质量管理学-可靠性概念

,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第七章 可靠性概念,7.1,可,可靠性,的,的基本,概,概念,一,、可靠,性,性工程,发,发展及,其,其重要,性,性,可靠性,工,工程发,展,展及其,重,重要性,例如，,美,美国的,宇,宇宙飞,船,船阿波,罗,罗工程,有,有700万只元,器,器件和,零,零件，,参,参加人,数,数达42万人，,参,参予制,造,造的厂,家,家达1万5千多家,，,，生产,周,周期达,数,数年之,久,久。象,这,这样庞,大,大的复,杂,杂系统,，,，一旦,某,某一个,元,元件或,某,某一个,部,部件出,现,现故障,，,，就会,造,造成整,个,个工程,失,失败，,造,造成巨,大,大损失,。,。所以,可,可靠性,问,问题特,别,别突出,，,，不专,门,门进行,可,可靠性,研,研究是,难,难于保,证,证系统,可,可靠性,的,的。,可靠性,工,工程的,重,重要性,主,主要表,现,现在三,个,个方面,：,：,1.高科技,的,的需要,2.经济效,益,益的需,要,要,3.政治声,誉,誉的需,要,要,总之，,无,无论是,人,人民群,众,众的生,活,活，国,民,民经济,建,建设的,需,需要出,发,发，还,是,是从国,防,防、科,研,研的需,要,要出发,，,，研究,可,可靠性,问,问题是,具,具有深,远,远的现,实,实意义,。,。,现代科,技,技迅速,发,发展导,致,致各个,领,领域里,的,的各种,设,设备和,产,产品不,断,断朝着,高,高性能,、,、高可,靠,靠性方,向,向发展,，,，各种,先,先进的,设,设备和,产,产品广,泛,泛应用,于,于工农,业,业、交,通,通运输,、,、科研,、,、文教,卫,卫生等,各,各个行,业,业，设,备,备的可,靠,靠性直,接,接关系,到,到人民,群,群众的,生,生活和,国,国民经,济,济建设,，,，所以,，,，深入,研,研究产,品,品可靠,性,性的意,义,义是非,常,常重大,的,的。,产品或,设,设备的,故,故障都,会,会影响,生,生产和,造,造成巨,大,大经济,损,损失。,特,特别是,大,大型流,程,程企业,，,，有时,因,因一台,关,关键设,备,备的故,障,障导致,工,工厂停,产,产，其,损,损失都,是,是每天,几,几十万,元,元甚至,几,几百万,元,元。因,此,此，从,经,经济效,益,益的来,看,看，研,究,究可靠,性,性是很,有,有意义,的,的。,研究与,提,提高产,品,品的可,靠,靠性是,要,要付出,一,一定代,价,价的。,从,从生产,角,角度看,，,，要增,加,加产品,的,的研制,和,和生产,的,的成本,。,。但是,，,，从使,用,用角度,看,看，由,于,于产品,可,可靠性,提,提高了,，,，就大,大,大减少,了,了使用,费,费和维,修,修费，,同,同时还,减,减少了,产,产品寿,命,命周期,的,的成本,。,。所以,，,，从总,体,体上看,，,，研究,可,可靠性,是,是有经,济,济效益,的,的。,从政治,方,方面考,虑,虑，无,论,论哪个,国,国家，,产,产品的,先,先进性,和,和可靠,性,性对提,高,高这个,国,国家的,国,国际地,位,位、国,际,际声誉,及,及促进,国,国际贸,易,易发展,都,都起很,大,大的作,用,用。,二、可,靠,靠性工,程,程的基,本,本内容,可靠性,工,工程涉,及,及面积,广,广，需,要,要从科,研,研、设,计,计、试,验,验、制,造,造、运,输,输、贮,存,存、直,到,到使用,和,和维护,等,等方面,，,，进行,研,研究和,实,实施的,工,工作。,1、,可,靠,性,基,本,理,论,可靠性数学与故障物理学；,集合论与逻辑代数；,概率论与数理统计；,图论与随机过程；,系统工程与人素工程学；,环境工程学与环境应力分析；,试验及分析基础理论。,7、,原,件,可,靠,性,制定原件可靠性；,元件失效分析与可靠性评价；,元器件及原材料的合理选择；,元器件的老化筛选；,元器件现场使用情况调查和反馈。