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1、第5章 机的特性与可靠性,牛奕,主要内容,机械的分类及基本结构机械的危害因素及安全特性机械设备的可靠性手持电动工具,学习目标,理解机械的基本结构，掌握机械伤害的危害因素和安全特点。理解机械零部件的失效形式，计算机械设备的可靠性。了解手持电动工具的设计。,5.1 机械的分类及基本结构,5.1.1 机械设备的分类,5.1.1 机械设备的分类,铸造设备,战国的青铜尊盘,5.1.1 机械设备的分类,铸造设备,压块机,混砂机,落砂机,5.1.1 机械设备的分类,锻压设备,5.1.1 机械设备的分类,锻压设备,空气锤,水压机,5.1.1 机械设备的分类,焊接设备,5.1.1 机械设备的分类,热处理设备,5
2、00热风循环回火炉,淬火炉,5.1.1 机械设备的分类,金属切削机床,5.1.1 机械设备的分类,冷冲压机械,5.1.1 机械设备的分类,起重机械,运输机械,5.1.1 机械设备的分类,石化机械,木工机械,5.1.1 机械的基本结构,5.2 机械的危害因素及安全特性,5.2.1 机械的组成及在各状态的安全问题,机械（机器）是由若干零、部件组合而成，其中至少有一个零件是可运动的，并且有适当的机器制动机构、控制和动力源系统等。它们的组合具有一定的应用目的，如物料的加工、处理、搬运或包装等。（GB/T 15706.12007机械安全基本概念与设计通则第1部分：基本术语和方法）,5.2.1 机械的组成
3、及在各状态的安全问题,1、正常工作状态机械,零部件的相对运动、刀具锋刃的切削、起吊重物、机械运转的噪声、震动等,5.2.1 机械的组成及在各状态的安全问题,2、非正常工作状态机械,沪东“717”龙门起重机倒塌特大事故2001年7月17日上午7时许，600吨造船门式起重机吊装工地，因吊装时擅自解开刚性腿一侧缆风绳，导致整体垮塌，36人死亡（其中有副教授1人，博士后2人，在职博士1人）。,5.2.1 机械的组成及在各状态的安全问题,3、故障状态,（1）对所涉及的安全功能影响很小，不会出现大的危险；（2）会导致某种危险状态；,5.2.1 机械的组成及在各状态的安全问题,4、非工作状态,环境照明不足，
4、导致人员与机械悬凸结构的碰撞；室外机械在风力作用下的滑移和倾覆；结构垮塌；易燃易爆原材料的燃烧爆炸等。,5.2.1 机械的组成及在各状态的安全问题,5、检修保护状态,攀高，钻坑，进入狭小或几乎密闭的空间，将安全装置短路，进入正常操作不允许进入的危险区等。,2005年8月9日，在某盐业公司制盐工段夜班时间，由于一活塞式离心机有异响，维修工段班长谢某、维修工王某等人前去检修。离心机操作工李某把离心机关闭后，由于惯性，离心机转鼓尚未完全停下来。此时，谢某就把手伸进了离心机壳内，李某制止未果，谢某的中指和无名指被夹在了离心机刮刀与筛网之间。王某用工具把离心机外门打开，谢某的手指才得以抽出。谢某被送往医
5、院治疗，手指成粉碎性骨折。,5.2.2 机械危险的主要伤害形式和机理,机械危险是指机器零件、工具、工件或飞溅的固体、流体物质的机械作用可能产生伤害的各种物理因素的总称。,机械危险的伤害实质是机械能（动能和势能）的非正常做功、流动或转化，导致对人员的接触性伤害。,5.2.2 机械危险的主要伤害形式和机理,机械零件（或工件）产生机械危险的条件：,（1）形状：切割要素、锐边、角形部分；（2）相对位置：（3）质量和稳定性：零部件的势能（4）质量和速度：零部件的动能（5）加速度（6）机械强度不够（7）弹性元件（弹簧）的势能或在压力或真空下的液体或气体的位能。,5.2.2 机械危险的主要伤害形式和机理,机
