机械可靠性工程Word格式文档下载.docx

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东北大学研究生院

机械可靠性工程的内容

1机械可靠性工程内容

1.1可靠性技术要求

从国际和国内可靠性标准中可以清楚地看到设计和研制阶段在整个可靠性大纲（计划）中的地位。

在GJB450A-2004中，设计与研制阶段的工作项目占了整个计划的50%。

在设计之初，对产品应当有详细的可靠性技术要求。

它把可靠性和维修性要求具体化，并且说明了操作、维修和环境对可靠性的约束条件。

可靠性要求通常由用户提出。

如果用户不能提出明确要求，那么可靠性工程师（或设计师）应当能够自己确定产品的可靠性目标。

根据技术要求，在设计阶段要弄清楚潜在的可靠性缺陷及产生的原因，并尽可能在设计阶段对原设计进行修改。

修改的越早，总浪费就越低。

可靠性技术要求主要包括下列内容：

1）可靠性指标（特征量）。

这些指标必须非常明确，而且可以预计和量度，如目标可靠性、平均寿命、可靠寿命等。

2）失效（故障）定义。

3）任务刨面。

它是对产品在完成规定任务这段时间内所经受的事件和环境的时序描述。

4）需要对载荷谱等加以说明，因为载荷的变化比强度的变化对失效有更大的影响。

6）期望的环境条件，应包括工作和不工作、包装、运输和存储等环境条件。

其它条件所给的约束，如性能、安全性、尺寸、费用、交货期等。

1.2可靠性分配

可靠性分配是将规定的产品可靠性指标合理地分配给部件和零件的方法。

这是一个由整体到局部的分解过程。

可靠性分配的目的是建立每个零件、部件的可靠性指标。

这些零件的可靠性指标与其性能、复杂程度、重要程度、体积、质量、费用和时间进度表等有关。

这些都是对可靠性指标的约束条件。

1.3可靠性预计

可靠性预计包含了“预计（Prediction）”和“估计（Assessment）”两方面含义。

前者意为设计开始时根据以往的经验和数据（现场、实验室、市场的数据）计算产品的可靠性。

后者是在完成设计后、研制出样机后以及修改设计后根据各种实验所获得的数据和信息进行的计算。

这样的“估计”进行不止一次。

知道正式投产后，在使用中证实产品到达了可靠性的目标值。

提起了可靠性预计，人们会联想到GJB813-1990《可靠性模型的建立和可靠性预计》以及与此对应的美国军用标准MIL-STD-756B。

应当注意，这一标准主要适用于电子产品，而不是用于非电子设备（包括机械设备）。

如果进行了应力分析，并且以相似类型的机械产品为基础，能够利用所有的现象数据和实验数据，那么可靠性预计就可以有效地进行，并且对于以下几项工作是相当有用的：

确定产品是否需要改进以及改进的零部件；

确定可靠性是否达到了预定的目标值；

确定维修/检查/更换间隔和对备件的要求等。

1.4可靠性分析

可靠性分析最常用的是失效模式分析、影响和危害度分析（FMECA）和故障树分析（FTA）。

FMECA是确保机械零件可靠性的最有效方法，而且有较高的费效比。

在早期研制阶段使用FMECA。

可以早些发现潜在的故障，及早采取纠正措施和改进设计。

FMECA不仅可以用于设计，还可以用于制造工艺过程。

FMECA可以准确的定出关键零件和关键工艺过程。

FTA主要用于系统分析，尤其是及其重要的大型系统，如航天飞行器、大型客机、核电站、武器系统等。

1.5可靠性试验

可靠性试验包括环境应力筛选、可靠性增长试验、可靠性鉴定试验、生产验收试验等。

1.6冗余分析

冗余是提高系统可靠性的主要方法之一。

重要的系统必须有冗余以保证当系统的某一零部件发生故障时，整个系统仍能正常工作，确保安全，如汽车制动系统、飞机发动机系统等。

常用的冗余方式有：

1）并联冗余，如泵或阀门的并联使用、降落伞的切具装置等。

2）表决冗余（即k/n系统），如飞机的发动机系统，大型客机有4台发动机，只要其中的两台能正常工作，即可以保证正常飞行，成为2/4系统。

