第六章系统可靠性设计

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1、第六章第六章 机械系统可靠性设计机械系统可靠性设计太原科技大学机械工程学院Taiyuan University of Science and TechnologyTaiyuan University of Science and Technology 6.1 系统可靠性设计概述系统可靠性设计概述 6.2 可靠性预测可靠性预测 6.3 可靠性分配可靠性分配 6.4 可靠性设计方法可靠性设计方法教学基本内容：教学基本内容：6.1 6.1 系统可靠性设计概述系统可靠性设计概述 系统定义：系统定义：分类：分类： 系统可靠性设计的目的系统可靠性设计的目的: 使系统在满足规定的可靠性指标使系统在满足规定的

2、可靠性指标,完成规定功能完成规定功能的前提下的前提下,使系统的技术性能、重量指标、制造成本使系统的技术性能、重量指标、制造成本及使用寿命取得协调并达到最优化的结果。及使用寿命取得协调并达到最优化的结果。 或者在或者在性能、重量、成本、寿命和其他要求的约束下，设性能、重量、成本、寿命和其他要求的约束下，设计出高可靠性的系统计出高可靠性的系统 各单元之间组合方式不同，系统可靠性模型不同基本可靠性模型和任务可靠性模型可靠性模型为预计和估算产品的可靠性所建立的可靠性框图和数学模型。包括基本可靠性模型和任务可靠性模型。基本可靠性产品在规定条件下无故障持续工作时间和概率（它是全串联模型计算的可靠度）。基本

3、可靠性模型用来估计产品及组成单元引起的维修和保养要求。系统中任一单元发生故障都需要维修或更换，所以可把它看作度量使用费用的一种模型。即使存在冗余单元，也按串联处理。任务可靠性产品的规定的任务范围内完成规定功能的概率。任务可靠性模型用于估计产品在执行任务过程中完成规定功能的概率，是用以度量工作有效性的一种模型。系统中储备单元越多，任务可靠性就越高。在建立基本可靠性和任务可靠性模型时，要权衡人力，物力、费用和任务之间的关系。为提高任务可靠性时大量采用储备单元，则其基本可靠性必然降低，即需要人力、物力来维修这些单元。为减少维修而采用全串联模型则任务可靠性必然降低。设计者的责任就是要在不同设计方案中利

4、用基本可靠性和任务可靠性模型进行权衡，得到最合理的设计方案。系统可靠性设计方法：归纳为两种类型系统可靠性设计方法：归纳为两种类型 可靠性预测可靠性预测按照已知零部件或各单按照已知零部件或各单元的可靠性数据，计算系统的可靠性指标。元的可靠性数据，计算系统的可靠性指标。 可靠性分配可靠性分配按照已给定的系统可靠按照已给定的系统可靠性指标，对组成系统的单元进行可靠性分性指标，对组成系统的单元进行可靠性分配。并在设计方案中比较、优选。配。并在设计方案中比较、优选。系统可靠性功能逻辑图系统可靠性模型建立的步骤1确定系统的功能一个复杂的系统经常具有完成多种功能的能力，针对不同的功能其可靠性模型也不同。2确

5、定系统的故障判据需规定系统性能参数及允许极限3确定系统的工作环境同一系统用于多种工作环境时可靠性框图不同，当系统完成规定功能需经历不同的环境条件时，按照每个工作阶段来建立可靠性模型。4建立系统可靠性框图可靠性框图用来简明扼要，直观地描述系统为完成规定功能的各种组合，是系统与单元功能间的逻辑关系图。因此，在建立可靠性框图时，不能从结构上而应从产品功能关系和功能流程上下手。5建立相应的数学模型对建好的可靠性框图，建立系统和单元之间的可靠性逻辑关系和数量关系即数学模型。用于预测系统可靠性或进行系统可靠性设计。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。 1.对复杂系统可

