机械结构可靠性设计.docx
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机械结构可靠性设计
机械可靠性的设计方法
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。
否则，简化设计将达不到提高可靠性的目的。
3.降额设计和安全裕度设计
降额设计是使零部件的使用应力低于其额定应力的一种设计方法。
降额设计可以通过降低零件承受的应力或提高零件的强度的办法来实现。
工程经验证明，大多数机械零件在低于额定承载应力条件下工作时，其故障率较低，可靠性较高。
为了找到最佳降额值，需做大量的试验研究。
当机械零部件的载荷应力以及承受这些应力的具体零部件的强度在某一范围内呈不确定分布时，可以采用提高平均强度（如通过大加安全系数实现）、降低平均应力，减少应力变化（如通过对使用条件的限制实现）和减少强度变化（如合理选择工艺方法，严格控制整个加工过程，或通过检验或试验剔除不合格的零件）等方法来提高可靠性。
对于涉及安全的重要零部件，还可以采用极限设计方法，以保证其在最恶劣的极限状态下也不会发生故障。
4.余度设计
余度设计是对完成规定功能设置重复的结构、备件等，以备局部发生失效时，整机或系统仍不致于发生丧失规定功能的设计。
当某部分可靠性要求很高，但目前的技术水平很难满足，比如采用降额设计、简化设计等可靠性设计方沙土，还不能达到可靠性要求，或者提高零部件可靠性的改进费用比重复配置还高时，余度技术可能成为叭一或较好的一种设计方法，例如采用双泵或双发动机配置的机械系统，但应该注意，余度设计往往使整机的体积、重量、费用均相应增加。
余度设计提高了机械系统的任务可靠度，但基本可靠性相应降低了，因此采用余度设计时要慎重。
5.耐环境设计
耐环境设计是在设计时就考虑产品在整个寿命周期内可能遇到的各种环境影响，例如装配、运输时的冲击，振动影响，贮存时的温度、湿度、霉菌等影响，使用时的气候、沙尘振动等影响。
因此，必须慎重选择设计方案，采取必要的保护措施，减少或消除有害环境的影响。
具体地讲，可以从认识环境、控制环境和适应环境三方面加以考虑。
认识环境指的是：
不应只注意产品的工作环境和维修环境，还应了解产品的安装、贮存、运输的环境。
在设计和试验过程中必须同时考虑单一环境和组合环境两种环境条件；不应只关心产品所处的自然环境，还要考虑使用过程所诱发出的环境。
控制环境指的是：
在条件允许时，应在小范围内为所设计的零部件创造一个良好的工作环境条件，或人为地改变对产品可靠性不利的环境因素。
适应环境指的是：
在无法对所有环境条件进行人为控制时，在设计方案、材料选择、表面处理、涂层防护等方面采取措施，以提高机械零部件本身耐环境的能力。
6.人机工程设计
人机工程设计的目的是为减少使用中人的差错，发挥人和机器各自的特点以提高机械产品的可靠性。
当然，人为差错除了人自身的原因外，操纵台、控制及操纵环境等也与人的误操作有密切的关系。
因此，人机工程设计是要保证系统向人传达的住处的可靠性。
例如，指示系统不仅显示器靠，而且显示的方式、显示器的配置等都使人易于无误地接受；二是控制、操纵系统可靠，不仅仪器及机械有满意的精度，而且适于人的使用习惯，便于识别操作，不易出错，与安全有关的，更应有防误操作设计；三是设计的操作环境尽量适合于人的工作需要，减少引起疲劳、干扰操作的因素，如温度、湿度、气压、光线、色彩、噪声、振动、沙尘、空间等。
