1、第八章第八章 可靠性工程可靠性工程第八章第八章 可靠性工程可靠性工程F 第一节 研究可靠性的意义F 第二节 可靠性的基本概念F 第三节 可靠性特征量F 第四节 系统可靠性计算第一节 研究可靠性的意义1、涉及到安全和生命涉及到安全和生命86年年1月月28日日,美航天飞机美航天飞机“挑战者号挑战者号”。失效分析结论：1个密封圈失效引起个密封圈失效引起第一节 研究可靠性的意义1、涉及到安全和生命涉及到安全和生命J 美国的宇宙飞船阿波罗工程有700万只元器件和零件，参加人数达42万人，参与制造的厂家达1万5千多家，生产周期达数年之久。J 像这样庞大的复杂系统，一旦某一个元件或某一个部件出现故障，就会造
2、成整个工程失败，造成巨大损失。J 所以可靠性问题特别突出，不专门进行可靠性研究是难于保证系统可靠性的。第一节 研究可靠性的意义2、关乎国家未来、关乎国家未来我国玉柴发动机1000小时美国的康明斯、卡勃彼特柴油机大修期为12000小时西门子电梯10年以上国产电梯，MTBF为3年AL-31FN发动机第一节 研究可靠性的意义2、关乎国家未来、关乎国家未来J 从政治方面考虑，无论哪个国家，产品的先进性和可靠性对提高这个国家的国际地位、国际声誉及促进国际贸易发展都起很大的作用。第一节 研究可靠性的意义3、影响企业发展、影响企业发展丰田汽车的挖坑之路丰田汽车的挖坑之路2005年启动VI（降低成本计划）20
3、09年坐上世界销量冠军宝座2010年3月的“油门踏板”事件导致850万辆召回导致日本4月GDP下降0.12%第一节 研究可靠性的意义3、影响企业发展、影响企业发展断纤点断纤点半剖面半剖面全剖面全剖面局部放大局部放大第一节 研究可靠性的意义3、影响企业发展、影响企业发展1234第一节 研究可靠性的意义3、影响企业发展、影响企业发展第一节 研究可靠性的意义3、影响企业发展、影响企业发展J 具有优良的技术性能指标是否是高质量的产品？J 仅仅用产品技术性能指标不能反映产品质量的全貌。J 提高产品的可靠性，可以改善公司信誉，增强竞争力，扩大市场份额，从而提高经济效益。第一节 研究可靠性的意义4、高科技的
4、需要、高科技的需要J 现代科技迅速发展导致各个领域里的各种设备和产品不断朝着高性能、高可靠性方向发展，各种先进的设备和产品广泛应用于工农业、交通运输、科研、文教卫生等各个行业，设备的可靠性直接关系到人民群众的生活和国民经济建设。所以，深入研究产品可靠性的意义是非常重大的。第一节 研究可靠性的意义5、经济效益的需要、经济效益的需要J 产品或设备的故障都会影响生产和造成巨大经济损失。特别是大型流程企业，有时因一台关键设备的故障导致工厂停产，其损失都是每天几十万元甚至几百万元。因此，从经济效益的来看，研究可靠性是很有意义的。J 研究与提高产品的可靠性是要付出一定代价的。从生产角度看，要增加产品的研制
5、和生产的成本。但是，从使用角度看，由于产品可靠性提高了，就大大减少了使用费和维修费，同时还减少了产品寿命周期的成本。所以，从总体上看，研究可靠性是有经济效益的。第一节 研究可靠性的意义6、可靠性就在我们身边、可靠性就在我们身边J 一个物品使用多久是可靠的？J 比如电视能可看多少年？J 手机打接多少次不出问题？J 飞机火车飞奔多少次保证安全？J 计算机用多久保证能够运行？第一节 研究可靠性的意义7、研究可靠性的必要性、研究可靠性的必要性J 设备和系统的复杂化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”。J 使用环境的日益恶劣使用环境的日益恶
6、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。J产品生产周期的缩短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。第二节 可靠性的基本概念1、可靠性（、可靠性（Reliability）J 定义：定义：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。J 产品：产品：可以是零件、部件，也可以是由它们装配而成的机器，或由许多机器组成的机组和成套设备（统称为系统），甚至还把人的作用也包括在内。J 规定的条
7、件：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。J 规定的时间：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。J 规定的能力：规定的能力：产品应具备的技术性能指标。第二节 可靠性的基本概念1、可靠性（、可靠性（Reliability）J 从应用的角度出发分类：从应用的角度出发分类：固有可靠性：描述产品设计和制造的可靠性水平；使用可靠性：描述产品在计划的环境中使用的可靠性水平。J 从设计的角度出发分类：从设计的角度出发分类：基本可靠性：用于度量产品无须保
