1、北京航空航天大学工程系统工程系北京航空航天大学工程系统工程系可靠性基本概念与参数体系可靠性基本概念与参数体系Introduction to Reliability_Conception&Parameter1/2/20231主要内容主要内容可靠性基本概念 可靠性参数体系 1/2/20232可靠性基本概念可靠性可靠性可靠性 产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。产品可靠性定义的要素是三个“规定”:“规定条件规定条件”、“规定时间规定时间”、“规定功能规定功能”1/2/20233故障及其分类故障及其分类故障及其分类 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，称之为故障。l故
2、障的表现形式，叫做故障模式。l引起故障的物理化学变化等内在原因，叫做故障机理。不可修产品（如电子元器件）：失效产品的故障按其故障的规律可以分为两大类：产品的故障按其故障的规律可以分为两大类：偶然故障偶然故障渐变故障渐变故障1/2/20234可靠性基本概念质量与可靠性关系质量与可靠性关系从广义质量观看，质量涵盖可靠性从狭义的质量观看，就是“符合性质量”可靠性毕竟与狭义的质量管理还是有很大区别的，质量出了问题，往往批次性很强可靠性是更深层次的与设计、工艺相关的根本性问题。有些企业对于可靠性工程有一种错误观念，认为可靠性工程是质量部门的事情，而设计部门却很少人员参与。产品的可靠性是在设计阶段就已经决
3、定了在用户使用过程中，均是“可靠性”问题1/2/20235寿命周期与寿命剖面寿命周期与寿命剖面寿命剖面产品从制造到寿命终结或退出使用这段时间内所经历的全部事件和环境的时序描述。它包含一个或多个任务剖面。通常把产品的寿命剖面分为后勤和使用两个阶段。1/2/20236寿命剖面示例寿命剖面示例事件（使用方法）生 产验 收装卸和公路运输装卸和铁路运输装卸和空运装卸和船运装卸和后勤支援运输（最坏路线）有遮蔽存贮，帐篷，圆屋顶无遮蔽存储工作准备阶段发射阶段调整状态导弹处于战斗位置发射后第一个动作飞行阶段命中目标生产阶段后 勤 阶 段运 输储存/后勤阶段使用阶段准备阶段任务阶段发射段惯性飞行段下降段主动段某
4、导弹的寿命剖面1/2/20237任务剖面任务剖面产品在完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述。任务剖面一般应包括：产品的工作状态；维修方案；产品工作的时间与顺序；产品所处的环境(外加的与诱发的)的时间与顺序；任务成功或致命故障的定义。1/2/20238任务剖面示例任务剖面示例1/2/20239可靠性基本概念基本可靠性产品在规定的条件下，无故障的持续时间或概率。在没有后勤保障情况下系统工作能力的度量考虑所有需要维修保障的故障采用冗余，降低基本可靠性通常等于或低于任务可靠性 1/2/202310可靠性基本概念任务可靠性产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力系统完成任务能力的度量 只考
5、虑引起任务失败的故障通过冗余提高任务可靠性通常高于基本可靠性 1/2/202311可靠性基本概念固有可靠性产品在设计、制造过程中赋予的固有属性。产品的开发者可以控制。使用可靠性产品在实际使用过程中表现出的可靠性。除固有可靠性的影响因素外，还要考虑安装、操作使用、维修保障等方面因素的影响。1/2/202312可靠度及可靠度函数可靠度及可靠度函数可靠度及可靠度函数可靠度及可靠度函数 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：00)()(NtrNtR式中 N0 t=0时，在规定条件下进行工作的产品数；r(t)在在0到t时刻的工作时间内，产品的累
6、计故障数。1/2/202313累积故障分布函数累积故障分布函数 累积故障概率累积故障概率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累积故障概率（又叫不可靠度）。依定义可知，产品的累积故障概率是时间的函数，即 0)()(NtrtF显然，以下关系成立：1)()(tFtR1/2/202314可靠度函数与累积故障分布函数的性质可靠度函数与累积故障分布函数的性质 与 的性质如下表 所示：)(tR)(tF对偶性 非减函数 非增函数 单调性 0，1 0，1 取值范围)(tR)(tF)(1tF)(1tR1/2/202315累积故障分布函数累积故障分布函数可靠度函数与累积故障分布函数的性质可靠度函
7、数与累积故障分布函数的性质 由密度函数的性质1)(0dttf可知：ttdttfdttftFtR)()(1)(1)(0 因此，)(tR、)(tF与)(tf之间的关系如图所示。图 R(t)、F(t)与f(t)关系tf(t)f(t)F(to)R(to)to1/2/202316故障率函数故障率函数故障率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：dttNtdrts)()()(式中 故障率；)(t)(tdrt 时刻后，时间内故障的产品数；dt)(tNs 残存产品数，即到t 时刻尚未故障的产品数。1/2/202317故障率函数故障率函数可按下
