可靠性基本理论(公式定义)ppt课件

第一篇第一篇可靠性基本理论可靠性基本理论第一篇可靠性基本理论1主要内容主要内容1 概论概论2产品可靠性模型产品可靠性模型3可靠性指标论证可靠性指标论证4可靠性分配可靠性分配 主要内容2产品的寿命特性产品的寿命特性3产品的可靠性定义产品的可靠性就是在规定的条件下，在规定的时间内、产品完成规定功能的能力。产品可靠性定义包括下列四要素：(1)规定的时间；(2)规定的环境和使用条件；(3)规定的任务和功能；(4)具体的可靠性指标值。对于一个具体的产品，应按上述各点分别给予具体的明确的定义。产品的可靠性定义产品的可靠性就是在规定的条件下，在规定的时间4可靠性的特征量可靠性的特征量可靠度可靠度定定义义：是是指指产产品品在在规规定定的的条条件件下下，在在规规定定的的时时间间内内、产产品品完完成成规规定定功功能能的的概概率率。它它是是时时间间的的函数，记作函数，记作R(t),也称为可靠度函数。也称为可靠度函数。当当t=0时，时，R(0)=1;当当t=时，时，R()=0可靠性的特征量可靠度5可靠性基本理论(公式定义)ppt课件6不可靠度定义：是指产品在规定的条件下，在规定的时间内、产品不能完成规定功能的概率。它也是时间的函数，记作F(t),也称为累积失效概率。失效概率密度失效概率密度f(t)定义：失效概率密度是累积失效概率F(t)对时间的变化率，它表示产品寿命落在包含t的单位时间内的概率，即t时刻，产品在单位时间内失效的概率。不可靠度失效概率密度f(t)7瞬时失效率瞬时失效率(t)，（简称失效率），（简称失效率）定义：是在定义：是在t时刻，尚未失效的产品，时刻，尚未失效的产品，在该时刻后的单位时间内发生失效的在该时刻后的单位时间内发生失效的概率概率。瞬时失效率(t)，（简称失效率）定义：是在t时刻，尚未失8中位寿命：满足R(t0.5)=0.5的t0.5称为中位寿命，即寿命比它长和比它短的产品各占一半 特征寿命：满足R(te-1)=e-1=0.368 的te-1称为特征寿命中位寿命和特征寿命中位寿命：满足R(t0.5)=0.5的t0.5称为中位寿命，9可靠性指标及其内在关系可靠性指标及其内在关系10可靠性基本理论(公式定义)ppt课件11MTBF 和和 MTTF 对不可维修的产品的平均寿命是指从开始投入工作，至产品失效的时间平均值。也称平均失效前时间，记以MTTF，它是英文（Mean Time To Failure）的缩写。对可维修产品而言，其平均寿命是指两次故障间的时间平均值，称平均故障间隔时间，习惯称平均无故障工作时间，用MTBF记之，它是英文（Mean Time Between Failures）的缩写。MTBF 和 MTTF 对不可维修的产品的平12维修性指标维修性指标对可维修产品还有平平均均维维修修时时间间，它是设备处于故障状态时间的平均值，或设备修复时间的平均值。记以MTTR，它是英文（Mean Time To Repair）的缩写。其中：m(t)是维修时间的概率密度函数，对应可靠性的失效概率密度函数。维修性指标对可维修产品还有平均维修时间，它是设备处于故障状态13维修性指标维修性指标维维修修度度（对对应应可可靠靠度度）M(t)：它定义为在规定条件下使用的产品，在规定的时间内按照规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能状态的概率。修修复复率率(t)（对对应应失失效效率率）:定义为修理时间已达到某个时刻，但尚未修复的产品，在该时刻后的单位时间内完成修理的概率。维修性指标维修度（对应可靠度）M(t)：它定义为在规定条件下14维修性指标维修性指标可维修产品的有有效效度度A，它表示设备处于完好状态的概率：维修性指标可维修产品的有效度A，它表示设备处于完好状态的概率15可靠性、维修性指标的论证和确定可靠性、维修性指标的论证和确定可靠性是定量的概率统计指标可靠性是定量的概率统计指标可靠性是定量的概率统计指标可靠性是定量的概率统计指标在设计中它必须是可预计的，在试验中它必须在设计中它必须是可预计的，在试验中它必须在设计中它必须是可预计的，在试验中它必须在设计中它必须是可预计的，在试验中它必须是可测量的，在生产中它必须是可保证的及在是可测量的，在生产中它必须是可保证的及在是可测量的，在生产中它必须是可保证的及在是可测量的，在生产中它必须是可保证的及在现场使用中它必须是可保持的。现场使用中它必须是可保持的。现场使用中它必须是可保持的。现场使用中它必须是可保持的。系统可靠性与维修性指标可以从两方面论证：系统可靠性与维修性指标可以从两方面论证：一是研究被论证系统应该具有或侧重于哪些可一是研究被论证系统应该具有或侧重于哪些可靠性和维修性指标；二是决定这些指标水平的靠性和维修性指标；二是决定这些指标水平的高低。高低。可靠性、维修性指标的论证和确定可靠性是定量的概率统计指标系统16可靠性指标的选择的依据可靠性指标的选择的依据a、装备的类型，例如对坦克为平均无故障、装备的类型，例如对坦克为平均无故障里程（里程（MMBF）、对于飞机为平均无故障）、对于飞机为平均无故障飞行小时（飞行小时（MFHBF）、对一般设备则为）、对一般设备则为平均无故障时间平均无故障时间(MTBF);b、装备的使用要求（战时、平时、一次使、装备的使用要求（战时、平时、一次使用、重复使用）对于一次使用的产品则为用、重复使用）对于一次使用的产品则为成功率（例导弹）成功率（例导弹）c、装备可靠性的验证方法，厂内试验验证、装备可靠性的验证方法，厂内试验验证则用合同参数，外场验证则用使用参数。