6、械伤害的基本类型,（1）卷绕和绞缠机械部件：做回转运动的机械部件（如轴类零件）伤害形式：在运动情况下，将人的头发、饰物、肥大衣袖或下摆卷缠引起的伤害。,5.2.2 机械危险的主要伤害形式和机理,机械伤害的基本类型,（2）卷入和碾压机械部件：相互配合的运动部件伤害形式：卷入和碾压,5.2.2 机械危险的主要伤害形式和机理,机械伤害的基本类型,（3）挤压，剪切和冲撞机械部件：做往复直线运动的零部件伤害形式：夹挤、冲撞,5.2.2 机械危险的主要伤害形式和机理,机械伤害的基本类型,（4）飞出物打击机械部件：发生断裂、松动、脱落或弹性位能等机械能释放伤害形式：打击,5.2.2 机械危险的主要伤害形式和
7、机理,机械伤害的基本类型,（5）物体坠落打击机械部件：位于高位置的物体伤害形式：打击,武汉雄楚大道一栋建筑工地楼掉落钢筋砸中本田飞度,5.2.2 机械危险的主要伤害形式和机理,机械伤害的基本类型,（6）切割和擦伤机械部件：切削刀具的锋刃，零件表面的毛刺，工件或废屑的风力飞边，机械设备的尖棱、利角和锐边，粗糙的表面（砂轮、毛坯）伤害形式：刺、割、擦伤,（7）碰撞和剐蹭机械部件：机械结构上的凸起、悬挂部分（起重机的支腿、吊杆，机床的长柄），长、大加工件伸出机床的部分伤害形式：碰撞、剐蹭,5.2.2 机械危险的主要伤害形式和机理,机械伤害的基本类型,（8）跌倒、坠落机械部件：地面堆物无序或地面凹凸不
8、平，接触面摩擦力过小。伤害形式：磕绊跌伤，打滑、跌倒,5.2.3 机械安全设计要求,无论是机器预定功能的设计还是安全防护的设计，都应该遵循两个基本途径：,（1）选用适当的设计结构，尽可能避免危险或减小风险；（2）通过减少对操作者涉入危险区域的需要，限制人们面临危险。,决定机械产品安全性的关键是设计阶段采用的安全措施，还要通过使用阶段采用安全措施来最大限度地减少风险。,5.2.3 机械安全设计要求,机械安全设计应该考虑以下几个因素：,（1）合理设计机械设备的结构形式,（2）足够的抗破坏能力及环境适应能力,（3）尽可能使机器设备达到本质安全,（4）符合安全人机工程学的要求,（5）可靠有效的安全防护
9、,（6）机械的可维修性及维修作业的安全,5.2.3 机械安全设计要求,机械安全设计举例：,冲床双手保护装置：,（1）将滑块的运动与手联系起来，滑块冲击时通过联动装置将人的手拉出危险区域。,（2）双手操作安全装置：启动滑块运动时必须采用双手操作，单手操作无法启动。,5.3 机械设备的可靠性,5.3.1 零部件的失效与分析,机器设备最常见的故障形式之一是零部件失效，即在设备使用过程中，零部件由于设计、制造、组装、维护、使用、修理等多方面的原因，丧失规定的功能，无法继续工作。,（1）零部件磨损,（2）零部件变形,5.3.1 零部件的失效与分析,（1）零部件磨损：零件工作表面的相对运动会造成表面物质的
10、不断磨损，称之为磨损。,5.3.1 零部件的失效与分析,（2）零部件变形：零部件或构件因受力而发生尺寸或形状改变的现象称为变形。,变形的原因：1.外载荷2.温度3.内应力4.材料结构缺陷,变形的防治措施：1.设计方面2.加工制作方面3.修理方面4.设备使用方面,5.3.3 机械设备的可靠性,机器设备的可靠性是指机器、部件、零件在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。度量可靠性指标的特征量称为可靠度。可靠度是在规定时间内，机器设备或部件能完成规定功能的概率,可靠性度量指标：1.可靠度及不可靠度2.故障率3.平均寿命4.维修度5.有效度,5.3.3 机械设备的可靠性,1、可靠度,系统或产品在规