8、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；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。第二节 可靠性的基本概念2、维修性（、维修性（Maintainability）J 定义定义：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。J 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。J 规定的条件：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。J 规定的程序和方法：规定的
9、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。第二节 可靠性的基本概念2、维修性（、维修性（Maintainability）J 一个产品不工作的时间一个产品不工作的时间NT包括两个部分：包括两个部分：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；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。J 平均维修时间平均维修时间MTTR是直接维修时间是直接维修时间MT的平均值。的平均值。第二节 可靠性的基本概念3、保障性（、保障性（Supportability）J 定义定义：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
10、的能力，称为保障性，简写为S。J 维修保障只是综合保障工程中的一个方面。J 表征保障性的指标是平均延误时间MDT。J 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。第二节 可靠性的基本概念4、测试性（、测试性（Testability）J 定义定义：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。J 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。J 测试性通常用故障检测率F
11、DR、故障隔离率FIR和虚警率FAR度量。第二节 可靠性的基本概念4、可用性（、可用性（Availability）J 定义定义：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。J 使用可用性A0。J 固有可用性At。J At反映了生产方的设计、制造和服务的综合水平，越大越好。第二节 可靠性的基本概念5、可信性（、可信性（Dependability）J 定义定义：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。J 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）
12、、维修性（M）、保障性（S）、测试性（T），简写为RMST。J 对可信性的定量要求，就是具体的 RMST 的定量要求；J 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。第三节 可靠性特征量1、可靠度、可靠度J 定义定义：产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率，记为R(t)。J 设T为产品寿命的随机变量，则J 即可靠度是产品寿命T超过规定时间t的概率。第三节 可靠性特征量1、可靠度、可靠度J 可靠性特征量理论上的值称为真值，由产品失效的数学模型确定。J 通过对n个样本的观测，经过统计计算得到真值的估计值。第三节 可靠性特征量1、可靠度、可靠度J 举例：举例
13、：某电子器件110只的失效时间经分组整理后如下表，试估计它的可靠度函数。第三节 可靠性特征量2、失效分布、失效分布J 定义定义：产品在规定条件和规定时间内失效的概率，称为不可靠度，记为F(t)。J 不可靠度也称为累积失效概率、失效分布函数、寿命分布函数。第三节 可靠性特征量2、失效分布、失效分布J 定义：定义：就连续寿命分布而言，失效分布函数的导数称为失效密度函数，记为f(t)。J f(t)表示产品连续工作时间t之后的一个单位时间t内，产品失效数量与t=0时刻的产品总数之比。第三节 可靠性特征量3、失效率、失效率J 定义：定义：产品连续工作时间t之后尚未失效的产品在tt+t的单位时间内发生失效
14、的条件概率，也称瞬时失效率，记为(t)。第三节 可靠性特征量3、失效率、失效率J 失效率的估计值失效率的估计值第三节 可靠性特征量3、失效率、失效率J 举例：举例：对100个某种型号产品进行寿命试验，在t=100h前有2个失效，在100105h内有1个失效；在t=1000h前有40个失效，在10001005h内失效1个，分别求t=100h和t=1000h时，产品的失效率估计值和失效密度函数估计值。第三节 可靠性特征量3、失效率、失效率J 平均失效率平均失效率J 失效率是标志产品 可靠性常用的指标之一，在工程实践中，往往取平均失效率表示产品的这一特性。第三节 可靠性特征量4、产品失效曲线、产品失
