机械可靠性设计4系统可靠性设计PPT推荐.pptx

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机械系统机械系统可靠性设计的目的可靠性设计的目的:

使机械系统使机械系统在满足规定的可靠性指标在满足规定的可靠性指标,完成规完成规定功能的前提下定功能的前提下,使系统的技术性能使系统的技术性能、质量质量指标指标、制、制造成本及造成本及使用寿命等取得使用寿命等取得协调并达到最优化的协调并达到最优化的结果，结果，或者在性能、质量、成本、寿命和其它要求的约束或者在性能、质量、成本、寿命和其它要求的约束下，设计出高可靠性机械系统。

下，设计出高可靠性机械系统。

系统可靠性设计方法：

2基本可靠性模型和任务可靠性模型基本可靠性模型和任务可靠性模型可靠性模型可靠性模型是指为预计或估算产品的可靠性所建立的可靠性是指为预计或估算产品的可靠性所建立的可靠性框图和数学模型。

它包括框图和数学模型。

它包括基本可靠性模型基本可靠性模型和和任务可靠性模型任务可靠性模型，建立系统可靠性模型的目的是用于定量分配、估算和评估产建立系统可靠性模型的目的是用于定量分配、估算和评估产品的可靠性。

品的可靠性。

基本可靠性定义基本可靠性定义：

产品在规定条件下无故障地持续工作时间：

产品在规定条件下无故障地持续工作时间和概率。

和概率。

基本可靠性模型基本可靠性模型用以估计产品及组成单元引起的维修及保用以估计产品及组成单元引起的维修及保障要求。

障要求。

系统中任一单元发生故障后都需要维修或更换，系统中任一单元发生故障后都需要维修或更换，故而可以把它看作度量使用费用的一种模型。

故而可以把它看作度量使用费用的一种模型。

基本可靠性模型是一个基本可靠性模型是一个全串联模型全串联模型，即使存在冗余单元，即使存在冗余单元，也都按串联处理。

所以储备单元越多，系统的基本可靠性也都按串联处理。

所以储备单元越多，系统的基本可靠性越低。

越低。

基本可靠性模型不能用来估计任务可靠性，只有在无冗余基本可靠性模型不能用来估计任务可靠性，只有在无冗余或替代工作模式时，基本可靠性模型和任务可靠性模型才或替代工作模式时，基本可靠性模型和任务可靠性模型才一致。

一致。

任务可靠性定义任务可靠性定义：

产品在规定的任务范围内，完成规定功能：

产品在规定的任务范围内，完成规定功能的能力。

的能力。

任务可靠性模型是任务可靠性模型是用以估计产品在执行任务过程中完成规用以估计产品在执行任务过程中完成规定功能的概率，描述完成任务过程中产品各单元的预定作定功能的概率，描述完成任务过程中产品各单元的预定作用，用以度量工作有效性的一种模型。

用，用以度量工作有效性的一种模型。

有备份单元（冗余单元）的子系统发生故障，可以启动备有备份单元（冗余单元）的子系统发生故障，可以启动备份单元，但不影响任务可靠性。

份单元，但不影响任务可靠性。

系统中的储备单元越多则其任务可靠性越高，但系统的成系统中的储备单元越多则其任务可靠性越高，但系统的成本也越高，需要权衡。

本也越高，需要权衡。

任务可靠性模型是一个任务可靠性模型是一个由包括串联、并联在内的多种连接由包括串联、并联在内的多种连接方式组成的方式组成的逻辑框图。

逻辑框图。

3系统的结构框图与可靠性框图系统的结构框图与可靠性框图系统的结构框图与可靠性框图是两个不同的概念。

系统的结构框图与可靠性框图是两个不同的概念。

两个并联安装的电容器系统结构框图和可靠性框图的区别两个并联安装的电容器系统结构框图和可靠性框图的区别如图（a）是由两个电容器并联而成的电路系统结构框图。

若故障定义为短路，显然其逻辑关系是电容器C1、C2任何一个短路就导致系统停运。

因此其可靠性框图为图（b）所示的串联关系。

若故障定义为开路，显然其逻辑关系是电容器C1、C2同时开路才导致系统的停运。

因此其可靠性框图为图（c）所示的并联关系两个阀门与导管组成的简单系统的结构框图与可靠性框图两个阀门与导管组成的简单系统的结构框图与可靠性框图4可靠性模型建立的步骤可靠性模型建立的步骤5系统可靠性模型的应用系统可靠性模型的应用系统可靠性模型在可靠性工程及可靠性管理中具有重要作用，下面简单介绍系统可靠性模型在这两方面的应用。

