可靠性基础知识介绍

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,可靠性基础知识简介,一、可靠性的基本概念,1,、故障（失效）,故障（失效）的定义：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（可,修复），称故障。产品终止了规定功能（不可,修复），叫失效。故障通常是失效后的状态，,也有可能失效前就存在。,故障的分类,按故障出现的规律分：,偶然故障、损耗故障,；,按故障出现的结果分：,致命故障、非致命故障,；,按故障的统计特性分：,独立故障、从属故障,。,偶然故障,：由于偶然因素引起的故障。偶然故,障是随机的，无法控制，只能通过统计概率来,预测。,损耗故障,：是由于产品规定的性能随时间增加,而逐渐衰退所引起。,致命故障,：,完全丧失完成规定功能的能力，并,可能造成人或物的重大损失。,非致命故障,：不影响任务的完成，但会导致非,计划的维修。,独立故障,：由产品本身引起而又不能成为引起,其它器件故障原因的故障。,非独立故障,：其它产品故障引起的故障。,注意：评价产品可靠性的统计原则是：只统计,独立故障。,故障模式、故障机理,故障模式,：故障的表现形式，称故障模式；,故障机理,：引起故障的原因，称故障机理。,例：灯泡不能正常点亮，灯泡出现了故障，此,灯泡不能正常点亮的表现形式，就称为灯泡的,故障模式；引起灯泡不能正常点亮的原因是：,灯丝断路，灯泡内部发生了物理变化，这就是,灯泡不能正常点亮的故障机理。,2,、浴盆曲线,大多数产品故障概率随时间变化的曲线，呈浴,盆形状，故将故障率曲线，称“浴盆曲线”。,早期故障期,是产品刚刚投入使用的初期，此时故障率较高，,故障缺陷容易暴露，产品的早期失效一般是由,于设计缺陷、制作缺陷、材料缺陷、安装调整,不当等原因引起。,出现的早期故障可以通过加强工艺措施、质量,管理措施及环境应力筛选等设计措施加以防止。,偶然故障期,此时已将早期失效的故障降到最低，发生的故,障是由偶然因素引起，在此区域性能基本稳定,故障率趋于常数，,A,、,B,区是耗损期到来之前产,品的,主要使用期,。,出现的偶然故障，只能通过统计方法来预测。,耗损故障期,产品使用很长一段时间后，故障迅速上升，直,至极度。此时的故障主要由产品的老化、疲劳、,磨损、腐蚀等原因引起。,对耗损故障可通过实验数据分析耗损期到来的,起始拐点，并通过预防维修来延长产品的寿命。,二、可靠性的基本定义,1,、可靠性,可靠性定义：,产品在规定条件下、规定时间内、,完成规定功能的能力，称产品的可靠性。,产品可靠性分：固有可靠性、使用可靠性；基,本可靠性和任务可靠性。,固有可靠性,：是产品在设计、制造中形成的，,是产品自身的一种固有特性，也是可控的特性，,它源于产品的设计、制作者。,使用可靠性,：是产品在实际使用中，表现出的,一种性能和保持能力的一种特性。它不仅和产,品设计的固有可靠性有关，还和产品制作、操,作使用、维修保障各因素紧密相关。,基本可靠性,：产品在规定条件下无故障的持续,时间或概率，称基本可靠性。在评定产品基本,可靠性时，需统计所有故障。其中所有可维修,故障，决定着对维修人员的合理安排。,任务可靠性,：是产品在规定任务剖面内，完成,规定功能的能力。只考虑任务期间影响任务完,成的故障。,任务剖面是指产品完成特定任务时间内，所经,历的时间和环境的时序描述。此期间并非所有,故障都发生，并非所有故障都致命，任务期间,的所有产品故障将影响着任务的可靠性。,2,、维修性,维修性定义：产品在规定的条件下和规定的时,间内，按规定的程序和方法，保持和恢复执行,规定状态的能力，维修性的概率度量，称维修,度,M,。