则用合同参数，外场验证则用使用参数。可靠性指标的选择的依据a、装备的类型，例如对坦克为平均无故障17论证产品的可靠性指标论证产品的可靠性指标不能或难以维修产品例如：卫星、导弹和海缆等，不言而喻，维修性方面的指标是无需考虑的，关键是系统在规定工作期间的可靠度指标。平均工作时间或平均寿命也不宜用作此类系统的可靠性指标，除非有附加说明，因为具有相同平均工作时间指标的系统，其实际可靠度可能差异很大。例如一套寿命为复合指数分布的并联冗余双工系统与一套寿命为指数分布的系统，假设具有相同的平均寿命，当系统规定的工作时间为系统平均寿命的十分之一时，后者的失效机会约比前者增大七倍多。论证产品的可靠性指标不能或难以维修产品例如：卫星、导弹和海缆18视间断使用或连续运行的不同，可维修系统对可靠性和维修性指标的考虑也有较大差别。如测量雷达、炮瞄雷达和部分军用电台等间断使用系统，可靠度或平均无故障工作时间应作为主要可靠性指标，而有些类型的测量仪表，虽然也是间断使用设备，但人们更关心的则是它们的利用率；对诸如广播、电视、通讯、卫星通讯地面站和港口管制雷达等连续运行系统，有效度应是它们的主要指标。论证产品的可靠性指标论证产品的可靠性指标视间断使用或连续运行的不同，可维修系统对可靠性和维修性指标的19论证了不同任务应选用的不同指标之后，继而要论证这些指标的高低。指标低了不能满足使用要求，乃至完全失去使用价值，甚至还会造成严重后果。军事装备的可靠性太低，不仅会丧失战机，而且还将处于被动挨打状态；民用设备，例如钢铁和化学工业自动控制系统的可靠性过低，将会发生冻结和爆炸事故。因此，从后果判断，后果严重的，可靠性指标应该高些，后果不严重的，指标可以低些。另一方面，可靠性指标定得过高，从使用角度来说虽然是有利的，但会造成额外经济损失，还会延长工程周期，所以也是没有必要的。论证产品的可靠性指标论证产品的可靠性指标论证了不同任务应选用的不同指标之后，继而要论证这些指标的高低20以黑白电视接收机为例，假设第一种电视机是由次品组装而成的，售价为50元，MTBF=100小时，第二种由正品经过筛选组装而成，售价为360元，MTBF=5000小时，第三种采用宇航级元器件组装，售价为1500元，MTBF上升到5万小时。无疑，第一种电视机虽然价格低廉，但故障率太高，平均不到一个月就可能发生一次故障，从收看效果、耽误的时间和支出的修理费用来看是得不偿失的；第三种电视机的性能价格比（此处指MTBF）最好，但人们一般不会支付这样高的代价去换取并不必要的高可靠性指标。论证产品的可靠性指标论证产品的可靠性指标以黑白电视接收机为例，假设第一种电视机是由次品组装而成的，售21考虑任务要求考虑任务要求在指标论证中，要注意被论证系统是独立地完成某种任务呢，抑或属于更大系统中的一个组成单元。对于后者，即完成任务的前提是整个大系统要完成任务，则其可靠性指标，应该根据大系统来分析和确定。如果被论证的系统与大系统内其他组成部分相比，在同样复杂程度下，其MTBF已经高出数倍以上，一般就不应再花大劲去提高它的指标要求了。论证产品的可靠性指标论证产品的可靠性指标考虑任务要求论证产品的可靠性指标22实际的可靠性指标试验方案：试验方案：1 检测值下限检测值下限 0 检测值上限检测值上限 dm 鉴别比鉴别比 使用方风险率使用方风险率 生产方风险率生产方风险率 一般为一般为0.21 检测值下限检测值下限=最低可标称值最低可标称值 （GJB450-88）0dm1为缩短试验时间，为缩短试验时间，dm可取大些，如可取大些，如 dm=3 规定值规定值25设计值设计值 即即:d1.250预计值：预计值：p=1.25d=1.2520=1.252dm1美国民兵导弹美国民兵导弹 规定值规定值 可靠度可靠度 0.9，投入使用时为：，投入使用时为：0.5，四年后，四年后 达到达到 0.7实际的可靠性指标试验方案：23可靠性模型的分析与建立可靠性模型的分析与建立可靠性模型的分析与建立24可靠性模型的组成可靠性模型的组成可靠性模型包括可靠性框图和可靠性数学模型二项内容。可靠性框图应与产品的工作原理图及功能框图相协调，功能框图表示产品中各单元之间的功能关系，而原理图则表示产品各单元之间的物理关系。可靠性框图用来简明扼要、直观地描述产品为完成任务的各种组合（串并联框图）。为了编制可靠性框图必须全面了解产品完成任务的定义及使用的任务剖面，并给出一般的和专门的假设。可靠性模型的组成可靠性模型包括可靠性框图和可靠性数学模型二项25可靠性数学模型从数学上建立可靠性框图与时间、事件和故障率数据的关系。这种模型的“解”就是所预计的产品可靠性。因此，可靠性数学模型应能根据可靠性试验和其他有关试验信息、产品配置、任务参数和使用限制等的变化进行及时修改；可靠性数学模型的输入和输出应与产品分析模型的输入和输出关系相一致。根据用途，可靠性模型可分为基本可靠性模型和任务可靠性模型。可靠性数学模型从数学上建立可靠性框图与时间、事件和故障率数据26基本可靠性模型与任务可靠性模型基本可靠性模型与任务可靠性模型基本可靠性基本可靠性定义为：定义为：产品在规定条件下无故障的持产品在规定条件下无故障的持续时间或概率。