01第一章可靠性概论01

1第一章可靠性概论(1)第一节可靠性基本概念--------------------------------（2）一、可靠性的定义------------------------------（2）二、可靠性的三大指标------------------------（5）三、产品可靠性设计中还应注意的问题----（7）第二节可靠性特征量-----------------------------------（8）一、可靠度R（t）------------------------------（8）二、累积失效概率F（t）----------------------（15）三、失效概率密度f（t）-------------------------(18)五、产品的寿命特征-----------------------------（31）四、失效率λ（t）-----------------------------------(21)2第一章可靠性概论可靠性是指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之产品的可靠性，也称可靠度。一、可靠性的定义：1.产品—是指作为单独研究和分别试验对象的任何元件、器件、零部件、组件、设备和系统等。第一节可靠性基本概念产品的质量指标，有性能指标，即完成规定功能所需要的指标，如功率、耗油量、最大速度、噪音等。产品还有可靠性指标，即反映产品保持其性能指标的能力，如可靠度、平均寿命、失效率等。根据GB3187—？《可靠性、维修性术语》可靠性定义为3也称任务时间，是指产品的工作期限。规定的功能通常用产品的各种性能指标来表示。3.规定的时间——4.规定的功能——规定时间可用时间单位“时、分、秒”计算，也可用周期、次数、里程等表示，如继电器等用触点开关的次数表示。规定时间一般是通过合同来决定的。产品规定的功能是制造设备或系统的目的。当不能完成功能时就称为故障，有时也称为失效。2.规定的条件——是指产品使用条件、维护条件、环境条件和操作技术。通常在产品说明书中说明。4如电灯灯丝断了，属于（1）；研究可靠性，必须首先要明确故障的内容才能研究之，因为可靠性本身就是产品不出故障的概率，不能确定故障就不能计算概率。收音机无声音，一敲又响了，属于(2）；电视机的双影越来越重，影象越来越模糊，属于(3）。故障可能有以下几种情况：（1）不能工作；（2）工作不稳定；（3）功能退化等等。5二、可靠性的三大指标应弄清的定义：狭义可靠性；广义可靠性；维修性；有效性；贮存寿命等含义（见书p1）。①狭义可靠性仅指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。本课讲的“可靠性”均指侠义可靠性。②广义可靠性是指产品在规定维护修理使用条件下，产品在执行任务期间某一时刻处于良好状态的能力。由此可见，广义可靠性包含有侠义可靠性和维修性等方面的内容。③维修性是指在规定条件下使用的产品在规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复规定的功能的能力。④有效性是指可维修性产品在某时刻具有或维持规定功能的能力。可见有效性=侠义可靠性+维修性。6※狭义可靠性，※有效性，全面描述了产品的可靠性和维修性。还有※贮存寿命为可靠性三太指标，见图1-1示。本课程主要讲狭义可靠性，因为它是保证产品可靠性的基础。广义可靠性或有效性贮存寿命可靠性三大指标综合全面评定可靠性狭义可靠性与维修性图1—1可靠性的三大指标⑤贮存寿命是指在规定贮存条件下，产品从开始贮存到丧失其规定功能的时间。7三、产品可靠性设计中还应注意的问题产品在工作中是不能绝对杜绝故障的，而且很多产品是允许进行维修再使用的。如我们日常使用的电视机、洗衣机、电冰箱、自行车等。因此在产品设计中必须考虑产品的维修性和安全性。考虑产品一旦坏了好修理，一旦坏了不出现恶性事故（如机器人杀人，电风扇电死人等）。返回18第二节可靠性特征量可靠性的特征量主要是：可靠度、失效概率、失效率、失效概率密度和寿命等。一、可靠度R（t）（1）可靠度—是指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。它是时间的函数，记作R（t）。设T为产品寿命的随机变量，则可靠度函数为：R（t）=P（Tt）（1-1）1.可靠度定义9①R（0）=1；②R（∞）=0。即开始使用时，所有产品都是好的；只要时间充分大，全部产品都会失效。式（1-1）R（t）=P（Tt）的含义：（2）可靠度与时间的关系曲线（如图1-2所示）根据可靠度的定和图1—2可得出：表示产品的寿命T超过规定时间t的概率，既产品在规定的时间t内完成规定功能的概率。10（1）对于不可修复的产品，可靠度估计值是指在规定的时间区间（0，t）内，能完成规定功能的产品数ns（t）与在该时间区间开始投入工作的产品数n之比。（2）对于可修复的产品，可靠度估计值是指一个或多个产品的无故障工作时间达到或超过规定时间t的次数ns（t）与观测时间内无故障工作总次数n之比。因此，不论对可修复产品还是不可修复产品，可靠度估计值的计算公式相同，即:)(ˆ.2tR可靠度估计值）2(1/)()(ˆsntntR11对不可修复产品，是将直到规定时间区间（0,t）终了为止失效的产品数记为nf（t）；按规定，计算无故障工作时间总次数时，每个产品的最后一次无故障工作时间若不超过规定时间则不予计入。可修复产品，将无故障工作时间T不超过规定时间t的次数记为nf（t），所以nf（t）也是（0,t）时间区间的故障次数。故有关系式:）3(1)()(fstnntn12例1-1在规定条件下对12个不可修复产品进行无替换试验，试验结果如图1—3（a)所示。在某观测时间内对3个可修复产品进行试验，试验结果如图1-3（b)所示。