,维修性分：预防性维修、修复性维修。,预防性维修,：也称维护，是根据产品功能随时,间衰减的特性及可能出现的故障采取预防性措,施，以延长产品的寿命。,恢复性维修,：是产品发生故障后，使其产品尽,可能恢复故障前的状态。,产品可靠性和可维修性，是产品设计的两个重,要设计特性。在产品的方案论证、评审中，就,要对此提出要求，并落实到产品的设计中。,3,、可用性,可用性定义：在要求的外部资源得到保证的前,提下，产品在规定的条件下和规定的时刻或区,间内处于可执行规定功能状态的能力。简言之，,产品在任意时刻使用时，该产品此时表现的可,用能力，称产品的可用性。是可靠性、可维修,性和维修保障的综合反映。可靠性是通过延长,产品的工作时间提高产品可用性；维修性是通,缩短产品的停机时间提高产品可用性。,可用性分：固有可用性、使用可用性。可用性,的概率度量，称可用度,A,。,固有可用性,：不受外部资源的影响；,使用可用性,：受外部资源的影响。,4,、安全性,安全性定义：是不发生危险事件的能力。导致,以下后果发生的事件为危险事件：,人员伤亡；,财产损失；,环境破坏。,5,、全寿命周期费用,LCC,全寿命周期费用：是指在系统的整个寿命周期,内，为获取并维持系统的运营（包括处置）所,发生的全部费用。全寿命周期费用分布见图,1,。,图,1,1,、可靠度,R,产品在规定条件下、规定时间内、完成规定功能,的,概率度量，称可靠度。也就是产品功能随时间,保持预期寿命的概率大小，是时间的函数，一般,用,R,（,t,）表示。,R,（,t,）,=P,（,T,t,）,T:,产品发生的故障时间；,t:,产品的规定时间。,三、可靠性的常用度量,若产品的总数为,No,工作到时刻,t,产品发生的故,障数为,r,（,t,），产品在时刻,t,的可靠度观测值为：,例：设,t=0,时，有,10000,只灯泡投入工作，当,t=,365,天时，有,300,只灯泡坏了，计算工作一年后,灯泡的可靠度？,R,（,t,）,=0.97,例：某电子元件,110,个，在同样的条件下进行,试验，试验结果见下表，计算电子元件的可靠,度,R,（,t,）、累计故障（失效）分布函数,F,（,t,）,各是多少？见下表,1,：,表,1,：电子元件累计失效统计,序号,失效时间范围,h,失效数,累计数,r(t),仍在工作数,Ns,R(t),F(t),1,0,0,0,110,1,0,2,0,400,6,6,104,0.945,0.055,3,400,800,28,34,76,0.691,0.309,4,800,1200,37,71,39,0.355,0.645,5,1200,1600,23,94,16,0.145,0.855,6,1600,2000,9,103,7,0.064,0.936,7,2000,2400,5,108,2,0.018,0.982,8,2400,2800,1,109,1,0.009,0.991,9,2800,3200,1,110,0,0,1,2,、累计故障（失效）分布函数,F,是度量故障的指标。是产品在规定条件下、规定,时间内、不能完成规定功能的概率，为累计故障,（失效）分布函数，也称不可靠度。也是时间的,函数，一般用,F,（,t,）表示。,F,（,t,）,=P,（,T,t,）,可靠性与故障分布函数是两个对立的事件，其关,系式为：,R,（,t,）,+F,（,t,）,=1,F,（,t,）,=,由上例可知，计算灯泡的累计故障函数，即不,可靠度为：,F,（,t,）,=1-0.97=0.03,3,、故障概率密度函数,f,故障概率密度函数,f,（,t,），是累计故障分布函数,F,（,t,）的导数，它表示在,t,时刻后的一个单位时间,内产品发生故障的概率。