可靠性基础知识

,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,*,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,*,可靠性工程基础知识,东北大学 孙志礼,可靠性工程基础,一 研究可靠性的重要意义,二 机械可靠性学科发展历史回顾,三 可靠性学科研究的范畴,四 可靠性定义及其特征量,五 可靠性中常用的概率分布,一 研究可靠性的重要意义,随着科学技术的发展，产品质量的含义也在不断地扩充。,以前产品的质量主要指产品的性能，即产品出厂时的质量，而现在产品的质量已不局限于产品性能这唯一的指标。,产品质量的定义：,满足使用要求所具备的特性，即适用性。,一 研究可靠性的重要意义,概括起来产品质量特性包括：性能、可靠性、经济性和安全性四个方面。,产品的质量首先是指产品的某种特性，这种特性反映着用户的需求。,一 研究可靠性的重要意义,性能：,产品的技术指标，是出厂时（,t,=0,）产品应具有的质量特性。显然，能出厂的产品就应满足性能指标,可靠性：,产品出厂后（,t,0,）所表现出来的一种质量特性，是产品性能的延伸和扩展,经济性：,在确定的性能和可靠性水平下的总成本，包括购置成本和使用成本两部分,安全性：,产品在流通和使用过程中保证安全的程度,一 研究可靠性的重要意义,可靠性占主导地位：,性能差，产品实际上是废品；性能好，也并不能保证产品的可靠性水平高,反之，可靠性水平高的产品在使用中不但能保证其性能的实现，而且故障发生的次数少、维修费用及因故障造成的损失也少、安全性也提高,由此可见，产品的可靠性是产品质量的核心，是生产厂家和用户努力追求的目标,一 研究可靠性的重要意义,与国际接轨、参与国际市场的竞争，进入国际经济的大循环圈，这是经济发展的必然,美国人曾预言：今后只有那些具有高可靠性指标的产品及其企业，才能在日益激烈的国际贸易竞争中幸存下来。,而日本人则断言：今后产品竞争的焦点是可靠性。,因此，产品的质量尤其是产品的动态质量（可靠性）就显得尤为重要。,一 研究可靠性的重要意义,此外，研究产品可靠性的意义还在于产品责任法,在美国等技术发达国家的产品责任法中规定：,只要是因产品缺陷、故障对用户造成的损失，制造者要承担法律和经济责任,据,1975,年美国,质量进展,杂志预测，由于产品责任问题，当年请求赔偿金额达,500,亿美元,在产品责任法中还规定：如果制造者能出示证明进行了可靠性设计和可靠性保证等活动的资料，可以排除责任。从这点也可看出研究产品可靠性的重要意义,二 机械可靠性学科发展历史回顾,形成这门学科的起源就是用传统的质量分析方法无法解释实际中出现的失效问题,第二次世界大战期间，美国空军由于飞行故障而损失的飞机为,21000,架，比被击落的多,1.5,倍；运往远东的作战飞机上的电子设备,60,在运输中失效，在储存期间有,50,发生失效；海军舰艇上的电子设备,70,因,“,意外,”,事故而失效。这些事实引起美国军方的高度重视，开始研究这些,“,意外,”,事故发生的规律，提出了可靠性的概念。,二 机械可靠性学科发展历史回顾,1952,年，美国军事部门、工业部门和有关学术部门联合成立了电子设备可靠性咨询组（简称,AGREE,）,1957,年，,AGREE,发表了著名的,“,军用电子设备的可靠性,”,报告。提出在研制及生产过程中对产品的可靠性指标进行试验、验证和鉴定的方法；在生产、包装、储存和运输等方面要注意的问题及要求等。,这个报告被公认为是电子产品可靠性理论和方法的奠基性文件。从此，可靠性学科才逐渐发展成为一门独立的学科,二 机械可靠性学科发展历史回顾,机械可靠性是可靠性学科的一个重要组成部分,对结构可靠性设计理论和方法的研究可以追溯到四十年代。,A.M.Freudenthal,教授是早期从事结构可靠性研究的代表人物之一。在,1947,年提出了用于构件静强度可靠性设计的应力,-,强度干涉模型,在此之后的二十几年中，他在结构可靠性与风险率的分析以及疲劳与断裂的研究等方面一直处于领先地位，发表了很多具有代表性的论著,二 机械可靠性学科发展历史回顾,由于影响机械设备和系统可靠性的因素众多，难以控制，而且产品批的数量较少，试验费用较大，所以机械可靠性设计在五十,六十年代没能全面展开,尽管如此，从事可靠性研究的学者还是做了大量的工作,E.B.Haugen,创造了统计代数运算，为可靠性设计的应用奠定了理论基础,二 机械可靠性学科发展历史回顾,疲劳破坏是机械零件的主要失效形式之一，据统计约有,80,的零件的失效都是疲劳破坏。