第八章可靠性工程基础

可靠性工程基础可靠性基本概念什么是可靠性可靠性是指产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定的功能的能力。简写为R可靠性基本概念产品的可靠性与规定的条件分不开产品的可靠性与规定的时间密切相关产品的可靠性与规定的功能密切相关可靠性工程的重要意义第二次世界大战中，美国由于飞行事故损失飞机21000架，比被击落的还要多1.5倍。1949年美国海军电子设备有70％失效，每一个使用中的电子管，要有9个新电子管作为备件。可靠性工程的重要意义美国的宇宙飞船阿波罗工程有700万只元器件和零件，参加人数达42万人，参予制造的厂家达1万5千多家，生产周期达数年之久。象这样庞大的复杂系统，一旦某一个元件或某一个部件出现故障，就会造成整个工程失败，造成巨大损失。所以可靠性问题特别突出，不专门进行可靠性研究是难于保证系统可靠性的。可靠性工程的重要意义我国可靠性工作起步也比较早，50年代就建立了温热带环境暴露试验机构。1972年在这个基础上组建了我国唯一的电子产品可靠性与环境试验研究所，着手可靠性与环境试验、失效分析、数据处理等研究工作。70年代中期我国电子、机械、仪表、邮电、航天、航空、电力、三军等系统陆续开展了可靠性工作。一般都是从调查研究、可靠性教育入手，接着是建立可靠性管理、研究、试验、数据、情报等工作机构，制订可靠性标准，对产品提出指令性的可靠性指标，进行可靠性考核与可靠性试验，对试验中发生的失效进行失效模式与机理的分析研究，提出纠正措施。可靠性工程的发展总的来看，可靠性工程的发展可以粗略地划分为四个阶段：1.第一阶段，调查准备阶段2.第二阶段，统计试验阶段3.第三阶段，可靠性物理阶段4.第四阶段，可靠性保证阶段可靠性工程的发展：第一阶段第一阶段，是调查准备阶段，主要特点是提出可靠性问题，进行基础理论研究，提出工程技术与管理方面的要求。可靠性工程的发展：第二阶段第二阶段，统计试验阶段，主要特点是对元器件及整机进行可靠性试验与环境试验，对可靠性进行定量怦估与分析改进；开展可靠性与维修性的工程理论研究。可靠性工程的发展：第三阶段第三阶段，是可靠性物理阶段，主要特点是对元器件、整机及系统进行定性与定量的失效分析，从材料、设计和制造等方面采取措施，预防失效。可靠性工程的发展：第四阶段第四阶段，是可靠性保证阶段，主要特点是开展系统的可靠性管理，对各个环节以及全寿命周期进行控制，实现可靠性保证。这四个阶段，并不是截然分开的，而是互相交叉、逐步地发展与完善。即使进入了可靠性保证阶段，基础理论研究、统计试验、失效分析等工作仍有着重要作用，其本身也不断有新的发展。可靠性发展的动力1.设备系统越来越复杂2.使用环境越来越恶劣3.产品生产周期越来越短总之，无论是人民群众的生活，国民经济建设的需要出发，还是从国防、科研的需要出发，研究可靠性问题是具有深远的现实意义。可靠性发展的动力--续现代科技迅速发展导致各个领域里的各种设备和产品不断朝着高性能、高可靠性方向发展，各种先进的设备和产品广泛应用于工农业、交通运输、科研、文教卫生等各个行业，设备的可靠性直接关系到人民群众的生活和国民经济建设，所以，深入研究产品可靠性的意义是非常重大的。可靠性发展的动力--续产品或设备的故障都会影响生产和造成巨大经济损失。特别是大型流程企业，有时因一台关键设备的故障导致工厂停产，其损失都是每天几十万元甚至几百万元。因此，从经济效益的来看，研究可靠性是很有意义的。研究与提高产品的可靠性是要付出一定代价的。从生产角度看，要增加产品的研制和生产的成本。但是，从使用角度看，由于产品可靠性提高了，就大大减少了使用费和维修费，同时还减少了产品寿命周期的成本。所以，从总体上看，研究可靠性是有经济效益的。可靠性发展的动力--续从政治方面考虑，无论哪个国家，产品的先进性和可靠性对提高这个国家的国际地位、国际声誉及促进国际贸易发展都起很大的作用。