两图中“×”均为产品出现故障时的时间，t为规定时间，求以上两种情况的产品可靠度估计值。)(ˆtR图1-3图1-313解：（1）不可修复产品试验由图1-3（a）统计可得由图1-3（a）可得失效产品数nf（t）=7，因已知投入试验产品数n=12，由式（1-2）和（1-3）有：ntnnntntR)()()(fs图1-34167.01271214(2)3台可修产品的试验由图1-3(b)统计可得ntntR/)()(ˆs投入试验产品数n=12,在（0，t）区间内，能完成规定功能的产品数=5／12=0.4167图1-3由式(1-2)得：5)(stn返回115二、累积失效概率F（t）1.累积失效概率的定义（1）累积失效概率—是产品在规定条件和规定时间内失效的概率，其值等于1减可靠度。也可说产品在规定条件和规定时间内完不成规定功能的概率，故也称为不可靠度，它同样是时间的函数，记作F（t）。有时也称为累积失效分布函数（简称失效分布函数）。其表示式为：4)(1)(1)(1)()(tRtTPtTPtF16由此可见：从上述定义和图1—4可以得出：图1-4累积失效分布函数（2）累积失效分布函数F（t）与时间关系曲线，如图1-4所示。F（0）=0，F（∞）=1R（t）和F（t）互为对立事件。17例1-2不可维修的红外灯管有110只，工作500h时有10只失效，工作到1000h时总共有53只电子管失效，求该产品分别在500h与1000h时的累积失效概率。2.累积失效概率的估计值)(ˆtF）5-(1/)()(ˆ1)(ˆfntntRtF。解：53)1000(,10)500(,110ffnnn%09.911010)500()500(ˆ5-1fnnF）得由式（48.18%11053)00(10)1000(ˆfnnF返回118三、失效概率密度f（t）1、失效概率密度——是累积失效概率对时间的变化率，记作f（t）。它表示产品寿命落在包含t的单位时间内的概率，即产品在单位时间内失效的概率。其表示式为:6)-(1)()()(tFdttdFtf7)-(1)()(0tdtftFt即192、失效概率密度的估计值)(ˆtf8)-(1)(1/)()()()()(ˆfffttnntntnnttnttFttFtf内失效的产品数。时间间隔为在（—式中),)(fttttn20当产品的失效概率密度f（t）已确定时，由式（1-4）、式（1-7）：图1-5f(t)、F(t)、R(t)的关系3.f(t)、F(t)、R(t)的关系4)(1)(1)(1)()(tRtTPtTPtF7)-(1)()(0tdtftFt可得概率密度函数f(t)、累积失效函数F(t)、可靠度函数R（t）的关系如图1-4所示。返回1211.失效率的定义按上述定义，失效率是在时刻t尚未失效的产品在t~t+Δt的单位时间内发生失效的条件概率，即：四、失效率)(t9)-(1)/(1)(lim0tTttTtPttt失效率—是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。记作，称为失效率函数，有时也称为故障率函数。)(t反映t时刻失效的速率，故也称为瞬时失效率。)(t失效率22由条件概率10)-(1)(1)()()()(1)()()()(lim)()(lim)(00tFtftRtftRdttdFttRtFttFttTPttTtPttt)()()/(tTPttTtPtTttTtP9)-(1)/(1)(lim0tTttTtPttt23工程实际中，失效率与时间关系曲线有各种不同的形状，但典型的失效率曲线呈浴盆状(见图6-1)，该曲线有明显的三个失效期，见图1-6（a）、（b）、（c）所示。图1-6失效率函数图6-1典型失效率曲线24对于机械设备的失效率曲线如图(d)所示,它的早期、偶然和耗损三个失效期不明显。图6-1（d）机械设备失效率曲线25不论产品是否可修复，产品失效率的估计值均可由下式进行计算：例1-3对100个某种产品进行寿命试验，在t=100h以前没有失效，而在100~105h之间有1个失效，到1000h前共有51个失效，1000~1005h失效1个，分别求出t=100和t=1000h时，产品的失效率和失效概率密度。11)-(1)()()()()()(ˆssffttntnttntnttntf）（失效率的估计值tˆ.226据题意有：解：（1）求产品在100h时的失效率和失效概率密度。)100(ˆ)100(ˆf5(h)100-105,1)100(h,105~100ftnt失效产品数在由式（1—11）得：)100()100()100(ˆsftnn100)100(,100h,100sntn完好的产品数前，没有失效试验产品数h/%2.051001由式（1—8）得：tnnf)100(1)100(ˆfh/%2.051100127解：据题意有t=1000h前有51个产品失效，则能完成功能的产品数由式（1-11）得失效率为（2）求产品在1000h时的失效率和失效概率密度。)1000(ˆ)1000(ˆf4951100)1000(sn5(h)1000-1005,1)1000(h,1005~1000tntf失效产品数在h/%4.05491)1000()1000()1000(ˆsftnn由式（1—8）得：h/%2.0511001)1000(1)1000(ˆtnnff28由上例计算结果可见，从失效概率观点看，在t=100和t=1000h处，单位时间内失效频率是相同（0.2%）的，而从失效率观点看，1000h处的失效率比100h处的失效率加大一倍（0.4%），后者更灵敏地反映出产品失效的变化速度。0.2%/h51001)100()100()100(ˆsftnnh/%2.0511001)100(1)100(ˆftnnf(3)比较:h/%4.05491)1000()1000()1000(ˆsftn