,2、,可,靠,性,设,计,贮备设计和裕度设计；,降额设计和构件概率设计；,热设计、抗机械力设计；,防潮、腐蚀、盐雾、尘设计；,电磁兼容设计和抗辐射设计；,电磁兼容设计和抗辐射设计；,维修性设计和使用性设计；,质量、体积、重量和经济指标综合设计。,8、,系,统,可,靠,性,可靠性预计与分配；,失效模式效应与危害度分析；,事件树分析法(ETA)；,故障树分析法(FTA)；,可靠性综合评估。,3、,可试,靠验,性,环境试验；,寿命试验；,筛选试验。,9、,可教,靠育,性,举办各种可靠性学习班与讲座；,内外培训和内外考察；,专业技术会议；,出版可靠性刊物、可靠性教材。,4、,制造,质量控制手段和方法,10,可,靠,性,管,理,建立可靠性管理机构和研究机构；,制定可靠性管理纲要；,制定产品可靠性管理规范；,建立质量反馈制度；,开展产品可靠性评审。,5、,使靠,用性,的保,可证,使用和维护规程制定；,操作和维修人员培训；,安全性设计；,人-机匹配设计和环境设计。,6、,可,靠,性.,信,息,现场数据收集、分析、整理和反馈；,试验数据处理和反馈；,元器件失效率汇集和交换；,各种可靠性信息搜集和交流；,用户调查和反馈。,11、,可,靠,性,标,准,基础标准；,试验方法标准；,认证标准；,管理标准；,设计标准；,产品标准,可靠性,工,工程的,基,基本内,容,容,三、可,靠,靠性的,概,概念及,指,指标,1.,可,可靠性,可靠性,是,是指产,品,品在规,定,定的条,件,件和规,定,定的时,间,间内，,完,完成规,定,定的功,能,能的能,力,力。,2.,可,可靠性,指,指标,衡量产,品,品可靠,性,性的指,标,标很多,，,，各指,标,标之间,有,有着密,切,切联系,，,，其中,最,最主要,的,的有四,个,个，即,：,：,可靠度R(t)、,不可靠,度,度(或称故,障,障概率)F(t)、,故障密,度,度函数f(t),故障率(t)。,可靠性,指,指标,(1)可靠度R(t),把产品,在,在规定,的,的条件,下,下和规,定,定的时,间,间内，,完,完成规,定,定功能,的,的概率,定,定义为,产,产品的,“,“可靠,度,度”。,用,用R(t)表示：,R(t) =P(Tt),其中P(Tt)就是产,品,品使用,时,时间T大于规,定,定时间t的概率,。,。,若受试,验,验的样,品,品数是N0个，到t时刻未,失,失效的,有,有Ns(t)个；,失,失效的,有,有Nf(t)个。,则,则没有,失,失效的,概,概率估,计,计值，,即,即可靠,度,度的估,计,计值为,(7-1),如果仍,假,假定t为规定,的,的工作,时,时间，T为产品,故,故障前,的,的时间,，,，则产,品,品在规,定,定的条,件,件下，,在,在规定,的,的时间,内,内丧失,规,规定的,功,功能(,即,即发生,故,故障),的,的概率,定,定义为,不,不可靠,度,度(或,称,称为故,障,障概率,),)，用F(t)表示,：,：,F(t) =P(Tt),同样，,不,不可靠,度,度的估,计,计值为,：,：,(7-2),由于故,障,障和不,故,故障这,两,两个事,件,件是对,立,立的，,所,所以,R(t) +F(t) =1,(,(7-3,),),当N0足够大,时,时，就,可,可以把,频,频率作,为,为概率,的,的近似,值,值。同,时,时可见,可,可靠度,是,是时间t的函数,。,。因此R(t)亦称为,可,可靠度,函,函数,。,0R(t)1,可靠性,指,指标,(2),故,故障密,度,度函数f(t),如果N0是产品,试,试验总,数,数，Nf是时刻tt,+,+t,时,时间间,隔,隔内产,生,生的故,障,障产品,数,数，Nf(t)(N0t)称为tt+t时间间,隔,隔内的,平,平均失,效,效(故,障,障)密,度,度，表,示,示这段,时,时间内,平,平均单,位,位时间,的,的故障,频,频率，,若,若N0，,t0，,则,则频率,概率,。,。,也可根,据,据F(t)的,定,定义，,得,得到f(t)，即,(7-5),F(t)具有,以,以下性,质,质：,0F(t),1，且为增,函,函数。