续时间或概率。这里的故障是指引起引起维修工作的事件或状态。这里的故障是指引起引起维修工作的事件或状态。这种故障可能影响这种故障可能影响,可能不影响产品完成任务的功可能不影响产品完成任务的功能。能。基本可靠性涉及维修人力，费用和后勤保障要求。基本可靠性涉及维修人力，费用和后勤保障要求。任务可靠性任务可靠性定义为：定义为：产品在规定的任务剖面内完成产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。规定功能的能力。从完成任务的角度看，危及任务成功的事件或状态从完成任务的角度看，危及任务成功的事件或状态才算故障。称之为致命性故障。才算故障。称之为致命性故障。基本可靠性模型与任务可靠性模型基本可靠性定义为：产品在规定条27基本可靠性模型基本可靠性模型是一个全串联模型。它用以估计产品及其组成单元引起的维修及后勤保障要求。因此，构成产品的所有单元都应包括在模型内，包括产品所有用于储备工作模式的单元，因为构成产品的任何单元发生故障后均需要维修及后勤保障。基本可靠性模型是一个全串联模型。它用以估计产品及其组成单元引28基本可靠性模型的详细程度应根据可以获得可用信息的产品层次（系统、分系统、设备、组件或零部件级）而定，而且其故障率或MTBF等效参数可用来估算维修及后勤保障对产品设计的影响。图2-1为美国海军F/A-18A战斗攻击机的基本可靠性模型的可靠性框图，从图中看出，该可靠性框图表示F/A-18A飞机上各个系统串联的模型。基本可靠性模型的详细程度应根据可以获得可用信息的产品层次（系29图2-1 F/A-18A飞机的基本可靠性框图图2-1 F/A-18A飞机的基本可靠性框图30任务可靠性模型任务可靠性模型是一种用来描述产品在执行任务过程中完成其规定功能的能力的模型，包括一个可靠性框图及其有关的可靠性数学模型。任务可靠性模型应能描述产品在完成任务过程中其各组成单元的预定作用，储备工作模式的单元在模型中反映为并联或旁联结构，因此复杂产品的任务可靠性模型往往是一个由串联、并联及旁联构成的复杂结构，图2-2是一个F/A-18A飞机的任务可靠性框图。任务可靠性模型是一种用来描述产品在执行任务过程中完成其规定功31图2-2 F/A-18A飞机的任务可靠性框图图2-2 F/A-18A飞机的任务可靠性框图32基本可靠性和任务可靠性的权衡基本可靠性和任务可靠性的权衡产品设计师的现任就是根据不同的任务要求，用基本可靠性模型及任务可靠性模型进行权衡，在满足规定要求的前提下，取得最优的设计方案。简化产品设计和采用高可靠性的元器件既可提高基本可靠性，又可提高任务可靠性，采用赢余设计只能提高任务可靠性而降低基本可靠性。基本可靠性和任务可靠性的权衡产品设计师的现任就是根据不同的任33应综合考虑基本可靠性和任务应综合考虑基本可靠性和任务可靠性：可靠性：当任务可靠性相同时，基本可靠性高好 若一个设计的基本可靠性比另一个高很多，即使任务可靠性稍低也是可取的 若一个设计的任务可靠性预计结果不能满足合同要求，往往降低基本可靠性以获得提高任务可靠性应综合考虑基本可靠性和任务可靠性：当任务可靠性相同时，基本34可靠性模型的建立可靠性模型的建立可靠性模型的建立35建立可靠性模型的目的及程序建立可靠性模型的目的及程序建立可靠性模型的目的是为了分配、预计和评估产品的可靠性。根据可靠性模型、工作循环和任务时间等信息，拟定数学表达式或计算机程序，利用这些表达式和程序，以及相应的故障率和成功概率的数据，可进行基本可靠性和任务可靠性的分配、预计和评估。建立可靠性模型的目的及程序建立可靠性模型的目的是为了分配、预36在产品设计初期就应建立产品可靠性模型，以有助于设计评审，并为产品的可靠性分配、预计和拟定纠正措施的优先顺序提供依据。当产品设计、环境要求、应力数据、故障率数据或寿命剖面发生重大变化时，应及时修改可靠性模型。下述步骤是建立可靠性模型的程序。在产品设计初期就应建立产品可靠性模型，以有助于设计评审，并为37第一步第一步 确定产品的定义确定产品的定义建立可靠性模型的前提是对与可靠性定义有关的产品定义的理解。对建立基本可靠性而言，产品的定义是简单的，构成产品的所有单元构成串联模型。然而，就任务可靠性模型的建立而言，产品可靠性模型及完成任务定义就可能成为一个复杂的问题，特别是对那些具有余度及储备工作模式的复杂多功能产品更是如此。适当的产品定义确定产品是否按规定要求使用，是否处于预定的工作环境，它的配置更改是否超出原有的要领以及是否完成其规定功能。建立可靠性模型的程序第一步 确定产品的定义建立可靠性模型的前提是对与可靠性定38产品的定义内容产品的定义内容完整的产品定义包括：完整的产品定义包括：确定产品的目的、用途及任务确定产品的目的、用途及任务规定产品的性能参数和允许极限规定产品的性能参数和允许极限确定产品的结构极限和功能确定产品的结构极限和功能确定产品故障判据确定产品故障判据确定产品的寿命剖面确定产品的寿命剖面 解 释建立可靠性模型的程序产品的定义内容完整的产品定义包括：解 释建立可靠性模39第二步第二步 绘制可靠性框图绘制可靠性框图绘制可靠性框图应依据以下八个原则：框图标题每个可靠性框图应该有一个标题，该标题包括产品的标志、任务说明及寿命剖面的有关部分，以及对工作方式的说明。