6、靠性分析与预测 2.进行系统可靠性设计 3.对维修决策提供帮助 4.为产品质量保证提供数量指标 5.可用于风险分析6.2 系统可靠性预测 6.2.1 6.2.1 系统可靠性模型分析系统可靠性模型分析可靠性模型包括可靠性逻辑框图及其数学模型 可靠性框图是由代表产品或功能的方框和连线组成的表示各组成部分的故障或者它们的组合如何导致产品故障的逻辑图。建立可靠性框图的基础是产品的原理图数学模型表达可靠性框图中各方框的可靠性与系统可靠性之间的函数关系。系统的可靠性模型包括 1)串联系统可靠性模型 2)并联系统可靠性模型 3)混联系统可靠性模型 4) 表决系统可靠性模型 5) 储备系统可靠性模型1)串联系

7、统可靠性模型串联系统可靠性模型 串联系统可靠性模型是组成系统的所有单元中任一单元失效就会导致整个系统失效的模型。最常用最简单的模型，可用于基本可靠性建模和任务可靠性建模即串联系统可靠性的数学模型。 串联系统的可靠度随着单元可靠度的减小及单元数的增多而迅速下降。图表示各单元可靠度相同时单元可靠度Ri和单元数n与系统可靠度Ra的关系。 很显然，很显然，Ramin(Ri),因此为提高串联系统的可靠性,单元数宜少, 而且应重视改善最薄弱的单元的可靠性.niis1tsenitiesR1niiss111系统失效率：系统失效率：系统可靠度：系统可靠度：平均寿命：平均寿命：如果单元的寿命分别为指数分布，单元的

8、失效率为tieiR串联系统可靠度的特点： 串联系统中系统的可靠度Ramin(Ri); 组成系统的单元数越多，系统的可靠度越低； 要想提高串联系统的可靠度，应减少单元数，而且应重视改善最薄弱单元的可靠度； 若各单元的失效率服从指数分布，则系统的失效率等于各组成单元失效率之和：串联系统可靠度计算应用实例： 某带式输送机输送带的接头共有54个，已知各接头的强度服从指数分布，其失效率如表所示，试计算该输送带的平均寿命和工作到1000h的可靠度。接头数接头数358101216 /h 0.20.150.350.210.180.1410解答见书上P652)并联系统可靠性模型并联系统可靠性模型 并联系统可靠性

9、模型是组成系统的所有单元都失效时才失效的模型。图为并联系统的可靠性框图。假定各单元是独立的，则其可靠性数学模型为： 并联系统对提并联系统对提高系统的可靠高系统的可靠度有显著的效度有显著的效果，如图表示果，如图表示各单元可靠度各单元可靠度相同时单元可相同时单元可靠度靠度RiRi和单元和单元数数n n与系统可与系统可靠度靠度RsRs的关系。的关系。并联系统可靠度的特点：并联系统可靠度的特点： 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n

10、n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=23 3。tiieR5 .15 .12120Rdts若单元可靠度服从指数分布：若单元可靠度服从指数分布：3)混联系统可靠性模型混联系统可靠性模型 混联系统可靠性模型是由串联和并联混合组成的模型。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。 Rs1=R1R2R3Rs2=R4R5Rs3=1-(1-Rs1)(1-Rs2)Rs4=1-(1-R6)(1-R7)Rs=Rs3Rs4R8 例如图中的a可按图中b，c，d的

11、次序依次简化.混联系统的典型情况: 串并联系统与并串联系统串并联系统的数学模型为：串并联系统的数学模型为： 当各单元可靠度都相等，均为当各单元可靠度都相等，均为Rij=R，且，且n1=n2=nm=n则则Rs=1-（1-Rn）m 对于串联系统来说，组成系统的单元数越多，系统的可靠度越低，因此要求结构越简单越好。然而复杂系统来说，即使是简洁设计也需要很多的零部件。 为了提高复杂系统的可靠度，一个方法是提高零件的可靠度，但这需要很高的成本，有时高到不可负担的地步。另一种办法就是储备，增加系统中部分或全部零部件作为储备，一旦某一零件失效，相应储备的零件仍可工作，只有当储备零件全部失效时，系统才发生故障