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可靠性概论（一）1.可靠性概述1．1可靠性基本概念1．1．1可靠性工程学的诞生产品可靠性是什么？简单地说产品可靠性就是产品不易丧失工作能力的性质。研究产品可靠性的工程学科称为可靠性工程学。产品的可靠性本应随产品复杂性的增加而早受重视，但事实上直到第二次世界大战后，它对现代科学技术发起来势凶猛的挑战，才迫使人们耗费大量的财力和物力来研究它，解决它，从而对科学技术的发展起到了巨大的促进作用。与此同时，一门独立的边缘科学可靠性工程学诞生了。形成可靠性工程学这一学科的原因归纳起来有如下四个方面：1.产品的性能优异化和结构复杂化之间的矛盾导致可靠性问题日益突出;2.产品使用场所的广泛性与严酷性从而对产品的可靠性提出了更高的要求;3.产品可靠程度与国家及社会安全之间的关系日益密切;4.可靠性工程学的内部因素有力的推动了可靠性工程学的发展。1．1．2可靠性基本概念产品可靠性的定义：产品可靠性是指产品在规定的条件下，在规定的时间内完成规定功能的能力。“产品”，在过程控制系统行业中，可以是一台整机，如差压变送器，可以是一个装置甚至一个系统，如控制柜、DCS系统，也可以是一台部件以至一个元器件，如放大器，电阻。总之，可大可小，视所研究问题的范围而定。随着可靠性工程学的发展，人、语言、方法、程序的软件也可作为产品。“规定的条件”有着广泛的内容，一般分为：1.环境条件环境条件是指能影响产品性能的环境特性。单一环境参数可分为四类：气候环境：主要包括温度、湿度、大气压力、气压变化、周围介质的相对移动、降水、辐射等；生物和化学环境：包括生物作用物质、化学作用物质、机械作用微粒；机械环境：包括冲击在内的非稳态振动、稳态振动、自由跌落、碰撞、摇摆和倾斜、稳态力；电和电磁环境：包括电场、磁场、传输导线的干扰。2.动力条件动力条件是指能影响产品性能的动力特性。一般分为：电源，主要参数为电源电压和频率、电流等；流体源（包括气源和液体源），主要参数为压力、流量等。3.负载条件负载条件是指能影响性能的负载特性，也包括输入信号的特性。产品的可靠性只有在使用中得以实现，在维护中得到提高。对于使用与维护条件要注意的是完善产品的使用和维护说明书。4.使用和维护条件“规定的条件”是产品可靠性定义中最重要又最容易忽略的部分。必须牢牢记住，不同条件下产品的可靠性是截然不同的，离开了具体条件谈论可靠性是毫无意义的。“规定的时间”是可靠性区别产品其他特性，如功能性、工艺性等等的重要特征。离开了时间就无可靠性而言。“规定的功能”是指表征产品能完成的各项性能指标。产品的可靠性分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是产品早在规划阶段就确定了的可靠性指标。如对仪器仪表，常指输出范围、精度、线性度、失真度、分辨率、回差、重要性、灵敏度、漂移等。是产品本身具有的，并在生产的各阶段得到确定。产品生产出来以后，要经过包装、运输、储存、安装、使用、维护保养及修理诸环节。在这些过程中，产品的可靠性会受到种种条件如环境、技术条件、维修方式的影响，使用中的误操作等都将造成产品失效。这些环节中存在的可靠性称为使用可靠性。一般认为，产品可靠性可近似看作固有可靠性和使用可靠性之积。国外资料表明，产品不可靠的原因及比例见表1__1。表1__1产品不可靠的原因及比例可靠性固有可靠性零部件材料30%技术电气30%设计技术40%机械10%制造技术10%制造20%使用可靠性使用（运输、环境、操作、安装维修技术）20%现场使用30%其它10%失效是指产品丧失功能的现象。它是“可靠”的对立面。通过更换元器件或进行调整能够恢复功能的产品称为可修复产品，反之称为不可修复产品。对于可修复产品，失效可称之为故障。可靠性有狭义可靠性与广义可靠性之分。狭义可靠性仅指产品在其整个寿命期内完成规定功能的能力。通常所说的可靠性就是指的狭义可靠性。广义可靠性通常包含狭义可靠性和维修性两个方面内容，常被称为有效性。