规定条件每个可靠性框图应规定有关的限制条件。这些条件将影响框图形式的选择、可靠性参数或可靠性变量，以及影响绘制框图时所做的假设或简化。完成任务应该用专门的术语规定任务的完成，并确切地说明在规定的条件下，可靠性对产品完成任务的影响。建立可靠性模型的程序第二步 绘制可靠性框图绘制可靠性框图应依据以下八个原则：40方框顺序可靠性框图中的方框在串联环节中的相对位置是没有物理意义的,但是,为了表示工作过程中事件发生的顺序,应按一定的逻辑顺序排列。方框含义可靠性框图中的每个方框应只代表构成产品的一个功能单元，所有方框均应按要求以串联、并联、旁联或其组合形式连接。方框标志可靠性框图中的每一方框都应进行标志。为避免混淆，对具有许多方框的框图应按照有关编码系统的标准统一规定的代码进行标志。应专门说明在可靠性模型中未包括的产品中的硬件或功能单元。可靠性变量每个方框应规定可靠性变量，以表明每个方框完成其规定功能所需的工作时间（循环次数、或事件等），并用于计算方框的可靠性。建立可靠性模型的程序方框顺序可靠性框图中的方框在串联环节中的相对位置是没有物41总之，可靠性框图表示产品在寿命剖面中所有功能的相互关系及独立性。产品的所有储备及其他防止故障影响的措施也应在框图中表示出来，以便采用防止单点故障对更高一级的产品造成灾难性影响的措施。对每一工作阶段或每一工作模式需要绘制一个独立的可靠性框图，因为产品的用途及致命性可能随着任务阶段或工作模式的不同而变化。建立可靠性模型的程序总之，可靠性框图表示产品在寿命剖面中所有功能的相互关系及独立42 构画产品可靠性方框图示例构画产品可靠性方框图示例可靠性方框图只表明组成产品的分系统或组件可靠性方框图只表明组成产品的分系统或组件与产品的可靠性关系的连接，通常，它是产品与产品的可靠性关系的连接，通常，它是产品组成子系统或组件的串、并联的某种组合，但组成子系统或组件的串、并联的某种组合，但组件在串联环节中相对位置是没有物理意义的，组件在串联环节中相对位置是没有物理意义的，它只表明产品完成规定任务所必须保证的各功它只表明产品完成规定任务所必须保证的各功能组件的关系。能组件的关系。构画产品可靠性方框图示例可靠性方框图只表明组成产品的分系统43储备电源系统的原理图和可靠性框图储备电源系统的原理图和可靠性框图储备电源系统的原理图和可靠性框图44可靠性框图应注意的事项可靠性框图应注意的事项各方框之间的所有连线不具有可靠性值。这些连线只用来表示框图中各方框的连接关系，而不代表与产品有关的导线和连接器。导线和连接器作为一个独立的方框或构成一个单元或功能的一部分。不能与电路的串并联混淆 产品的所有输入在规定的极限之内。就故障概率而言，框图中一个方框所表示的单元或功能不受其他方框的影响。对于电子设备，若电路中采用可靠性并联结构或其他储备方式时，其框图的分解与绘制应表示这种结构。不可简单地以PCB板来区分。建立可靠性模型的程序可靠性框图应注意的事项各方框之间的所有连线不具有可靠性值。这45利用故障树分析（FTA），可以构划复杂的系统的可靠性框图，关于该部分，将另文介绍.利用故障树分析（FTA），可以构划复杂的系统的可靠性框图，关46第三步第三步 建立可靠性模型建立可靠性模型建模方法建模方法普普通通概概率率法法 利用普通的概率关系式，根据产品的可靠性框图建立可靠性数学模型。这种方法可用于单功能和多功能的系统。布布尔尔真真值值表表法法 利用布尔代数法，根据产品可靠性框图建立可靠性数学模型。这种方法比普通概率法麻烦，但在熟悉布尔代数的情况下，这种方法还是有用的。它适用于单功能及多功能的系统。建立可靠性模型的程序第三步 建立可靠性模型建模方法建立可靠性模型的程序47逻逻辑辑图图法法 利用逻辑图根据可靠性框图建立可靠性数学模型。这种方比普通概率法麻烦，但它是布尔真值表法的简化方法，通过各项合并来简化任务可靠度公式。蒙蒙特特卡卡罗罗模模拟拟法法 利用随机抽样方法根据可靠性框图进行可靠性预计。当已知产品中各单元的概率（或等效可靠性参数），但任务可靠性模型过分复杂，难以推导出一个可以求解的公式时，可采用蒙特卡罗模拟法。这种方法不是产生一个完成任务的通用公式，而是根据产品各单元的概率和可靠性框图，计算产品完成任务的概率。作为一个例子,下面用普通概率法来建立串联系统和并联系统的数学模型.建立可靠性模型的程序逻辑图法 利用逻辑图根据可靠性框图建立可靠性数学模型。这种48 串联系统串联系统定义:系统中的下属几个组件全部工作正常时，系统才正常；当系统中有一个或一个以上的组件失效时，系统就失效，这样的系统就称串联系统。串联系统的可靠性框图，就是下属几个组件的串联图。设系统下属组件的可靠度分别为 串联系统的框图为 串联系统定义:系统中的下属几个组件全部工作正常时，系统49用Ss和Si分别表示系统和单元的正常工作状态，则依据串联系统的定义,串联系统中正常事件是“交”的关系，逻辑上为“与”的关系，系统要正常工作,必须各子系统都正常工作,则有用Ss和Si分别表示系统和单元的正常工作状态，则依据串联系统50系统正常工作的概率为各单元概率之积，因此系统正常工作的概率为各单元概率之积，因此由于由于所以所以系统正常工作的概率为各单元概率之积，因此由于所以51 对于指数分布 对于指数分布52 并联系统并联系统设组成组件的可靠度分别为 相应组件的失效（故障）概率分别为并设并联系统的失效（故障）概率为 Qs定义定义:系统中的几个下属组件，只要其中一个工作正系统中的几个下属组件，只要其中一个工作正常，则系统就正常工作，只有全部组件都失效时，系常，则系统就正常工作，只有全部组件都失效时，系统才失效统才失效，这样的系统就称并联系统。