,可靠性,指,指标,(3),故,故障率(t),故障率(t)是衡量,可,可靠性,的,的一个,重,重要指,标,标，其,含,含义是,产,产品工,作,作到t时刻后,的,的单位,时,时间内,发,发生故,障,障的概,率,率，即,产,产品工,作,作到t时刻后,，,，在单,位,位时间,内,内发生,故,故障的,产,产品数,与,与在时,刻,刻t时仍在,正,正常工,作,作的产,品,品数之,比,比。(t)可由下,式,式表示,。,。,(7-6),式中dNf(t)为d t时间内,的,的故障,产,产品数,。,。,故障率,、,、故障,密,密度及,可,可靠度,之,之间的,关,关系,当N0时,(7-7),故障率,、,、故障,密,密度及,可,可靠度,之,之间的,关,关系,根据R(t)，F(t)，f(t),(,(t)的定,义,义，还,可,可以推,导,导出：,(7-8),失效率,曲,曲线,耗损失效期,t时间,偶然失效期,早期失效期,使用寿命,规定的失效率,(,t,),失效率,A,B,故障率,曲,曲线分,析,析,“浴盆曲,线,线”。,(a),早,早期故,障,障期：,产,产品早,期,期故障,反,反映了,设,设计、,制,制造、,加,加工、,装,装配等,质,质量薄,弱,弱环节,。,。早期,故,故障期,又,又称调,整,整期或,锻,锻炼期,，,，此种,故,故障可,用,用厂内,试,试验的,办,办法来,消,消除。,故障率,曲,曲线分,析,析,(b)正常工,作,作期：,在,在此期,间,间产品,故,故障率,低,低而且,稳,稳定，,是,是设备,工,工作的,最,最好时,期,期。在,这,这期间,内,内产品,发,发生故,障,障大多,出,出于偶,然,然因素,，,，如突,然,然过载,、,、碰撞,等,等，因,此,此这个,时,时期又,叫,叫偶然,失,失效期,。,。,可靠性,研,研究的,重,重点，,在,在于延,长,长正常,工,工作期,的,的长度,。,。,故障率,曲,曲线分,析,析,(c),损,损耗时,期,期：零,件,件磨损,、,、陈旧,，,，引起,设,设备故,障,障率升,高,高。如,能,能预知,耗,耗损开,始,始的时,间,间，通,过,过加强,维,维修，,在,在此时,间,间开始,之,之前就,及,及时将,陈,陈旧损,坏,坏的零,件,件更换,下,下来，,可,可使故,障,障率下,降,降，也,就,就是说,可,可延长,可,可维修,的,的设备,与,与系统,的,的有效,寿,寿命。,故障率,的,的单位,一,一般采,用,用10-5小时或10-9小时(称10-9小时为1fit)。,故障率,也,也可用,工,工作次,数,数、转,速,速、距,离,离等。,t,4%,2%,5%,7%,14%,68%,可靠性,指,指标,(4),平,平均寿,命,命,平均寿,命,命是指,产,产品从,投,投入运,行,行到发,生,生故障,的,的平均,工,工作时,间,间。对,于,于不维,修,修产品,又,又称失,效,效前平,均,均时间MTTF(Meantime to failure,),)，根,据,据数学,期,期望的,定,定义，,可,可得,(7-9),将(7,-,-1),式,式微分,，,，可得,(,(7,-,-10,),),代入(7-9,),)得,(7-11),当(t) =,常,常数,时,时，R(t)=e-t，所,以,以,(,(7,-,-12,),),对于可,维,维修产,品,品而言,，,，平均,寿,寿命指,的,的是产,品,品两次,相,相邻故,障,障间的,平,平均工,作,作时间,，,，称为,平,平均故,障,障间隔,时,时间MTBF(Meantime betweenfailure),，,，和MTTF有同样,的,的数学,表,表达式,：,：,(,(7,-,-13,),),当(t) =,常,常数,时,时，,(7-14),可靠性,指,指标,(5),有,有效度,对于可,修,修复产,品,品，只,考,考虑其,发,发生故,障,障的概,率,率显然,是,是不合,适,适的，,还,还应考,虑,虑被修,复,复的可,能,能性，,衡,衡量修,复,复可能,性,性的指,标,标为维,修,修度，,用,用M(t)表示。,维修度M(t),产,产品在,规,规定条,件,件下进,行,行修理,时,时，在,规,规定时,间,间内完,成,成修复,的,的概率,。,。