因此受到广泛的重视,从六十年代开始，,F.B.Stulen,、,D.Kececioglu,和,A.M.Freudenthal,将应力,-,强度干涉模型用于疲劳强度的可靠性设计中。,在七十年代前后，,D.Kececioglu,、,E.B.Haugen,等人提出了一整套基于干涉模型的疲劳强度可靠性设计方法，并在工程上得到广泛的应用。,1980,年，,E.B.Haugen,出版了比较全面的概率机械设计专著,正象,E.J.Henley,、,H.Kumamoto,指出的那样，在七十年代，除了计算机和环境科学之外，可靠性、安全性和风险估计是发展较快的应用科学之一。,二 机械可靠性学科发展历史回顾,美国：,七十年代将可靠性技术引入汽车、发电设备、拖拉机和发电机等机械产品中,八十年代，美国罗姆航空研究中心专门作了一次非电子设备可靠性应用情况的调查分析，指出了非电子设备的可靠性设计非常困难,美国国防部可靠性分析中心（,RAC,）收集和出版了非电子零部件的可靠性数据手册,二 机械可靠性学科发展历史回顾,日本：,以民用产品为主，大力推进机械可靠性的应用研究,在日本科技联盟中设有一个机械工业的可靠性分科会，由企业的可靠性推进人员和院校教授组成,日本可靠性的研究主要强调实用，这就大大地促进了日本的机电产品可靠性水平的提高,二 机械可靠性学科发展历史回顾,前苏联：,对机械可靠性的研究十分重视，在其二十年的科技规划中，将提高机械产品的可靠性和寿命作为重点任务之一,机器可靠性和机床精度可靠性为代表,前苏联制定了很多以机械产品为主的国家标准，用以推进可靠性技术的应用,二 机械可靠性学科发展历史回顾,中国：,八十年代，我国开始重视机械可靠性的研究。从,1986,年起，原机电部已经发布了六批限期考核的机电产品可靠性指标的清单，前后共有,879,种产品已经进行了可靠性指标的考核。,二 机械可靠性学科发展历史回顾,在进行机械零件的可靠性设计时，强度分布的确定是非常重要的。强度数据的获得需要投入大量的人力、物力和财力，特别是疲劳强度的分布数据更是如此,对这项基础性工作，各国都非常重视，我国投入了大量的人力和经费，花费了几年的时间，获得了一批非常珍贵的疲劳试验数据，并经统计处理后给出了分布的统计参数供设计时使用,二 机械可靠性学科发展历史回顾,美国：,D.Kececioglu,等学者给出了指定应力下疲劳寿命的分布，并做了大量的材料试验,日本：,日本材料学会,1984,年出版了可靠性论文集，其中大部分都是报导关于金属材料及粉末冶金等材料的疲劳和断裂试验数据及统计处理结果,三 可靠性学科研究的范畴,可靠性学科就是定量的研究产品动态质量问题的一个学科。它对推动产品的设计、分析的现代化提供了必要的理论基础和分析方法,可靠性学科所包含的内容相当广泛，大致可包含三个方面：,可靠性数学基础,可靠性物理（失效分析）,可靠性工程,三 可靠性学科研究的范畴,（,1,）可靠性数学,可靠性数学主要是研究解决各种可靠性问题的数学模型和数学方法，它属于应用数学的研究范畴。涉及的面非常广，主要内容是概率论和数理统计、随机过程、运筹学、模糊数学等。需要说明的是随着可靠性学科的发展，可靠性数学已不是简单地应用现有的数学知识，而是在此基础上有了更广、更深入的研究，已经形成为一门相对独立的数学,三 可靠性学科研究的范畴,（,2,）可靠性物理（失效分析）,可靠性物理（失效分析）是研究失效现象及其机理和检测方法的学科。美国,Rome,航空发展中心（,RADC,）于六十年代初首先进行失效物理的研究，发展失效分析方法和技术，研究各种元器件的失效机理及失效模式，建立各种器件及材料失效的数学及物理模型,三 可靠性学科研究的范畴,（,3,）可靠性工程,可靠性工程是对产品（零件、部件、设备或系统）的失效现象及发生概率进行分析、预测、试验、评定和控制的边缘性工程学科。它的发展与概率论和数理统计、运筹学、系统工程、环境工程、价值工程、人机工程、计算机技术、失效物理学、机械学、电子学等学科有着密切的联系。,三 可靠性学科研究的范畴,需强调指出的是可靠性工程不仅重视技术，也非常重视管理。