并联系的可靠，这样的系统就称并联系统。并联系的可靠性方框图为性方框图为n个组件的并联图。个组件的并联图。并联系统设组成组件的可靠度分别为 定义:系统中的几个下53用用Ss和和Si分分别别表表示示系系统统和和单单元元的的正正常常工工作作状状态态，用用FS 和和 Fi表表示示系系统统和和单单元元不不正正常常工工作作,则则依依据据并并联联系系统统的的定定义义,并并联联系系统统中中不不正正常常事事件件是是“交交”的的关关系系，逻逻辑辑上上为为“与与”的的关关系系，系系统统要要不不正正常常工工作作,必必须须各各子子系系统统都都不不正正常常工工作作,则有则有用Ss和Si分别表示系统和单元的正常工作状态，用FS 和 F54系统不正常工作的概率为各单元不正常工作概率之积，因此由于所以系统不正常工作的概率为各单元不正常工作概率之积，因此由于所以55对于指数分布,若失效率用表示当当N个相个相同时，则同时，则对于指数分布,若失效率用表示当N个相同时，则56串联模型计算示例串联模型计算示例一种机载侦察及武器控制系统将完成6种专门的任务，每项任务的定义见表2-2，由于体积，重量及功率的限制，为了能够完成各项任务，每一任务专用的设备必须与其他任务专用设备组合使用。例如下表所示，为了完成任务E，必须由设备3、4及5一起工作。串联模型计算示例一种机载侦察及武器控制系统将完成6种专门的任57 整个任务时间为3h，为完成所有任务，要求在3h内所有设备都工作。某一设备可能同时保证几项任务成功求解：成功完成每项任务的概率？在3h中成功完成所有6项任务的概率？整个任务时间为3h，为完成所有任务，要求在3h内58可靠性基本理论(公式定义)ppt课件59值值得得注注意意的的是是，成成功功完完成成6项项任任务务的的概概率率Ps不不等等于于完完成成各各项项任任务务可可靠靠度度RA、RB、RC、RD、RE、RF的的乘乘积积。因因为为有有的的设设备备，如如设设备备1、设设备备2、设设备备3及及设设备备4具具有有多多功功能能。若若采采用用这这种种任任务务可可靠靠度度相相乘乘的的办办法法，将将会会使使某某些些设设备备多多次次参参加加计计算算，从从而而造造成成错错误误计计算算。这这是是一一个个典典型型的的多多功功能能部部件件的的例子例子,后面还会讲到。后面还会讲到。值得注意的是，成功完成6项任务的概率Ps不等于完成各项任务可60本本示示例例所所表表明明的的要要点点是是，多多任任务务或或多多工工作作模模式式系系统统的的可可靠靠度度应应该该用用各各个个任任务务的的可可靠靠度度表表示示。这这种种方方法法是是很很有有用用的的，因因为为它它使使我我们们能能够够评评价价系系统统研研制制过过程程中中各各种种能能力力的的状状态态，而而不不是是总总的的任任务务可可靠靠度度。例例如如，我我们们假假设设任任务务A及及B是是主主要要的的任任务务，我我们们知知道道在在3h中中有有88%的的可可能能性性会会成成功功完完成成2种种功功能能。然然而而，如如果果我我们们把把任任务务A及及B与与其其他他不不太太重重要要的的任任务务一一起起计计算算，我我们们只只了了解解到到整整个个系系统统有有68%的的机机会会可可能能完完成成任任务务。根根据据任任务务A及及B的的重重要要性性及及成成功功完完成成任任务务A及及B的的高高概概率率，将将有有利利于于管理部门决定继续研制该系统。管理部门决定继续研制该系统。本示例所表明的要点是，多任务或多工作模式系统的可靠度应该用各61循环工作的可靠性模型循环工作的可靠性模型在在现现实实生生活活中中，有有许许多多产产品品，如如飞飞机机的的起起落落架架和和电电冰冰箱箱的的压压缩缩机机，在在完完成成任任务务的的过过程程中中是是循循环环工工作作的的。这这些些产产品品的的故故障障率率定定义义为为循循环环故故障障率率或或开开关关故故障障率率cy，并并用用每每个个循循环环或或每每个个开开关关动作的故障数表示。动作的故障数表示。如果如果cy不随时间变化，那么该产品可靠度不随时间变化，那么该产品可靠度式中：C在完成任务过程中的循环次数。循环工作的可靠性模型在现实生活中，有许多产品，如飞机的起62示例示例假设在完成一项任务过程中，某产品需要循环动作100次，而且其故障率cy=5次故障/106循环，则其可靠度RC为示例假设在完成一项任务过程中，某产品需要循环动作100次，而63如如果果该该产产品品在在其其正正常常工工作作中中为为循循环环地地接接通通和和断断开开，而而且且在在工工作作时时产产品品的的故故障障率率为为on，不不工工作作时时的的故故障障率率为为off（on与与off均均用用每每小小时时的的故故障障数数表表示示），其其循循环环或或开开关关故故障障率率cy（用用每每个个循循环环的的故故障障数数表表示示），则则该该产产品品的的平平均均故故障障率率av,由由下下式表示式表示如果该产品在其正常工作中为循环地接通和断开，而且在工作时产品64式中：t任务时间（h）；cf循环或开关频率（循环/h）；tcy循环或开关过程中所占累积时间（h）；ton工作状态的累积时间（h）。