7.健壮性设计
健壮性设计最有代表性的方法是日本田口玄一博士创立的田口方法，即所谓的一个产品的设计应由系统设计、参数设计和容差设计的三次设计来完成，这是一种在设计过程中充分考虚影响其可靠性的内外干扰而进行的一种优化设计。
这种方法已被美国空军制定的RM2000年中作为一种抗变异设计以及提高可靠性的有效方法。
8.概率设计法
概率设计法是以应力一强度干涉理论著基础的，应力一强度干涉理论将应力和强度作为服从一定分布的随机变量处理。
本书第3、4章将介绍这方面内容。
9.权衡设计
权衡设计是指在可靠性、维修性、安全性、功能重量、体积、成本等之间进行综合权衡，以求得最佳的结果。
10.模拟方法设计
随着计算机技术的发展，模拟方法日趋完善，它不但可用于机械零件的可靠性定量设计，也可用于系统级的可靠性定量设计。
当然，机械可靠性设计的方法绝不能离开传统的机械设计和其它的一些优化设计方法，如机械计算机辅助设计、有限元分析等。
机械故障模式
故障模式的基本概念
在国军标GJB451-89《可靠性维修性术语》中，故障模式的定义是：
故障的表现形式。
更确切地说，故障模式一般是对产品所发生的、能被观察或测量到的故障现象的规范描述。
在分析产品故障时，一般是从产品故障的现象入手，通过故障现象（故障模式）找出原因和故障机理。
对机械产品而言，故障模式的识别是进行故障分析的基础之一。
故障模式一般按发生故障时的现象来描述。
由于受现场条件的限制，观察到或测量到的故障现象可能是系统的，如发动机不能起动；也可能是某一部件，如传动箱有异常响；也可能就是某一具体的零件，如履带析断裂、油管破裂等。
因此，针对产品结构的不同层次，其故障模式有互为因果的关系。
如“发动机损坏”这一故障模式是它上一层次“汽车不能开动”的因，又是它下一层次故障模式“连杆疲劳断裂”的结果，表2-1反映出故障模式的层次。
表2-1故障模式的层次表
故障现象（故障模式）
故障产生的原因和机理
汽车不能开动
发动机损坏
曲轴断裂
曲轴断裂
发动机损坏
曲轴断裂
疲劳
硬度不合格、热处理温度偏低、测温仪表故障、管理等
由于故障分析的目的是采取措施、纠正故障，因此在进行故障分析时，需要在调查、了解产品发生故障现场所记录的系统可分系统故障模式的基础上，通过分析、试验逐步追查到组件、部件或零件极（如曲轴）的故障模式，并找出故障产生的机理。
故障模式不仅是故障原因分析的依据，也是产品研制过程中进行可靠性设计的基础。
如在产品设计中，要对组成系统的各部、组件潜在的各种故障模式对系统功能的影响及产生后果的严重程度进行故障模式、影响及危害性分析，以确定各故障模式的严酪度等级和危害度，提出可能采取的预防改进措施。
因此将故障的现象用规范的词句进行描述是故障分析工作中不可缺少的基础工作。
目前，一些行业、专业均编制了故障模式表。
中国汽车工业总公司在1992年发布了标准QC/T34-92《汽车的故障模式及分类》。
装甲兵组织有关专家研究现役装备使用可靠性，编制了装甲车辆的故障模式表。
为了便于分析和统计故障模式，一般将故障模式进行分类，在QC/T34-92《汽车的故障模式及分类》将汽车常见故障模式分成6类：
（a）损坏型故障模式。
如：
断裂、碎裂、开裂、点蚀、烧蚀、击穿、变形、拉伤、龟裂、压痕等。