,设在规定时间内，发生故障的产品数为,未,发生故障的产品数为 ，产品总数为 ，则,有：,，,是当,t=0,时，,f(t),的取值。,4,、故障率,故障率定义：产品工作到某时刻未发生故障，,在该时刻后的单位时间内发生故障的概率，称,为产品故障（失效）率，或称瞬时失效率。,产品故障率一般用,（,t,）表示。,r,（,t,）,:t,时刻后，,t,时间内发生故障的产品数；,t,：所取时间间隔。,Ns,（,t,）：在,t,时刻没有发生故障的产品数。,例：上述例题中，若一年后第一天灯泡又有,1,只,坏了，求此时的故障率。,已知：,t=1,天，,r(t)=1,只，,Ns(t)=10000-300=9700,此,时的故障率：,=,=0.000103/,天,低故障率的元器件，常以,/h,为故障的单位，,读为菲特（,Fit,）。如果产品故障服从,指数分布,时，产品的故障率,为常数，此时可靠度为：,一个由若干组成部分构成的复杂产品，不论组,成部分的故障是什么分布，只要在故障后即予,维修，且修后如新，则产品的故障分布就近似,为指数分布。,指数分布因其简单而得到较广泛的应用。常见,的分布形式还有威布尔分布、对数正态分布等。,R(t),、,F(t),、,f(T),之间的关系如下图所示：,5,、平均失效（故障）前时间,MTTF,设,No,个不可修复的产品，在同样的条件下进行,试验，测得其全部失效的时间为 平均,失效前的时间为：,对于不可修复的产品，产品失效前的工作时间，,就是产品的寿命时间。,MTTF,时间即为产品的平,均寿命时间。当产品服从指数分布时，则：,例：设有,5,个不可修复的产品进行寿命试验，它,们发生失效的时间分别是：,1000h,、,1500h,、,2000h,、,2200h,、,2300h,、计算该产品,MTTF,的,观测值？若已知产品服从指数分布，计算故障,率是多少？在平均寿命内的可靠度是多少？,=1000+1500+2000+2200+2300,5,=1800h,(t)=0.00056/h,R(t)=,例：有,100,个不可修复的电子产品进行试验，,在,500,小时内，,3,个坏掉了，到,600,小时时，又,有,2,个坏掉了，求,(t),在,500,小时这个时刻的故,障率？,已知：,t=500h,t=600-500=100,，,r(t)=2,，,Ns(t)=100-3=97,=2.062 /h,6,、平均故障间隔时间,MTBF,一个可修复产品使用中发生了,No,次故障，每次,故障修复后，又重新投入使用，测得每次故障,前工作持续时间为 其平均故障间隔时间,MTBF,为：,T,：为产品的总工作时间；,No,：发生故障次数。,对于完全可修复产品，寿命时间，就是相邻两,次故障间的工作时间，即无故障工作时间。因,修复后产品如新，一批产品发生了,No,次故障，,相当于,No,个新品工作到首次故障，因此：,当产品寿命服从指数分布时，,平均无故障时间,MTBF,：是衡量一个产品（尤其,是电器产品）可靠性的主要指标。单位为,“,小,时,”,。它反映了产品的时间质量，是体现产品在,规定时间内保持规定功能的一种能力。具体来说，,是指相邻两次故障之间的平均工作时间，也称为,平均故障间隔时间。,例：设有一个电子产品累计工作时间为,10,万小,时，共发生故障,50,次，计算该产品,MTBF,的观,测值。产品服从指数分布，其故障率是多少？,MTBF,内的可靠度是多少？,=2000h,由 可知，,(t)=,=,0.0005/h,；,R(t)=,=,7,、平均修复时间,MTTR,平均修复时间，是在规定的条件下，规定的时,间内，产品在任一规定的维修级别上，修复性,维修总时间与在该级别上被修复产品的故障总,数之比。