,在维修,性,性工程,中,中，还,有,有维修,密,密度函,数,数m(t)、维,修,修率(t)，其,相,相互关,系,系有：,(7-15),(7-16),平均修,复,复时间,(,(MTTRMean timetoRepair)应,理,理解为,产,产品修,复,复时间,的,的数学,期,期望。,有,有：,(7-17),当(t)=常,数,数时，,对可修,复,复系统,，,，当考,虑,虑到可,靠,靠性和,维,维修性,时,时，综,合,合评价,的,的尺度,就,就是有,效,效度A(t)，它,表,表示产,品,品在规,定,定条件,下,下保持,规,规定功,能,能的能,力,力。,(7-18),MTBF反映了,可,可靠性,的,的含义,。,。,MTTR反映维,修,修活动,的,的一种,能,能力。,两者结,合,合固,有,有有效,度,度A(t),当考虑,后,后勤保,障,障、服,务,务质量,时,时，就,会,会在时,间,间序列,上,上出现,平,平均等,待,待时间,(,(MWTMeanWaittime)。,如,如果从,实,实际出,发,发，使,用,用有效,度,度A0应表示,为,为：,可靠性,指,指标,(6),重,重要度,若干个,部,部件组,成,成的系,统,统中，,每,每个部,件,件并非,等,等同重,要,要，在,可,可靠性,分,分析中,，,，一般,将,将各部,件,件在系,统,统中所,起,起的重,要,要程度,进,进行定,量,量描述,，,，用wj表示。,(7-20),显然，0wj1。这个重,要,要度是,从,从系统,的,的结构,来,来看部,件,件的重,要,要程度,，,，因此,它,它是结,构,构重要,度,度。,可靠性,指,指标,(7),复,复杂度,复杂度ci可以简,单,单地用,分,分系统,的,的基本,构,构件数,来,来表示,，,，即：,(7-21),其中：ni第i个分系,统,统的构,件,件数；,N系,统,统的构,件,件总数,；,；,n分,系,系统数,。,。,四、常,用,用寿命,分,分布函,数,数,1.指数分,布,布,指数分,布,布在可,靠,靠性领,域,域里应,用,用最多,，,，由于,它,它的特,殊,殊性，,以,以及在,数,数学上,易,易处理,成,成较直,观,观的曲,线,线，故,在,在许多,领,领域中,首,首先把,指,指数分,布,布讨论,清,清楚。,若,若产品,的,的寿命,或,或某一,特,特征值t的故障,密,密度为,(0，t0),则称t服从参,数,数的指数,分,分布。,f(t,),),t,R(t,),),t,(t,),),t,指数分,布,布,则有：,不,不,可,可靠度,(,(t0),可靠度,(,(t0,),),故障率,平均故,障,障间隔,时,时间,指数分,布,布例题,例7-1：一,元,元件寿,命,命服从,指,指数分,布,布，其,平,平均寿,命,命()为2000,小,小时，,求,求故障,率,率及,求,求可靠,度,度R(100)=,?,?R(1000),=,=?,解：,(,(小时,),),此元件,在,在100小时时,的,的可靠,度,度为0.95，而在1000小时时,的,的可靠,度,度为0.60。,指数分,布,布性质,指数分,布,布的一,个,个重要,性,性质是,无,无记忆,性,性。无,记,记忆性,是,是产品,在,在经过,一,一段时,间,间t0工作之,后,后的剩,余,余寿命,仍,仍然具,有,有原来,工,工作寿,命,命相同,的,的分布,，,，而与t无关(马尔克,夫,夫性)。这个,性,性质说,明,明，寿,命,命分布,为,为指数,分,分布的,产,产品，,过,过去工,作,作了多,久,久对现,在,在和将,来,来的寿,命,命分布,不,不发生,影,影响。,实际意,义,义?,在“浴,盆,盆曲线,”,”中，,它,它是属,于,于偶发,期,期这一,时,时段的,。,。,常用寿,命,命分布,函,函数,2.正态分,布,布,正态分,布,布在机,械,械可靠,性,性设计,中,中大量,应,应用，,如,如材料,强,强度、,磨,磨损寿,命,命、齿,轮,轮轮齿,弯,弯曲、,疲,疲劳强,度,度以及,难,难以判,断,断其分,布,布的场,合,合。,若产品,寿,寿命或,某,某特征,值,值有故,障,障密度,(t0，0，0),则称t服从正,态,态分布,。,。