则该产品的可靠度R(t)为式中：t任务时间（h）；65表决系统表决系统(n中取中取r系统系统)设有一个由按n个单元组成的系统，其中任意r个或r个以上正常工作系统就能正常工作。称为n中取r系统。其可靠性度为：下表表决系统(n中取r系统)设有一个由按n个单元组成的系统，其中66冷储备系统冷储备系统 冷冷贮贮备备系系统统或或称称非非工工作作贮贮备备系系统统，其其组组成成单单元元的的可可靠靠性性则则不不是是互互相相独独立立的的。冷冷贮贮备备系系统统在在工工作作单单元元失失效效后后，使使非非工工作作单单元元投投入入工工作作，而而这这个个贮贮备备的的非非工工作作单单元元在在投投入入工工作作之之前前是是处处于于良良好状态的。其可靠性方框图见下：好状态的。其可靠性方框图见下：冷储备系统 冷贮备系统或称非工作贮备系统，其组成单元的可靠性67系统的可靠性计算系统的可靠性计算方法概述（方法概述（1）一般的方法：经过由元件到组件，由组件到整机，由整机到系统这种逐级计算法，因为：整机包括并联贮备，元件数增加了，而整机的可靠必将有所提高，但按元器件失效率累加的系统失效增加了。同样的元件在不同的线路中使用，其可靠性也可能不同“系统”是广义的：系统对下属子系统或整机，整机对下属组件，组件对下属部件、元件等均可称为系统。系统的可靠性计算方法概述（1）一般的方法：经过由元件到组68系统可靠性的计算方法概述（方法概述（2）系统可靠性的计算方法很多，如数学模型法、真值表法、状态变换分析法、失效树法、贝叶斯法和蒙特卡罗法（Monte-Carlo Method）等。对各种方法的运用取决于产品的类型、已知的条件和要求。系统可靠性的计算方法，在整机和系统可靠性的定量计算中（如可靠性预计、可靠性分配和可靠性评定）都要用到，因此应引起重视；但在各种运用中，应注意各种方法的条件和适用对象。系统可靠性的计算方法概述（2）系统可靠性的计算方法很多，69串联、并联系统可靠性的计算串联、并联系统可靠性的计算由产品的可靠性框图，写出系统的可靠性数学表达式的方法很多。采用串联、并联系统可靠性公式进行化简是常用的方法。例，对下图(a)所示的系统，化成下图(b)所示的串联系统，若以小写字母代表各组件的可靠度时，化简后的、两个环节的可靠度表达式如下：串联、并联系统可靠性的计算由产品的可靠性框图，写出系统的可靠70化简后两个环节的可靠度表达式如下如果各组件可靠度为已知，代入其可靠度表达式，便可算出系统的可靠度。Rs=abfxy化简后两个环节的可靠度表达式如下如果各组件可靠度为已知，代入71多功能系统可靠性分析多功能系统可靠性分析对一个包括多种功能的复杂系统，或完成不同任务的可靠性命题，可分别构画出它们的可靠性框图，同时写出各自的可靠性数学表达式，然后再根据系统的要求进行综合。对于系统的下属组件只有一种功能者，或者各组件在时间上是相继工作的，即各组件不是同时使用的，都属于单一功能系统。多功能系统可靠性分析对一个包括多种功能的复杂系统，或完成不同72 系统下属组件包括多种功能者，则属于多功能系统。例如某一系统有两种功能，功能要求组件A或者B工作，功能要求组件B或者C工作，完成某一特定任务，要求功能、两种功能都正常。此系统功能和功能及完成任务的可靠性框图见下图。假定各组件可靠度已给出：ra=0.9，rb=0.8，rc=0.7 系统下属组件包括多种功能者，则属于多73功能可靠度计算如下：功能：R1=ra+rb-rarb=0.98功能：R2=rb+rc-rbrc=0.94应特别注意：RS0.980.94=0.9212因为系统中包括多功能组件B，系统的可靠度表达式中有共同的rb，这时应按逻辑代数的运算法则把系统可靠度表达式先化简，再代入数值计算：Rs=（ra+rb-rarb）（rb+rc-rbrc）逻辑代数中rbrb=rb，代入上式化简得：RS=rb+rarc-rarbrc =0.8+0.90.7-0.90.80.7=0.926功能可靠度计算如下：74温贮备系统的可靠性模型温贮备系统的可靠性模型温储备系统的储备单元处于轻载工作状态，不处于完全不工作状态，例如，若电子管的储备单元处于不工作状态，一旦要求投入工作，由于电子管灯丝需要预热，使系统会在一段时间内中断工作。为了避免这种情况，设计时通常加上灯丝电压，有时还需加上低于正常工作的阳极电压和假负载。这样，一旦要求投入工作，系统不会中断工作。另一方面，当设备处于比较恶劣的环境时，不工作储备单元的故障率要比轻载的故障率大得多，这时也必须使储备单元处于轻载工作状态。例如，处于潮湿环境中的电子设备，通电工作的故障率要比长期储存（不工作）的失效率低。温贮备系统的可靠性模型温储备系统的储备单元处于轻载工作状态，75设单元A的工作故障率为A,储备单元B的工作故障率为B、轻载储备故障率为B，参见下图。可求得其可靠度和MTBF是：设单元A的工作故障率为A,储备单元B的工作故障率为B、轻76两单元相同时当AB=、B,即，工作时A、B两单元工作故障率相同时，可求得：两单元相同时当AB=、B,即，工作时A、B77若检测和转换装置的故障率K不为零或不能忽略时若检测和转换装置的故障率K不为零或不能忽略时78逻辑代数和真值表法对于系统下属单元包括两种状态，即正常工作或失效的状态，可以采用逻辑代数和真值表法进行系统可靠性的计算。