15、效曲线J 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。J 这条曲线明显地分为三段，对应着三个时期。第三节 可靠性特征量4、产品失效曲线、产品失效曲线J 早期失效期为递减型。产品使用的早期，失效率较高而下降很快。主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及人为因素所造成的。J 偶然失效期为恒定型。在此期间产品故障率低而且稳定，是设备工作的最好时期。在这期间内产品发生故障大多出于偶然因素，如突然过载、碰撞等，因此这个时期又叫偶然失效期。为降低偶然失效期的失效率而增长有效寿命，应注意提高产品的质量，精心使用维
16、护。第三节 可靠性特征量4、产品失效曲线、产品失效曲线J 耗损失效期，失效率是递增型。失效率上升较快，这是由于产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失效期。针对耗损失效的原因，应该注意检查、监控、预测耗损开始的时间，提前维修，使失效率仍不上升。当然，修复若需花很大费用而延长寿命不多，则不如报废更为经济。第三节 可靠性特征量5、寿命特性、寿命特性J 在寿命特性中最重要的是平均寿命。它定义为产品寿命的平均值，以或E(t)表示。J 可修复产品，平均寿命指相邻两次故障期的工作时间的平均值，即“平均故障间隔时间”MTBF（Mean Time Between Failu
17、re）J 不可修复产品，平均寿命指产品失效前的工作时间平均值，即“失效前平均工作时间”MTTF（Mean Time To Failure）第三节 可靠性特征量5、寿命特性、寿命特性J 平均寿命的估计值平均寿命的估计值第三节 可靠性特征量5、可靠寿命与中位寿命、可靠寿命与中位寿命J可靠寿命：可靠寿命：产品可靠度下降到某一可靠度r时对应的工作时间，记为tr。J 中位寿命：中位寿命：产品可靠度下降到0.5时对应的工作时间，记为t0.5。第四节 系统可靠性计算1、可靠性框图、可靠性框图J 定义：定义：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。J
18、 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）。J 系统的原理图：表示系统中各个子系统的物理关系。J 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。第四节 系统可靠性计算1、可靠性框图、可靠性框图J 可靠性数学模型可靠性数学模型概率模型概率模型。设系统的可靠度为Rs，不可靠度为Fs=1Rs。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=1Ri。采用下列假设：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；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
19、。Rs=f(R1,R2,Rn)第四节 系统可靠性计算2、串联模型、串联模型J 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。J 系统的寿命T是第一个出现故障的单元的寿命。J 系统可靠性函数为所有单元可靠性函数之乘积。第四节 系统可靠性计算3、并联模型、并联模型J 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。第四节 系统可靠性计算3、并联模型、并联模型J 系统累积故障函数为所有单元累积故障函数之乘积。J 系统可靠性函数为。J 并联系统组成单元数量越多，系统可靠度越大。第四节 系统可靠性计算3、并
20、联模型、并联模型第四节 系统可靠性计算3、并联模型、并联模型第四节 系统可靠性计算3、并联模型、并联模型第四节 系统可靠性计算4、混联模型、混联模型-串并联模型串并联模型J 把若干个串联系统或并联系统重复地加以串联或并联，得到更复杂的可靠性结构模型，称为串并联混合系统。J 串并联混合模型，是基本串联和并联系统组合，对于其可靠性的计算，可以连续地用串联和并联的基本公式来分析计算。第四节 系统可靠性计算4、混联模型、混联模型-串并联模型串并联模型J 例题：某系统由7个单元串并联组成，如图所示，已知这7个单元的可靠度为R1R2R3R4R5R6R70.91，试求该系统的可靠度。J解：解：首先计算R2和R3、R4和R5组成的串联子系统R23和R45的可靠度分别为第四节 系统可靠性计算4、混联模型、混联模型-串并联模型串并联模型J然后计算R23和R45再并联的子系统Rs2以及R6和R7组成的并联子系统Rs3的可靠度分别。J 整个系统就由单元Rs1、Rs2和Rs3串联组成，故得整个系统的可靠度为97045.0)8281.01(1)(1)(1 124523tRtR(t)Rs29919.0)91.01(1)1)(1(1267RR(t)Rs30.8760.99190.970450.91RRR(t)Rs3s2s1s