3）旁联（待机）冗余，冗余部分平时不工作，而是出于等待状态（standby），一旦工作部件发生故障，它能立即开始工作，如电站的控制系统。

4）均分载荷并联冗余，平时并联的分系统平均的分担载荷，当一个分系统失效时，幸存的分系统分担增大的载荷，如螺栓组等。

顺便指出，为了提高系统的可靠性，应当考虑下列方法：

1）简化设计，如战斗机F-4的J79发动机与F-18的F404发动机属于同一推力级，前者有23000个零件，而后者简化到只有14300个零件。

2）提高零部件的可靠性。

3）降额使用，就是使产品工作时的功率、速度等低于额定值。

如果上述措施仍不能满足要求，则采用冗余是提高系统可靠性最有效的途径。

但它将使系统变得更加复杂，从而提高了产品成本和维护费用。

2可靠性的研究内容

2.1可靠性数学

研究可靠性的定量规律，主要研究解决可靠性问题的数学模型和数学方法，它属于应用数学的范畴，涉及的面较广，主要内容是概率论和数理统计、随机过程和运筹学等。

研究较多的领域有：

相干结构理论、更新理论、可用性理论、极值分析理论、最佳维修方针、贝叶斯理论、冗余的最优化、多变量寿命分布、蒙将卡洛模拟、随机过程、失效树分析等。

2.2可靠性工程

可靠性工程是对产品的失效现象从发生概率进行分析、项测、试验、评定和控制的边缘性工程学科。

它的发展与概率论和数理统计、随机过程、运筹学、系统工程、环境工程、价值丁程、人机工程、计算机技术、失效物理学、机械学等学科有着密切的联系。

可靠性工程追求的是系统的经济效益和运行中的安全可靠，因此，它不能就事论事地研究问题，而是必须系统地、综合地、用长远的眼光来研究问题。

不仅考虑到硬件，而且要考虑到软件，考虑人的因素、环境条件对系统的影响等等。

可靠性工程不仅重视技术，也重视经济，它把技术和经济相结合，以取得最大的经济效益为目的。

2.3可靠性物理

研究零部件失效的物迎风闭、物理模型，提出改进的措施等。

美国Rome航空发展中心于60年代初首先进行失效物理的研究，发展失效分析方法及技术，研究各种元器件的失效机型及失效模型，建立各种器件及材料失效的数学及物理模型，发展了各种元器件的加速寿命试验及筛选试验的方法。

2.4可靠性管理

可靠性管理是在时间和费用允许的基础上，根据用户的要求，为了生产出具有高可靠性的产品，在设计、研制、制造、使用和维修的整个寿命期内，所进行的一切组织、计划、协调和控制等综合性工作。

其核心内容是制定并贯彻执行可靠性大纲，为此，需要建立一个对系统可靠性全面负责的可靠性管理机构。

此外，可靠性管理的内容还有：

设计评审、制造阶段的可靠性管理、可靠性教育与培训、可靠性标与规范、可靠性数据反馈等等。

可靠性管理包括技术活动和管理活动两方面。

只有技术，没有管型，会大大浪费时间和金钱：

只有管理，没有技术，不可能降低失效率和达到顶期的可靠性日标。

目前，我国在开展可靠性的工作中，最主要的问题是管理工作。

数控机床可靠性综述

摘要：

本文对国内外数控机床可靠性的现状进行了详细分析，简单叙述了一些关于数控机械的某些可靠性，讨论了数控机床可靠性的评定指标，分析了影响数控机床可靠性的因素，提出了提高数控机床可靠性的有效途径，最后做了评价与总结。

关键词：

数控机床；

可靠性；

评定指标；

提高途径

0引言

可靠性是指系统、机械设备或零部件在规定的工作条件下和规定的时间内保持与完成规定功能的能力。

一个系统、一台设备，无论其如何先进，功能如何全面，精度如何高级，如果故障频繁、可靠程度差，不能在规定时间内可靠地工作，那么它的使用价值就不高，经济效果就不佳。

从设计规划、制造安装、使用维护、更新改造到修复报废，可靠性始终是系统和设备的灵魂。

可靠性是评定系统和设备好坏的主要指标之一，它体现了产品的耐用和可靠程度。

数控机床是现代制造技术的基础装备，其技术水平高低是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志，而数控机床的可靠性是机床质量的关键。