可靠性—从应用的角度出发固有可靠性—仅考虑承制方在设计和生产中能控制的故障时间，用于描述产品设计和制造的可靠性；使用可靠性—综合考虑产品设计、制造、安装环境、维修策略等因素，用于描述产品在计划的环境中使用的可靠性水平。可靠性—从设计的角度出发基本可靠性—考虑要求保障的所有故障的影响，用于度量产品无须保障的工作能力，包括与维修与供应有关的可靠性，用平均故障间隔时间MTBF（MeanTimeBetweenFailure）来度量；任务可靠性—仅考虑造成任务失败的故障影响。用于描述产品完成任务的能力，用任务可靠度MR（MissionReliability）和致命性故障间隔任务时间MTBCF（MissionTimeBetweenCriticalFailure）来度量。维修性（Maintainability）可维修产品在规定条件和规定时间内，按规定程序和方法进行维修时，保持或恢复到规定状态的能力。维修性（续一）维修性包括两个方面•维护也叫预防性维修，是一种日常的可靠性控制过程，表现为预先检查和采用“边缘试验技术”•修理产品发生故障后，使其恢复完成规定功能的工作维修性（续二）维修性反映了可维修产品可以接受维修的能力，在产品的论证阶段、研制阶段、使用阶段和处理阶段的全寿命过程，都应重视维修性要求。保障性产品的设计特性和计划的保障资源等是完成规定功能的能力保障性包括两个方面•与保障有关的设计特性•保障资源的充足和适用性保障性（续）产品同时具有可保障的特性和能保障的特性，才是具有完整保障性的产品可用性（Availability）固有可用性在要求的外部资源得到满足的前提下，产品在规定的条件下和规定的时间内可以完成规定功能的能力外部资源（不含维修资源）不影响固有可用性，使用可用性则受外部资源的影响可用性（续）可用性综合反映了产品可靠性、维修性和保障性所达到的水平可靠性、维修性和可用性是可靠性的三个基本方面，简称为RAM问题/技术可靠性特征量定义：对可靠性的相应能力作出定量描述的量，称之为可靠性特征量。主要有：可靠度、失效分布、失效率、故障密度函数以及平均寿命等等。可靠性特征量—可靠度可靠度R(t)把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定义为产品的“可靠度”。用R(t)表示：R(t)=P(T＞t)其中P(T＞t)就是产品使用时间T大于规定时间t的概率。若受试验的样品数是N0个，到t时刻未失效的有Ns(t)个；失效的有Nf(t)个。则没有失效的概率估计值，即可靠度的估计值为000)()()()()()(NtNNNtNtNtNtNtRfsfss可靠性特征量—失效分布如果仍假定t为规定的工作时间，T为产品故障前的时间，则产品在规定的条件下，在规定的时间内丧失规定的功能(即失效)的概率定义为不可靠度，用F(t)表示：F(t)=P(T≤t)同样，不可靠度的估计值为：000)()()()()()(NtNNNtNtNtNtNtFsffsf由于故障和不故障这两个事件是对立的，所以R(t)+F(t)=1当N0足够大时，就可以把频率作为概率的近似值。同时可靠度是时间t的函数。因此R(t)亦称为可靠度函数。0≤R(t)＜1可靠性特征量—故障密度故障密度函数f(t)如果N0是产品试验总数，△Nf是时刻t→t+△t时间间隔内产生的故障产品数，△Nf(t)／(N0△t)称为t→t+△t时间间隔内的平均失效(故障)密度，表示这段时间内平均单位时间的故障频率，若N0→∞，△t→0，则频率→概率。dtdNNtffN01lim)(0也可根据F(t)的定义，得到f(t)，即(7-5)F(t)具有以下性质：0≤F(t)＜1，且为增函数。