此法不仅适用于简单串、并联系统，也适用于复杂系统可靠性的计算。对单元的正常工作状态用逻辑“真”值”表示；失效状态用逻辑“假”值“0”表示逻辑代数和真值表法对于系统下属单元包括两种状态，即正常工作或79系统可靠性框图中的串联连接对应于逻辑“与”（AND），并联连接相当于逻辑“或”（OR）运算。这样处理之后，可以把可靠性数学表达式与逻辑代数方程建立一一对应的关系，从而可以建立系统可靠性框图对应组成系统单元的逻辑联接图。这样便把求解可靠度表达式变成求解逻辑代数方程问题了。可以利用计算机来计算系统的可靠性。系统可靠性框图中的串联连接对应于逻辑“与”（AND），并联802/3系统2/3系统81用真值表法求解系统可靠度表达式用真值表法求解系统可靠度表达式设有一个按A、B、C三个单元组成的系统，其中任意两个正常工作系统就能正常工作。对系统的“1”值选项求和即可得到系统的可靠度表达式为Rs=3r2-2r3excel用真值表法求解系统可靠度表达式设有一个按A、B、C三个单元组822.3 可维修系统的可靠性模型可维修系统的可靠性模型基本概念、假设及计算步骤基本概念、假设及计算步骤可维修系统系是指在执行任务期间允许进行维修的系统。这种系统通常有2个或更多的储备设备组成，只要在任务结束之前，至少还有一个设备正常工作，系统便允许进行维修。2.3可维修系统的可靠性模型基本概念、假设及计算步骤可83在一个由N个设备组成的系统中，存在着N+1个状态，它们分别为：状态N：所有设备是可工作的并正在工作。状态N-1：N-1个设备是可工作的并正在工作，一个设备已故障并在修理。状态N-2：N-2个设备是可工作的并正在工作，2个设备已故障并在修理，一次修理一个（单个修理），或一次修理多个（多个修理）。状态1：只有一个设备可工作并正在工作，其余的设备正在修理，单个或多个修理。状态0：所有设备已故障，没有设备在工作，系统已邦联而不能转离状态0。在一个由N个设备组成的系统中，存在着N+1个状态，它们分别为84为了便于获得系统的可靠度，通常给出下列假设：组成系统的各设备的故障率是恒定的，设备的修理率也是恒定的。系统工作开始时处于N状态（所有设备正常工作）。系统从一种状态到下一种状态的转移概率与系统的状态无关。系统的工作是连续的。为了便于获得系统的可靠度，通常给出下列假设：85由于设备的故障率由于设备的故障率及修理率及修理率均是恒定的，因此，均是恒定的，因此，如果设备在如果设备在t时刻正在工作，那么在时刻正在工作，那么在(t，t+t)中发中发生生1个或个或N个故障的概率为个故障的概率为:t+(t)2+(t)3+(t)N如如果果t很很小小，则则t的的幂幂更更小小，他他们们便便可可忽忽略略不不计计。因因此此，在在(t，t+t)中中发发生生多多于于1个个故故障障的的概概率率为为0，而发生，而发生1个或多个故障的概率为个或多个故障的概率为t。假假设设修修理理过过程程也也是是指指数数分分布布的的，于于是是大大部部分分故故障障可可以以在在短短时时间间内内修修理理好好，而而那那些些不不常常发发生生故故障障的的零零部部件需要更长的时间修理，因此修复率件需要更长的时间修理，因此修复率也是恒定的。也是恒定的。假假设设设设备备在在时时间间t尚尚未未完完成成修修理理，那那么么在在时时间间段段(t，t+t)中中完完成成一一次次修修理理的的概概率率为为t，而而且且在在(t，t+t)中完成一次或多次修理的概率也是中完成一次或多次修理的概率也是t。由于设备的故障率及修理率均是恒定的，因此，如果设备在t时86可维修系统可靠性的确定基本上可按下述可维修系统可靠性的确定基本上可按下述6个步骤进行：个步骤进行：确定可维修系统所有状态，如状态0、状态1、状态2等；列出在（t+t）时间段内每个状态的概率，即Pi(t+t)；用微分形式表示在第步中所列的概率；把第步得到的每一方程构成一组微分方程式；对第步得到的微分方程进行拉普拉斯变换，求解状态0的概率P0(t)；根据P0(t)计算可维修系统的可靠度Rs(t)=1-P0(t)可维修系统可靠性的确定基本上可按下述6个步骤进行：确定可维87思考题思考题列出下图所示系统的真值表并计算系统的可靠度Rs，设各子系统的可靠度全部为。答案：可求得：Rs=r5-r4-3r3+4r2思考题列出下图所示系统的真值表并计算系统的可靠度Rs，设各子88可靠性指标的分配可靠性指标的分配在研制具有可靠性指标要求的电子设备时，会在研制具有可靠性指标要求的电子设备时，会遇到可靠性指标的分配问题，它是可靠性预计遇到可靠性指标的分配问题，它是可靠性预计的逆过程，即在已知系统可靠性指标时，如何的逆过程，即在已知系统可靠性指标时，如何考虑和确定其组成单元的可靠性指标值。考虑和确定其组成单元的可靠性指标值。可靠性指标的分配在研制具有可靠性指标要求的电子设备时，会遇到89可靠性分配考虑的因素子系统复杂程度的差别子系统重要程度的差别子系统运行环境的差别子系统任务时间的差别子系统研制周期的差别对于个别研制周期长的单元，允许反复改进设计的时间较紧，在分配指标时应适当放宽。作为一项设计，除了满足性能和可靠性指标之外，还应满足如重量、体积、成本等一些要求。