02可靠性工程-基本概念

可靠性工程专题——基本概念和参数体系现代航天企业制造信息化技术学习内容1.可靠性基本概念2.可靠性参数体系故障及其分类故障及其分类产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态，称之为故障。故障的表现形式，叫做故障模式。引起故障的物理化学变化等内在原因，叫做故障机理。不可修产品（如电子元器件）：失效产品的故障按其故障的规律可以分为两大类：偶然故障与渐变故障。可靠性基本概念质量与可靠性关系从广义质量观看，质量涵盖可靠性从狭义的质量观看，就是“符合性质量”可靠性毕竟与狭义的质量管理还是有很大区别的，质量出了问题，往往批次性很强可靠性是更深层次的与设计、工艺相关的根本性问题。有些企业对于可靠性工程有一种错误观念，认为可靠性工程是质量部门的事情，而设计部门却很少人员参与。产品的可靠性是在设计阶段就已经决定了在用户使用过程中，均是“可靠性”问题寿命周期与寿命剖面产品从制造到寿命终结或退出使用这段时间内所经历的全部事件和环境的时序描述。它包含一个或多个任务剖面。通常把产品的寿命剖面分为后勤和使用两个阶段寿命剖面内的事件采购包装运输贮存检测运输发送使用贮存检测运输任务剖面运输维修运输报废后勤阶段使用阶段寿命剖面示例事件使用方法生产验收装卸和公路运输装卸和铁路运输装卸和空运装卸和船运装卸和后勤支援运输（最坏路线）有遮蔽存贮，帐篷，圆屋顶无遮蔽存储工作准备阶段发射阶段调整状态导弹处于战斗位置发射后第一个动作飞行阶段命中目标生产阶段后勤阶段运输储存/后勤阶段使用阶段准备阶段任务阶段发射段惯性飞行段下降段主动段某导弹的寿命剖面任务剖面产品在完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述。任务剖面一般应包括：产品的工作状态；维修方案；产品工作的时间与顺序；产品所处的环境(外加的与诱发的)的时间与顺序；任务成功或致命故障的定义。任务剖面示例飞机投放炸弹事件的任务剖面示例时间（分钟）高度（公里）126温度（C）10-20-40Ma=0.67315min300mMa=0.58219min48s9150mMa=0.6914min30s14000mMa=0.58422min36s1200msC24min1436sC16min2030sC16min2041sC23min2024可靠性基本概念基本可靠性产品在规定的条件下，无故障的持续时间或概率。在没有后勤保障情况下系统工作能力的度量考虑所有需要维修保障的故障•采用冗余，降低基本可靠性•通常等于或低于任务可靠性可靠性基本概念任务可靠性产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力系统完成任务能力的度量只考虑引起任务失败的故障通过冗余提高任务可靠性通常高于基本可靠性可靠性基本概念固有可靠性产品在设计、制造过程中赋予的固有属性。产品的开发者可以控制。使用可靠性产品在实际使用过程中表现出的可靠性。除固有可靠性的影响因素外，还要考虑安装、操作使用、维修保障等方面因素的影响。可靠度及可靠度函数可靠度及可靠度函数产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率称为可靠度。依定义可知，可靠度函数R(t)为：00)()(NtrNtR式中N0—t=0时，在规定条件下进行工作的产品数；r(t)—在0到t时刻的工作时间内，产品的累计故障数。累积故障分布函数累积故障概率产品在规定的条件下和规定的时间内，丧失规定功能概率称为累积故障概率（又叫不可靠度）。依定义可知，产品的累积故障概率是时间的函数，即0)()(NtrtF显然，以下关系成立：1)()(tFtR可靠度函数与累积故障分布函数的性质与的性质如下表所示：)(tR)(tF对偶性非减函数非增函数单调性[0，1][0，1]取值范围)(tR)(tF)(1tF)(1tR累积故障分布函数可靠度函数与累积故障分布函数的性质由密度函数的性质1)(0dttf可知：ttdttfdttftFtR)()(1)(1)(0因此，)(tR、)(tF与)(tf之间的关系如图所示。