,正态分,布,布,则有：,不,不可,靠,靠度,可靠度,故障率,正态分,布,布计算,可,可用数,学,学代换,把,把上式,变,变换成,标,标准正,态,态分布,，,，查表,简,简单计,算,算,得出各,参,参数值,。,。,常用寿,命,命分布,函,函数,3.威布尔,分,分布,威布尔,分,分布应,用,用比较,广,广泛，,常,常用来,描,描述材,料,料疲劳,失,失效、,轴,轴承失,效,效等寿,命,命分布,的,的。,威布尔,分,分布是,用,用三个,参,参数来,描,描述，,这,这三个,参,参数分,别,别是尺,度,度参数，形状,参,参数、位置,参,参数，其概,率,率密度,函,函数为,：,：,(t，0，0),不同值的威布尔分布 （=2，=0）, =1/3, =1/2, =2, =1,f(t),t,不同,值,值的,威,威布尔,分,分布,（,（ ,=,=1,，,，=0）, =3, =1/2, =2, =1,f(t),t,=,=0, =0.5, =,-,-0.5,=,=1,f(t,),),t,不同,值的,威,威布尔,分,分布,（,（ ,=,=1,，,， ,=,=2,）,）,威布尔,分,分布,则有：,不,不可,靠,靠度,可靠度,故障率,威布尔,分,分布特,点,点,当和不变，,威,威布尔,分,分布曲,线,线的形,状,状不变,。,。随着的减小,，,，曲线,由,由同一,原,原点向,右,右扩展,，,，最大,值,值减小,。,。,当和不变，变化时,，,，曲线,形,形状随而变化,。,。当值约为3.5,时,时，威,布,布尔分,布,布接近,正,正态分,布,布。,当和不变时,，,，威布,尔,尔分布,曲,曲线的,形,形状和,尺,尺度都,不,不变，,它,它的位,置,置随的增加,而,而向右,移,移动。,威布尔,分,分布其,它,它一些,特,特点，1时，表,示,示磨损,失,失效；=1时，表,示,示恒定,的,的随机,失,失效，,这,这时为常数,；,；1时，表,示,示早期,失,失效。,当,当=1，=0时，,，,，为指,数,数分布,，,，式中,为,为平均,寿,寿命。,7.2系统可,靠,靠性模,型,型,可靠性,模,模型指,的,的是系,统,统可靠,性,性逻辑,框,框图(也称可,靠,靠性方,框,框图)及其数,学,学模型,。,。原理,图,图表示,系,系统中,各,各部分,之,之间的,物,物理关,系,系。而,可,可靠性,逻,逻辑图,则,则表示,系,系统中,各,各部分,之,之间的,功,功能关,系,系，即,用,用简明,扼,扼要的,直,直观方,法,法表现,能,能使系,统,统完成,任,任务的,各,各种串并旁联方,框,框的组,合,合。,逻辑图,和,和原理,图,图,了解系,统,统中各,个,个部分,(,(或单,元,元)的,功,功能和,它,它们相,互,互之间,的,的联系,以,以及对,整,整个系,统,统的作,用,用和影,响,响对建,立,立系统,的,的可靠,性,性数学,模,模型、,完,完成系,统,统的可,靠,靠性设,计,计、分,配,配和预,测,测都具,有,有重要,意,意义。,借,借助于,可,可靠性,逻,逻辑图,可,可以精,确,确地表,示,示出各,个,个功能,单,单元在,系,系统中,的,的作用,和,和相互,之,之间的,关,关系。,虽,虽然根,据,据原理,图,图也可,以,以绘制,出,出可靠,性,性逻辑,图,图，但,并,并不能,将,将它们,二,二者等,同,同起来,。,。,逻辑图,和,和原理,图,图的关,系,系,逻辑图,和,和原理,图,图在联,系,系形式,和,和方框,联,联系数,目,目上都,不,不一定,相,相同，,有,有时在,原,原理图,中,中是串,联,联的，,而,而在逻,辑,辑图中,却,却是并,联,联的；,有,有时原,理,理图中,只,只需一,个,个方框,即,即可表,示,示，而,在,在可靠,性,性逻辑,图,图中却,需,需要两,个,个或几,个,个方框,才,才能表,示,示出来,。,。,逻辑图,和,和原理,图,图,例如，,为,为了获,得,得足够,的,的电容,量,量，常,将,将三个,电,电器并,联,联。假,定,定选定,失,失效模,式,式是电,容,容短路,，,，则其,中,中任何,一,一个电,容,容器短,路,路都可,使,使系统,失,失败。