（b）退化型故障模式。
如：
老化、变质、剥落、异常磨损等。
（c）松脱型故障模式。
如：
松动、脱落等。
（d）失调型故障模式。
如：
压力过高或过低、行程失调、间隙过大或过小、干涉等。
（e）堵塞与渗漏型故障模式。
如：
堵塞、气阻、漏水、漏气、渗油等。
（f）性能衰退或功能失效型故障模式。
如：
功能失效、性能衰退、异响、过热等。
齿轮轮齿故障模式分类及其特征
故障模式特征
举 例
损坏部位示意图
表面接触疲劳损伤
麻点疲劳剥落
在轮齿节圆附近，由表面产生裂纹，造成深浅不同的点状或豆状凹坑
承受较高的接触应力的软齿面（正火调质状态）和部分硬齿面齿轮
浅层疲劳剥落
在轮子齿节圆附近，由内部或表面产生裂纹，造成深浅不同、面积大小不同的片状剥落
承受高接触应力的重载硬齿面（表面经强化处理）齿轮
硬化层剥落
经表面强化处理的齿轮在很大接触应力作用下，由于应力/强度比值大于0.55，在强化层过渡区产生平笔于表面的疲劳裂纹，造成硬化层压碎，大块剥落
承受高接触应力的重戴硬齿面（表面经强化处理）齿轮
齿轮弯曲断裂
疲劳断齿
表面硬化（渗碳、碳氮共渗、感应淬火等）齿轮，一般在轮齿承受最大交变弯曲应力的齿轮根部产生疲劳断裂。
断口呈疲劳特征
承受弯曲应力较大的变速箱齿轮和最终传动齿轮等
过载断齿
一般发生在轮齿承受最大弯曲应力的齿根部位，由于材料脆性过大或突然受到过载和冲击，在齿根处产生脆性折断，断口粗糙
变速箱齿轮等
磨损
磨粒磨损
润滑介质中含有类角硬质颗粒和金属屑粒，尤如刀刃切削轮齿表面，使齿面几何形状发生畸变，严重时会使齿顶变尖，磨得像刀刃一样
在有灰沙环境工作的开式齿轮，矿山机械传动齿轮等
腐蚀磨损
在润滑介质中含有化学腐蚀成分，与材料表面发生化学和电化学反应，产生红褐色腐蚀产物（主要是二氧化铁），受啮合磨擦和润滑剂的冲刷而脱落
在化学腐蚀环境中工作的齿轮
胶合磨损
轮齿表面在相对运动时，由于速度大，齿面接触点局部温度升高（热粘合）或低速重载（冷粘合）使表面油膜破坏，产生金属局部粘合而又撕裂，一般在接近齿顶或齿根部位速度大的地方，造成与轴线重直的刮伤痕迹和细小密集的粘焊节瘤，齿面被破坏，噪音变大
高速传动齿轮、蜗杆等
齿端冲击磨损
变速箱换档齿轮在换档时齿端部受到冲击载荷，使齿端部产生磨损、打毛或崩角
变速箱换档齿轮受多次换档冲击载荷作用
齿面塑性变形
塑性变形
在瞬时过载和磨擦力很大时，软齿面齿轮表面发生塑性变形，呈现凹沟、凸角和飞边，甚至使齿轮扭曲变形造成轮齿塑性变形
软齿面齿办过载
压痕
当有外界异物或从轮齿上脱落的金属碎片进入啮合部位，在齿面上压出凹坑，一般凹痕线平，严重时会使轮齿局部变形
齿轮啮合时有异物压入
塑变折皱
硬齿面齿轮（尤其是双曲线齿轮）当短期过载磨擦力很大时，齿面出现塑性变形现象，呈波纹形折皱，严重破坏齿廓
硬齿面齿轮过载
通过对汽车拖拉机的931个齿轮损坏实例进行统计分析，得出了齿轮子的各故障式比例。
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
32.8
2
过载断齿
19.5
3
轮齿碎裂
4.3
4
轮子毂撕裂
4.6
5
表面疲劳
20.3
6
表面磨损
13.2
7
齿面塑性变形
5.3
V
轴类零件的故障模式
轴件的故障模式可以分成三种类型，见表2-5。
表2-5轴件的故障模式
模式分类
说 明
断裂
静载断裂