,T,：是修复总时间；,n,：是修复次数。,例：某产品使用了,1810h,，其间发生,3,次故障，,第,1,次故障时间,3h,，第,2,次故障时间,8h,，第,3,次故障时间,2h,，计算该产品平均修复时间是,多少？,=4.33/h,平均修复时间,MTTR,，是度量产品维修性的重,要指标。,8,、贮存寿命,产品在规定条件下存储时，仍能满足规定质量,要求的时间长度，称为贮存寿命。产品出厂后,即使不工作，在规定的条件下存贮，产品也有,一个非工作状态的偶然故障率，非工作的偶然,故障率比工作故障率小的多，但贮存产品的可,靠性也在不断下降，因此，储存寿命是度量产,品存储可靠性的一个不可忽视的度量参数。,、可靠性设计的主要度量指标,产品可靠性设计的主要度量指标，见下表：,四、可靠性设计的基本方法,、可靠性设计的主要技术,1,、规定定量的可靠性要求；,2,、建立可靠性模型；,3,、可靠性分配；,4,、可靠性预计；,5,、可靠性设计准则；,6,、耐环境设计；,7,、元器件选用与控制；,8,、电磁兼容设计,9,、降额设计与热设计,1,、规定定性定量的可靠性要求,产品开发前规定定性或定量的可靠性指标，是,产品设计者进行产品固有可靠性的设计目标，,也是考核产品可靠性的主要依据。工程上常用,的可靠性指标为：平均故障间隔时间,MTBF,和,产品的使用寿命两个指标。,2,、建立可靠性模型,建立可靠性模型，是用以预计和评估产品可靠,性的模型；建立系统、分系统可靠性模型，便,于进行定量分配、估计、评价产品的可靠性。,可靠性模型，包括可靠性框图、可靠性数学模,型。,可靠性框图：产品中各单元之间的逻辑功能关,系，不同于产品原理图。产品原理图：是产品,各单元的物理关系。,可靠性模型包括：串联模型、并联模型、混联,模型、其它冗余模型等，典型可靠性模型如下,框图所示：,几种工程上常用的模型介绍如下：,串联模型,：,A,、产品可靠性串联框图：产品在功能上由,n,个,功能单元串接在一起，构成整个产品功能的系,统，称可靠性串联模型。,串联系统，在组成产品的所有单元中，任一单,元发生故障，都会导致整个产品的故障；只有,所有分系统都能正常工作时，系统才能正常工,作，这种可靠性系统，称产品的串联系统模型,。,单元,1,单元,2,单元,3,单元,n,产品电路原理图；可靠性框图：,B,、串联系统的数学模型,串联模型,：产品的可靠度是各功能单元的,乘积,：,产品的故障率是各单元故障率,之和,：,L,C,串联系统的可靠度是指所有单元都正常工作的,概率。因此，系统总的可靠度等于各单元可靠,度之积。应注意的是上述数学模型是基于各工,作单元彼此都相互独立（独立故障）。若不独,立，相关联单元的概率，用条件概率表述。,串联模型可靠度,Rs(t),、故障率,(t),计算举例：,例,1,：已知振荡器的电感、电容的故障率,振荡器的寿命服从指数分布，计算振荡器的故,障率,s(t),、,MTBF,、及可靠度,Rs(t),=,=,=,例,2,：假设一个产品由,10,个部件单元串联组成，,寿命服从指数分布，若每个部件工作,10000,小,时可靠度为,0.9,，计算产品工作到,10000,小时的,可靠度是多少,?,Rs(10000)=0.349,由上述串联数学模型计算可知：产品组成串联系,统的单元越多，产品的可靠性越低。因此在满足,可靠性要求的同时，尽量简化设计，减少部件数,量，多一个部件，就多一个故障概率。产品组,成并联系统的可靠性高于各组成单元的可靠性。,因此，为提高产品可靠性，应考虑产品的冗余,设计，也称工作贮备系统的设计。