可靠性概论（二）1．2可靠性特征量世界各国使用的可靠性特征量名目繁多，内容各异。本节主要根据GB3187-82和有关IEC标准，介绍最基本、最常用的几个可靠性特征量。1．2．1可靠度可靠度是产品可靠性特征量中最基本的一个，其它可靠性特征量均可由它导出。可靠度是指产品在规定的条件下，在规定的时间内，完成规定功能的概率。一般记为R（t），这里t就是规定的时间。所以可靠度是时间的函数，称为可靠度函数。可靠度有条件可靠度和非条件可靠度之分。通常所说的可靠度是指非条件可靠度，它的规定时间t从投入使用时开始计算。其概率公式为：R（t）=P（Tt）条件T＞t就是产品的寿命超过规定时间t，即在t时间之内产品能完成规定功能。显然有：R（0）=1R（∞）=0即开始使用时，所有产品都良好，只要时间充分长，全部产品都会失效。条件可靠度是指在规定的条件下，已工作了t’时间的产品再工作t时间的概率，通常记为R（t’，t）。其概率公式为：R（t’，t）=P（Tt+t’|Tt’）所以：即条件可靠度可以化为两个非条件可靠度之商。可靠度的观测值公式：——能成立规定功能的产品数n——投入工作的产品总数1．2．2累积失效概率和寿命的概率密度累积失效概率就是寿命的分布函数，也称为不可靠度，记为Q（t）或者F（t）。累积失效概率定义为：产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率。其公式为：Q（t）=F（t）=P（T≤t）=1－R（t）要件T≤t就是产品在（0，t）时间内失效。易知：Q（0）=0Q（∞）=1累积失效概率的观测值公式：r（t）产品在t时刻内的故障数寿命的概率密度是累积失效概率对时间的变化率，记为f（t）。在时刻t，寿命的概率密度函数f（t）是产品寿命落在包含t的单位时间内的概率，也就是产品在单位时间内失效的概率。用公式表示为：因此，用f（t）来表示可靠度时有：产品寿命概率密度的观测值公式：式中：Δr(t)----在（t，t+Δt）时间内的故障次数1．2．3失效率失效率是可靠性工程学中最重要的特征量之一。它实质上是寿命的条件概率密度。失效率定义为工作到t时刻尚未失效的产品，在该时刻t后的单位时间内发生失效的概率，记为λ（t）。用概率公式表示为：式中：Δt———为从t时刻开始的时间间隔。因为条件概率所以又F(t)=1－R(t),所以利用R（0）=1，容易从上式求出R（t）。无论产品是否可修复，平均失效率有公式：式中：r——失效总数，T——总累积工作时间产品在从投入使用到报废为止的整个寿命期，可靠性的变化是有规律的。以失效率为例，其随时间的变化曲线象一只浴盆，这就是通常所说的“浴盆曲线”。从浴盆曲线可以看出，产品的寿命期分为三个阶段：早期寿命期；使用寿命期；损耗寿命期。1．2．4与寿命有关的特征量与寿命有关的可靠性特征量中最为重要的是平均寿命。它定义为寿命（无故障工作时间）的平均值。其数学意义就是数学期望，记为m，数学公式为：式中：E（t）——寿命T的数学期望；f（t）——寿命T的概率密度。容易证明：可维修产品的平均寿命，一般用MTBF表示意为“故障间的平均时间”；对于不可修复产品则一般采用MTTF表示意为“失效前平均（工作）时间”。平均寿命的观测值有如下的公式：m*=T/r除上述的可靠性特征量外，可靠性工程中还有维修性特征量和有效性特征量。如维修度、修复率、平均修复时间、有效度等。1．2．5小结从上述可靠性特征量的定义和公式容易得出其相互关系如下：可靠性概论（三）1．3可靠性工程学的发展史尽管可靠性作为产品的基本属性随产品的存在而存在，但可靠性工程学作为一门独立的学科至今已有三十年的历史。根据可靠工程学的发展历程，大致可分为如下四个阶段：一、萌芽期（三十到四十年代）最早的可靠性概念来源于航空。二、可靠性工程学的兴起和独立期（五十年代）五十年代初，可靠性工程学在美国兴起。三、全面发展期（六十年代）六十年代是世界经济发展最快的年代。可靠性工程学以美国为先行，带动其他工业国家得到了全面、迅速的发展。