超出设计允许的过度的弹性、塑性变形
冲击断列
一次性施加的静载荷过大引起断裂
应力腐蚀及腐旬疲劳断裂
一次性高速冲击载荷引起的断裂
疲劳劳断裂
在腐蚀性介擀中使用的零件，在静应力或交变应力作用下产生的断裂
表面损伤
磨损
零件在交变应力作下产生的断裂
腐蚀
零件表面与周围介质发生化学或电化学反应形成腐蚀导致表面损伤
接触疲劳
零件在交变接触应力作用下，出现表面剥落现象
弹簧的故障模式
弹簧是机械产品中的重要基础件之一。
它的种类很多，按形状划分有：
螺旋弹簧、板（片）簧、碟形弹簧、环形弹簧、平面（截锥）蜗卷弹簧等；按承载特点划分有：
压缩、拉伸、扭转等弹簧。
还有按成形方式、材质等划分弹簧的方法。
弹簧承受的应力主要有：
弯曲应力、扭转应力、拉压应力和复合应力等。
弹簧的故障模式主要有：
断裂、变形、松驰、磨损。
其中最主析是断裂和变形菜（松驰）。
弹簧的故障模式分类
模式分类
说 明
断裂
脆性断裂
弹簧断裂中绝大部属于脆性断裂。
只有当工作温度较式时，才有可能出现塑性断裂（如切变形断裂及蠕变断裂等）。
在工程上把疲劳断裂、应力腐蚀断裂及氢脆断裂等称为脆性断裂
疲劳断裂
弹簧在循环载荷作用下的断裂
应力腐蚀断裂
在拉应力和腐蚀介质共同作用下引起弹簧断裂现象
腐蚀疲劳断裂
弹簧在循环载荷和腐蚀介质共同作用下发生的断裂
氢脆、镉脆、黑脆
由于弹簧材料中有害物质含量过高引起的脆断
松驰或变形
磨损
磨损分为：
磨料、疲劳和腐蚀磨损
紧固件的故障模式
紧固件一般分为：
螺纹紧固、铆钉和专用紧固件（如卡环等），其中螺纹紧固和一些专用紧固件能方便拆卸重复使用。
铆钉类的紧固是永久性联接的紧固件。
紧固件一般承受：
静载（拉伸、剪切、弯曲、扭转），疲劳载荷，冲击戴荷。
紧固件主要故障模式
故障模式
说 明
断裂
脆性断裂
延滞破坏断裂
包括氢损伤、应力腐蚀破坏、液体金属脆断
腐蚀断裂
高温应力断裂
变形
扣滑
损坏型故障模式
故障模式
说 明
1断 齿
齿轮在外力或应力作用下发生至少有一个轮齿掉落（但不包含整个轮齿的掉落）现象
2剃 齿
齿轮件在外力或内应力作用下发生全部轮齿掉落的现象
3断 裂
零件在外力或内应力作用下断开的现象。
如轴类、杆类、支架、齿轮等的断裂
4碎 裂
零件在外力的作用下，超过了强度极限而被破坏，就成多个不规则形状碎块的理象。
如轴承、衬套等的碎裂
5龟 裂
零件表面网状裂纹扩展的现象。
如离合器磨擦片等的龟裂
6开 裂
零件因强度不够，裂开一个或多个可见缝隙的现象。
如橡胶件等的开裂
7裂 纹
零件表面或内层产生细微纹路的现象。
如轴类、杆类、支架、齿轮、磨擦片等的裂纹
8开 焊
焊缝或焊缝与基体间出现裂纹或开裂的现象
9滑 扣
螺接信件因螺纹损坏造成不能拧紧的现象。
例扣、乱扣亦归人滑扣之列
10点 蚀
零件表面在循环变化的接触应力作用下，由于疲劳而产生的点状剥落的现象。
如齿轮齿面、凸轮表面、轴承滚道等出现的点蚀
11拉 伤
相对运动的磨擦副之间由于过热或含有杂质，在磨擦表面滑动方向形成明显的伤痕的现象。
如筒式减振器、发动机缸套、轴瓦等的拉伤
12粘 附
零件间的接触表面由于过热等原因，致使接触表面处材料分子的转移，产生局部吸附的现象。
如磨擦片的粘附
13咬 住
零件间接表面由于粘付或带卡严重，产生阻力，进而导致相对运动中断的现象
14塑性变形