8、式进行工程计算：ttNtrts)()()(式中 时刻后，时间内故障的产品数；)(trtt所取时间间隔；t残存产品数。)(tNs对于低故障率的元部件常以 为故障率的单位，称之为菲特（Fit）。h/1091/2/202318问题问题故障率是概率值么？故障率有量纲么？故障率和累计故障密度之间有什么关系？1/2/202319人类健康的曲线人类健康的曲线图人类典型的健康曲线t)(t为革命健康工作五十年年幼体弱年富力强年老体衰AB1/2/202320产品故障浴盆曲线产品故障浴盆曲线 浴盆曲线浴盆曲线 大多数产品的故障率随时间的变化曲线形似浴盆，称之为浴盆曲线。由于产品故障机理的不同，产品的故障率随时间的变
9、化大致可以分为三个阶段：1/2/202321对故障发生规律认识的变化对故障发生规律认识的变化1/2/202322故障发生规律的六种模式故障发生规律的六种模式六种模式所占的比率（美国联合航空公司统计）1/2/202323航天产品的统计数据六种模式所占的比率（航天产品的统计数据）1/2/202324我国的情况我国的情况 我国海军、装甲兵、通讯装备的一些统计资料都证明了许多产品都的结论?1/2/202325故障率与可靠度、故障密度函数的关系 由于 ，所以)()()()()()()()()(00tRtftNtNdttNtdrdttNtdrtssdttdRtf)()(tttRdtttRtdRdtt00|
10、)(ln)()()()(todttetR)()(tetR)(1/2/202326故障率、可靠度与密度函数关系故障率、可靠度与密度函数关系1/2/202327平均故障前时间平均故障前时间(MTTF)1/2/202328平均故障间隔时间平均故障间隔时间1/2/202329问题问题某微型计算机的MTBF=10000小时，是否意味着该计算机每工作10000小时才出一次故障？1/2/202330寿命特征寿命特征1/2/202331寿命特征寿命特征1/2/202332首翻期、翻修间隔期和使用寿命首翻期、翻修间隔期和使用寿命(t)t首次翻修期规定的故障率AB(=1/MTBF)翻修间隔期使用寿命1/2/202
11、333可靠性参数体系可靠性参数体系可靠性参数可靠性参数是描述系统可靠性的度量。它直接与战备完好、任务成功、维修人力和保障资源有关。可靠性指标可靠性指标是可靠性参数要求的量值。1/2/202334反映目标反映目标说明说明战备完好性军事单位接到命令时，实施其作战计划的能力。任务成功性任务开始时给定的可用性下，系统在规定的任务剖面内任意时刻能够工作和完成规定功能的能力。维修人力费用系统需要维修人力的频度与多寡。保障资源费用系统对备件、维修工具、维修设备等的要求可靠性参数反映目标可靠性参数反映目标1/2/202335可靠性参数分为基本可靠性参数和任务可靠性参数基本可靠性反映了产品对维修人力费用和后勤保
12、障资源的需求。确定基本可靠性指标时应统计产品的所有寿命单位和所有的故障。任务可靠性是产品在规定的任务剖面中完成规定功能的能力。确定任务可靠性指标时仅考虑在任务期间那些影响任务完成的故障(即致命性故障)。可靠性参数分类可靠性参数分类1/2/202336可靠性参数的相关性可靠性参数的相关性平均故障间隔时间(MTBF)与平均故障间隔飞行小时(MFHBF)任务成功概率与致命故障间的任务时间MTBF与故障率平均维修间隔时间与MTBF平均拆卸间隔时间与MTBFFSTTMFHBFBF/飞行时间产品工作时间MCBCFMCPtTePBCFTtln或/1BFT)(BFBMTKTKTTBRBF/1/2/202337
13、p使用参数、合同参数使用可靠性参数及指标反映了系统及其保障因素在计划的使用和保障环境中的可靠性要求，它是从最终用户的角度来评价产品的可靠性水平。MFHBF、MCSP、MTBM等。合同可靠性参数及指标反映了合同中使用的易于考核度量的可靠性要求，它更多地是从承制方的角度来评价产品的可靠性水平。如MTBF、MTBCF等。可靠性参数分类可靠性参数分类1/2/202338使用指标与合同指标使用指标与合同指标使 用 指 标 合 同 指 标 目标值 门限值 规定值 最低可接受值 期望装备达到的使用指标，它既能满足装备使用需求，又可使装备达到最佳的效费比，是确定规定值的依据 装备必须达到的使用指标，它能满足装
14、备的使用需求，是确定最低可接受值的依据 合同和研制任务书中规定的期望装备达到的合同指标，它是承制方进行可靠性设计的依据 合同和研制任务书中规定的、装备必须达到的合同指标，它是进行考核或验证的依据 1/2/202339目标值目标值-1GJB1909.1-94将目标值定义为：期望装备达到的使用指标，它既能满足装备的使用需求，又可使装备达到最佳的效费比，是确定规定值依据。美军防务采办术语-98将目标值定义为：用户所期望的和项目经理企图获得的性能值，目标值表示比每个项目参数的性能门限值大一个量值。该量值在使用上是有意义的，时间上是关键的而且费用上是有效的。1/2/202340目标值目标值-2美空军AF
