第3次课-机械可靠性设计原理与可靠度计算

第二章机械静强度可靠性设计参数与计算方法机械强度可靠性设计，是以应力!强度分布干涉理论与可靠度计算为基础。

因此，前一章的内容也应是机械静强度可靠性设计的基本内容。

而本章所介绍的某些方面，也与下一章将要介绍的疲劳强度可靠性设计直接有关。

!"#安全系数与可靠度"#经典意义下的安全系数在机械零件的常规设计中，以强度与应力之比称为零件的安全系数，它是常数。

它来源于人们的直观认识和具体经验总结，具有直观、易懂、使用方便并有一定的实践依据，所以至今仍被机械设计的常规方法广泛采用。

但随着科学技术的发展及人们对客观世界认识的不断深化，发现它有很大的盲目性和保守性，尤其对于那些对安全性要求很高的零部件，采用上述安全系数方法进行设计，显然有很多不合理之处，因为它不能反映事物的客观规律。

其实，只有当材料的强度值和零件的工作应力值离散性非常小时，上述定义的安全系数才有意义。

考虑到应力与强度的离散性，进而又有了平均安全系数与极限应力状态下的安全系数等。

以强度均值!!与应力均值"!之比的安全系数："#!!!（$$"）称为平均安全系数。

强度的最小值!%&’和应力的最大值!%()之比"#!%&’!%()（$$$）则为极限应力与强度状态下的最小安全系数。

常用的安全系数也可定义为"#!!!%()（$$*）上述各定义式也都没有离开经典意义下的安全系数的范畴。

$#可靠性意义下的安全系数w w w.bz f x w.c om如果将设计变量应力与强度的随机性概念引入上述经典意义下的安全系数中，便可得出可靠性意义下的安全系数，这样也就把安全系数与可靠度联系起来了。

例如，假设产品的工作应力随机变量为!，产品材料强度随机变量为!，则产品的安全系数"!!#!也是随机变量。

因可靠度$!%（!"!），故有$&%!!’()#&%（"’#）（$(%）上式表明：安全系数大于#的概率就是产品的可靠度。

6 可靠性设计6.1概述可靠性是衡量产品质量的一个重要指标。

可靠性设计是一种很重要的现代设计方法。

目前，这一设计方法已在现代机、电产品设计中得到愈来愈广泛的应用，它对提高产品的设计水平和质量，降低成本，保证产品的可信性、安全性起着极其重要的作用。

长期以来，一切讲究产品信誉的厂家，为了争取顾客都在追求其产品具有好的可靠性。

因为只有那些可靠性好的产品，才能长期发挥其使用性能而受到用户的欢迎。

不仅如此，有些产品如汽车、轮船iiE机，如果其关键零部件不可靠，不仅会给用户带来不便，耽误时间、推迟日程，造成经济损失，甚至还可能直接危及使用者的生命安全。

美国“挑战者”号航天飞机、前苏联切尔诺贝利核电站等发生的大的可靠性事故所引起的严重后果，都足以说明产品的可靠性差会引起一系列严重问题，甚至会危及国家的荣誉和安全。

1957年苏联第一颗人造卫星升天，1969年美国阿波罗Ⅱ号宇宙飞船载人登月等可靠性技术成功的典范，不仅为其国家带来荣耀，而且说明了高科技的发展要以可靠性技术为基础，科学技术的发展又要求高的可靠性。

早期，人们对“可靠性”这一概念的理解仅仅从定性方面，而没有数值量度。

但为了更好地表达可靠性的准确台义，不能只从定性方面来评价它，而应有定量的尺度来衡量它。

6.1.1可靠性科学的发展可靠性设计是可靠性学科的一个重要分支，而对可靠性学科的系统研究则始于1952年。

二战期间雷达系统已发展很快，而通讯设备、航空设备、水声设备中的电子元件却屡出故障，因此美国开始研究电子元件和系统的可靠性问题。

为此，美国国防部研究与发展局于1952年成立了“电子设备可靠性顾问团咨询组”( Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment，AGREE)，其下设9个任务小组，对电子产品的设计、试制、生产、试验、储存、运输、使用等各个方面的可靠性问题，作了全面的调查研究，并于1957年提出了“电子设备可靠性报告”，即AGREE报告。

介绍机械可靠性的设计方法结构可靠性主要考虑机械结构的强度以及由于载荷的影响使之疲劳、磨损、断裂等引起的失效；机构可靠性则主要考虑的不是强度问题引起的失效，而是考虑机构在动作过程由于运动学问题而引起的故障机械可靠性一般可分为结构可靠性和机构可靠性。