因此，如何在重量、体积和成本等一些限制条件下，使产品的可靠性分配方案更为合理，也是可靠性分配要考虑的问题之一。可靠性分配考虑的因素子系统复杂程度的差别90考虑复杂度和重要度的分配方法这 个 方 法 是 美 国 电 子 设 备 可 靠 性 顾 问 团（AGREE）首先提出来的，也称AGREE分配法。这个方法是假定设备的故障时间符合指数分布的。这一假设对大部分系统和整机均适合。各装置的基本组成单元数，反映了各装置的复杂程度。考虑复杂度和重要度的分配方法这个方法是美国电子设备可靠性顾问91重要度第i个装置的重要度定义如下：第i个装置的故障引起系统发生故障的概率为：重要度第i个装置的重要度定义如下：第i个装置的故障引起系统发92可靠度分配式可靠度分配式93讨论等分配方式等分配方式（子系统的MTBF分配值）考虑装置复杂度之后的分配方式考虑装置复杂度之后的分配方式（AGREE法）法）（子系统的MTBF分配值）（子系统的失效率分配值）讨论等分配方式考虑装置复杂度之后的分配方式（AGREE法）（94重要度的确定此式的含义是，引起系统故障的某装置的故障概率与该装置的故障概率之比若给不出确切的统计数值，还可用经验评分法确定之式中:di-对某装置的经验得分数，dic。c-总分值重要度的确定此式的含义是，引起系统故障的某装置的故障概率与该95计算示例计算示例96综合因子法综合因子法分配公式：Ci为分系统i的加权因子其中：其中：s为系统规定为系统规定失效率失效率i为分配给分系统为分配给分系统i的的失效率；失效率；t为任务持续时间；为任务持续时间；n为分系统数目；为分系统数目；Wi为分系统为分系统i的因子的因子之积；之积；ij为分系统为分系统i的第的第j个个因子；因子；m为所考虑因素的数为所考虑因素的数目。目。综合因子法分配公式：其中：s为系统规定失效率97本算法提供以下几种考虑因子：复杂性成熟性功能因子环境类别重要性其他因素 因子量值的确定可用专家评分法，一般取值为1到10本算法提供以下几种考虑因子：复杂性98按预计失效率等比例分配法按预计失效率等比例分配法这里讨论的是组成系统的各装置能进行可靠性预计时的分配方法。它适用于设计阶段的可靠度分配，子系统的寿命服从指数分布。约定：i 为第个装置的失效率预计值。i 为第个装置的失效率分配值s-系统失效率预计值。s-系统失效率指标值。并引入相对失效率（失效率之比值）按预计失效率等比例分配法这里讨论的是组成系统的各装置能进行可99分配公式在上式中：T为系统任务时间；ti为装置工作时间；Wi为装置的重要度；表示该装置的故障会导致系统故障的概率。若组成系统的各装置的失效率预计值都已得到，应首先利用系统可靠性计算方法，求出系统可靠度或系统失效率的预计值，并与要求的指标值进行比较。若系统失效率预计值（一般）小于或等于系统失效率指标值时，可不必进行可靠性分配，此时即可把各装置的失效率预计值作为各装置的失效率指标值。分配公式在上式中：T为系统任务时间；ti为装置工作时间；Wi100指数型串联系统指数型串联系统指数型串联系统失效率指标的分配公式串联系统各装置的MTBF值的指标分配公式.按系统可靠性框图进行分配法串联系统:组成串联系统的各装置的重要度均为1式中，m 为装置的MTBF预计值；ti为装置的工作时间；T为系统工作时间；Ms为系统的MTBF预计值；Ms为系统的MTBF指标值指数型串联系统指数型串联系统失效率指标的分配公式按系统可靠性101并联系统可靠性分配-两个单元相同时由两个相同单元组成的并联系统的不可靠度和可靠度分配公式为：按系统可靠性框图进行分配法并联系统可靠性分配-两个单元相同时由两个相同单元组成102并联系统可靠性的分配-两个单元不同时(a)按不可靠度等比例分配法,其不可靠度分配值为:(b)不按预计值等比例分配法先取一个单元的可接受值：q1 q1，而另一单元的不可靠度分配值为:按系统可靠性框图进行分配法并联系统可靠性的分配-两个单元不同时(a)按不可靠度等103串、并系统可靠性的分配串、并系统可靠性的分配 对于比较复杂的串、并联系统的可靠性分配，得不出如上述串联或并联系统那样简明的结论，其可靠性分配的结果取决于系统的可靠性结构。大体上可以利用可靠性框图化简的办法，反复利用串联或并联可靠性分配的关系式，最终化成一个串联或者并联的系统，然后利用上述一些办法得出分配的结果。串、并系统可靠性的分配 对于比较复杂的串、并104在限制条件下的可靠性分配在限制条件下的可靠性分配这里讨论的是在重量、体积和成本等限制条件（或称约束条件）下，使可靠度为极大值的分配；或者是在一定的可靠度要求下，使产品的重量、体积或成本为极小值的分配。这就是可靠性分配的最优化方法。通 常 采 用 的 方 法 有 拉 格 朗 日（Lagrangian）乘数法和数学规划法等，这里只讨论一下拉格朗日乘数法的方法。在限制条件下的可靠性分配这里讨论的是在重量、体积和成本等限制105令系统可靠度与组成装置的可靠度函数关系建立可靠度与体积、重量和成本等约束条件的数学表达式。约束条件式令系统可靠度与组成装置的可靠度函数关系约束条件式106引入拉格朗日乘数，作函数：式中的为待定常数。令函数对Ri的偏导数等于零，即为其极值存在的条件，获得K个方程。并同约束条件式联立，即可获得及Ri的值。引入拉格朗日乘数，作函数：式中的为待定常数。107