可靠性与可靠性工程 Reliability Engineering.ppt

1,汽车可靠性技术,第二十八讲,主讲教师：杨志发学时：32,汽车失效分析,2,2,3,内容提纲,一、失效模式二、FMEA-失效模式影响分析三、FAT-故障树分析 四、汽车零部件失效机理,3,一、失效模式,4,汽车零部件失效分析，是研究汽车零部件丧失其功能的原因、特征和规律；目的在于：分析原因，找出责任，提出改进和预防措施，提高汽车可靠性和使用寿命。,1.1 概述,5,1）故障的危害与分级 产品在规定的条件下，在规定的时间内，不能完成规定功能的现象称为失效，也称为故障。,6,1.1 概述,通常，故障和失效具有同等概念，但“失效”更多的用于不可修复产品（即丧失规定功能，等待报废），而“故障”则用于可修复产品（即丧失规定功能，等待修复）。,7,1.1 概述,2）汽车零件失效的概念 汽车零部件失去原设计所规定的功能称为失效。失效不仅是指完全丧失原定功能，而且还包含功能降低和有严重损伤或隐患、继续使用会失去可靠性和安全性的零部件。3）失效分析的目的和意义 目的：了解产品失效的真实情况，对产品进行系统地分析，鉴别其失效模式、失效机理、失效部位、失效时间、失效影响并进行后果分析，把失效影响和后果分析及时反馈给设计和制造部门，并据以制订改进措施，以防止同类失效再度发生，是产品获得更高的可靠性。 意义：是提高产品质量的重要手段。,8,1.2 失效模式,1）定义 按失效模式和失效机理对失效进行分类是研究失效的重要内容。 失效模式：失效所表现出的形式。 汽车及其零部件的失效模式并不是固定不变的，即同一种产品出现故障可以有不同的形式。零部件失效模式与它的结构、材料、设计、制造、储存、保养、工作环境等因素有关。 汽车零部件失效方式有磨损、疲劳断裂、变形、腐蚀及老化等五类。 一个零件可能同时存在几种失效模式或失效机理。,1.2 失效模式,2）零件失效的基本原因,有工作条件、设计制造、使用维修等方面造成的影响。,9,1.2 失效模式,10,11,汽车零件失效分类,1.2 失效模式,12,1.2 失效模式,3）失效模式,13,1.2 失效模式,14,1）失效分析的步骤 失效分析三要素：对象状态、失效原因、失效结果 失效分析的主要步骤：失效调查 通过调查，收集零部件的失效数、应力、时间、任务、次数等有关数据资料。在收集数据的同时，作现场记录。失效模式的鉴定 根据收集的失效数据的调查和失效现象的描述，鉴别失效与哪些零部件有关，并鉴别出失效模式。,1.3 失效分析,15,失效机理的推断 根据前两项资料，结合零部件的结构、材料及收集制造情况和历史经验，寻找失效的规律和导致失效的内在原因，推断失效的机理。 实验论证 用实验的方法论证失效机理的推断是否准确。改进措施 根据实验所论证的失效机理，针对产生失效的诸方面因素，拟定消除失效的各种措施，如设计、工艺、材质、公差配合、使用环境、质量控制等方面。,1.3 失效分析,16,1.3 失效分析,2）失效分析方法按失效检验项目进行失效分析 零件的失效是由于工作应力大于失效抗力时所造成的。首先从零件的受力状态、环境介质、温度等考虑失效原因，然后根据资料和现场调查就可以确定主要的分析项目。按失效模式进行分析 根据零件的残骸（断口或磨屑等）的特征和残留的有关失效过程信息，首先判断失效模式，进而推断失效的根本原因。,17,1.3 失效分析,按系统工程分析方法 这种方法把产品看出一个系统，采用数学方法或计算机等现代化工具，研究系统故障率的原因和结果之间的逻辑关系，对系统构成要素、组织结构、信息交换等功能进行分析、设计、制造、维护等，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目的。 