15、R80-5-78将目标值定义为：既满足使用要求又具有增长能力或保障费用最佳的R&M值。从上述定义可以发现，R&M目标值首先表示系统投入外场使用，经过一段期间的使用，发现问题并进行改进后达到成熟状态的R&M水平，这种R&M水平必须满足预定的未来环境下的使用要求，同时，R&M的目标值应使系统在外场的使用和保障费用最低，而且应是通过增长可以达到的R&M值。1/2/202341门限值门限值-1 GJB1909.1-94将门限值定义为：装备必须达到的使用指标，它能满足装备的使用要求，是确定最低可接受值的依据。美军防务采办术语-98将门限值定义为：为满足用户需求、所必须达到的最低可接受值。如果没有达到门限
16、值，那么项目性能就会严重下降，项目费用可能太高，项目进度可能拖延。美空军AFR80-5-78将门限值定义为：完成任务（即满足使用要求）所必需的最低的R&M水平。R&M门限值是制定合同最低要求的基础。1/2/202342门限值门限值-2R&M门限值是满足系统使用要求所必须的最低的水平，即最低的要求值。它是外场使用试验进行验证的依据.其验证时机可根据不同类型的系统及不同的要求来确定。1/2/202343可靠性参数指标特性可靠性参数指标特性综合性可靠性参数的相关性使用参数与合同参数之间存在转换关系阶段性产品可靠性，在研制阶段具有增长性TRBFBFiTTTA1/2/202344阶段性可靠性参数指标特性
17、可靠性参数指标特性1/2/202345表 F-4、F-15、F-16与F-22(ATF)的RMS比较机种MFHBF（h）MMH/FH非计划维修工时每架飞机的维修人力（人）使用可用度A0(%)再次出动准备时间TAT(min)F-4E1.026.024.550F-15A 3.5(1.68)11.27(22)20.680(68)12F-15C 2.61516.68625F-16A 2.9(3.3)12(10)19.690(84)27F-22(ATF)5.04.58.593181/2/202346序号产品类型参数名称门限值目标值门限值与目标值之比备注1F-16A战斗机MFHBF1.75h2.9h0.6
18、2F/A-18A战斗机MFHBF1.44h5.0h0.293UH-60A直升机MFHBF3.5h4.0h0.88“黑鹰”直升机4CH-53E直升机MFHBF0.71h0.92h0.755B-1B轰炸机MTBM0.250.28h1.0h0.250.286B-2轰炸机MFHBUM0.2h0.36h0.557F/A-18A战斗机MSCP0.26h0.90.298B-1B轰炸机MSCP0.780.920.859弹道导弹飞行可靠度0.60.90.6710巡航导弹飞行可靠度0.580.880.66为AGM-86B型11空-空导弹MCHBM200h450h0.44为AIM-120型12导航吊舱MTBF29.
19、6h50h0.59目标值与门限值的示例 1/2/202347序号产品类型参数名称门限值目标值门限值与目标值之比备注13直升机照明系统MTBOMF280h750h0.37陆军直升机14航空动力装置MFHBF27.0h66.0h0.41用于F-16战斗机15航空电子系统MFHBF5.7h8.3h0.69用于F-16战斗机16飞行控制系统MFHBF18.0h30.0h0.60用于F-16战斗机17机载武器系统MFHBF65.0h85.0h0.76用于F-16战斗机18机载雷达MTBF60.0h100h0.60用于F-16战斗机19机载雷达显示器MTBF130h475h0.27用于F-16战斗机20平
20、视仪MTBF150h500h0.30用于F-16战斗机21飞行控制计算机MTBF100h400h0.25用于F-16战斗机22火控计算机MTBF280h700h0.39用于F-16战斗机23F-15MMH/FH19.9711.271.77目标值与门限值的示例 1/2/202348序号产品类型参数名称门限值目标值门限值与目标值之比备注24F-117MMH/FH37.022.01.6725A-7AMMH/FH17.09.61.7726UH-60AMMH/FH3.82.81.3627YA-64MMH/FH13.08.01.6328B-2MMH/FH62.950.01.2629F-15MTTR2.55
21、h1.95h1.3030F-15AA070%80%0.87531F-16AA085%90%0.94432AGM-86BA087%93%0.93533UH-60AA080%82%0.975目标值与门限值的示例 1/2/202349某型飞机可靠性参数选择与确定某型飞机可靠性参数选择与确定1/2/202350运行比的确定运行比的确定某飞机任务剖面及分系统工作1/2/202351各分系统时间表示各分系统时间表示1/2/202352各分系统飞行小时、工作小时和故障数分系统分系统飞行小时飞行小时工作小时工作小时故障数故障数综合航电系统综合航电系统TTFTTF1 1TTOTTO1 1N N1 1武器系统武器系统TTFTTF2 2TTOTTO2 2N N2 2机械系统机械系统TTFTTFI ITTOTTOi iN Ni i动力装置动力装置TTFTTFmmTTOTTOmmN Nmm1/2/202353谢谢谢谢1/2/202354
