第9章可靠性工程

授课章节:第九章可靠性工程（第一节至第二节）重点难点:可靠性的概念及可靠性分析方法•掌握可靠性分析方法目的要求:第一节可靠性与可靠性工程一、可靠性的定义可靠性是指在给定的条件下和规定的时间内，零部件、元件、产品或系统所完成规定功能的概率。“完成规定功能”：是产品或系统的工作目的或使用性能。“规定时间”：产品或系统的任务时间，通常以产品使用的寿命周期来表示。产品质量性能可用性安全性适应性经济性时间性可靠性维修性保障性产品质量与可靠性研究可靠性的必要性⑴设备和系统的复杂化设备和系统越来越复杂，导致“系统相关的任一部分失效而导致整个系统失效的机会增多”。⑵使用环境的日益恶劣产品所处的环境愈来愈恶劣，高低温、冲击、震动和辐射等条件，使产品的可靠性受到影响。⑶产品生产周期的缩短传统的产品生产经设计—试制—生产—检验—交付用户使用—反馈—提高质量可靠性—…。科技进步，竞争加剧，使一些设计和工艺技术更加成熟，生产周期缩短，不允许有更多的阶段试验，要求产品本身有高可靠性。可靠性基本概念可靠性维修性保障性测试性可用性可信性产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力，简写为R。规定的条件：使用时的环境条件、应力条件，维护方法，储存时的储存条件，以及使用时对操作人员技术等级的要求等。规定的时间：在应用中，时间是一个广义的概念，可以用周期、次数、里程或其它单位代替，也可建立这些单位与时间之间的隶属函数加以描述。规定的能力：产品应具备的技术性能指标。可靠性（reliability）从应用的角度出发分类：⑴固有可靠性：描述产品设计和制造的可靠性水平；⑵使用可靠性：描述产品在计划的环境中使用的可靠性水平。从设计的角度出发分类：⑴基本可靠性：用于度量产品无须保障的工作能力，包括与维修和供应有关的可靠性，通常用平均故障间隔时间MTBF来度量；⑵任务可靠性：描述产品完成任务的能力，通常用任务可靠度MR和致命性故障间隔任务时间MTBCF来度量。产品在规定条件下和规定时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到规定状态的能力，称为维修性，简写为M。维修性指的是产品维修的难易程度，是产品设计所赋予的一种维修简便、迅速和经济的固有属性。规定的条件：维修的机构和场所及相应人员与设备、设施、工具、备件、技术资料等资源条件。规定的程序和方法：按技术文件规定采用的维修工作类型、步骤和方法。维修性（maintainability）一个产品不工作的时间NT包括两个部分：①在设备、备件、维修人员和维修规程等齐全的条件下，用于直接维修工作的时间，称为直接维修时间MT；②由于保障资源补给或管理原因等延误而造成的时间，称为延误时间DT。平均维修时间MTTR是直接维修时间MT的平均值。nMTMTTR维修次数直接维修时间保障性系指产品设计特性和计划的保障资源能满足使用要求的能力，称为保障性，简写为S。维修保障只是综合保障工程中的一个方面。表征保障性的指标是平均延误时间MDT。显然，MDT愈小愈好。它反映了产品使用者的管理水平，以及提供资源的能力。nDTMDT故障次数维修延误的总时间保障性（supportability）产品能及时并准确地确定其状态（可工作、不可工作或性能下降），并隔离其内部的一种设计特性，称为测试性，简写为T。测试性与维修性及可靠性密切相关，具有良好测试性的设备将减少故障检测及隔离时间，进而减少维修时间，改善维修性。通过采用测试性好的设备可及时检测出故障，排除故障，进而提高产品的使用可靠性。测试性通常用故障检测率FDR、故障隔离率FIR和虚警率FAR度量。测试性（testability）可用性是产品可靠性、维修性和保障性三种固有属性的综合反映，指产品处于良好工作状态的能力，也称为有效性。使用可用性A0固有可用性At。At反映了生产方的设计、制造和服务的综合水平，越大越好。0MTBFAMTBFMTTRtMTBFAMTBFMTTRMDT可用性（availability）可信性是一个非定量的集合性术语，表述可用性及其影响因素：可靠性（R）、维修性（M）、保障性（S）、测试性（T），简写为R·M·S·T·。对可信性的定量要求，就是具体的R·M·S·T·的定量要求；定义：产品在任务开始时可用的条件下，在规定的任务剖面中，能完成规定功能的能力称为产品的“（狭义）可信性”，简写为D。产品在执行任务中的状态及可信性取决于与任务有关的产品可靠性及维修性的综合影响。可信性（dependability）在长期的可靠性实践中，人们发现许多产品都服从一条典型的失效率曲线，这条曲线具有两头高、中间低的特点，呈现“U”形，习惯称为浴盆曲线。这条曲线明显地分为三段，对应着三个时期。早期失效期偶然失效期耗损失效期λ(t)t交付使用更新点产品失效曲线二、产品系统的可靠性1．串联系统产品或系统是由许多功能性的结构要素（或零件）所组成的，如果其中任一结构要素发生故障，而导致整个产品或系统故障，则这种结构要素组成的产品或系统称为串联系统，设整个系统的串联链由n个链节组成，第i个功能链节的可靠度为Ri，n=1，2，…，n-1，n。则在该串联系统中，系统或产品总的可靠度为nniSRRRRRR121第一节可靠性与可靠性工程2．并联系统产品或系统由许多功能性的结构要素（或零件）所组成，当其中任一结构要素发生故障时，整个产品或系统仍能坚持正常工作，则认为这些结构要素在功能逻辑上呈并联方式，而称这一类产品或系统为并联系统，如右图所示。