不仅是事故后采用的一种善后方法、可以在事故前采取必要的防范措施。 目前常用的方法有：失效模式影响及危害分析（Failure Mode Effect and Criticality Analysis,简称FMEACA）、故障树分析（Fault Tree Analysis，简称FTA）、特性要因图、摩擦学系统分析等。,17,1.3 失效分析,18,二、FMECA-失效模式影响分析,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,三、FAT-故障树分析,30,内容提要,概述故障树的基本概念定义目的、特点FTA工作要求常用事件、逻辑门符号故障树分析定性分析定量分析重要度分析故障树的简化,31,切尔诺贝利核泄露事故、美国的挑战者号升空后爆炸和印度的博帕尔化学物质泄露。 FMECA：单因素分析法，只能分析单个故障模式对系统的影响。FTA可分析多种故障因素（硬件、软件、环境、人为因素等）的组合对系统的影响。FMECA和FTA是工程中最有效的故障分析方法，FMECA是FTA的基础。各工程领域广泛应用：核工业、航空、航天、机械、电子、兵器、船舶、化工等。,3.1 概述,32,泰坦尼克海难,海难后果,船体钢材不适应海水低温环境，造成船体裂纹,观察员、驾驶员失误，造成船体与冰山相撞,船上的救生设备不足，使大多数落水者被冻死,距其仅20海里的California号无线电通讯设备处于关闭状态，无法收到求救信号，不能及时救援,顶事件,逻辑门,中间事件,底事件,3.1 概述,33,电机故障树,3.1 概述,34,1)定义 故障树故障树指用以表明产品哪些组成部分的故障或外界事件或它们的组合将导致产品发生一种给定故障的逻辑图。故障树是一种逻辑因果关系图，构图的元素是事件和逻辑门事件用来描述系统和元、部件故障的状态逻辑门把事件联系起来，表示事件之间的逻辑关系,3.2 故障树的基本概念,35,故障树分析（ FTA ）通过对可能造成产品故障的硬件、软件、环境、人为因素进行分析，画出故障树，从而确定产品故障原因的各种可能组合方式和(或)其发生概率。定性分析主要任务是寻找导致顶事件发生的所有可能失效模式-失效谱，或找出使系统成功的成功谱。即找出故障树的全部最小割集或全部最小路集。定量分析 主要任务是利用故障树作为计算模型，在已知底事件发生概率的条件下，求出顶事件（及系统失效）的发生概率，从而对系统的可靠性、安全性及风险作出评估。,3.2 故障树的基本概念,36,2）FAT的目的和特点 目的帮助判明可能发生的故障模式和原因；发现可靠性和安全性薄弱环节，采取改进措施，以提高产品可靠性和安全性；计算故障发生概率；发生重大故障或事故后，FTA是故障调查的一种有效手段，可以系统而全面地分析事故原因，为故障“归零”提供支持；指导故障诊断、改进使用和维修方案等。,3.2 故障树的基本概念,37,特点是一种自上而下的图形演绎方法；有很大的灵活性；综合性：硬件、软件、环境、人素等；主要用于安全性分析；,3.2 故障树的基本概念,38,3）FTA工作要求,在产品研制早期就应进行FTA，以便早发现问题并进行改进。随设计工作进展，FTA应不断补充、修改、完善。“谁设计，谁分析。”故障树应由设计人员在FMEA基础上建立。可靠性专业人员协助、指导，并由有关人员审查，以保证故障树逻辑关系的正确性。,3.2 故障树的基本概念,39,应与FMEA工作相结合应通过FMEA找出影响安全及任务成功的关键故障模式（即I、II类严酷度的故障模式）作为顶事件，建立故障树进行多因素分析，找出各种故障模式组合，为改进设计提供依据。