地板故障，此时主通道，管理模块均处于非工作状态；这两种情况任意发生一种，都将导致主通道与管理模块功能异常，它们的逻辑关系并运算；
综上所述，故障模式3的故障树见下图：
图7故障模式3故障树
4.补充说明
以上FCC模块分析没有将下图所示部分进行故障分析，原因如下：通道的通信功能体现在它将该通道的比较结果送到其它通道的下层MPU控制站，这里的通信功能通过光电转换与NCU模块完成；如果某一通道的比较结果未能传输到其它三个通道中，或者说从其它通道来的若干路信号未能传输到该通道，那么此时是否产生停堆信号可以通过逻辑降级的方式进行，其逻辑降级情况见下表：

机械可靠性作业

机械可靠性设计姓名：xxx学号：xxxxxxxxx专业：机械制造及其自动化学校：xxxxxxxxxxx2014 年12 月26 日第三部分系统可靠性1.系统的原理图、功能框图和功能流程图、系统的可靠性框图的区别，举例说明。

答：区别：系统的原理图是反应了系统及其组成单元之间物理上的连接与组合关系；功能框图、功能流程图是反映了系统及其组成单元之间的功能关系；可靠性框图是对于复杂产品的一个或一个以上的功能模式，用方框表示的各组成部分的故障或它们的组合如何导致产品故障的逻辑图；系统的原理图、功能框图及功能流程图是建立可靠性模型的基础。

举例：某链式刀库和机械手系统的原理图功能框图功能流程图系统的可靠性框图2.试以行星轮系的可靠性建模为例，说明行星轮系的工作原理和可靠性框图。

答：主要由行星轮g、中心轮k及行星架H组成。

其中行星轮的个数通常为2～6个。

但在计算传动比时，只考虑1个行星轮的转速，其余的行星轮计算时不用考虑，称为虚约束。

它们的作用是均匀地分布在中心轮的四周，既可使几个行星轮共同承担载荷，以减小齿轮尺寸；同时又可使各啮合处的径向分力和行星轮公转所产生的离心力得以平衡，以减小主轴承内的作用力，增加运转平稳性。

行星架是用于支承行星轮并使其得到公转的构件。

中心轮中，将外齿中心轮称为太阳轮，用符号a表示，将内齿中心轮称为内齿圈，用符号b表示。

二、行星轮系的分类根据行星轮系基本构件的组成情况，可分为三种类型：2K-H型、3K型、K-H-V型。

2K-H型具有构件数量少，传动功率和传动比变化范围大，设计容易等优点，因此应用最广泛。

3K型具有三个中心轮，其行星架不传递转矩，只起支承行星轮的作用。

行星轮系按啮合方式命名有NGW、NW、NN型等。

N表示内啮合，W 表示外啮合，G表示公用的行星轮g。

典型行星齿轮传动机构的基本特性。

行星轮系的可靠性框图简化后轮系传动简图图III 可靠性框图3.以身边的典型民用产品为例，进行FMEA分析，并建立故障树。

中南大学系统可靠性分析与评价作业

(1.99)=0.9767
习题14
设随机变量X服从均值为1，方差为4的正态分布，且Y=1-3X，求E(Y)和D(Y)。
习题15
经室内试验，测定某工程岩石抗拉强度分别为： 10.3 15.2 8.4 12.2 18.5 7.8 11.2 13.6 求该批岩石抗拉强度的均值，方差，标准差，变异系数，2阶原点矩，偏度系数和峰度系数。
习题16:现有n个相同的元件，其寿命为 F(t)=1-e-λt，组成并联系统，试求该系统的故障率。
习题17:假设一串联系统由n个 MTTF=1000h(指数分布)的相同元件组成，试求当 n=1,n=2,n=3,n=5,n=10时，系统的 MTTF，并画出元件个数与平均寿命的关系图。
习题18:试比较下列五个系统的可靠度，设备单元的可靠度相同，均为R0=0.99 (1)四个单元构成的串联系统； (2)四个单元构成的并联系统； (3)四中取三储备系统； (4)串-并联系统(N=2，n=2) (5)并-串联系统(N=2，n=2)
习题21 已知下图中每个部件的可靠度为R，求系统的可靠度。
A
C
E
B
DLeabharlann F习题22图(a)和(b)所示的两个系统中，含有四个相同元件，已知每个元件的失效率为λ(常数)，若系统运行 2000小时的可靠度要求至少为0.95，两种情况下元件的失效率应满足什么要求？
A
B
A
B
C
C
(a)
(b)
习题23
试用布尔代数化简法和矩阵排列法，求下图故障树的最小割
习题4：一设备从以往的经验知道，平均无故障时间为20天，如果出了故障需2天方能修复，假定该设备发生故障时间及修复时间服从指数分布。