图R(t)、F(t)与f(t)关系tf(t)f(t)F(to)R(to)to故障率函数故障率工作到某时刻尚未故障的产品，在该时刻后单位时间内发生故障的概率，称之为产品的故障率。用数学符号表示为：dttNtdrts)()()(式中——故障率；)(t)(tdr——t时刻后，时间内故障的产品数；dt)(tNs—残存产品数，即到t时刻尚未故障的产品数。故障率函数可按下式进行的工程计算：ttNtrts)()()(式中——时刻后，时间内故障的产品数；)(trtt——所取时间间隔；t——残存产品数。)(tNs对于低故障率的元部件常以为故障率的单位，称之为菲特（Fit）。h/109问题故障率是概率值么？故障率有量纲么？故障率和累计故障密度之间有什么关系？人类健康的曲线图人类典型的健康曲线t)(t为革命健康工作五十年年幼体弱年富力强年老体衰AB产品故障浴盆曲线浴盆曲线大多数产品的故障率随时间的变化曲线形似浴盆，称之为浴盆曲线。由于产品故障机理的不同，产品的故障率随时间的变化大致可以分为三个阶段：图产品典型的故障率曲线t)(t使用寿命早期故障偶然故障耗损故障AB规定的故障率维修后故障率下降对故障发生规律认识的变化故障发生规律的六种模式A4%B2%C5%D7%E14%F68%六种模式所占的比率（美国联合航空公司统计）A3%B1%C4%D11%E15%F66%六种模式所占的比率（航天产品的统计数据）我国的情况我国海军、装甲兵、通讯装备的一些统计资料都证明了许多产品都没有明显的耗损故障区的结论A3%B1%C4%D11%E15%F66%?故障率与可靠度、故障密度函数的关系由于，所以)()()()()()()()()(00tRtftNtNdttNtdrdttNtdrtssdttdRtf)()(tttRdtttRtdRdtt00|)(ln)()()()(todttetR)()(tetR)(图2-7产品典型的故障率、可靠度和密度函数曲线t)(t早期故障偶然故障耗损故障f(t)R(t)故障率、可靠度与密度函数关系设0N个不可修复的产品在同样条件下进行试验，测得其全部故障时间为0,,,21Nttt。其平均故障前时间（用符号TFT表示）为：0101NiiTFtNT当0N趋向无穷时，TFT为产品故障时间这一随机变量的数学期望，因此，0)(dtttfTTF0)(dttR当产品的寿命服从指数分布时，10dteTtTF。平均故障前时间(MTTF)01001NiiBFNTtNT式中，T——产品总的工作时间。产品典型的修复状态有基本修复和完全修复两种。基本修复与完全修复t)(t基本修复完全修复t101平均故障间隔时间问题某微型计算机的MTBF=10000小时，是否意味着该计算机每工作10000小时才出一次故障？可靠寿命:指给定的可靠度所对应的产品工作时间。使用寿命:指产品在规定的使用条件下，具有可接受的故障率的工作时间区间。)(tR)(t**Rtttrt寿命特征可靠寿命使用寿命首次翻修期限（首翻期）:指在规定条件下，产品从开始使用到首次翻修的工作时间和（或）日历持续时间。翻修是指把产品分解成零部件，清洗、检查，并通过修复或替换故障零部件，恢复产品寿命等于或接近其首翻期的修理。翻修间隔期限:指在规定条件下，产品两次相继翻修间的工作时间、循环次数和（或）日历持续时间。总寿命:指在规定条件下，产品从开始使用到规定报废的工作时间、循环次数和（或）日历持续时间。贮存期限:在规定条件下，产品能够贮存的日历持续时间，在此时间内，产品启封使用能满足规定要求。寿命特征首翻期、翻修间隔期和使用寿命λ(t)t首次翻修期规定的故障率ABλ(=1/MTBF)翻修间隔期使用寿命可靠性参数体系可靠性参数是描述系统可靠性的度量。