,因此，,该,该系统,的,的原理,图,图是并,联,联，而,逻,逻辑图,应,应是串,联,联的。,逻辑图,和,和原理,图,图,例如，,为,为了获,得,得足够,的,的电容,量,量，常,将,将三个,电,电器并,联,联。假,定,定选定,失,失效模,式,式是电,容,容短路,，,，则其,中,中任何,一,一个电,容,容器短,路,路都可,使,使系统,失,失败。,因此，,该,该系统,的,的原理,图,图是并,联,联，而,逻,逻辑图,应,应是串,联,联的。,c,1,c,2,c,3,逻辑图,和,和原理,图,图,例如，,为,为了获,得,得足够,的,的电容,量,量，常,将,将三个,电,电器并,联,联。假,定,定选定,失,失效模,式,式是电,容,容短路,，,，则其,中,中任何,一,一个电,容,容器短,路,路都可,使,使系统,失,失败。,因此，,该,该系统,的,的原理,图,图是并,联,联，而,逻,逻辑图,应,应是串,联,联的。,c,1,c,2,c,3,c,1,c,2,c,3,可靠性框图,在建立,可,可靠性,逻,逻辑图,时,时，必,须,须注意,与,与工作,原,原理图,的,的区别,。,。 ,画可靠,性,性逻辑,图,图，首,先,先应明,确,确系统,功,功能是,什,什么，,也,也就是,要,要明确,系,系统正,常,常工作,的,的标准,是,是什么,，,，同时,还,还应弄,清,清部件A、B正常工,作,作时应,处,处的状,态,态,。,V,常开触,头,头继电,器,器,故障模,式,式：1、给,电,电后，,合,合不上,；,；,2、断,电,电后，,分,分不开,。,。,原理图,可靠性,框,框图,导管及,二,二个阀,门,门的原理图,和,和逻辑,图,图,阀门A,阀门B,流体,阀门A,阀门B,流体,原理图,A,B,A,B,可靠性,框,框图,由此可,见,见，系,统,统内各,部,部件之,间,间的物,理,理关系,和,和功能,关,关系是,有,有区别,的,的。如,果,果仅从,表,表面形,式,式看，,二,二个元,件,件像是,串,串联的,，,，如不,管,管其系,统,统的功,能,能如何,，,，把它,作,作为串,联,联系统,进,进行计,算,算就会,产,产生错,误,误。,随着系,统,统设计,工,工作的,进,进展，,必,必须绘,制,制一系,列,列的可,靠,靠性逻,辑,辑框图,，,，这些,框,框图要,逐,逐渐细,分,分下去,，,，按级,展,展开。,可靠性,逻,逻辑框,图,图按级,展,展开,a,b,d,c,e,4,2,1,3,5,C,L,R,X,X,D,D,系统级,分系统级,设备级,部件级,组件级,当我们,知,知道了,组,组件中,各,各单元,的,的可靠,性,性指标(如可靠,度,度、故,障,障率或MTBF等)即可由,下,下一级,的,的逻辑,框,框图及,数,数学模,型,型计算,上,上一级,的,的可靠,性,性指标,，,，这样,逐,逐级向,上,上推，,直,直到算,出,出系统,的,的可靠,性,性指标,。,。这就,是,是利用,系,系统可,靠,靠性模,型,型及已,知,知的单,元,元可靠,性,性指标,预,预计或,估,估计系,统,统可靠,性,性指标,的,的过程,。,。,系统可,靠,靠性模,型,型,图7-9 可靠性模型分类,可靠性模型,工作储备,非储备,非工作储备,旁联,串联,多数表决,并联,混联,混合,n中取r,简单,系统可,靠,靠性模,型,型,一、串,联,联模型,组成系,统,统的所,有,有单元,中,中任一,单,单元的,故,故障就,会,会导致,整,整个系,统,统故障,的,的系统,称,称串联,系,系统。,它,它属于,非,非贮备,可,可靠性,模,模型，,其,其逻辑,框,框图如,图,图所示,。,。,1,2,3,n,系统可,靠,靠性模,型,型(串联模,型,型),根据串,联,联系统,的,的定义,及,及逻辑,框,框图，,其,其数学,模,模型为,：,：,（,（7-22）,式中Rs(t),系,系统的,可,可靠度,；,；,Ri(t)第i个单元,的,的可靠,度,度。,系统可,靠,靠性模,型,型(串联模,型,型),若各单,元,元的寿,命,命分布,均,均为指,数,数分布,，,，即,（,（7-23）,式中s系,统,统的故,障,障率；,i各单元,的,的故障,率,率。