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《系统可靠性》课程结业考核报告题目：《装载机差速器的可靠性优化设计》
专业：机械工程
班级：机械工程131
姓名：肖磊
学号：3130109128
教师：唐冶老师
成绩：
安徽工程大学机械与汽车工程学院
2016/12/02
装载机差速器的可靠性优化设计
摘要运用可靠性设计理论和最优化设计技术,提出了装载机差速器的可靠性优化设计方法。

建立了可靠性优化设计数学模型并给出了优化实例和结果分析。

关键词差速器可靠性优化设计数学模型
0引言
差速器具有结构简单、工作平稳、性能可靠等优点,在装载机上获得了广泛的
行星齿轮轴3 及中
行星齿轮2、
应用。

图1为装载机差速器简图，它由半轴齿轮1、
央传动从动锥齿轮4组成。

差速器设计的好坏直接影响着装载机的成本、寿命与效
强度益。

其常规设计和普通优化设计都是以安全系数为基础，且将设计中的应力、
等变量视为确定型变量，这一方面不符合实际运行情况，经大量试验统计证明它们是符合某种统计规律的变量；另一方面安全系数大小的选取也有不确定性，受设计人员经验的影响。

为了弥补上述缺陷，考虑影响差速器齿轮传动的种种因素的不确定性，将变量处理成随机变量，运用可靠性设计理论最优化设计技术，对差速器齿轮传动进行可靠性优化设计，不失为一种新的选择。

1.半轴齿轮
2.行星齿轮
3.行星齿轮轴
4.中央传动从动锥齿轮
图1 装载机差速器简图
1.差速器齿轮齿根弯曲强度的可靠度计算
由于差速器齿轮的啮合次数比传动系其它齿轮少得多，很少因齿面点蚀而破
坏，因此无需进行齿面接触强度可靠度计算，而只需计算齿根弯曲强度的可靠度。

锥齿轮齿根弯曲强度条件为
ζF=F t KY Fa Y(1)
式中Ft———作用在行星齿轮和半轴齿轮上的圆周力
Ft=2 T1/2C3 dm1
T1———差速器设计转矩
dm1———半轴齿轮平均分度圆直径，且
dm1 = d1(1 - 0. 5ΦR) =mz1(1 - 0. 5ΦR)
m———锥齿轮端面模数
ΦR———齿宽系数，ΦR= b/R
R=m z1(u +1)1/2/2
K———载荷系数，K= KAKVKFαKFβ，其中，KA为使用系数，KV为动载系数，KFα为齿间载荷分配系数，取KFα= 1，KFβ为齿向载荷分布系数
YFα———载荷作用在齿顶时锥齿轮的齿形系数
YSα———载荷作用在齿顶时锥齿轮应力校正系数
ζFP———许用弯风应力
ζFP= KFNζF Lim/SF (2)
这里，ζF Lim为锥齿轮齿根弯曲疲劳极限值，SF为齿根弯曲疲劳计算用安全系数，KFN为弯曲疲劳计算时的寿命系数。

从理论上讲，式（1）、式（2）中的各参数，除齿数比u和行星轮个数 C可预先确定之外，其余均为随机变量，具有一定的分布规律。

实际上由于锥齿轮的几何参数误差相对来说一般均很小，故可视为确定量。

有些参数的分布情况尚难以考虑，也暂定为确定量[2]。

这样随机变量ζF和ζFP的均值、标准差可用可靠性设计理论中的变异系数法[2]求得,其值分别为
ζ = KAKVKFβFtYFαYSα(3)
F=bm(1 - 0. 5ΦR)
SζF=ζFCζF(4)
ζFP= KFNζF Lim/SF(5)
Sζ =ζFPCζ(6)
其中，式(4)、式(6)中的Cζ和Cζ为变异系数，其值为
Cζ=(C K v2 +C K 2+C K 2+C K v C K )1/2 (7)
Cζ=(CK2+Cζ2)(8)
式(3)～式(8)中的ζF、Cζ、KV、CK V分别为相应参数的均值和变异系数，各变异系数取值参见文献[2]。

假设齿根弯曲应力和强度均服从正态分布，则其可靠性联结方程为
Z F=(ζFP-ζF)/(Sζ2+Sζ2)1/2 (9)
求出可靠度系数ZF后,便可根据ZF由标准正态分布表查得相应的RF，RF= 1 -Φ(ZF)。