零件的许用应力在超过弹性极限后，产生永久变形，即使除去外力也不能恢复到变形前状态的现象。
如轴类、杆类、弹簧等的塑性变形
15压 痕
零件表面在接触压应力作用下，产生有规律凹状波的现象。
如离合器活动盘弹子槽表面出现的压痕
16烧 蚀
零件因高温、过热等原因，致使其局部表面产生损伤或熔化等现象，如发动机活塞顶部、轴瓦等的烧蚀
17击 穿
1绝缘体（在高电压的作用下）丧失绝缘能力，通过绝缘体的电流突然大量增加，造成破坏性放电的现象。
如电容器的击穿2在装甲车辆中也指尘土直接穿过空气滤清器而进入发动机的现象
18爆 炸
高压、骤热造成零件突然损坏的现象。
如蓄电澉爆炸
19炸 裂
骤冷造成零件突然损坏的现象。
如潜望镜玻璃炸裂
20脱 胶
负重轮胶带出现整条胶带从钢圈上脱开（或脱落），或胶带内外层碎裂（掉块）的现象
失调型故障模式
序号
故障模式
说 明
1
干 涉
零部件之间因外部或内部原因，出现运动件与运动件或运动件与固定件之间发生碰撞或磨擦现象
2
顶 齿
齿轮件因啮合间隙消失而不能转动的现象
3
发 卡
因调整不当，维护不善等原因，致使运动不灵活，产生滞卡的，如操纵装置拉杆的发卡
4
异 响
机件运转中发生不正常声响的现象
5
不能调压
高压装置（例如高压继电器）丧失调压能力的现象
6
压力过高
（或过低）
油或气压不符合技术条件规定值，出现过高（或低）的现象。
如发动机机油压力过高（或过低）
7
压力不稳定
油压或气压出现压力忽高忽低的现象
8
行程过大
（或过小）
操纵件或运动件所能达到极限位置之间的距离不符合技术要求，出现过大（或过小）的现象。
如踏板、操纵杆等的选种过大（或过小）
9
间隙过大
（或过小）
配合件的配合间隙或触点间隙不符合技术要求，出现过大（或过小）的现象
10
照度过亮
（或过暗）
照明元器件因电压等原因出现照度不适（过亮或过暗）的现象
11
接触不良
电子元器件出现时通时断的现象。
如继电器接触冰良
12
断 路
通电电路出现电流中的断的现象
13
短 路
电路中电阴消失造成破坏性放电的现象
14
指示不准
装甲车辆车载监测仪表出现指针显示值与实际工况不符合的现象。
如发动机转速表指示不准
15
指示不归零
监测仪表指针不能回归起始原点我现象
16
无指示
因监测仪表结构等故障出现指针不显示的现象
17
性能下降
车辆行驶一定时间后，出现性能降至低于规定的性牟指标的现象。
如车辆最大行驶速度达不到规定指标
18
功率不足
发动机工作一定时间后，出现发出功率低于同样条件新发动机发出功率的现象
19
功率变大
发动机工作一定时间后，其功率出现反常（变大）的现象
20
不能熄火
因发动机操纵装置等零部件发生故障，致使发动机无法正常停止工作的现象
21
着 火
装甲车辆内发生明火燃烧的不应有的现象。
如发动机因铜石棉垫断裂引起的发动机着火
22
倒 爆
因操作不当，出现发动机反常程序工作，造成发动机反常程序工作，造成发动机短时间严重磨损或损坏的现象
23
起动困难
发动机、起动电动机的起动齿轮等零部件按操作规程起动时，出现不易起动的现象
24
不运转
发动机、起动机动机的起动齿轮等零部件因外部或内部等原因，出现起动不起来的现象
25
转速不稳
发动机工作时，出现转速忽高忽低，且很难或无法控制的现象
26
飞 车
发动机调控失效，转速迅速无限升高，超过允许的最高值，并伴有巨大响声的现象
27
过 热
某一部位的零部件温度超过正常工作温度的现象。
