可靠性概论

HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING题 目学生姓名专业班级学 号 系（部） 指导教师摘 要可靠性工程是表征产品(系统元件器件等)无故障工作能力的指标，是产品的重要内在属性之一，是衡量产品 质量的重要指标之一。可靠性是一门与产品故障作斗争的新兴学科，它涉及的范围广泛，是一门综合了系统工程、管理 工程、价值工程、人机工程、电子计算机技术、产品测试技术以及概率、统计、运筹、物理等多种学科成果的应用科学。 可靠性工程起源于军事领域，经过半个多世纪的迅速发展，现在巳成为涉及面非常广的综合性学科。虽然可靠性研究和 很多学科一样起源于军工企业，但随着科技发展，用户对民用产品的要求也越来越高，不仅要求价格便宜，功能齐全， 而且要求产品安全可靠，经久耐用。因此产品借助可靠性预计技术来标明产品可靠性指标，将有利于增强自身竞争力， 也能让用户放心购买。所以可靠性研究对于现代企业来说有着弥足重要的作用，可以说可靠性巳经扩展到我们生活和生 产的方方面面。本文试图就可靠性进行一个比较全面概括的描述，使人能够对可靠性有一个比较基本的认识。关键词：可靠性FMEA故障树概率论风险分析AbstractReliability Engineering is an indicator of the abili ty to work to characterize the product ( System Components devices, etc. ) without failure, is one of the important intrinsic properties of the product, is an important indicator of product quality. Reliability is a fault with the product to combat emerging discipline , it involves a wide range , is a comprehensive systems engineering , project management , value engineering , ergonomics , computer technology , product testing techniques and probability , statistics, multidisciplinary applied science achievement logistics, physics , etc. . Reliability Engineering originated in the military field , after half a century of rapid development , has now become involved in a very wide comprehensive discipline . Although the reliability of the study and , like many disciplines originated in military enterprises , but with technological development , user requirements for consumer products are increasingly high demand not only cheap, functional, and requires the product safe, reliable, durable. With technology so the product is expected to indicate the reliability of product reliability indicators will help enhance their competitiveness , but also allows users to rest assured purchase. Therefore, the