设第i个功能链节发生故障的概率为Fi，在并联系统中，系统或子系统总的故障概率为nniSFFFFFF121其中，Fi=1-Ri，故并联系统的可靠为)1)(1()1()1)(1(11121nniSSRRRRRFR第一节可靠性与可靠性工程3．混联系统当一个系统中，既有串联结构，也有并联结构，是由这两种结构混合组成的系统称为混联系统，如下图所示。在计算混联系统的可靠度时，应先把每个并联结构子系统的可靠度分别计算出来，然后，把它们作为一个个功能链节加入系统，使原来的混联系统转化为串联系统，再对这个假想的串联系统进行可靠度的计算，这样就得到了混联系统的可靠度.。从可靠性角度用框图来描述分系统失效或它们的组合如何导致系统失效的逻辑关系，通常又称为可靠性结构模式。系统可靠性框图：表示系统中各个子系统（元件）之间的逻辑关系（功能关系），系统的原理图：表示系统中各个子系统的物理关系。系统可靠性在很大程度上取决于：组成单元的可靠度、可靠性结构模式、组成单元的数量。可靠性框图可靠性数学模型—概率模型设系统的可靠度为Rs，不可靠度为Fs=1－Rs。系统由n个组成单元构成，第i个组成单元的可靠度为Ri，i=1,2,…,n，不可靠度为Fi=1－Ri。采用下列假设：⑴各单元只可能有两种状态：正常与失效（故障），而没有中间状态；⑵各单元工作与否是相互独立的，即任一单元的正常工作与否不会影响其他是单元的正常与否。Rs=f(R1,R2,…,Rn)串联系统的n个单元必须全部工作，系统才会正常工作，任一单元故障都会导致系统故障。系统的寿命T是第一个出现故障的单元的寿命。系统可靠性函数为所有单元可靠性函数之乘积。组成单元1组成单元2组成单元n…niis)t(R)t(R1nsT,T,TminT21串联模型niisssniisst)(nitniisti)t(R)t(R)t(dt)t(Ree)t(R)t(Re)t(Rniiii1101111则设串联系统组成单元数量越多，系统可靠度越低。niis)t(F)t(F111当串联模型中各单元寿命为指数分布时，系统的寿命也为指数分布。当构成系统的所有单元都发生故障时，系统才发生故障的系统称为并联系统。只要有任何一个单元工作，系统就处于工作状态。组成单元1组成单元2组成单元n∶∶设初始时刻t=0，所有单元同时开始工作，则并联系统的寿命T为最后发生故障的单元的寿命。nsT,T,TmaxT21并联模型系统累积故障函数为所有单元累积故障函数之乘积。系统可靠性函数为并联系统组成单元数量越多，系统可靠度越大。设有一个由n个相同且相互独立的元件构成的并联系统。每个元件的失效分布均为参数为λ的指数分布，试比较系统与单一元件的可靠性指标。niis)t(R)t(F11niiss)t(R)t(F)t(R1111例子解元件的可靠性指标系统可靠性指标11,)t(e)t(F,e)t(Rititinidt)e(dt)t(R)e()e(en)t(R)t(f)t()e(endt)t(dF)t(f)e()t(F)t(R)e()t(F)t(F)t(Fnintssntnttsssnttssntssntnniis1211111111111111100111n=5n=3n=4n=1n=200.10.20.30.40.50.60.70.80.9101002003004005006007008009001000时间t系统可靠性Rs(t)系统平均寿命与并联元件数之间的关系图n=1n=2n=5n=3n=400.00020.00040.00060.00080.0010.001201002003004005006007008009001000时间t系统故障率λ(t)系统故障率与并联元件数之间的关系图05001000150020002500300012345678910并联元件数n系统平均寿命θs系统平均寿命与并联元件数之间的关系图)(,t;)(,teeeeee)t(R)t(R)t(dt)ee(dt)t(Ree)ee()e()t(R)t(Re)t(R)t(Rssttttttsssttsstttttiist0002122222323212222111111220202222121则并联设当组成单元失效率为常数，并联系统（n=2）的失效率随时间增加而增加，不是常数。系统寿命能提高θ/2λs(t)λtR1R2R3R1=0.90R2=0.80R3=0.60828060809060908090111113213121323212313232323223........RRRRRRR)RRRR(RRRRRRRR)R)(R(RRSii串—并联模型并联模型利用工作储备来提高系统的可靠性，但却未必能有效地提高系统的工作寿命，原因是在这种模型中系统的寿命等于n个并联元件中最好的元件的寿命。旁联模型（stand-bysystemmodel）：在一个由n个元件组成的旁联系统中，只有一个元件在工作，而其他元件则处于非工作状态。当工作元件故障，通过一个故障监测和转换装置而使得另一个元件工作。旁联模型S1S2SiSnS故障监测和转换装置旁联模型假设故障监测与转换装置的可靠性为1，单元Si的寿命为Ti，则该系统的寿命Ts为nsTTTT21当n个单元的故障分布均为指数分布，故障率均为λ时，可以证明，旁联系统的可靠度为以一个备用元件（n=2）的系统进行比较。假定各工作元件均相同，故障率为。试比较单个元件、旁联系统和并联系统的可靠度？tniintse)i()t(n)t()t()t(te)t(R1113211321例子解：元件可靠性函数为并联系统可靠性函数为旁联系统可靠性函数为