如冷却系开锅
28
供油不畅
出现发动机燃油供给系供给的油量不足或断续供油的现象
29
不供油
出现发动机燃油供给系不供给燃油致使发动机无法正常工作的现象
30
供气不足
出现发动机空气供给系不能正常供给所需的空气，致使发动机无法正常工作的现象
31
供油过大
因发动机油量调整器故障，造成超供油，出现燃油消耗率增大、发动机工作粗暴等不良的现象
32
排黑烟
因油和（或）气供给不均，雾化不良等原因，引起发动机排黑烟现象
33
自行熄火
在发动机正常使用的情况下，出现发动机突然停止工作的现象
34
不充电
发动机正常工作时，出现由发动机拖动的发电机不能向本车蓄电池充电的现象
35
抖 动
传动箱、变速箱等组件工作时，出现箱体上下剧烈、频繁颤拦的现象
36
摆 动
因磨损过度等原因，造成转动件以支承轴为轴线的前后幌动，如负重轮的摆动
37
不传递动力
发动机工作时，出现具有独立功能的组件（如传动箱）输不出动力的现象
38
分离不彻低
工作中需要正常开合的主、被动磨擦零件出现闭合后不能完全分开的现象
39
不分离
工作中需要正常开合的主、被动磨擦零件，出现闭合后不能分开的现象
40
打 滑
主、被动磨擦零件闭合后，施以规定的作用力仍不能中止相对运动和传递所需扭矩的现象
41
踏板沉重
出现脚啃踏板费力的现象
42
踏板回不到原位
啃下的踏板卸载后不能自行回到原始位置的现象
43
踏板抖动
踏板上下运动过程中出现明显颤抖的现象
44
不闭锁
换（挂）档时因闭锁器故障，出现传动（变速）杆不能到位的现象
45
乱 档
换（连）档时，实际档位与档位指针不一致的现象
46
挂不上档
使用中速杆已到挂档位置仍不能挂上档的现象
47
自行挂档
使用中摘档后，未作任何操作而变速杆自动挂上档或变速杆一次操作同时挂上双档的现象
48
摘不下档
变速杆挂上档后不能正常退档或变速杆已在空档位置实际仍未脱档的现象
49
自行掉档
在未作任何变速操纵情况下，变速杆自动回到空档位置或变速杆还在原档位上实际已发生脱档，使车辆速度突然减慢或停止的现象
50
转向困难
按规定操作要求操纵，行驶的车辆仍不能正常转向的现象
51
不转向
在未作任何转向操纵情况下，行驶的车辆向一测转向的现象
52
操纵困难
车辆起步和转向时，推拉操纵杆费力或挂（换）档时变速杆操作费力的现象
53
回位不彻底
操纵杆不能完全恢复到规定位置的现象
54
不回位
操纵杆不能恢复到规定位置的现象
55
无助力
操纵装置助力机构不起助力作用的现象
56
联 动
制动车辆过程中，出现手操纵装置工作也带动脚操纵装置工作或脚操纵装置工作或脚操纵装置工作也带动手操纵装置工作的不应有的现象
57
雾化不良
有能形成均匀雾状油气的现象。
如喷油器雾化不良
装甲车辆松脱型故障模式
序号
故障模式
说 明
1
窜 动
零、部件离开原安装位置一定距离的现象。
如扭力轴的窜动
2
松 动
紧固件、连接件丧失应有的紧固力的现象。
如螺栓、铆钉等联接件的松动
3
脱 开
由于联接失效造成被联接零件位移、错开一段原安装位置但未彻底分离的现象。
如减振器联接臂、联接销的脱开
4
脱 落
由于联接失效造成被联接零件原安装位置彻底分离的现象。
如减振器联接销的脱落
装甲车辆退化型故障模式
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