11、定条件和规定时间内完成规定功能的概率。可靠度是时间的函数，常用R(t)表示，称为可靠度函数。产品出故障的概率是通过多次试验中该产品发生故障的频率来估计,当t=0，Nf(t)=0，R(t)=1当t，Nf(t)1，R(t)0,不可靠度：指系统或产品在规定条件和规定时间内未完成规定功能的概率，即发生故障的概率，也叫累计故障概率,5.3.3 机械设备的可靠性,2、故障率,故障率是指工作到t时刻尚未发生故障的产品，在该时刻后单位时间内发生故障的概率。故障率是时间的函数，记作(t)，称为故障率函数。,故障率（失效率）的单位：1/106h,平均故障率：在某一规定的事件内故障率的平均值。对于非维修产品，指在规
12、定的时间内失效数r与累计工作事件t之比对于可维修产品，指其使用寿命内某个观察期间一个或多个产品的故障发生次数r与累计工作时间之比。,5.3.3 机械设备的可靠性,2、故障率,故障率是指工作到t时刻尚未发生故障的产品，在该时刻后单位时间内发生故障的概率。,5.3.3 机械设备的可靠性,3、平均寿命（平均无故障工作时间）,对于非维修产品，称为平均寿命，其观测值为产品发生失效前的平均工作时间，或所有试验产品都观察到寿命终了时，它们寿命的算术平均值。,对于可维修产品，称为平均无故障工作时间或平均故障间隔时间。，其观测值为在使用寿命周期内的某段观测期间累计工作时间与发生故障的次数之比。,5.3.3 机械
13、设备的可靠性,4、维修度,维修度是指维修产品发生故障后，在规定条件（条件储备、维修工具、维修方法及维修技术水平等）和规定时间内能修复的概率，它是维修时间 的函数，用M()表示，称为维修度函数。,维修度的观测值为：在=0时，处于故障状态需要维修的产品数N与经过时间修复的产品数N之比,对维修产品而言，可靠性应包括不发生故障的狭义可靠度和发生故障后进行修复的维修度。,5.3.3 机械设备的可靠性,5、有效度,狭义可靠度R(t)与维修度M()的综合称为有效度，或广义有效度。其定义为：在规定的条件下使用，在规定的条件下修理，在规定的时间内具有或维持其规定功能处于正常状态的概率。,有效度的观测值是指在某段
14、观测时间内，产品可工作时间与可工作时间和不可工作时间之和的比值，记为，即,5.3.3 机械设备的可靠性,可靠性特征量之间的关系,1）F(t)与R(t)之间的关系,2）F(t)和R(t)与故障概率密度函数f(t)之间的关系,5.3.3 机械设备的可靠性,可靠性特征量之间的关系,3）R(t)与(t)之间的关系,5.3.3 机械设备的可靠性,可靠性特征量之间的关系,4）F(t)及R(t)与(t)之间的关系,5.3.3 机械设备的可靠性,机械产品的故障分布类型,故障产品的故障分布有三种类型指数分布正态分布威布尔分布,5.3.3 机械设备的可靠性,机械产品的故障分布类型,（1）指数分布,指数分布描述故障
15、率为常数的故障分布规律，即描述产品寿命曲线中偶发故障期。多数机械产品、电子元器件及连续运行的复杂系统都是在偶发故障期正常工作的。,5.3.3 机械设备的可靠性,机械产品的故障分布类型,（2）正态分布,正态分布是在机械产品和结构工程中研究应力分布和强度分布时最常用的分布形式，对于因腐蚀、磨损、疲劳而引起的失效分布特别有用,5.3.3 机械设备的可靠性,机械产品的故障分布类型,（2）正态分布,正态分布是在机械产品和结构工程中研究应力分布和强度分布时最常用的分布形式，对于因腐蚀、磨损、疲劳而引起的失效分布特别有用,5.3.3 机械设备的可靠性,机械产品的故障分布类型,（3）威尔布分布,m形状参数，其值大小决定了分布曲线的形状v位置参数，表示分布曲线的起始点t0尺度参数,5.3.3 机械设备的可靠性,系统或产品的可靠性,零部件的连接方式：串联系统、并联系统、串并联混合系统,串联系统,并联系统,作业与思考,5-2 机械伤害的基本类型有哪些？5-4 什么是零件的磨损？磨损的三阶段是什么？5-6 什么是机器设备的可靠性？什么是可靠度？5-9 求图5-21所示系统的可靠度。可单元工作相互独立，可靠度分别为R1=R3=0.5，R2=R4=0.8，R5=R7=0.6，R6=R8=0.5。,
