质量管理与可靠性(可靠性)

第十章可靠性设计与分析1、了解可靠性的基础知识2、熟悉可靠性特量3、掌握可靠性设计手法本章重点本章内容可靠性基础可靠性特征量可靠性设计可靠性管理一、可靠性的发展可靠性设计与分析1.可靠性基础始于20世纪30-40年代,当时飞机、舰艇等武器装备，常因电子设备发生故障失去了应有的战斗能力，而贻误战机。人们开始注意这些“意外”事故并研究其发生的规律，这就是可靠性问题的提出。可靠性发展的标志1952年美国国防部成立电子设备可靠性咨询组。1957年发表了《军用电子设备可靠性》报告。可信性工程——发展为包括维修性工程、测试性工程、保障性工程在内的可信性工程。二、可靠性的定义（一）狭义定义产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。（二）广义可靠性产品在规定条件下，在整个寿命周期内完成规定功能的可能性。a.故障（失效）的定义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。失效：产品终止规定功能。对可修复产品而言对不可修复产品而言例：投影仪与灯泡故障的表现形式称为故障（失效）模式。例：投影仪不出影象。引起故障的原因称为故障（失效）机理。例：1、灯泡故障；2、电源变压器故障；3、主电路板故障等故障通常是产品失效后的状态，但也可能失效前就存在。b.故障模式、故障机理的定义1.可靠性基础1、按出现故障的规律分：偶然故障和耗损故障2、按故障的结果分：致命性故障和非致命性故障3、按故障的统计特性分：独立故障和从属故障偶然故障：由于偶然因素引起的故障。偶然故障是随机的，无法控制，只能通过概率统计方法来预测。耗损故障：是由于产品的规定性能随时间增加而逐渐衰退引起的。耗损故障可以统计监测，可以通过预防维修，延长使用寿命。c.故障的分类依据：d.不同故障的基本概念注意：浴盆曲线揭示了产品的早期、偶然以及耗损故障期。其中早期故障指由于设计和制造过程（人为）的缺陷引起的故障，可以通过设计与过程质量改进加以消除，通常不作为出现故障的规律来划分。1.可靠性基础致命性故障：完全丧失完成规定功能的能力，并可能造成人或物的重大损失。非致命性故障：不影响任务的完成，但会导致非计划的维修。独立故障：由产品本身原因引起而又不能成为引起其它器件故障原因的故障。从属故障：其它产品故障引起的故障。在评价产品可靠性时只统计独立故障。d.评价可靠性的故障统计原则习题:关于故障（失效），以下理解错误的是（）A.故障指产品或产品的一部分不能完成规定功能的事件或状态B.失效是指产品终止或丧失完成规定功能的能力C.故障在产品失效后才表现出来D.故障也可能在失效前就存在A.Ca.维修性定义维修性的定义：产品在规定的条件下和规定时间内，按规定的程序和方法，保持和恢复执行规定状态的能力。维修含义包括维护和修理两个方面：1）维护：也称预防性维修，是根据产品功能随时间的衰减特性以及对已掌握的故障规律采取的预防性措施，以延长产品寿命的过程。2）修理是产品发生故障后，使其尽可能恢复故障前的状态。维修性概念不能等同于维修活动，前者是在产品设计中赋予产品可接受维修并便于维修的能力，是产品本身所具备的固有属性。后者是针对可维修产品具备的维修特性必要时所采取的活动。三、维修性1.可靠性基础b.维修性的性质维修性是产品质量的一种特性,即由产品设计赋予其维修简便、迅速和经济的固有特性。产品可靠性与维修性密切相关，都是产品的重要设计特性。在产品的论证阶段就应对可靠性和维修性提出要求，并通过设计、分析、试验、评定等活动将要求落实到产品的设计中，使要求在产品生产、使用和维护阶段的全寿命过程得到充分体现。习题：以下说法错误是（）A.维修性是产品的固有特性B.维修性是可以使产品达到使用前状态的特性C.产品的维修性就是指产品出现故障后进行维修D.产品的维修性与可靠性密切相关，都是产品重要的设计特性B.C1.