2.差速器可靠性优化设计数学模型的建立
对装载机差速器进行可靠性优化设计，是在满足锥齿轮强度和其他性能规格的前提下，使差速器体积最小、重量最轻。

2. 1.目标函数和设计变量的确定
以差速器体积最小为设计准则。

由于其体积取决和作为目标函数，即V= CV1 +2 V2，于是目标函数可写成
min f(x) =min V=0.653 9x13x23×(1 - x3+ x32/3)x3u(1 + u)
2.2约束条件的建立
行星齿轮齿数条件10≤z1≤13
g1(x) =10-x2≤0 g2(x) = x2- 13≤0
半轴齿轮齿数条件14≤z2≤25
g3(x) =14-ux2≤0 g4(x) = ux2-25≤0
模数条件3mm≤m≤8mm
得g5(x) =3- x1≤0
g6(x) = x1 - 8≤0
限制齿宽系数Φ=0. 3～0. 5
得g7(x) =0.3-x3≤0
g8(x) = x3-0.5≤0
装配条件2z2/C=整数
由于C= 2 ，故2z2/C总为整数，在此无需建立约束条件
行星齿轮孔径条件为了保证工艺性，行星齿轮小端齿根圆至内孔应有足够的厚度，并满足下述条件[4]
其中，行星齿轮孔径d=0. 195(T1/ud1)
行星齿轮小端齿根圆直径d1f= d1f/(R- b)/0.051)(R- b)
R= (d1 -1.788m+2xbm- 0.051)(1 -ΦR)
行星齿轮小端齿根圆至内孔的最小厚度δ= 1.6m.于是，得
g9(x)=0.195(T1/ux1x2)1/2 +3.2x1 - (x1x2- 1.048x1- 0.7u-2x1- 0.051)(1 - x3)≤0
半轴齿轮孔径条件：为了保证强度要求,半轴齿轮小端齿根圆到花键
孔外径应有足够的厚度,并满足下述条件d2f- 2δ2- ds≥0
其中，半轴齿轮小端齿根圆直径为
d2f=d2f-(R-b)R=[d2- 2(0. 8- xb)′m- (0. 188m+0. 051)]·
(R- b) =(d2- 1.788+ m2xbm′- 0.051)(1 -ΦR)
其中,xb,xb分别为行星齿轮和半轴齿轮的径向变位系数
Xb= -xb=0.37[1 - (z1/z2)2]=0.37[1- u-2]
δ2 ———半轴齿轮小端齿根圆至花键孔外径的最小厚度，δ2 = 1.6m ds———半轴齿轮轴径，ds= 17.2(T2/η] 1/3mm
T2———半轴齿轮计算转矩，T2 =0.6 T1
于是，得
g10(x) =17.2(0. 6 T1/η]1/3 +3.2x1 -(ux1x2 - 2.528x1 +0.74u-2x1 -
0.051)(1-x3)≤0
锥齿轮弯曲强度可靠度约束由联结方程(9)可以建立锥齿轮弯曲强度可靠度约束，即
g11(x) = Z0F1-Z F1≤0
g12(x) = Z0F2-Z F2≤0
式中， Z0F1( Z0F2)为行星齿轮(半轴齿轮)弯曲强度要求的可靠度R0F1(R0F2)对应的可靠度指数。

3. 优化方法和结果分析
装载机差速器的可靠性优化设计数学模型为
X=[x1 x2 x3]T
这是一个具有3个设计变量，12个不等式约束的优化设计问题，可采用随机方向法在微机上寻求最优解。

利用该优化方法求出4组优化解，在这4组优化解中由变量的最小值与最大值组成一新区间，调用3次插值函数子程序在此区间内再进行一维搜索，以获得优化问题的最优解。

某装载机差速器传动系要求满足齿根弯曲强度可靠度为R0≥0. 985，试对其进
行可靠性优化设计。

编写目标函数子程序和约束条件子程序，调用随机方向法优化程序在微机上进行优化，初始点取原常规设计方案参数，即x(0) =[5 12 0.45]T，取初始步长α0= 2.4，迭代终止精度ε= 0.01，得出可靠性优化设计结果为X=[4.5 11 0.4]T。

此时，目标函数值为f(x) =0.875×105 (mm3)
原设计方案目标函数值为f(x) =1.536×105 (mm)3
4.结论
将可靠性优化设计方案与原常规设计方案相比，差速器齿轮传动系体积可减小43%，可见，将优化技术和可靠性设计理论相结合，可为设计提供理想的结果。

5.参考文献
【1】.邱宣怀，郭可谦等.机械设计（第三版）.北京：高等教育出版社,1989 【2】.王超,王金.机械可靠性工程.北京:冶金工业出版社,1992
【3】.孙靖民.机械优化设计.北京:机械工业出版社,1991
【4】.陈育仪.工程机械优化设计.北京:中国铁道出版社,1987。