reliability of research for modern enterprise has an important role Surrounded can say reliability has been extended to all aspects of our lives and production . This article will attempt to summarize the reliability of a more comprehensive description of the reliability of people can have a more fundamental understanding.Key： Reliability FMEA Fault Tree Analysis Risk Probability Theory前言3第一节可靠性的历史3第二节定义与基本概念 4第三节可靠性模型与分析5第四节 FMEA FCA FTA 7第五节可靠性设计8第六节 可靠性试验9第七节总结10参考文献11前言随着科学技术的进步和产品质量意识的提高，可靠性工程在质量控制中的地位逐渐被企业认同。同时， 顾客对产品可靠性的认识也逐渐趋于理性，顾客在购买产品的同时，对制造商产品可靠性的承诺和可靠性 管理工作提出了更多的要求，因此做好可靠性管理将有助于企业在激烈的市场竞争中获得一席之地江可靠性理论和方法是以产品的寿命特征作为主要的研究对象。研究产品的故障模式和故障率的变化特 点，并根据故障率函数得出可靠性度量指标是可靠性设计的重要内容；同时产品故障率的不同变化模式还 可以指导企业改进产品设计和优选零部件，指导顾客在产品使用过程中如何根据产品的故障发生特点进行 产品的维护和保养工作，以提高寸品的使用可靠性可靠性的历史：J耳声|工乂.二十世纪四十年代被认为是可靠性萌芽时期。到了 20世纪中期，是可 靠性兴起和形成的重要时期。为了解决电子设备和复杂导弹系统的可靠性问题，美国展开了有组织的可靠 性研究。其间，在可靠性领域最有影响力的事件是1952年成立的电子设备可靠性咨询小组（AGREE），它 是由美国国防部成立的一个由军方、工业领域和学术领域三方共同组成的、在可靠性设计、试验及管理的 程序及方法上有所推动的、并确定了美国可靠性工程发展方向的组织。AGREE组织在1955年开始制订和 实施从设计、试验、生产到交付、储存和使用的全面的可靠性计划，并在1957年发表了军用电子设备可 靠性的研究报告，从9方面全面阐述可靠性的设计、试验、管理的程序和方法，成为可靠性发展的奠基 性文件。这个组织的成立和这份报告的出现，也标志着可靠性学科发展的重要里程碑，此时，它巳经成为 一门真正的独立的学科。上世纪四十年代初期到六十年代末期，是结构可靠性理论发展的主要时期；六十年代到八十年代，是 结构可靠性理论得到了发展并巳较为成熟的时代九十年代，人可靠性分析方法的研究趋于活跃，许多学者 将人工智能、随机模拟、心理学、认知工程学、神经网络、信息论、突变论、模糊集合论等学科的思想应 用到人可靠性分析中，出现了人可靠性心理模型、人可靠性分析综合认知模型、人模糊可靠性模型、人机 系统人失误率评估的动态可靠性技术以及计算机辅助人可靠性分析等。可靠性在电力系统中也得以广泛应 用，目前的研究几乎涉及到电力系统发电、输电、配电等各方面，可靠性分析也正逐步成为电力系统规划、 决策的一项重要的辅助工具。在电子领域，现有的绝大多数可靠性数学模型和研究方法是以电子产品为最 初对象产生和发展起来的，所以目前对电子产品的可靠性研究不论从可靠性建模理论、可靠性设计方法、 失效机理分析、可靠性试验技术及数据统计方式等均巳趋向成熟。另外，在机械、汽车、电力等领域，可 靠性也发挥着不可替代的作用。可靠性的定义与基本概念可靠性是表征产品(系统，元件，器件等)无故障能力工作的指标，是产品的重要内在属性，是衡 量产品质量的重要指标之一。可靠性是产品在整个生命周期中，保证完成规定功能的能力，是产品质量好 坏的一项重要指标，是产品生命的一部分，我国国家标准GB3187-1982(可靠性基本名词术语及定义)中对可 靠性的定义是“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”。