,系统可,靠,靠性模,型,型(串联模,型,型),系统的,平,平均故,障,障间隔,时,时间为,(7-24),可见，,串,串联系,统,统中各,单,单元的,寿,寿命为,指,指数分,布,布时，,系,系统的,寿,寿命也,为,为指数,分,分布。,由于Ri(t)是个小,于,于1的数值,，,，由式(7-22)，它的,连,连乘积,就,就更小,，,，所以,串,串联的,单,单元越,多,多，系,统,统可靠,度,度越低,。,。由式(7-24)可以看,到,到，串,联,联单元,越,越多，,则,则MTBFs也越小,。,。,系统可,靠,靠性模,型,型,二、并,联,联模型,组成系,统,统的所,有,有单元,都,都故障,时,时，系,统,统才故,障,障的系,统,统叫并,联,联系统,，,，它属,于,于工作,贮,贮备模,型,型。其,逻,逻辑框,图,图如图,所,所示。,1,2,n,图7-11 并联模型,系统可,靠,靠性模,型,型(并联模型),根据并,联,联系统,定,定义逻,辑,辑框图,，,，其数,学,学模型,为,为,(,(7-25),式中Fs(t),系,系统的,不,不可靠,度,度；,Fi(t)第i个单元,的,的不可,靠,靠度。,系统可,靠,靠性模,型,型,三、n中取r模型(r/n,),),组成系,统,统的n个单元,中,中，不,故,故障的,单,单元数,不,不少于r(r为介于1和n之间的,某,某个数)系统就,不,不会故,障,障，这,样,样的系,统,统称为r/n系统。,它,它属于,工,工作贮,备,备模型,。,。,如四台,发,发动机,的,的飞机,，,，必须,有,有二台,或,或二台,以,以上发,动,动机正,常,常工作,，,，飞机,才,才能安,全,全飞行,，,，这就,是,是4中取2系统。,系统可,靠,靠性模,型,型（n中取r模型(r/n,),)）,当n个单元,都,都相同,时,时，其,可,可靠度,可,可按二,项,项展开,式,式计算,：,：,(7-29),式中n系,统,统的单,元,元数；,r系统正,常,常工作,所,所必须,的,的最少,单,单元数,。,。,系统可,靠,靠性模,型,型（n中取r模型(r/n,),)）,式中第,一,一项Rn(t)是n个单元,都,都正常,工,工作的,概,概率。,第,第二项,是,是(n-1)个单元,正,正常工,作,作，一,个,个单元,故,故障的,概,概率，前r+1项是r个单元,正,正常工,作,作(n-r)个单元,故,故障的,概,概率。,上式可,看,看出，,当,当r=1时即为,并,并联模,型,型，当r=n时即为,串,串联模,型,型。,系统可,靠,靠性模,型,型,四、,混,混合式,贮,贮备模,型,型,可靠性,逻,逻辑框,图,图如图,所,所示。,并串联,系统可,靠,靠性模,型,型,四、,混,混合式,贮,贮备模,型,型,可靠性,逻,逻辑框,图,图如图,所,所示。,串并联,系统可,靠,靠性模,型,型（混合式,贮,贮备模,型,型）,当各单,元,元相同,时,时，串,并,并联或,并,并串联,贮,贮备模,型,型如下,：,：,串并联,贮,贮备的,数,数学模,型,型为：,(,(7,-,-30,),),并串联,贮,贮备的,数,数学模,型,型为：,(,(7-31),Rs(t),t,并串联n=2,N=2,串并联n=2,N=2,单个元,件,件,混联模,型,型,例,五、多,数,数表决,贮,贮备模,型,型,n中取r模型,的,的一个,特,特殊情,况,况就是,多,多数表,决,决贮备,模,模型。,一个系,统,统将三,个,个以上,(,(必须,是,是奇数,),)并联,单,单元的,输,输出进,行,行比较,，,，把多,数,数单元,出,出现相,同,同的输,出,出作为,系,系统的,输,输出，,这,这就是,多,多数表,决,决贮备,系,系统。,表决器,（,（R1),R,1,R,2,R,3,旁联系,统,统,R,1,R,2,R,3,转换器,实际中,，,，系统,是,是比较,复,复杂的,，,，如果,系,系统可,靠,靠性框,图,图不能,分,分解成,上,上述的,几,几种模,型,型，可,用,用：,网络计,算,算法；,布尔直,值,值表法,；,；,部件状,态,态图示,法,法,最小路,集,集法；,全概率,分,分解法,等,等，,7.3,故,故障,模,模式、,影,影响分,析,析,故障模,式,式、影,响,响分析,(,(FailureMode EffectAnalysis),简,简称FMEA,，,，是一,种,种定性,的,的可靠,性,性分析,方,方法。