1）复杂系统可靠性分析与预测可靠性是系统最重要的特征之一，确保系统的可靠性是工程设计最重要的课题之一。

对于复杂系统，以一个整体去分析和预测其可靠性几乎是不可能的。

而系统可靠性模型是将子系统及其单元的可靠性有机地结合起来，形成对系统可靠性的描述。

因此先对相对简单的子系统或单元进行可靠性分析，进而采用其系统可靠性模型对系统进行可靠性分析和预测则较容易做到。

2）系统的可靠性设计当一个系统的可靠性达不到要求时，则必须采取措施加以改进。

通过对该系统进行可靠性分析能够提供改进提高系统可靠性的方向，而直接采用可靠性设计则提出了解决该问题的一种合适的方法。

3）维修决策系统或产品随着使用时间的推移而功能衰退并最终失效，而对于很多机械系统可以通过维修来延缓系统的失效。

维修过程中要投入较大费用，延缓失效又可以获取收益，一般地收益大于投入维修才值得。

系统可靠性模型能在进行维修活动分析中提供帮助。

4）质量保证策略产品质量是企业生存的根本保证，也是消费者的基本要求。

产品的可靠性是衡量产品质量的重要指标，其指标的数量化自然借助于产品的可靠性模型分析获得。

5）风险分析对复杂及昂贵的系统或产品，在可靠性分析中要涉及出现失效或故障时引起负面后果的概率。

可靠性模型可应用于解决此类问题。

4.2系统可靠性模型1）串联模型2）并联模型3）混联模型4）储备模型5）复杂系统书上例书上例4-1例4-1并联系统的特点：

并联系统中系统的可靠度Rs大于任一单元的可靠度;

组成系统的单元数越多，系统的可靠度越高，但系统的造价也越高；

机械系统采用并联时，尺寸、重量、价机械系统采用并联时，尺寸、重量、价格都随并联数格都随并联数nn成倍地增加。

在动力装置、成倍地增加。

在动力装置、安全装置、制动装置采用并联时，常取安全装置、制动装置采用并联时，常取n=2n=233。

例4-2例4-3下图为混联系统的可靠性框图，其数学模型可运用串联和并联两种基本模型将系统中一些串联及并联部分简化为等效单元。

例如图中的a可按图中b，c，d的次序依次简化.Rs1=R1R2R3Rs2=R4R5Rs3=1-（1-Rs1）（1-Rs2）Rs4=1-（1-R6）（1-R7）Rs=Rs3Rs4R8储备模型储备模型当采用串联模型的设计不能满足设计指标要求时，可当采用串联模型的设计不能满足设计指标要求时，可采用储备系统的设计方式来提高可靠性水平。

所谓储备系采用储备系统的设计方式来提高可靠性水平。

所谓储备系统就是把几个单元当成一个单元来用，也就是备用或冗余统就是把几个单元当成一个单元来用，也就是备用或冗余问题。

储备系统可以分为问题。

储备系统可以分为工作储备系统和非工作储备系统工作储备系统和非工作储备系统两种情况。

两种情况。

1表决系统（工作储备系统）1）2/3表决系统表决系统例4-4有一架装有3台发动机的飞机，它至少需要2台发动机正常才能飞行，设飞机发动机的平均无故障工作时间MTBF=2000h，试估计工作时间为10h和100h的飞机可靠度。

解：

n=3,k=2R（10）=0.9999;

R（100）=0.9931若飞机发动机的若飞机发动机的MTBF=1000h,则：

则：

R（10）=0.9997;