可靠性基础（一）可靠度假定产品规定的时间为t，随机变量X的分布函数为：F(t)=P{X≤t},t≥0F(t)是产品失效的概率函数，称为故障分布函数，也称故障概率。产品在规定时间t内不发生故障的概率为：P{X＞t}=1-F(t)=F(t)通常称其为无故障概率，或称可靠度函数，简称可靠度，记为R(t)，即R(t)=1-F(t)=(t)可靠度和故障分布函数之和恒等于1R(t)＋F(t)≡1F可靠性设计与分析2.可靠性特征量一、可靠性的概率度量（一）可靠度可靠度R(t)与故障分布函数F(t)具有以下性质：1、R(0)=1,F(0)＝0，这表示产品在开始时处于良好的状态；2、R(t)是非负的递减函数，F(t)是非负的递增函数，说明随着时间的增加产品发生故障或失效的可能性增大，可靠度变小；3、R(∞)＝0，F(∞)＝1这表示只要时间充分长，产品终究都会失效；4、0≤R(t)≤1，0≤F(t)≤1,即可靠度和故障分布函数之值介于0和1之间。可靠度R(t)、故障分布函数F(t)与时间t的关系F(t)tF(t)R(t)0图F(t)、R(t)与t的关系2.可靠性特征量（二）故障分布密度函数时刻t后单位时间发生故障的概率，并称其为故障分布密度函数如果已知故障数据，且产品数N相当大，则可求出每个时间间隔Δt内的故障数Δr(t)，从而得到平均经验故障密度()=()ftFt()()ˆ()==0ΔrtΔFtftNΔtΔt2.可靠性特征量（三）f(t)、R(t)及F(t)之间的关系R(t)F(t)f(t)0tf(t)图f(t)与R(t)、F(t)的关系2.可靠性特征量（一）失效率函数失效率是产品正常工作t时刻后，单位时间失效的概率失效率通常的单位是：“10-3/h”、“10-5/h”。[例]假设产品寿命服从指数分布，试求其失效率。[解]产品寿命的分布函数为其可靠度函数为由式，其失效率为()()()==()1-()ftftλtRtFt()=,0-λtftλet≥tt()=()d==-λu-λtRtfuuλedue∞∞()()===()-λt-λtftλeλtλRte寿命为指数分布的产品其失效率与时间无关，说明指数分布具有无记忆性，或称为无后效性。二、失效率2.可靠性特征量（二）失效率函数与可靠度的关系()-()()==()()ftRtλtRtRt因为所以()()=-(())()tt00-Ruλudu=dulnRtRu()()=t0-λuduRte于是有2.可靠性特征量（三）失效率函数曲线耗损失效期偶然失效期使用寿命早期失效期规定的失效率时间tλ(t)图失效率曲线2.可靠性特征量产品典型的故障率曲线λ(t)使用寿命规定的故障率维护后故障率下降偶然故障期t耗损故障期早期故障期AB1、早期故障降至最低，产品耗损期到来之前，是产品的主要使用期。2、故障率基本平稳，可近似看作一个常数。3、由偶然因素引起的。4、可以通过统计方法来预测。1、产品使用很长时间以后。2、故障迅速上升，直至极度。3、主要由老化，废劳、磨损、腐蚀引起。4、可通过试验数据分析确定耗损起始点，并通过预防维修延长产品的寿命。产品的使用寿命与产品规定条件和规定的可接受故障有关。规定的允许故障率越高，产品使用寿命越长，反之寿命越短。1、产品使用初期，故障容易暴露出来。2、故障率较高，且呈迅速下降趋势。3、由设计和制造缺陷引起。如设计不当、材料缺陷、加工缺陷、安装调整不当等。4、可以通过加强质量管理及采取环境应力筛选加以减少。高质量电子产品其故障率曲线在其寿命内基本是一条平稳的直线。质量低劣产品要么存在大量早期故障要么很快进入耗损故障阶段。（四）失效率的基本形式λ失效率类型特性维修效果（1）递减型多见于合格品和次品混在一起的产品。在最初的使用时期，许多电子元件的失效率多属于此类型不进行预防维修，因随时间增加而变化，故筛选很有效（2）恒定型由于各种失效原因或承受应力的随机发生。多见于比较复杂产品的最佳状态预防维修不起作用（3）递增型由于内在的磨损、老化等致使寿命终止，失效集中发生。