它直接与战备完好、任务成功、维修人力和保障资源有关。可靠性指标是可靠性参数要求的量值。特性描述概念生理角度可靠性角度视角如何描述怎么描述人/系统指标量值多少参数身高/R(t)体重/MTBF性别/其他参数体系完整性要求反映目标说明战备完好性军事单位接到命令时，实施其作战计划的能力。任务成功性任务开始给定的可用性下，系统在规定的任务剖面内任意时刻能够工作和完成规定功能的能力。维修人力费用系统需要维修人力的频度与多寡。保障资源费用系统对备件、维修工具、维修设备等的要求可靠性参数反映目标可靠性参数分为基本可靠性参数和任务可靠性参数基本可靠性反映了产品对维修人力费用和后勤保障资源的需求。确定基本可靠性指标时应统计产品的所有寿命单位和所有的故障。任务可靠性是产品在规定的任务剖面中完成规定功能的能力。确定任务可靠性指标时仅考虑在任务期间那些影响任务完成的故障(即致命性故障)。可靠性参数分类可靠性参数的相关性平均故障间隔时间(MTBF)与平均故障间隔飞行小时(MFHBF)任务成功概率与致命故障间的任务时间MTBF与故障率平均维修间隔时间与MTBF平均拆卸间隔时间与MTBFFSTTMFHBFBF//飞行时间产品工作时间MCBCFMCPtTePBCFTtln或/1BFT)(BFBMTKTKTTBRBF/使用参数、合同参数使用可靠性参数及指标反映了系统及其保障因素在计划的使用和保障环境中的可靠性要求，它是从最终用户的角度来评价产品的可靠性水平。如MFHBF、MCSP、MTBM等。合同可靠性参数及指标反映了合同中使用的易于考核度量的可靠性要求，它更多的是从承制方的角度来评价产品的可靠性水平。如MTBF、MTBCF等。可靠性参数分类使用指标与合同指标使用指标合同指标目标值门限值规定值最低可接受值期望装备达到的使用指标，它既能满足装备使用需求，又可使装备达到最佳的效费比，是确定规定值的依据装备必须达到的使用指标，它能满足装备的使用需求，是确定最低可接受值的依据合同和研制任务书中规定的期望装备达到的合同指标，它是承制方进行可靠性设计的依据合同和研制任务书中规定的、装备必须达到的合同指标，它是进行考核或验证的依据目标值-1GJB1909.1-94将目标值定义为：期望装备达到的使用指标，它既能满足装备的使用需求，又可使装备达到最佳的效费比，是确定规定值依据。美军防务采办术语-98将目标值定义为：用户所期望的和项目经理企图获得的性能值，目标值表示比每个项目参数的性能门限值大一个量值。该量值在使用上是有意义的，时间上是关键的而且费用上是有效的。目标值-2美空军AFR80-5-78将目标值定义为：既满足使用要求又具有增长能力或保障费用最佳的R&M值。从上述定义可以发现，R&M目标值首先表示系统投入外场使用，经过一段期间的使用、发现问题并进行改进后达到成熟状态的R&M水平，这种R&M水平必须满足预定的未来环境下的使用要求，同时，R&M的目标值应使系统在外场使用的使用和保障费用最低，而且应是通过增长可以达到的R&M值。门限值-1GJB1909.1-94将门限值定义为：装备必须达到的使用指标，它能满足装备的使用要求，是确定最低可接受值的依据。美军防务采办术语-98将门限值定义为：为满足用户需求、所必须达到的最低可接受值。如果没有达到门限值，那么项目性能就会严重下降，项目费用可能太高，项目进度可能拖延。美空军AFR80-5-78将门限值定义为：完成任务（即满足使用要求）所必需的最低的R&M水平。R&M门限值是制定合同最低要求的基础。门限值-2R&M门限值是满足系统使用要求所必须的最低的水平，即最低的要求值。它是外场使用试验进行验证的依据.其验证时机可根据不同类型的系统及不同的要求来确定。可靠性参数指标特性综合性可靠性参数的相关性使用参数与合同参数之间存在转换关系阶段性产品可靠性，在研制阶段具有增长性TRBFBFiTTTA阶段性图可靠指标的阶段性示意图成熟期目标值成熟期门限值研制阶段门限值研制