结构可靠性主要考虑机械结构的强度以及由于载荷的影响使之疲劳、磨损、断裂等引起的失效；机构可靠性则主要考虑的不是强度问题引起的失效，而是考虑机构在动作过程由于运动学问题而引起的故障。

机械可靠性设计可分为定性可靠性设计和定量可靠性设计。

所谓定性可靠性设计就是在进行故障模式影响及危害性分析的基础上，有针对性地应用成功的设计经验使所设计的产品达到可靠的目的。

所谓定量可靠性设计就是充分掌握所设计零件的强度分布和应力分布以及各种设计参数的随机性基础上，通过建立隐式极限状态函数或显式极限状态函数的关系设计出满足规定可靠性要求的产品。

机械可靠性设计方法是常用的方法，是目前开展机械可靠性设计的一种最直接有效的方法，无论结构可靠性设计还是机构可靠性设计都是大量采用的常用方法。

可靠性定量设计虽然可以按照可靠性指标设计出满足要求的恰如其分的零件，但由于材料的强度分布和载荷分布的具体数据目前还很缺乏，加之其中要考虑的因素很多，从而限制其推广应用，一般在关键或重要的零部件的设计时采用。

机械可靠性设计由于产品的不同和构成的差异，可以采用的可靠性设计方法有：1.预防故障设计机械产品一般属于串联系统.要提高整机可靠性,首先应从零部件的严格选择和控制做起。

例如，优先选用标准件和通用件；选用经过使用分析验证的可靠的零部件；严格按标准的选择及对外购件的控制；充分运用故障分析的成果，采用成熟的经验或经分析试验验证后的方案。

2.简化设计在满足预定功能的情况下，机械设计应力求简单、零部件的数量应尽可能减少，越简单越可靠是可靠性设计的一个基本原则，是减少故障提高可靠性的最有效方法。

但不能因为减少零件而使其它零件执行超常功能或在高应力的条件下工作。

机械可靠性设计LG GROUP system office room 【LGA16H-LGYY-LGUA8Q8-LGA162】机械可靠性设计概述专业：机械设计制造及其自动化班级：机制（2）班组员：黄佳辉芦朝晖摘要可靠性就是产品在规定的时间和规定的条件下完成规定功能的能力，无论任何产品或是零件能否在复杂多变的环境下发挥其应有的功能是至关重要的，目前几乎所以的机器在设计制造的过程中都必须考虑其可靠性，可靠性设计已经变得越来越重要，怎样合理的采用科学的可靠性设计方法使机器能够在要求的工作环境下不会失效损坏是设计中必须考虑的重要问题，只有这样才能提高和稳定产品的可靠性。

关键词：可靠性发展趋势设计方法意义原理正文机械可靠性设计的目的就是确保其设计的机械零件能够在规定的工作时间，规定的条件下完成规定的功能。

机械产品是在综合学科交叉作用下的高新技术的衍生物，其主要功效就是实现产品运行过程中的安全性、可靠性[1]。

一个产品如果无法保证其运作的稳定性，将会极大的威胁到人生安全，而且稳定性也是对产品质量的一种保证。

一机械可靠性设计研究发展状况国内主要的可靠性研究机构有中国赛宝实验室（CEPREI，工业和信息化部电子第五研究所）、摩尔实验室（MORLAB）等。

中国赛宝实验室是中国唯一专业进行电子产品质量与可靠性研究的权威机构。

可靠性研究分析中心（RAC）是中国赛宝实验室的核心技术部门，是按国际标准ISO17025管理和运行的实验室，主要开展电子产品失效分析、破坏性物理分析、电子制造技术服务、电子产品污染控制技术项目等。

经过多年的建设和发展，分析中心在电子材料、元器件、封装、组装和电子辅料的质量与可靠性方面，具有完善的检测、分析和试验能力；开展有毒有害物质（RoHS）、环境评估与监测、ODS替代技术检测等方面的技术服务，是目前国内最先进、综合技术能力最强的电子制造技术支持实验室和环保检测实验室。