可靠性管理包括设计、生产和使用过程的管理，即全过程、全寿命期的管理,具体的可靠性管理包括制定可靠性计划，组织可靠性设计评审，进行可靠性认证，制定可靠性标准，确定可靠性指标等,三 可靠性学科研究的范畴,可靠性工程研究的对象包括电子和电气的、机械和结构的、零件和系统的、硬件和软件的可靠性设计、试验和验证。广义的可靠性包括维修性和有效性（可用性）,四 可靠性定义及其特征量,可靠性的定义：,产品在规定的条件下和规定的时间区间内，完成规定功能的能力。,理解这一定义应注意下列几个要点：,产品,规定的条件,规定的时间区间,规定功能,能力,四 可靠性定义及其特征量,“,产品,”,指作为单独研究和分别试验对象的任何元件、零件、部件、设备、机组等，甚至还可以把人的因素也包括在内。在具体使用,“,产品,”,这一词时，必须明确其确切含义,“,规定的条件,”,一般指的是使用条件，维护条件，环境条件，操作技术。如载荷、温度、压力、湿度、振动、噪声、磨损、腐蚀等。这些条件必须在使用说明书中加以规定，这是判断发生故障时有关责任方的关键,四 可靠性定义及其特征量,“,规定的时间区间,”,，可靠度是随着时间而降低，产品只能在一定的时间区间内才能达到目标可靠度。因此，对时间的规定一定要明确。需要指出的是这里所说的时间，不仅仅指的是日历时间，根据产品的不同，还可能是与时间成比例的次数、距离等。如应力循环次数、汽车的行驶里程等,四 可靠性定义及其特征量,“,规定的功能,”,，首先要明确具体产品的功能是什么，怎样才算是完成规定的功能。产品丧失规定的功能称为失效，对可修复产品也称为故障。怎样才算是失效或故障，有时是很容易判定的，但更多的情况是很难判定的。例如，对于某个齿轮，轮齿的折断显然就是失效；但当齿面发生了某种程度的磨损，对某些精密或重要的机械来说该齿轮就是失效，而对某些机械并不影响正常运转，因此就不能算失效。对一些大型设备来说更是如此。因此，必须明确地规定产品的功能,四 可靠性定义及其特征量,“,能力,”,只是定性的理解是不够的，应该加以定量的描述。产品的失效或故障具有偶然性，一个确定的产品在某段时间的工作情况并不能很好地反映该种产品可靠性的高低，应该观察大量该种产品的运转情况并进行合理的处理后才能正确的反映该种产品的可靠性。因此，这里所说的能力具有统计学的意义，需要用概率论和数理统计的方法来处理,四 可靠性定义及其特征量,可靠性的特征量：,表示产品总体可靠性水平高低的各种可靠性指标,可靠性特征量的真值是理论上的数值，实际中是不知道的。根据样本观测值经一定的统计分析可得到特征量的真值的估计值。估计值可以是点估计，也可以是区间估计。按一定的标准给出具体定义而计算出来的特征量的估计值称为特征量的观测值。,常用的可靠性特征量有可靠度、累积失效概率（或不可靠度）、平均寿命、可靠寿命、失效率等。,四 可靠性定义及其特征量,可靠度是产品在规定的条件下和规定的时间区间内，完成规定功能的概率。一般记为,R,，由于它是时间的函数，故也记为,R,(,t,),，称为可靠度函数。,如果用随机变量,T,表示产品从开始工作到发生失效或故障的时间，概率密度为,f,(,t,),，则该产品在某已指定时刻,t,的可靠度,可靠度,:,四 可靠性定义及其特征量,上述可靠度公式中的时间是从零算起的，实际使用中常需知道工作过程中某一段执行任务时间的可靠度，即需要知道已经工作,t,1,后再继续工作时间,t,2,的可靠度。,从时间,t,1,工作到,t,1,+,t,2,的条件可靠度称为任务可靠度,四 可靠性定义及其特征量,累积失效概率是产品在规定的条件下和规定的时间区间内未完成规定功能（即发生失效）的概率，也称为不可靠度。一般记为,F,或,F,(,t,),。,因为完成规定功能与未完,成规定功能是对立事件，按概率互补定理,不可靠度,:,四 可靠性定义及其特征量,平均寿命是寿命的平均值。对不可修复产品指失效前的平均时间，一般记为,MTTF,；对可修复产品则指平均无故障工作时间，一般记为,MTBF,。它们都表示无故障工作时间,T,的数学期望,E,(,T,),或简记为,若已知,T,的概率密度,f,(,t,),，则,平均寿命,:,四 可靠性定义及其特征量,可靠寿命是指定的可靠度所对应的时间，一般记为,t,(,R,),一般可靠度随着工作时间,t,的增大而下降。给定不同的,R,，则有不同的,t,(,R,),，即,式中,R,-1,R,的反函数，即由,R,(,t,)=,R,反求,t,。