第3讲 产品故障及相关特性(一)

北京航空航天大学可靠性与系统工程学院2020/2/11可靠性系统工程导论第三讲：产品故障及相关特性康锐[e-mail]课程提纲故障与分类可靠性耐久性环境适应性安全性2020/2/1可靠性系统工程2维修性测试性保障性一、故障及其分类人人网日志：认识故障是生活中的必修课故障与我们的生活息息相关，可以说故障与我们每一个人在日常生活中都如影相随。2013年春季，我在给博士生上学科综合课的过程中，我做了一个课堂调查，请上课的学生例举一下过去一年内各自经历过的故障事件。调查结果十分有趣。在过去的一年中，这12个学生共经历了60次故障事件，平均每个人经历了5次。其中有一名学生讲述了自己从轻微的肠胃不适发展到慢性肠炎最后不得不手术治疗的过程；另一名学生讲述了自己丢失手机、没有赶上火车以及收到诈骗电话的故事；还有一名同学讲述了花盆摔碎、金鱼死亡的事件。有趣的是，他们很确信这些事件属于我要调查的“故障事件”范畴。当然，大多数学生讲述了他们所使用的产品的故障并简要分析了其发生的原因，这些故障事件包括：手机进水、电脑黑屏、自行车爆胎、电梯意外停机、水杯漏水、书包拉锁断裂、眼睛框架变形、塑料衣架碎裂、软件计算出错等林林总总。最震撼的是有一名学生是飞机设计师，他讲述了过去一年中的连续37天里，在执行飞机试飞任务过程中发生的故障事件：这次任务共10架次飞行，动用飞机3架，累计飞行时间31小时51分钟，共遇到问题33个，其中地面4个，空中29个，平均每飞行66分钟遇到1个问题，其中设备报故或预警16起，突发事件和意外情况15起。33个问题中，设备原因占12个，外部条件（气象、地形、空域等）原因占14个，人为原因占7个（其中3个跟气象有关）。人、机、环境所占的比例为：人—21.2%，机—36.4%，环境—42.4%；33个问题中，操作人员对其中的20个问题采取了人工干预处置，其余的13个问题，有3个问题是由于操作人员自身能力和经验不足未采取更为合理的处置方式，有10个问题或是通过判断认为没必要进行人工干预或是无法进行有效干预；20个处置问题中，通过后来的分析认为：有15个问题处置得当且及时有效，这其中包括：1个致命问题（临时航点bug），3个重大隐患问题，11个可能威胁飞行安全或正常执行任务的问题；有5个问题，虽及时处置，但处置的不是十分得当，其中2个给飞行安全带来了新的风险，另外3个影响到完成作战任务。当他讲述这些经历时，其他同学向他投去了尊敬和同情的目光。最后他总结了一句话：其实，“飞机设计完了”以后，主要的工作就是处理各种各样的故障。通过这个调查可以知道，似乎我们的生活中从来就没有离开过故障事件，或者说我们就在故障中生活。所以说，认识故障应该是我们生活中的必修课。2020/2/1可靠性系统工程导论3一、故障与分类故障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对某些产品如电子元器件、弹药等称失效故障模式故障模式故障的表现形式故障机理在外界环境作用下，引起产品故障的物理、化学、生物变化等内在原因故障影响故障发生后引发的后果。主要包括产品自身、其它产品和上一级产品，以及人、环境和社会的影响4可靠性系统工程2020/2/1用好术语可以高枕无忧国家军用标准GJB451：《可靠性维修性保障性术语》故障模式是故障的表现形式一、故障与分类按故障后果灾难性故障：导致人员伤亡或系统毁坏的故障致命性故障：使产品不能完成规定任务的或可能导致人或物重大损失的故障或故障组合按故障原因系统性故障：无改进措施的修复性维修通常不能消除其故障原因。系统性故障可以通过模拟故障原因来诱发。偶然性故障：产品由于偶然因素引起的故障。只能通过概率或统计方法来预测。按故障行为瞬时故障：由于瞬时的或临时的外部因素(如输入电源的波动，环境温度变化过快，电磁波的影响等)，或由于系统内部的某些因素而引起的暂时故障。间歇故障：产品发生故障后，不经修理而在有限时间内自行恢复功能的故障。渐变故障：通过事前的检测或监测可以预测到的故障，它是由于产品的规定性能随寿命单位数增加而逐渐变化引起的。对电子产品也称漂移失效(driftfailure)。重复故障：同一种零件在同样的或等效的使用方式中出现两次或两次以上的故障，且引起这些故障的基本机理相同多重故障：同时发生的两个或两个以上的故障，但不能证实这些故障之间互相关联时，姑且视其为多重故障。2020/2/1可靠性系统工程5菜刀崩刃是偶发故障二、可靠性可靠性产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。常用度量指标•反映产品故障发生多少的故障率•平均故障时时间（MTTF）、平均故障间隔时间（MTBF）•反映产品完成规定功能的概率，如任务可靠度、飞行可靠度2020/2/1可靠性系统工程6可靠性的指标2020/2/17二、可靠性可靠度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：R(t)=P(Tt)式中T为产品故障前工作时间，t为产品规定的工作时间不可靠度产品在规定的条件下和规定的时间内，丧失规定功能的概率称为不可靠度，也称故障概率。