FTA输出的设计改进措施，必须落实到图纸和有关技术文件中应采用计算机辅助进行FTA由于故障树定性、定量分析工作量十分庞大，因此建立故障树后，应采用计算机辅助进行分析，以提高其精度和效率。,3.2 故障树的基本概念,40,4）故障树常用事件和逻辑门符号,3.2 故障树的基本概念,常用事件符号,41,A,3.2 故障树的基本概念,42,常用逻辑门符号,3.2 故障树的基本概念,43,3.2 故障树的基本概念,44,3.2 故障树的基本概念,45,3.2 故障树的基本概念,46,示例,3.2 故障树的基本概念,47,建树步骤广泛收集并分析系统 及其故障的有关资料；选择顶事件；建造故障树；简化故障树。,3.3 故障树分析,分析步骤建立故障树；故障树定性分析故障树定量分析重要度分析分析结论：薄弱环节确定改进措施,1）概述,48,2）故障树定性分析,目的 寻找顶事件的原因事件及原因事件的组合（最小割集）发现潜在的故障发现设计的薄弱环节，以便改进设计指导故障诊断，改进使用和维修方案 割集、最小割集概念割集：故障树中一些底事件的集合，当这些底事件同时发生时，顶事件必然发生；最小割集：若将割集中所含的底事件任意去掉一个就不再成为割集了，这样的割集就是最小割集。,3.3 故障树分析,49,最小割集的意义,最小割集对降低复杂系统潜在事故风险具有重大意义如果能使每个最小割集中至少有一个底事件恒不发生(发生概率极低)，则顶事件就恒不发生(发生概率极低) ，系统潜在事故的发生概率降至最低消除可靠性关键系统中的一阶最小割集，可消除单点故障可靠性关键系统不允许有单点故障，方法之一就是设计时进行故障树分析，找出一阶最小割集，在其所在的层次或更高的层次增加“与门”，并使“与门”尽可能接近顶事件。,3.3 故障树分析,50,最小割集可以指导系统的故障诊断和维修如果系统某一故障模式发生了，则一定是该系统中与其对应的某一个最小割集中的全部底事件全部发生了。进行维修时，如果只修复某个故障部件，虽然能够使系统恢复功能，但其可靠性水平还远未恢复。根据最小割集的概念，只有修复同一最小割集中的所有部件故障，才能恢复系统可靠性、安全性设计水平。示例 根据与、或门的性质和割集的定义，可方便找出该故障树的割集是： X1, X2,X3, X1,X2,X3, X2,X1， X1,X3 根据与、或门的性质和割集的定义，可方便找出该故障树的最小割集是： X1,X2,X3,3.3 故障树分析,51,最小割集求解方法常用的有下行法与上行法两种,故障树,下行法求解最小割集,3.3 故障树分析,52,最小割集比较,根据最小割集含底事件数目(阶数)排序，在各个底事件发生概率比较小，且相互差别不大的条件下，可按以下原则对最小割集进行比较： 阶数越小的最小割集越重要 在低阶最小割集中出现的底事件比高阶最小割集中的底事件重要 在最小割集阶数相同的条件下，在不同最小割集中重复出现的次数越多的底事件越重要,3.3 故障树分析,53,3）故障树定量分析,假设独立性：底事件之间相互独立；两态性：元、部件和系统只有正常和故障两种状态指数分布：元、部件和系统寿命故障树的数学描述结构函数典型逻辑门的结构函数结构函数示例单调关联系统典型逻辑门的概率计算顶事件发生概率计算,3.3 故障树分析,54,故障树结构函数,故障树的数学描述,故障树结构函数表示系统状态布尔函数：,3.3 故障树分析,55,典型逻辑门的结构函数,3.3 故障树分析,56,结构函数示例,3.3 故障树分析,57,结构函数示例,3.3 故障树分析,58,单调关联系统,定义指系统中任一组成单元的状态由正常（故障）转为故障（正常），不会使系统的状态由故障（正常）转为正常（故障）的系统。