案例教学
机械产品可靠性 设计分析
北京航空航天大学工程系统工程系
2020/9/19
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某锁机构可靠性设计分析
某锁机构产品说明 某锁机构FMEA分析 某锁机构FTA分析 了解强度分析仿真 了解动力学分析仿真 了解可靠性分析仿真
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概述
锥杆式
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3
概述
锥杆式
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角度位移传感器
故障时向地面传送 遥感信号
电 源
主动锁钩
锁合传感器
力
开/
关
偏心套
信
号
偏心轴
驱动组合 力矩
主动锁 绳轮
钢丝 绳1
从动锁 力矩 偏
绳轮1
心 轴
偏 主动 心 锁钩 套
锁合传 感器
主动锁
钢丝 绳3
从动锁 绳轮2
力矩 偏 心 轴
偏 心 套
主动 锁钩
锁合传 感器
钢丝 绳11
……
钢丝 绳9
……
从动锁
垫圈79
螺钉63,76
端盖74,77
轴承端盖69
挡圈71
端盖62,82
轴承座67
对接锁火工品
螺钉80
和目标航天器被动锁钩相互作用，实现锁合,解锁等 火工品工作后使锁钩绕其旋转,和限位板65一起限定锁钩轨迹
限制主动锁销68的运动轨迹 固定限位板65到壳体上;固定拉簧21的另一端到偏心套上
承受锁紧拉力，传动 通过拉簧支架对偏心套施加拉力
说明
1
不同步
是指同一组锁的主动锁钩不能满足同步性 要求
是指在主、被动航天器对接过程中，锁系
2
锁紧失败
正常锁紧失败后，备份锁紧失败。（这里 对控制系统、转换装置的可靠性不进行展
开分析）
3
锁紧保持失是指在主、被动航天器在联合飞行期间， 败 主、被动锁系结构无法保持结构完整性。
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某锁机构FTA分析
严酷度类别
严重程度定义
Ⅰ类(灾难的) 这是一种会导致主动（被动）航天器毁坏或引起航天员伤 亡的故障。
Ⅱ类(致命的) 这种故障会导致航天器部分系统严重损坏，不能完成基本 功能或影响航天员健康的故障。
Ⅲ类(临界的) 这种故障会引起航天器的部分功能无法完成，为了完成这 些功能，需要采取应急措施，对航天员的健康合件整体分析计算 零件、组件对比分析
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强度分析仿真
材料属性
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载荷分析计算
壳体上表面施 加纵向约束
主、被动锁钩钩面分别施 加40KN纵向拉力（正常 情况下仅主动钩承力）
壳体上表面四 个螺栓安装孔 施加固定载荷
故障树的建造
锁紧失败故障树
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某锁机构FTA分析
故障树定性分析
锁紧失败故障树的最小割集
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某锁机构FTA分析
故障树定性分析
底事件清单
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某锁机构FTA分析
故障树分析的结果和建议
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强度分析仿真
输入条件
功能分析 材料属性 工作环境 载荷分析计算
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某锁机构FMEA分析
FMEA输出
I、II类故障模式(零件)清单
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某锁机构FTA分析
顶事件的选择和描述 故障树的建造 故障树的定性分析 故障树分析的结果和建议
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某锁机构FTA分析
某锁机构顶事件的选择和描述
序号 顶事件定义
定位滚针轴承83内外圈
图1主动钩组安装件定位结轴承 构78功、8能3 图
异常情况下强制解锁脱开 紧固绳轮与偏心轴33之间的花键配合
完成 主动 运动 ，和 被动 钩实 现对 接， 锁紧 ，保 持和 解锁 等动
作
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某锁机构FMEA分析
航天器给出对 接锁工作信号
控制系统
4/6(G)
触点信号
Ⅳ类(轻度的) 这种故障对航天器的功能及航天员健康无影响，仅轻度影 响产品有效使用和操作。
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某锁机构FMEA分析
危害性定性分析
对接锁系故障模式发生概率等级定义
等级
故障模式发 定义 生概率的特
征
故障模式发生概率（在产品使用时间内）
A 经常发生 高概率 某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的20%
力矩 偏 心
绳轮5
轴
偏 心 套
主动 锁钩
锁合传 感器
被动航天 器主动锁
力 被 动 航
力天 器 从 动 锁
力
从动锁(5个)
某锁机构（正常）对接阶段功能流程图
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某锁机构FMEA分析
故障判据
在正常的设计、使用、维护和环境条件下，凡是满 足不了对接锁系设计指标及要求的故障，都定为系 统故障。
I、II类故障模式(零件)清单 危害性矩阵
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某锁机构FMEA分析
主动锁钩43
主动锁销68,66
限位板65
螺钉组合16,17,22
偏心套41
拉簧21
拉簧支架55
主动绳轮72
螺钉49
螺钉组合7,8,9
主
簧片96
动 钩
主动钩定位棒104
组
偏心轴33
件
滚针轴承73,78
轴承70,83
拉住拉簧21的另一端 连接电机，将电机的动力通过绳索传出
固定拉簧支架55到壳体上 固定簧片
为主动钩定位棒提供压紧力 火工品工作后，定位主动钩
偏心转动，产生锁钩行程 减小摩擦力；支撑偏心轴 承受轴向力，定位轴承73、78；减小摩擦力
防止螺钉松动 紧固轴承座67到壳体上;紧固轴承端盖69到偏心套上
固定和定位滚针轴承78 定位轴承70外圈 定位轴承70内圈
寿命期内某锁系自身引起的故障（不含人为故障） 均计为影响系统基本可靠性的关联故障；
在任务剖面中，凡不能完成某锁系正常功能的故障 计为影响任务的关联故障。
零件级产品故障判据 组件级产品故障判据 部件级产品故障判据
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某锁机构FMEA分析
严酷度定义
表 14 对接锁系故障严酷度的定义
B
有时发生 中等概率
某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的10%， 小于20%
C
偶然发生 不常发生
某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的1%，小 于10%
D
很少发生
不大可能发 生
某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的0.1%， 小于1%
E 极少发生 近乎为零 某一故障模式发生概率小于产品总故障概率的0.1%
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概述
锥杆式
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概述
周边外翻式
2020/9/19
6
概述
周边内翻式
2020/9/19
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产品说明
某锁结构示意图
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某锁机构FMEA分析
某锁机构FMEA实施
对接锁系功能分析 故障判据 对接锁系故障模式分析 严酷度定义 危害性定性分析
FMECA输出