依定义可知，故障概率函数F（t）为：F(t)=P(T≤t)式中T为产品故障前工作时间，t为产品规定的工作时间由于故障与不故障这两个事件是对立的，则R(t)+F(t)=1可靠性系统工程可靠性是与时间相关二、可靠性可靠度例：如果某产品给定的工作时间t为100小时，则F(t)=P(T≤100），这表示了产品在工作100小时前的故障概率；如果给定的时间t为1000小时，则F(t)=P(T≤1000），这表示了产品在工作1000小时前的故障概率。显然1000小时前的情况包含了100小时前的情况，因而F(t)有累积故障的概念，因此也称F(t)为累积故障概率。2020/2/1可靠性系统工程8可靠性研究对象是零件和产品二、可靠性可靠度根据概率论，某个事件的发生概率可以用大量试验中该事件发生的频率来估计，则可靠度的表达式为：式中N0为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，累积发生故障的产品数2020/2/1900)()(NtrNtR可靠性系统工程可靠性用数学度量2020/2/110二、可靠性0102030405060ΔtΔtΔtΔtΔttm产品故障数Δr050100150200250300350累积故障数r00.10.20.30.40.50.60.70.80.91t产品累积故障频率Fi00.20.40.60.811.2t可靠度可靠性系统工程可靠度与故障概率二、可靠性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：式中——λ(t)故障率；dr(t)——t时刻后，dt时间内故障的产品数；Ns(t)——残存产品数，即到t时刻尚未故障的产品数。2020/2/111dttNtdrts)()()(可靠性系统工程故障发生时间的概率度量二、可靠性2020/2/112可按下式进行)(t的工程计算：ttNtrts)()()(式中)(tr——t时刻后，t时间内故障的产品数；t——所取时间间隔；)(tNs——残存产品数。对于低故障率的元部件常以h/109为故障率的单位，称之为菲特（Fit）。可靠性系统工程故障率可靠性数理统计就像吃面条放的调料2020/2/113二、可靠性平均故障前时间（MTTF）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当产品的寿命服从指数分布时，1TFT。可靠性系统工程只要用，总会坏2020/2/114二、可靠性平均故障间隔时间（MTBF）一个可修产品在使用期间，发生了N0次故障，每次故障修复后该产品继续投入工作，其工作时间分别为t1,t2,…,tN0,则其MTBF为：01001NiiBFNTtNT式中，T——产品总的工作时间。当产品的寿命服从指数分布时，：TBF=TTF=1/λ可靠性系统工程方便袋不可修手提袋可修三、耐久性耐久性是指产品在规定的使用、储存与维修性条件下，达到极限状态之前，完成规定功能的能力极限状态是指由于耗损（如疲劳、磨损、腐蚀等）使产品从技术上或从经济上考虑，都不宜再继续使用而必须大修或报废的状态常用度量指标•反映产品使用和储存时间长短的大修期、使用寿命、储存寿命2020/2/115可靠性系统工程两年后还亮2020/2/116三、耐久性寿命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。可靠寿命)(tR使用寿命)(t**Rtttrt可靠性系统工程后劲足三、耐久性常用寿命度量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。2020/2/117可靠性系统工程保质期也是寿命的度量三、耐久性故障率浴盆曲线2020/2/1可靠性系统工程导论18四、环境适应性环境适应性反映了产品在变化的环境条件下仍能正常工作的能力评价产品在变化的环境下能否继续发挥规定功能常用度量指标保持规定功能的极限环境条件，如最高（低）工作温度、最大振动条件2020/2/1可靠性系统工程19五、安全性安全性安全性是指产品所具有的不导致人员伤亡、系统毁坏、重大财产损失或不危及人员健康和环境的能力。是一种评价产品能否以可接受的风险完成规定功能的特性•产品设计中必须满足•产品使用中必须保证常用的评价指标有：•事故概率、损失率、安全可靠度可靠未必是安全安全未必可靠2020/2/1可靠性系统工程20失败是成功之母小结：高可靠、长寿命、要安全2020/2/1可靠性系统工程21t)(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安全、可靠、长寿故障率——〉故障律携手到老一生可靠小结：少出故障、少出事故目标：研究如何让产品少出故障？少出事故？北京航空航天大学可靠性与系统工程学院2020/2/123敬请批评指正