,并联模型,：,A,、可靠性并联框图,产品可靠性并联框图：产品在功能上由,n,个单,元,并接在一起构成整个产品的功能系统，称可,靠性并联模型。并联模型，组成产品的所有单,元同时工作时，只要有一个单元不发生故障，,单元,1,单元,2,单元,n,产品的整个系统就不会发生故障的系统，也就是,说只有当所有分系统均出现故障时，系统才出现,故障，这种称产品可靠性的并联模型，也称工作,贮备模型。,B,、并联系统的数学模型,并联模型,：并联系统的可靠度，大于各分系统的,可靠度。,并联系统的失效度，等于各分系统失效度的连乘,积。,并联模型可靠度,R,计算举例：,假设一个产品由,10,个部件并联组成，寿命服从,指数分布，若每个部件工作,10000,小时可靠度,为,0.9,，计算产品工作到,10000,小时的可靠度是,多少,?,=,Rs(10000)=0.9999999999,由并联系统可靠性计算可知，产品组成并联系,统的可靠性远大于各组成单元的可靠性。因此，,为提高产品的可靠性，应考虑产品的冗余设计，,也称工作贮备系统的设计。,、,混联模型,A,、,可靠性混联框图,产品在功能上，同时存在串联、并联单元的产,品系统，称产品可靠性混联模型。,B,、,混联系统的数学模型,单元,1,单元,2,单元,3,单元,6,单元,7,单元,5,单元,4,由下图所示的产品混联模型，计算产品可靠度,的数学模型是：,、,其它冗余系统模型,表决系统（,r/n,，,n,中取,r,系统）,组成产品系统的,n,个单元中，正常的单元数不小,于,r,，系统就不会出现故障，故障出现到一定数,量，才会引起系统失效，这样的系统称为表决,单元,1,单元,2,单元,n,r/n(G,）,系统，它是工作贮备系统的一种形式。,桥联系统,非工作贮备系统,K,故障检测,和转换装置,组成产品系统的各单元，只要有一个单元工作，,当工作单元故障时，通过转换装置接到另一个,单元继续工作，直到所有单元都故障时，系统,单元,1,单元,2,单元,n,才发生故障，此系统称为非工作贮备系统，也,称旁联系统、等待冗余系统。具体含义：是,1,1,3,、可靠性分配,可靠性分配,：在产品设计阶段，将产品可靠性,的定量要求，按规定的准则分配到规定产品的,不同层次的功能单元，称产品的可靠性分配。,在产品设计前，将产品可靠性总体指标由整体,到局部、由上一层到下一层逐一分解到各单元。,可靠性分配方法有：专家评分分配法、比例分,配法、等分配法、代数法、重要度分配法等多,种方法。常用的是评分分配法，分配参数是故,障率,(t),。,评分分配法考虑的主要影响因素是：,产品的复杂程度；产品技术的成熟度；,故障影响重要度；环境影响因素。根据上述,4,个不同因素的影响，考虑评分的高低。,例：假设有四个部件,A,、,B,、,C,、,D,组成的串联电,子系统，寿命服从指数分布，其可靠性指标为，,MTBF=500h,，试用评分法将可靠性分配到各部,件中。,计算系统规定的故障率：,请专家对四种影响因素进行评分，打分情况见,下表：,专家打分评价表,=8968=3456,4,、可靠性预计,可靠性预计,：是在设计阶段对系统的可靠性所,进行的定量估计。是根据系统组成的元件、部,件的可靠性数据，用可靠性模型来进行预计的。,可靠性预计方法主要有,2,种：,元器件计数法：适于产品开发早期，不需了,解元器件和逻辑关系进行的可靠性预计，预计,结果较粗糙。,应力分析法：用于产品具体开发阶段，元器,件信息了解较详细，预计结果较准确。可参照,GJB/Z 299C/MIL-HDBK-217F,国标进行,计算。,应力分析法计算步骤如下：,=2.50.51+160.71+5,2.51+1200.31+1000.51=122.2,上述为元件计数法可靠性预计计算举例。