摩尔实验室中的可靠性实验室主要实验为：气候环境实验、机械环境实验、高温可靠性实验。

教师教案（2012—2013学年第2学期）课程名称：机电产品可靠性设计授课学时：32授课班级：2010级任课教师：朱顺鹏教师职称：讲师教师所在学院：机械电子工程学院电子科技大学教务处第一章可靠性设计概论4学时一、教学内容及要求教学内容共4学时可靠性基本概念2学时(1)可靠性的内涵(2)可靠性工程发展现状(3)可靠性特征量可靠性数学基础2学时(1)数理统计基本概念(2)可靠性常用概率分布(3)随机变量均值与方差的近似计算教学要求(1)了解可靠性学科发展历程(2)掌握可靠性学科研究的内容(3)了解我国可靠性研究的发展现状(4)了解可靠性设计工作的重要意义及面临的主要挑战(5)掌握可靠性的定义(6)掌握可靠度、不可靠度、失效率的定义(7)掌握常用的概率分布（正态分布、指数分布、威布尔分布、对数正态分布）在可靠性设计工作中的应用(8)掌握随机变量均值与方差的近似计算方法二、教学重点、难点教学重点可靠性的定义可靠性特征量定义及相互关系常用概率分布的统计特征量教学难点失效率的定义威布尔分布的相关概念及应用三、教学设计列举航空航天产品（如卫星天线、卫星指向机构、太阳翼展开机构）、民用产品（如汽车）、制造装备（如数控机床）的实例，突出开展可靠性工作的重要意义。

随机变量及数理统计的知识系学生在先修课程中所学内容的复习，可以简要介绍，并要求学生查阅以前的书籍。

正态分布是学生熟知的内容，在教学过程中着重讲解其实际应用；指数分布、对数正态分布和威布尔分布是学生先修课程中没有学习过的，应详细讲解。

威布尔分布是难点内容，应重点介绍其发展历史，统计特征，以及威布尔分布在机械可靠性中的特殊作用，列举工程实例。

随机变量函数的均值与方差计算是后续机械产品可靠性设计需要用到的基本方法，讲解三种常用的方法原理即可，公式可以查表。

四、作业通过课程网站发布。

五、参考资料1. 盛骤, 谢式千, 潘承毅. 概率论与数理统计(第四版), 高等教育出版社,20102. 刘惟信. 机械可靠性设计. 北京:清华大学出版社, 2000六、教学后记第二章系统可靠性设计8学时一、教学内容及要求教学内容共8学时系统可靠性框图2学时串联系统；并联系统；混联系统；表决系统；旁联系统可靠性分配2学时可靠性分配的目的和原则可靠性分配方法（等分配法、再分配法、比例分配法、AGREE法）可靠性预计1学时可靠性预计的目的可靠性预计的方法（应力分析法、元器件计数法、相似产品法、上下限法）故障模式、影响及危害性分析FMECA 1学时FMECA的定义及分类FMECA的一般过程风险优先数和危害性矩阵故障树分析FTA 2学时故障树的各种符号故障树建树步骤常用故障树分析方法介绍教学要求(1)了解系统可靠性设计的任务；(2)掌握系统可靠性建模方法；(3)了解可靠性分配与预计的目的；(4)掌握可靠性分配与预计的常用方法。

()22σ2μx 21)(--σπ=e xf 第一章 绪论1.3可靠性定义及特征量1、可靠性：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。

对象：指某个不可拆卸的独立体（如弹簧、齿轮），也可指某一部件或机器（如发动机或减速器），还可指某个系统（如某条生产线、某个车间等），甚至包括人的判断与人的操作因素在内。

2、失效概率：产品在规定的条件下和规定的时间内未完成规定功能的概率，记为F (t)。

F(t)=1-R(t)3、失效率：失效率是工作到某时刻t 尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。

一般记为λ，它也是时间t 的函数，故也记为λ(t)，称为失效率函数，有时也称为故障率函数或风险函数。

假设有N 个产品，从t=0开始工作，到时刻t 时产品的失效数为n(t)，而到时刻(t+Δt)时产品的失效数为n(t+ Δt)，即在[t ，t+ Δt]时间内有Δn(t)=n(t+ Δt)-n(t)个产品失效，则在该区间内产品平均失效率为式中， 为开始时投入试验产品的总数；为到时刻产品的失效数；为到时刻产品的失效数；为时间间隔。

失效率反映了t 时刻产品失效的速率，也称为瞬时失效率。

失效率愈低，则可靠性愈高。

平均失效率：在某一定时间内失效率的平均值。

例如，在（t1，t2）时间内失效率平均值为： 练习1、若有1001小时，发现有1件失效，求此时失效率。

2、若实验到50小时时共有10件失效。

再观测1小时，也发现有1件失效，求此时失效率。

第二章可靠性数学基础4平均寿命MTTF ：Mean Time to Failure ，无故障工作时间或首次故障平均时间，指开始工作到发生故障的平均时间。

MTBF ：Mean Time between Failure ，故障间隔平均时间或平均无故障时间，指寿命期内累计工作时间与故障次数之比。

MTTF 和MTBF 都称为平均寿命 2.3.3 重要的连续性随机变量及其分布 3、正态分布（高斯分布） 概率密度函数：N )(t n t )(t t n ∆+t t ∆+t ∆dt t t t t t t ⎰-=2112)(1)(λλ),(~2σμN x （）累积分布函数：记为：或，是一种二参数分布。