性质 系统中的每一个元、部件对系统可靠性都有一定影响，只是影响程度不同系统中所有元、部件故障（正常），系统一定故障（正常）系统中故障元、部件的修复不会使系统由正常转为故障；正常元、部件故障不会使系统由故障转为正常 单调关联系统的可靠性不会比由相同元、部件构成的串联系统坏，也不会比由相同元、部件构成的并联系统好,3.3 故障树分析,59,典型逻辑门的概率计算,3.3 故障树分析,60,顶事件概率计算,最小割集之间不相交最小割集之间相交 全概率法直接化法递推化法近似算法示例1示例2,3.3 故障树分析,61,最小割集之间不相交,3.3 故障树分析,62,全概率法,3.3 故障树分析,63,直接化法,3.3 故障树分析,64,递推化法,3.3 故障树分析,65,近似算法,一阶近似：二阶近似：,3.3 故障树分析,66,近似算法计算示例-顶事件概率计算示例,故障树,最小割集：x1 ， x4, x7 ， x5, x7 ，x3 ，x6 ，x8 一阶近似算法：,3.3 故障树分析,67,二阶近似算法：,3.3 故障树分析,68,示例2,3.3 故障树分析,69,示例2,直接化法,3.3 故障树分析,70,示例2,递推化法,3.3 故障树分析,71,重要度分析,重要度的概念定义底事件或最小割集对顶事件发生的贡献目的确定薄弱环节和改进设计方案重要度分类概率重要度结构重要度,3.3 故障树分析,72,概率重要度,概率重要度概念第i个部件不可靠度的变化引起系统不可靠度变化的程度。用数学公式表达为 概率重要度； 元、部件不可靠度； 顶事件发生概率， 系统不可靠度；,3.3 故障树分析,73,概率重要度,概率重要度示例已知：1=0.001/h,2=0.002/h,3=0.003/h,。试求当t=100h时各部件的概率重要度、结构重要度和关键重要度。解 ：,3.3 故障树分析,74,结构重要度,结构重要度概念元、部件在系统中所处位置的重要程度，与元、部件本身故障概率毫无关系。其数学表达式为第i个元、部件的结构重要度；系统所含元、部件的数量；两种状态,3.3 故障树分析,75,结构重要度,结构重要度示例求解如图所示故障树中的底事件结构重要度解：二个部件，共有 23-1=4 种状态：,3.3 故障树分析,76,故障树的逻辑简化,77,3.4 故障树简化,3.4 故障树简化,78,故障树的模块分解,割顶点法示例,3.4 故障树简化,79,故障树的早期不交化,当重复事件多时，无法应用模块分解法。早期不交化可有效地消除重复事件。规则是遇到与门，其输入、输出均不变；遇到或门，对输入不交化。,3.4 故障树简化,80,故障树示例,求解最小割集,顶事件概率计算算例,故障树示例,81,四、汽车零部件失效机理,82,82,1）汽车零部件失效形式分析 汽车或机械运动在其运动中都是一个物体与另一物体相接触、或与其周围的液体或气体介质相接触，与此同时在运动过程中，产生阻碍运动的效应，这就是摩擦。由于摩擦，系统的运动面和动力面性质受到影响和干扰，使系统的一部分能量以热量形式发散和以噪音形式消失。同时，摩擦效应还伴随着表面材料的逐渐消耗，这就是磨损。 磨损是摩擦效应的一种表现和结果。“磨损是构件由于其表面相对运动而在承载表面上不断出现材料损失的过程。” 据统计有75%的汽车零件由于磨损而报废。因此磨损是引起汽车零件失效的主要原因之一。,4.1 磨损失效概述,83,2）磨损的分类 磨损与零件所受的应力状态、工作与润滑条件、加工表面形貌、材料的组织结构与性能以及环境介质的化学作用等一系列因素有关； 按表面破坏机理和特征，磨损可分为磨料磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损等；前两种是磨损的基本类型，后两种磨损形式只在某些特定条件下才会发生。