,可靠性分配，还有相似产品预计法、专家评分,法等方法，专家评分法在可靠性分配里已做了,详细介绍。,5,、可靠性设计准则,根据国标,GJB 450A-2004,产品可靠性工作通,用要求，在产品设计任务书中提出和规定产品,的可靠性设计要求和准则，确保产品可靠性设,计贯彻各环节的始终。,6,、耐环境设计,产品耐环境设计，包括：防潮设计、防霉设计、,热设计、抗冲击、振动设计、抗噪声设计等，,进行产品系统的可靠性设计，首先要确保产品,固有可靠性的耐环境设计。,7,、元器件选用与控制,元器件的固有可靠性，是由生产厂家研制和保,证的；元器件的使用可靠性是由使用单位的研,发人员保证的。国内外失效分析资料表明，有,相当多的元器件失效，并非元器件固有可靠性,不高，而是由于使用者对元器件的选用不当或,使用有误引起。因此只有正确选用、合理使用,元器件，才能保证产品设计的固有可靠性。为,此，要了解进厂元器件性能、使用稳定性、元,器件供货商质量保证手段，对元器件进行认真,筛选和选用，对失效元器件要进行认真分析，,找出失效的真正原因；元器件在制作和存贮中，,还要注意静电对元器件的影响，采取防静电措施。,8,、电磁兼容设计,EMC,设备、分系统、系统不会由于受到处于同一电,磁环境中其它设备的电磁辐射而导致性能降低,或故障；也不会由于自身的电磁辐射使处于同,一电磁环境中的其它设备、分系统、系统产生,不允许的性能降低或故障；这种满足国标对电,子设备或系统要求的电磁辐射和敏感度的,限值，,即电磁干扰,EMI,、电磁敏感性,EMS,的限值设计，,称产品的电磁兼容设计（,EMC,）。,9,、降额设计与热设计,系统设备的故障率，是与另、部件承受的应力,紧密相关，降低其承受的应力，将工作应力设,计在额定的应力值下，以提高设备的使用可靠,性，这种零、部件的降额使用设计，称降额设,计；,GB 1772-79,电子元器件可靠性国家标准，规,定了元器件失效等级，见下表，可在可靠性设,计时进行参考计算和分析。,元器件失效率等级划分,等级,代码,最 大 失 效 率,亚五级,Y,五级,W,六级,L,七级,Q,八级,B,九级,J,十级,S,系统设备的热失效是一种常见的失效模式，系,统设备的电失效，大部分是由于系统的热失效,所致。对防止系统设备的热失效进行的设计，,称热设计。热设计的重点，是通过器件的选择、,电路设计（包括容差设计、降额设计、温度漂,移设计等,),、结构设计来减少温度变化对性能带,来的影响，使产品性能在较宽的温度范围内，,稳定可靠的工作。热设计通常采用散热或冷却,的设计方法防止系统设备的热失效。散热的基,本设计措施有：传导、对流、辐射等几种方式。,可靠性设计的主要分析技术,当前最为实用、有效的可靠性分析技术是“,3F”,技术：,、故障模式、影响及危害度分析（,FMECA,）；,、故障树分析（,FTA,）；,、故障报告、分析及纠正措施系统（,FRACAS,）,“3F”,技术的主要用途为：在设计中使用,FMECA,、,FTA,，可及时发现和纠正设计缺陷，实施重点管,理。实施,FRACAS,，可彻底查明故障原因，采取,改进措施，防止故障在发生。,FMEA,、,CA,的基本概念,影响,FMECA,的因素,FMECA,的主要步骤,故障树主要的分析内容,维修性设计的主要内容,故障树的建立是做好的关键。故障树建,立的完善程度，将直接影响产品可靠性的定性,性分析和定量的计算结果。下面对如何建立故,障树做一简要介绍。,四、故障树建树简介,故障树常用的逻辑门为：逻辑“与”、逻辑“或”，,其它逻辑门在某种程度上，都可以转化为“与”,门和“或”门，常用的逻辑门符号见下表：,谢谢大家！,