R（100）=0.97456；

R（1000）=0.30642）（）（n-1）/n表决系统表决系统3）（）（n-r）/n表决模型表决模型例4-5例4-6例4-72非工作储备模型组成系统的n个单元中只有一个单元工作，当工作单元故障时通过故障监测装置及转换装置接到另一个单元进行工作的模型叫做非工作储备模型。

非工作储备模型分为冷储备和热储备两种情况。

冷储备的特点是当工作单元工作时，备用或待机单元完全不工作，一般认为备用单元在储备期间故障率为零，储备期长短对以后的使用寿命没有影响。

热储备的特点是当工作单元工作时，备用或待机单元不是完全处于停滞状态（如电机已经启动但不承担负载；

电子管灯丝已经预热但未加电压）。

因此，备用单元在储备期间也有可能发生故障。

事实上，不管是冷储备还是热储备，他骂你的备用单元在储备期间的失效故障率都不等于零，只是冷储备的故障率极低，一般认为它在储备期间的故障率为零。

而热储备则不然，它在备用期间的故障率要比冷储备高，因此热储备的备用单元故障率必须考虑。

1）冷储备系统）冷储备系统

（1）两个单元（一个单元备用）的系统）两个单元（一个单元备用）的系统

（2）n个单元（个单元（n-1个单元备用）的系统个单元备用）的系统=（3）多个单元工作的系统）多个单元工作的系统（4）考虑检测器和开关可靠性的系统）考虑检测器和开关可靠性的系统2）热储备系统热储备系统与冷储备系统的不同在于热储备系统中备用单元的故障率不能忽略。

备用单元的故障率与工作单元的故障率是不同的。

一般来说备用单元的故障率低于工作单元的故障率。

热储备系统在工程实际中应用较多。

比如，飞机上的备用发动机，在飞机正常飞行时备用发动机已经启动但处于空载。

一旦工作发动机产生故障时，备用发动机马上可以投入工作而不需要经过启动阶段。

这是飞机空中飞行时的需要，必须采用热储备而不能采用冷储备。

热储备系统的可靠度计算要比冷储备系统更加复杂。

这里我们只讨论最简单的情况。

（1）两单元（一个单元备用）系统）两单元（一个单元备用）系统

（2）考虑检测器和开关可靠性的系统）考虑检测器和开关可靠性的系统复杂系统复杂系统在工程实际中，有些系统并不是由简单的串联、并联系统组合而成的，如桥式逻辑框图。

下面将讨论任意可靠性结构的系统可靠度计算方法。

1布尔真值表法布尔真值表法2全概率公式法（分解法）全概率公式法（分解法）3检出支路法（路径枚举法）检出支路法（路径枚举法）4.3系统可靠性预计1可靠性预计的目的可靠性预计的目的可靠性预计是指产品的设计与研制阶段，根据产品的功能结构、工作环境以及组成产品单元的相互关系和可靠性数据，推测产品可能达到的可靠性指标。

可靠性预计是一个由局部到整体、由小到大、由下到上的过程，是一个综合的过程。

对于机械类产品而言，可靠性预计具有一些不同于电子类产品的特点：

许多机械产品是为特定用途单独设计的，通用性不强，标准化程度不高；

机械产品的故障率通常不是常值，其设备的故障往往是由耗损、疲劳和其他与应力有关的故障机理造成的；

机械产品的可靠性与电子产品的可靠性相比对载荷、使用方式和利用率更加敏感。

基于上述特点，机械部件的故障率往往是非常分散的。

因此用数据库中已有的统计数据进行预测，其精度是无法保证的。

目前预计机械产品可靠性尚没有相当于电子产品那样通用、可接受的方法。

近年来，国外通过研究出版了一些手册和数据集，例如，机械设备可靠性预计程序手册、非电子零部件可靠性数据（NPRD-3）等，对现阶段机械产品可靠性预计工作具有很大参考价值。

可靠性预计的目的在于发现薄弱环节、提出改进措施、进行方案比较，以选择最佳方案。

可靠性预计的