可靠性是产品生命周期中具有 完成规定功能的能力。可靠性的基本概念即：可靠度，故障概率，故障(失效)率，故障概率密度，寿命 等的表示与数量指标，以及他们之间的相互关系，他们代表了产品可靠性的基本内容。可靠度R(t)是产品在寿命周期内完成规定功能的指标。按我国国标规定，可靠度的定义是“在规定 条件下，规定时间内完成规定功的概率”。即产品在规定条件下规定时间内的可靠性。可靠度函数可用关于时间t的函数表示，可表示为R(t)=P(Tt)其中，t为规定的时间，T表示产品的寿命。由可靠度的定义可知，R(t)描述了产品在(0，t)时间内完好的概率，且R(0)=1，R(+8)=0。故障(失效)概率:。F(t)=P(Tt)F(t)=1-R(t)或 F(t)+ R(t)=1其中，t为规定的时间，T表示产品的寿命故障概率密度函数等于单位实际的故障概率函数的变化。Ft=F(t+dt)-F(t)/dt失效率是指工作到某一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。一般记为 入，它也是时间t的函数，故也记为入(t)，称为失效率函数，有时也称为故障率函数或风险函数。A (t)=dr/Nsdt其中入(t) 瞬时失效率；dr失效数的增量Ns剩余产品数dt时间增量可靠性寿命平均故障间隔时间mean time between failures (MTBF) 可修复产品的一种基本可靠性参数。其度量方法为：在规定的条件下和规定的期间内，产品寿命单位总数与故障总次数比。平均故障前时间mean time to failures (MTTF)不可修复产品的一种基本可靠性参数。其度量方法 为：在规定的条件和规定的期间内，产品寿命单位总数与故障产品总数之比。可靠寿命由给定可靠度求出的与其相对应的工作时间，称为可靠寿命。设产品的可靠度为R(t)，使 可靠度等于规定值r时的时间t,即为可靠寿命中位寿命中位寿命是指可靠度为0.5是的寿命，即t(0.5)的值，即表示为t (0.5) =0.63915(1/入)特征寿命即R(t)=1/e=0.368时对应的寿命，失效规律服从指数分布时，特征寿命就是平均寿命。t=1/ 入=.贮存寿命产品在规定条件下贮存时，仍能满足质量要求的时间长度。产品出厂后，不工作，在规定 条件下贮存，产品也有一个非工作状态的偶然故障率，而此一般比工作故障率小得多，但贮存产品的可靠 性也是在不断下降的。因此，贮存寿命是产品贮存可靠性的一种度量。可靠性模型与分析模型：产品的可靠性模型按用途分为基本可靠性模型和任务可靠性模型。基本可靠性模型是将产品组成单元进行全串联的模型，用以估计产品及其组成单元引起的维修及综 合保障要求。任务可靠性模型较复杂，它用于描述在完成任务过程中产品各单元的预定用途。产品的可靠性模型基本结构类型主要包括串联、并联、混联、桥联、旁联、表决等。串联模型RR123串联系统的数学模型R (t) = Hr (t) = He(t冲 sii=1i=1当各单元的寿命分布均为指数分布时，系统的寿命也服从指数分布R (t)=武 e* =e 勺si=1系统的失效率为各单元的失效率之和n ,A = X + A + A +A +君=Z 入每一个单元的失效率为S 123X = K X + K X + K3A3+A+ KAnii=1系统的平均故障间隔时间：TBFs1人ii=1并联模型数学模型R (t) = 1 项 h - R (t)Sii=1对于最常用的两单元并联系统，有R (t) = e-X1t + e-X2t e-(X1+%)tX ext + X e x2t (X +X le-炽 +x2X (t) = 1一12一212 J-se X1t + e X2t e 一h】+X?111mtbf =-R (t)dt = X+兄 01212当系统各单元的寿命分布为指数分布时，对于n个相同单元的并联系统，有串并联贮备的数学模型为# (t) = 1 - 1 - Rn (t)N sp并串联贮备的数学模型为夕 姑(t) = (I - R (t)有分析方法：1. 全概率分解法：系统中任一单元正常这一事件，与其逆事件(单元故障)一起，构成完备事件组。 