,可靠寿命的观测值是能完成规定功能的产品的比例恰好等于给定可靠度,R,时所对应的时间。,可靠寿命,:,四 可靠性定义及其特征量,失效率和失效率曲线,:,a.,失效率,失效率是工作到某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,，它也是时间,t,的函数，故也记为,(,t,),，称为,失效率函数。,按上述定义，失效率,它反映了,t,时刻产品失效的速率，也称为瞬时失效率,四 可靠性定义及其特征量,b.,失效率曲线,失效率曲线反映了产品总体整个寿命期失效率的情况。图,1-1,为失效率曲线的典型情况，有时形象地称为浴盆曲线。失效率随时间的变化可分为三部分：,四 可靠性定义及其特征量,（,1,）早期失效期，失效率曲线为递减型。产品投入使用的早期，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，以及调试、跑合、启动不当等人为因素所造成的。当这些所谓先天不良的失效后运转也逐渐正常，失效率趋于稳定。到,t,0,时失效率曲线已开始变平。,t,0,以前称为早期失效期。针对早期失效期的失效原因，应该尽量设法避免，争取失效率低且,t,0,短,四 可靠性定义及其特征量,（,2,）偶然失效期，失效率曲线为恒定型，即,t,0,到,t,1,间的失效率近似为常数。失效主要是由非预期的过载、误操作、意外的天灾以及一些尚不清楚的偶然因素所造成。由于失效原因多属偶然，故称为偶然失效期。偶然失效期是能有效工作的时间，这段时间称为有效寿命,四 可靠性定义及其特征量,（,3,）耗损失效期，失效率是递增型。在,t,1,以后失效率上升很快，这是由于产品已经老化、疲劳、磨损、蠕化、腐蚀等所谓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，如图,1-1,中的虚线所示，以延长有效寿命。当然，修复若需花很大的费用而延长寿命不多，则不如报废更为经济,四 可靠性定义及其特征量,可靠性特征量间的关系：,可靠性特征量中,R,(,t,),、,F,(,t,),、,f,(,t,),和,(,t,),是四个基本函数，只要知道其中的一个，则所有其它的特征量均可求的。,四 可靠性定义及其特征量,基本函数,五 可靠性中常用的概率分布,在可靠性设计中，主要的也是基础的工作是对数据进行统计处理，判定分布类型、估计分布参数，以获得寿命、应力、强度等分布，为产品可靠性的定量计算奠定基础。可靠性中常用的概率分如下所示。其中常用的分布函数表,（正态分布、,2,分布、,t,分布、,F,分布）和,函数表可查相关表,五 可靠性中常用的概率分布,均匀分布,u,(,a,b,),概率密度：,a,b,均值,E,(,X,),：,方差,D,(,X,),：,五 可靠性中常用的概率分布,正态分布,N,(,2,),概率密度：,均值,E,(,X,),：,方差,D,(,X,),：,x,0,2,五 可靠性中常用的概率分布,概率密度：,均值,E,(,X,),：,方差,D,(,X,),：,对数正态分布,ln,(,2,),或,lg,(,2,),x,0,五 可靠性中常用的概率分布,概率密度：,均值,E,(,X,),：,方差,D,(,X,),：,威布尔,分布,W,(,k,a,.,b,),x,a,k,0,b,0,五 可靠性中常用的概率分布,概率密度：,均值,E,(,X,),：,方差,D,(,X,),：,指数分布,e,(,),x,0, 0,五 可靠性中常用的概率分布,概率密度：,均值,E,(,X,),：,方差,D,(,X,),：,瑞利分布,R,(,),x,0,0,五 可靠性中常用的概率分布,概率密度：,均值,E,(,X,),：,方差,D,(,X,),：,分布（伽玛分布）,(,),x,0,五 可靠性中常用的概率分布,概率密度：,均值,E,(,X,),：,方差,D,(,X,),：,2,分布,2,(,),为正整数,五 可靠性中常用的概率分布,概率密度：,均值,E,(,X,),：,方差,D,(,X,),：,t,分布,t,(,),为正整数,0 , (,1),(,2),五 可靠性中常用的概率分布,概率密度：,均值,E,(,X,),：,方差,D,(,X,),：,F,分布,F,(,1,2,),(,2,2),(,2,4),x,0,贝塔,函数,:,1,2,为正整数,(,),函数，数值查表,谢 谢,2009,