ttfftfdttfdtdttdNNtdNNNtNtF000000)()(1)(1)()(可靠性特征量—故障率故障率λ(t)故障率λ(t)是衡量可靠性的一个重要指标，其含义是产品工作到t时刻后的单位时间内发生故障的概率，即产品工作到t时刻后，在单位时间内发生故障的产品数与在时刻t时仍在正常工作的产品数之比。λ(t)可由下式表示。式中dNf(t)为dt时间内的故障产品数。dttdNtNtfs)()(1)(故障率、故障密度及可靠度之间的关系当N0→∞时)()(/)(1()()()(1)(000tRtfNtNdtNtdNdttdNtNNtffff故障率、故障密度及可靠度之间的关系根据R(t)，F(t)，f(t),λ(t)的定义，还可以推导出：(7-8)])(exp[)(0)(0tdttdttetRt失效率曲线耗损失效期t时间偶然失效期早期失效期使用寿命规定的失效率λ(t)失效率AB故障率曲线分析“浴盆曲线”。(a)早期故障期：产品早期故障反映了设计、制造、加工、装配等质量薄弱环节。早期故障期又称调整期或锻炼期，此种故障可用厂内试验的办法来消除。故障率曲线分析(b)正常工作期：在此期间产品故障率低而且稳定，是设备工作的最好时期。在这期间内产品发生故障大多出于偶然因素，如突然过载、碰撞等，因此这个时期又叫偶然失效期。可靠性研究的重点，在于延长正常工作期的长度。故障率曲线分析(c)损耗时期：零件磨损、陈旧，引起设备故障率升高。如能预知耗损开始的时间，通过加强维修，在此时间开始之前就及时将陈旧损坏的零件更换下来，可使故障率下降，也就是说可延长可维修的设备与系统的有效寿命。故障率的单位一般采用10-5小时或10-9小时(称10-9小时为1fit)。故障率也可用工作次数、转速、距离等。可靠性特征量—平均寿命平均寿命平均寿命是指产品从投入运行到发生故障的平均工作时间。对于不维修产品又称失效前平均时间MTTF(Meantimetofailure)，根据数学期望的定义，可得xdtttfMTTF0)(对于可维修产品而言，平均寿命指的是产品两次相邻故障间的平均工作时间，称为平均故障间隔时间MTBF(Meantimebetweenfailure)，和MTTF有同样的数学表达式：当λ(t)=常数时，0)(dttRMTBF1MTBF可靠性特征量—有效度有效度对于可修复产品，只考虑其发生故障的概率显然是不合适的，还应考虑被修复的可能性，衡量修复可能性的指标为维修度，用M(t)表示。维修度M(t)——产品在规定条件下进行修理时，在规定时间内完成修复的概率。在维修性工程中，还有维修密度函数m(t)、维修率μ(t)，其相互关系有：tdttetM0)(1)(tdttettm0)()()(平均修复时间(MTTR—MeantimetoRepair)应理解为产品修复时间的数学期望。有：当μ(t)=常数时，0)](1[dttMMTTR1MTTR对可修复系统，当考虑到可靠性和维修性时，综合评价的尺度就是有效度A(t)，它表示产品在规定条件下保持规定功能的能力。MTTRMTBFMTBFtA)(MTBF——反映了可靠性的含义。MTTR——反映维修活动的一种能力。两者结合—固有有效度A(t)当考虑后勤保障、服务质量时，就会在时间序列上出现平均等待时间(MWT—MeanWaittime)。如果从实际出发，使用有效度A0应表示为：MWTMTTRMTBFMTBFA0指数分布失效形式1.指数分布指数分布在可靠性领域里应用最多，由于它的特殊性，以及在数学上易处理成较直观的曲线，故在许多领域中首先把指数分布讨论清楚。若产品的寿命或某一特征值t的故障密度为(λ＞0，t≥0)则称t服从参数λ的指数分布。tetf)(f(t)tR(t)tλ(t)t指数分布则有：不可靠度(t≥0)可靠度(t≥0)故障率平均故障间隔时间1MTBF)(/)()(tRtfttetFtR)(1)(tetF1)(指数分布例题例7-1：一元件寿命服从指数分布，其平均寿命(θ)为2000小时，求故障率λ及求可靠度R(100)=?R(1000)=?解：(小时)此元