多见于材料的机械磨损或腐蚀等在失效集中发生前进行替换是有效的2.可靠性特征量（一）平均寿命“平均寿命”是产品寿命的平均值，或寿命的数学期望（通常记为E(t)），是产品从投入运行到发生失效的平均无故障工作时间。对于不可修复产品，产品的平均寿命是指产品失效前正常运行时间的平均值，也称为产品失效前的平均时间，记为MTTF（Meantimetofailure）。对于可修复产品，产品的平均寿命是指产品两次故障间隔的平均时间，也称产品平均失效间隔，记为MTBF（Meantimebetweenfailure）。对于N较大，可用分组处理，平均寿命数据愈多，分组愈多，平均寿命=111=Δ=kk*iiiiii=ttntfN00=()=()=()dtEttftdtRtt∞∞三、寿命2.可靠性特征量1.可靠寿命可靠度是时间的函数，若已知可靠度函数R(t)的表达式，则当给定一个可靠度r，即可通过解方程R(tr)=r求出与之对应的工作时间称为产品的可靠寿命。只要给定产品的使用时间ttr，则产品的可靠度就不会低于预先给定可靠度r。若预先给定可靠度r值越大，则与之相应的时间tr就越短，见图12-2-7。1r1r2r30.5图R(t)t1t2t3t0.5（二）可靠寿命2.可靠性特征量[例]已知某产品的寿命服从指数分布，其故障率λ＝5×10－4/h，试求可靠度为r=90％，95％，99％时的可靠寿命。[解]因为可靠度为指数分布，代入有则有r=90%，95%，99%时的可靠寿命分别为()=-λtRte()==-λtrRter=-rlnrtλ-40.90=-=210.75101rlnth-40.95=-=102.65102rlnth-40.95=-=102.6510r3lnth2.可靠性特征量2.中位寿命与R(t)=0.5相应的可靠寿命t0.5称为产品的中位寿命。指数分布的中位寿命为威布尔（Weibull）分布的中位寿命为0.50.69315=2=1tlnλλ10.50=+(2)mtrηln2.可靠性特征量3.更换寿命因失效率与可靠度、故障密度函数间有如下关系：若给定λ的值，即可由上式求出与之相应的时间t之值，称之为更换寿命，记为tλ。威布尔分布的更换寿命为()()=()ftλtRt-()()=()RtλtRt=+()λ0ληtrηm1-1m(1)m≠或2.可靠性特征量四可靠性常用分布一、指数分布二、正态分布三、威布尔分布2.可靠性特征量一、指数分布若产品的寿命（或某特性值）X的失效密度为指数，即()=-λtftλe(0,0)tλ≥()=()=-t-λt0Ftfudu1e(0)t失效函数为：可靠度函数为：()=1-()=-λtRtFte(0)t失效率函数为：-()()==()RtλtλRtttbR(t)1t0cF(t)10λλ(t)0tdF(t)λ0a图指数分布的f(t),F(t),R(t),λ(t)曲线指数分布具有无记忆性二、正态分布若产品的寿命的失效密度函数为2-21()=2tμ-()σfteπσ(0)t≥产品的可靠度函数为2()-()=1-()=1-=1-[Φ()-Φ(-)]u-μ-t2σ01tμμRtFteduσσ2πσ产品的效率函数为()()()==()1-[Φ()-Φ(-)]-Rtftλtt-μμRtσσ三、威布尔分布若产品的寿命的分布函数为-()1-()=0m0t-rηeFt()()00trtr≥若产品的寿命的分布密度函数为--()-()()=0m0trm-1η0wtrmeftηη若产品的寿命的失效率函数为-1()()==()()m0t-r-RtmλtRtηη若产品的可靠度函数为()()=m0t-r-ηRte()()00trtr≥三、威布尔分布m（0），r0（≤t），η是威布尔分布的三个参数。m是三参数中最重要的参数，它决定威布尔分布曲线的形状，故称为形状参数。00.511.522.533.54m=0.5m=1m=300.