利用概率论中的全概率公式，可以将非串并联的复杂网络分解简化，经多次分解简化后，可将复杂网络简 化成简单的串并联系统，从而计算出系统的可靠度。这个分解过程称为全概率分解。2. 最小路集法：路集和最小路集路隼是可靠性框图中一些方框的集合，当集合内的方框都正常时，系统处于正常状态。路集中增加一个方框后仍然是路集系统可靠性框图中所有方框的全集合必然是路集若某路集中任意去掉一个方框后剩下的集合不再是路集，该路集就是最小路集。最小路集中包含的方框数称为路长。在最小路集中，既没有重复的方框，其所形成的通路也没有重复的节点。因此，具有n个节点的可靠 性框图的最小路集的最大路长为n-1。求所有最小路集的方法：联络矩阵法网络遍历法3. 状态枚举法FMEA FCA FTA失效模式与效应分析FMEA ( FailureM ode EffectAnalysis)方法：失效模式与效应分析(FM EA)方法是一种归纳法，是在系统设计过程中通过对系统各组成部件所有可 能的各种失效模式都进行详细分析并决定其对整个系统的影响的一种设计分析方法。FM EA实质是进行概 念分析，或者说是从可靠性角度对巳完成的设计进行详细分析。对潜在的故障按其影响程度确定等级，并 根据需要指出改进设计的意见，完善设计工作。它的特征为：用表格的形式表示，从低依次开始，逐步向 高层次分析，原则上是进行全面的分析.FM EA的内容和实施步骤为：(1) 掌握产品的相关资料，包括:产品结构和功能资料;产品启动、运行、操作、维修资料;环境 条件资料。(2) 按照系统功能图画出可靠性框图，弄清系统的所有零件及其功能。(3) 确定每一部件和零件应有的工作参数和功能。(4) 查明每一部件和零件可能的失效模式和后果。(5) 针对各种失效模式，找出失效原因，指出可能的预防措施。(6) 填写FM EA工作表。(7) 写出分析报告，总结设计上无法修正的问题，并说明预防失效或控制失效危险性和风险的必要措 施。失效严重度分析 FCA (Failure CriticalityAnalysis)方法：FM EA本质上是一种定性的分析方法，为了能将它使用于定量分析，可以增加严重度分析CA的内含, 发展成为 FM ECA (F ailureM ode Effect and C riticality Analysis)。严重度(C riticality)顾名 思义是由于产品故障而造成的潜在影响的定量程度。根据上述严重性类别和故障模式的概率等级综合考虑，可以得到其危害度。危害度分为四级：1级IA，2级IB，II A，3级IC，II B，III A4级ID，II C，I B，V A，I E，IE，II D，m C，V B，V D，IVE，II E，m D，V C，其中I A的含义是危害度为I类，而且概率等级为A级。其余以此类推。失效树分析(FaultTreeAnalysis)方法：故障树分析FTA方法是“在系统设计过程中，通过对可能造成系统失效的各种因素(包括硬件、软件、 环境、人为因素)进行分析，画出各种逻辑框图(即失效树)，从而确定系统失效原因的各种可能组合方式 或其发生概率，以计算系统失效概率。采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性的一种分析方法”。故障树分析是一种系统化的演绎方法，可以在航天、核能、化工等领域获得广泛的应用，是风险分 析和评价的有效工具。可靠性理论是在概率统计基础上发展起来的，而故障树分析是在实际工程基础上发 展起来的。两者侧重点不同，但实质是一致的，将其组合起来，将有效地进行可靠性风险分析。可靠性设计可靠性要求一一设计、分析、试验和验收的依据。可靠性设计要求可分为：定性要求；定量要求。定性要求内容有：遵守一般可靠性设计和准则等。定量要求内容有：使用与合同参数和指标。使用 参数和指标：直接与产品完好性、任务成功性、维修人力和保障资源费用有关的一种度量。其度量值称指 标（目标值与门限值）。合同参数和指标：在合同中表达订购方要求的，并且是承制方在研制和生产过程 中可以控制的参数。其度量值称为合同指标（规定值和最低可接受值）。目的：通过制定并贯彻型号可靠性设计准则，把有助于保证、提高产品可靠性的一系列设计要求设计 到产品中去。