,4.1 磨损失效概述,84,磨料的来源：粒度为20m30m的尘埃将引起曲轴轴颈、气缸表面的严重磨损，而1m以下的尘埃同样会使凸轮挺杆副磨损加剧。,4.2 磨料磨损失效机理,85,2）磨料磨损的失效机理（假说）,4.2 磨料磨损失效机理,86,总之，磨料磨损机理是属于磨料的机械作用，这种机械作用在很大程度上与磨料的性质、形状及尺寸大小、固定的程度及载荷作用下磨料与被磨表面的机械性能有关。,4.2 磨料磨损失效机理,87,1）定义 摩擦副相对运动时，由于固相焊合作用的结果，造成接触面金属损耗的现象称为粘着磨损。,是缺油或油膜破坏后发生干摩擦的结果；是指一个零件表面上的金属转移到另一个零件表面上，而产生的磨损气缸套与活塞、活塞环，曲轴轴颈与轴承、凸轮与挺杆、差速器十字轴和齿轮等,4.3 粘着磨损失效机理,88,2）防止粘着磨损应遵循的原则引起粘着磨损的根本原因是摩擦区形成的热,一是设法减小摩擦区的形成热，使摩擦区的温度低于金属热稳定性的临界温度和润滑油热稳定性的临界温度。改善摩擦区结构；改变摩擦区的形状尺寸；配合副的配合间隙，采用合适的润滑剂及表面膜。,二是设法提高金属热稳定性和润滑油的热稳定性。 在材料选择上应选用热稳定性高的合金钢并进行正确的热处理，或采用热稳定性高的硬质合金堆焊。,4.3 粘着磨损失效机理,89,1）定义 两接触表面在交变接触压应力的作用下，材料表面因疲劳而产生物质损失的现象称为表面疲劳磨损。 表面疲劳磨损一般多出现在相对滚动或带有滑动的滚动摩擦条件下；如齿轮副的轮齿表面、滚动轴承的滚珠和滚道以及凸轮副等；滑动摩擦时，也会出现疲劳破坏，如巴氏合金轴承表面材料的疲劳剥落。,4.4 疲劳磨损失效机理,90,2）失效原理 表面疲劳磨损是疲劳和摩擦共同作用的结果，其失效过程可分为两个阶段：疲劳核心裂纹的形成； 疲劳裂纹的发展直至材料微粒的脱落。 对表面疲劳磨损初始裂纹的形成，有下述几种理论：,最大剪应力理论 裂纹起源于次表层；油楔理论 裂纹起源于摩擦表面；（滚动带滑动的接触） 裂纹起源于硬化层与芯部过度区；,4.4 疲劳磨损失效机理,91,1）定义 零件表面在摩擦过程中，表面金属与周围介质发生化学或电化学反应，因而出现物质损失的现象成为腐蚀磨损。腐蚀磨损是腐蚀和摩擦共同作用的结果。其表现的状态与介质的性质、介质作用在摩擦表面上的状态以及摩擦材料的性能有关。腐蚀磨损通常分为：氧化磨损、特殊介质的腐蚀磨损、穴蚀及氢致磨损。,4.5 腐蚀磨损失效机理,92,2）氧化磨损 氧化磨损是最常见的一种磨损形式，曲轴轴颈、气缸、活塞销、齿轮啮合表面、滚珠或滚柱轴承等零件都会产生氧化磨损。与其它磨损类型相比，氧化磨损具有最小的磨损速度，有时氧化膜还能起到保护作用。 影响因素：影响氧化磨损的因素有滑动速度、接触载荷、氧化膜的硬度、介质中的含氧量、润滑条件以及材料性能等。,4.5 腐蚀磨损失效机理,93,3）气蚀（穴蚀或空蚀） 定义：穴蚀是当零件与液体接触并有相对运动时，零件表面出现的一种损伤现象。柴油机湿式缸套的外壁与冷却液接触的表面、滑动轴承在最小油膜间隙之后的油膜扩散部分（由于负压的存在），都可能产生穴蚀。,4.5 腐蚀磨损失效机理,94,含氢的材料在摩擦过程中，由于力学及化学作用导致氢的析出。氢扩散到金属表面的变形层中，使变形层内出现大量的裂纹源，裂纹的产生和发展，使表面材料脱落称为氢致磨损。 氢可能来自材料本身或是环境介质，如润滑油和水中等。,4.6 氢致磨损失效机理,95,两接触表面间没有宏观相对运动，但在外界变动负荷影响下，有小振幅的相对振动（一般小于100m），此时接触表面间产生大量的微小氧化物磨损粉末，因此造成的磨损称为微动磨损。