主要表现在：1、制、修订了一系列有关可靠性的军标、国标和国际标准，包括可靠性管理、试验、预计、维修等内容；2、成立了可靠性研究中心；3、深入进行可靠性基础理论、工程方法的研究；4、发展了加速寿命试验、快速筛选试验这两种更有效的试验方法；5、发展了可靠性预计和分配技术；6、开拓了旨在研究失效机理的可靠性物理这门新科学；7、发展了失效模式影响及后果分析（FMECA）和失效树（FTA）分析两种有效的系统可靠性分析技术；8、开展了机械可靠性研究；9、发展了维修性、人为可靠性和安全性的要求；10、建立了更有效的数据系统；11、创建了可靠性教育课程。四、可靠性工程学的发展（七十年代以来）我国的可靠性研究是在六十年代中期开始的，主要在电子、航空、航天、核能、通讯等领域得到应用。1．4可靠性工程学的内容产品可靠性工程学的内容很广，概述起来就是两个方面的内容：确定产品的可靠性和获得产品的可靠性。确定产品的可靠性就是通过各种途径，如预计、试验、系统分析等来确定产品的失效机理、失效模式以及各种可靠性特征量的数值或范围等。获得产品的可靠性就是通过产品的寿命循环期，即从构想、审查、研制、生产、使用、维修等一系列活动中的各种获得并提高可靠性的各项措施，得到最优化的可靠性。一、产品的可靠性工作程序产品的可靠性贯穿于产品的整个寿命期，因而需要从方案论证开始直到产品报废为止，始终有计划的开展可靠性活动。一般分为六个阶段：1．方案论证阶段；2．设计研制阶段；3．评审阶段；4．生产阶段；5．使用阶段；6．报废处理阶段。通常可靠性工作程序按如下进行：1．可靠性指标的制定；2．元器件数据的收集与分析；3．可靠性分析；4．可靠性设计；5．可靠性估计与审查；6．样机试制；7．可靠性研制试验（可靠性增长试验）；8．试生产；9．生产试验（可靠性鉴定试验）；10．生产可靠性接受试验；11．数据；12．可靠性评定；13．可靠性管理。二、产品可靠性工程学的基本内容产品可靠性工程学的内容分为三个部分：1．可靠性管理它包括制订可靠性工作计划和其它可靠性技术文件，对供应厂的可靠性监督、计划、评审，建立失效报告，分析和改进系统，收集可靠性数据和进行可靠性教育等。2．可靠性设计包括建立可靠性数学模型，进行可靠性预计和分配以及可靠性分析等。3．可靠性试验包括环境应力筛选试验、可靠性增长试验、可靠性鉴定试验、可靠性验收试验等。第二篇可靠性管理2．1概述产品从设计、制造到使用的全过程，实行科学的管理，对提高和保证产品的可靠性关系极大。可靠性管理是质量管理的一项重要内容，但它具备以下特点：1．在从设计、制造到使用的全过程中，为提供能满足使用要求的高有效性（可靠性和维修性）的产品所采取的提高可靠性的一切措施、方法和活动，称之为可靠性管理。2．可靠性管理不仅是单纯的保证技术，而且是企业中一项重要的经营决策，它有利于大大增强企业的素质，提高企业的可靠性水平，企业中一整套以可靠性为重点的质量管理制度的形成将大大改善人员的可靠性素质、厂风、厂貌，是企业长期生产可靠性产品的强大力量。美国著名的可靠性专家里昂·波多斯基博士曾根据自己从事可靠性工作多年的经验，提出四项著名论点：1．任何不可靠的产品，只有生产不可靠产品的人；2．没有经过良好训练的质量保证人员，就没有质量保证；3．产品的可靠性不是通过试验获得的，只有严格贯彻执行有关的规范和原材料的每项要求，注意生产和检验中的每个环节，才能使产品获得可靠性；4．在任何机构里，凡是可靠性与质量保证的各项措施必须自上而下地贯彻执行。领导部门在制订各项措施时，必须提出明确的理论和方针。若领导部门不把可靠性作为首要的目标，不提供所需要的设施，则工作人员是不可能生产出高可靠性产品的。为了满足产品可靠性的另一项重要措施是产品生产过程中的质量控制，即防止产品在制造上出现有缺陷的管理功能，要求对原材料进行控制及对制造工艺进行控制。可靠性管理和质量管理是两个不同的概念，可靠性管理包含时间的概念，而质量管理则没有时间要求。实施可靠性管理和质量控制，将使产品的总成本降低，可靠性增强，自然销售能力增强，也更有利于进一步的决策等。2．