制定可靠性设计准则的依据（1）型号立项论证报告、研制总要求及研制合同（包括工作说明）中规定的可靠性设计要求；（2）国内外有关规范、标准和手册中所提出的可靠性设计准则等相关内容；（3）类似型号中制定贯彻的可靠性设计准则中的有关条款；（4）通过调研，了解使用人员在使用中对产品的可靠性方面需求，整理转化为可靠性设计准则；（5）研制单位所积累的可靠性设计经验和失败所取得的教训。按技术分类可靠性设计准则1.简化设计2.冗余设计3.热设计4.环境防护设计5.抗冲击、振动和噪声 设计6.稳定性设计7.安装设计8、液压件设计9,原材料、零部件和元器件选用10.包装、贮存、装卸与 运输设计。可靠性试验可靠性增长试验：可靠性增长试验是产品研制阶段中单独安排的一个可靠性工作项目，作为工程研制 阶段的组成部分。保证产品进入批生产前的可靠性达到预期的目标。可靠性增长试验通常安排在工程研制 基本完成之后和可靠性鉴定试验之前。可靠性增长试验是一种有目标、有计划、有增长模型的专项试验。 可靠性增长试验耗费的资源相当巨大，试验总时间通常为产品预期MTBF目标值的525倍，所以，并不是任 何一个产品都合适进行增长试验。可靠性增长试验的目的是在研制阶段保证产品在进入批生产前的可靠性达到预期的目标。靠性增长试 验的一般方法是制定增长目标、确定增长模型，通过试验发现产品故障，根据故障分析，改进设计的这样一 个不断反复试验改进过程可靠性研制试验(RDT)：(1) 目的通过对产品施加适当的环境应力、工作载荷，寻找产品中的设计缺陷，以改进设计，提高产品的固有可靠性水平。(2) 方法试验、分析、改进。(3) 类型 可靠性强化试验(RET)、高加速寿命试验(HALT)、可靠性增长摸试验。(4) 适用时机可靠性研制试验应在产品的研制阶段尽早开展，通过试验、分析与改进的过程来提高 产品的固有可靠性水平。可靠性验证试验目的：是确认产品是否符合合同规定的可靠性定量要求。可靠性鉴定试验：为了验证设备设计是否符合规定的可靠性要求，应用能代表具有批准的技术状态的设备，在规定的 环境试验条件下进行可靠性鉴定试验。若无其他规定，则至少要用两台设备进行定时截尾试验方案的鉴定 试验。统计试验方案应是订购方规定或同意的GB5080中的方案可靠性验收试验：了确定生产的设备是否符合规定的可靠性要求，应按规定的抽样原则从各生产批 次中抽取设备，在与可靠性鉴定试验相同的环境试验条件下进行可靠性验收试验，这些受试设备应能代表 其所属批次的特征。验收试验统计试验方案应从GB5080中给出的序贯截尾试验方案或定时截尾试验方案。 验证试验(统计试验)方案的分类指数寿命型：定时截尾、序贯截尾、定数等方案成败型：一次抽样、序贯 截尾等方案总结：可靠性工程技术从诞生到现在，走过了 45个年头。通过上面的介绍，我们可以看出它的发展轨迹是： 诞生于美国国防科技领域，然后向其工业领域辐射；英、法、德、日等先进资本主义国家首先引入本国国 防和工业领域；我国于80年代中期，从翻译美军标开始，首先应用于武器系统。90年代中后期，我国迅 速发展的民营企业，开始逐步引进环境试验工作，并取的了很大的进步。可靠性工程技术，只有公司最高 层领导到最基层工作员工，真正认识到产品质量特别是产品可靠性的重要性，各部门资源共享，上下一心， 全心协力，才能真正提高产品质量及可靠性，才能真正把可靠性工程技术应用到现代企业中。通过对可靠性的了解，使我识到，在人们眼中并不起眼甚至容易忽略的可靠性工程是非常重要的，它涉及 到了，一件产品从设计到出售方方面面的过程。产品的可靠性是设计出来的、制造出来的、管理出来的。 可靠性是一门非常重要的支持性应用型学科，我们可以预计到随着科技水平的不断提高，人们对残品的更 高要求，可靠性会有更大的发展。了解可靠性对我们是非常有帮助的，不管我们是什么样的角色，因为可 靠性巳经深入到我们参考文献模糊可靠性理论中的基本概念蔡开元工艺过程潜在失效模式及后果分析-明（江苏理工大学）国外结构可靠性理论的应用与发展贡金鑫基于失效模式分析的供电可靠性风险分析一一青1,周敏1,许卫卫2ZL 40B装载机弧齿锥齿轮质量分析报告及对策一一林家祥，黄旭就，梁兴华可靠性风险决策模型一一徐人平，段绍平，余敏，李跃可靠性的发展史商用货架产品的可靠性风险控制方法一一李伟浅谈刀具在!#$%中的潜在失效因素一一许伟达数控机床可靠性增长实用技术一一裴永红