微动以三种方式对构件造成破坏；如在微动磨损过程中，两个表面之间的化学反应起主要作用时，则称微动腐蚀磨损。如果微动表面或次表面层中产生微裂纹，在反复应力作用下发展成疲劳裂纹，称为微动疲劳磨损。,4.7 微动磨损失效机理,96,1）定义 零件在交变应力作用下，经过较长时间工作而发生的断裂现象称为疲劳断裂。是汽车零件常见及危害性最大的一种失效方式。 在汽车上，大约有90%以上的断裂可归结为零件的疲劳失效。,4.8 疲劳断裂失效机理,97,2）疲劳断裂失效的分类 根据零件的特点及破坏时总的应力循环次数，可分为无裂纹零件和裂纹零件的疲劳断裂失效。高周疲劳发生时，应力在屈服强度以下，零件的寿命主要由裂纹的形核寿命控制。低周疲劳发生时的应力可高于屈服极限，其寿命受裂纹扩展寿命的影响较大。汽车零件一般多为低应力高周疲劳断裂。,4.8 疲劳断裂失效机理,3）疲劳断裂失效机理 金属零件疲劳断裂实质上是一个累计损伤过程。大体可划分为滑移、裂纹成核、微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展、最终断裂几个过程。,98,1）定义 零件受周围介质作用而引起的损坏称为零件的腐蚀。按腐蚀机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀，汽车上约20%的零件因腐蚀而失效。,4.9 腐蚀失效及机理,2）化学腐蚀失效机理 金属零件与介质直接发生化学作用而引起的损伤称为化学腐蚀。 金属在干燥空气中的氧化以及金属在不导电介质中的腐蚀等均属于化学腐蚀；化学腐蚀过程中没有电流产生，通常在金属表面形成一层腐蚀产物膜，如铁在干燥的空气中与氧作用生成Fe3O4;这层膜的性质决定化学腐蚀速度，如果膜是完整的，强度、塑性都很好，膨胀系数和金属相近，膜与金属的粘着力强等，就具有保护金属、减缓腐蚀的作用。（发动机活塞环镀铬）,99,3）电化学腐蚀失效机理 电化学腐蚀是两个不同的金属在一个导电溶液中形成一对电极，产生电化学反应而发生腐蚀的作用，使充当阳极的金属被腐蚀。 电化学腐蚀的基本特点：在金属不断遭到腐蚀的同时还有电流产生。如金属在酸、碱、盐溶液及潮湿空气中的腐蚀等。 引起电化学腐蚀的原因是金属与电解质相接触，由于离子交换，产生电流形成原电池，由于电流无法利用，使阳极金属受到腐蚀，称为腐蚀电池。,4.9 腐蚀失效及机理,100,与燃气接触的零件所受的腐蚀为燃气腐蚀。可分为低温腐蚀和高温腐蚀，低温腐蚀主要为电化学腐蚀，高温腐蚀主要为化学腐蚀。 防止电化学腐蚀的方法，在汽车上主要用覆盖层保护。覆盖层有金属性的（镀铬、镀锡）和非金属性的（油漆、塑料）有些零件利用电化学和化学方法在表面生成一层致密的保护膜，如发蓝是生成一层氧化膜，磷化是生成一层磷化膜。,4.9 腐蚀失效及机理,101,1）定义 零件在使用过程中，由于承载或内部应力的作用，使零件的尺寸和形状改变的现象称为变形。 变形是零件失效的一个重要原因，如曲轴、离合器摩擦片、变速器中间轴与主轴。,4.10 变形失效机理,2）分类 弹性变形失效、塑性变形失效和蠕变失效,102,3）影响因素零件变形失效除与金属材料、设计刚度和制造工艺有关；载荷：安装紧固不当或工作有明显的超载现象；温度：随着工作温度的升高，材料的强度也会下降，因此在较高温度下工作的零件易产生变形离合器片的翘曲变形、制动鼓、排气歧管的变形等。对于基础件由于铸造时时效处理的不完善，存在着内应力，在应用中因应力重新分配而引起变形；修理工艺或方法不正确，如焊接的热应力。,4.10 变形失效机理,103,104,谢谢大家！,