目前国产数控机床的可靠性水平与国外相比明显偏低，严重影响了国产数控机床的竞争能力，如何合理、准确地评定数控机床的可靠性，提高国产数控机床的可靠性已成为当务之急。

要正确理解可靠性的价值，尤其在数控机床方面的价值。

实际上，对数控机床等制造装备而言，产品全生命周期费用包括购置费用和维护费用两部分。

随着设备可靠性（R）的提高，购置费用将增加，但维护费用将减少；

反之，低劣的可靠性虽然有利于减少购置费用，但由于设备故障停机频繁，维护费用以及因停机造成的停机损失、机会损失等将急剧增加,使得全生命周期费用居高不下。

因此，在产品研发和设备选型时，应确定合理的可靠性水平（R*），以实现设备全生命周期费用最小（C*）,如图1所示。

在市场竞争日趋激烈的今天,高可靠性已成为数控机床产品开拓市场的利器,高可靠性的产品有利于增强企业的市场竞争力。

日本、德国以及瑞士等国的制造企业因重视质量和可靠性,产品畅销全球市场。

图1设备可靠性与全生命周期费用之间的关系

1数控机床可靠性发展现状

1.1国外数控机床可靠性发展现状

随着可靠性技术在电子工业、自动化工程及航天与宇航工业等领域的广泛应用，预示着现代化加工生产、现代化系统工程、现代化技术研究的每一项成果都离不开可靠性技术。

科学技术的高速发展，使可靠性变成了产品的重要技术指标之一，并贯穿于产品的整个研制过程。

图2德国V1火箭

航空领域是可靠性的概念最早起源地，在二战期间纳粹德国在研制V1火箭中首先应用了可靠性理论——串联系统可靠性乘积定律如图2。

美国于1943年成立了“电子管研究委员会”，该委员会专门研究电子管的可靠性问题。

1949年“美国无线电工程师学会”成立了第一个可靠性专业学术组织即“可靠性技术组”。

日本于1956年从美国引进可靠性技术，将其应用到民用产业，带来了可观的经济收益。

前苏联于20世界50年代开始研究可靠性技术。

20世界60年代以后，随着宇航技术和空间科学的发展，即提高了可靠性的研究水平又扩展可靠性的研究范围。

之后可靠性的研究，已经由电子工业、航空航天、核能等尖端行业扩展到机械加工、能源动力、电机、电力系统、土木工程等一般产业部门。

可见产品的可靠性，已经成为产品质量的关键性指标。

前苏联是机床可靠性研究的倡导者。

苏联学者在当时专门研究了故障模型参数、可靠性的预测、加工工艺的可靠性等。

20世纪80年代，日本和欧美等工发达国家开始了对数控机床的可靠性研究，他们主要研究流程是：

采集数控机床现可靠性数据并建立可靠性数据库，开发研制数控机床的可靠性数据分析软件，此基础上由分析软件处理现场采集的可靠性数据，最终得出数控机床的故障分布规律和薄弱环节。

比如英国布拉德福大学的KellerA。

Z等人，对数控机床故据进行处理时引入了模糊数学理论，从而定量处理了模糊不确定性问题。

国伯明翰大学的研究人员深入到数控机床的使用者中，在现场跟踪监测的同时以查表的形式采集到35台数控机床的故障信息，最后在可靠性领域国际权威杂志公布了研究结果。

此项以现场故障数据为基础的研究，为数控机床可靠性评价提了理论依据。

德国作为世界上工业发达的国家，对数控机床产品售后的故障信反馈十分重视，他们在数控机床生产制造、整机组装、出厂验收的全过程中加入质量及可靠性监控保障系统。

日本新泻大学的教授藤井义也等人，对25台立式加工中心和45台卧式加工中心的机床用户进行了现场跟踪调查，并对加工中心类分析，在《机械技术》期刊上公布了分析调查结果。

结果表明日本立式加工中的平均无故障间隔时间为824小时，卧式加工中心的平均无故障间隔时间为700时。

从记录的结果还能够看出，这些受试机床除数控装备和外部附件在外的机床体故障占一半，是数控机床可靠性的薄弱环节。