,资料表,明,明这种,方,方法是,很,很有效,的,的，在,工,工程上,很,很有价,值,值。这,种,种方法,是,是找出,设,设计上,的,的潜在,缺,缺陷的,手,手段，,是,是设计,审,审查中,必,必须重,视,视的资,料,料之一,，,，是设,计,计者和,生,生产者,必,必须完,成,成的任,务,务。,通过分,析,析产品,所,所有可,能,能的故,障,障模式,来,来确定,每,每一故,障,障对人,员,员和系,统,统安全,、,、任务,成,成功、,系,系统性,能,能、维,修,修性、,维,维修要,求,求等的,潜,潜在影,响,响，并,按,按其影,响,响的严,重,重程度,及,及其发,生,生概率,，,，确定,其,其危害,度,度，找,出,出薄弱,环,环节，,以,以便采,取,取有效,的,的措施,消,消除或,减,减轻这,些,些影响,。,。,在FMEA基,础,础上增,加,加危害,度,度分析,（,（CA,）,）就形,成,成故障,模,模式、,影,影响及,危,危害度,分,分析(Failure ModeEffect andCriticalityAnalysis),，,，简称FMECA。,1.FMEA和FMECA的任,务,务,(1),列,列出,全,全部部,件,件的故,障,障模式,。,。,(2),分,分析对,系,系统功,能,能造成,的,的影响,和,和后果,。,。,(3),判,判断每,种,种故障,模,模式的,危,危害度,大,大小。,估,估计危,害,害度发,生,生的概,率,率。,(4)提出相,应,应对策,和,和建议,，,，进行,更,更改设,计,计、冗,余,余设计,，,，把潜,在,在的、,危,危害大,的,的故障,消,消灭在,设,设计阶,段,段。,2.,故,故障模,式,式,彻底寻,清,清失效,模,模式至,关,关重要,。,。,1）基,本,本故障,模,模式,（如：,提,提前启,动,动；在,规,规定时,刻,刻停机,失,失效；,在,在规定,时,时刻启,动,动失效,等,等。）,2）可能,发,发生的,故,故障模,式,式。,（如：,结,结构失,效,效(破损)；机械,上,上卡住,；,；振颤；不能,开,开（关,）,）；误,开,开（关,）,）；内,（,（外）,漏,漏；超,出,出允许,上,上（下,）,）限；,流,流动不,畅,畅；错误,动,动作；,提,提前（,滞,滞后）,运,运行；,输,输出量,过,过大（,小,小）；,电,电路开,（,（断）,等,等。）,3,、,、FMEA的,分,分析方,法,法,进行FMEA,的,的目的,是,是为了,研,研究产,品,品故障,对,对系统,工,工作所,产,产生的,后,后果和,影,影响，,并,并将每,一,一可能,的,的故障,模,模式按,其,其危害,度,度进行,分,分类，,并,并采取,必,必要的,纠,纠正措,施,施。,初步设,计,计阶段,进,进行FMEA,对设计,方,方案进,行,行评定,对多个,方,方案进,行,行比较,FMEA可以迅,速,速暴露,比,比较明,显,显的故障模式,确定单,个,个故障,。,。有些,故,故障略,加,加设计,更,更改消除,重复进,行,行FMEA,消除或,减,减少已,确,确定的故障模式的,影,影响,功能法,FMEA的基本,方,方法还,包,包括硬,件,件法。,采,采用哪,种,种分析,方,方法，,通,通常根,据,据设计,复,复杂程,度,度的不,同,同和可,利,利用的,数,数据的,差,差异来,确,确定。,硬件法,是,是列出,各,各个硬,件,件产品,，,，并对,它,它们可,能,能出现,的,的故障模式加,以,以分析,。,。功能,法,法认为,每,每个产,品,品用于,完,完成多,个,个功能。,4CA的,分,分析方,法,法,CA的目的,是,是按每,一,一故障模式的,危,危害度,类,类别及,该,该故障,模,模式的,发,发生概,率,率所产,生,生的综,合,合影响,来,来对其,分,分类，,以,以便全,面,面评价,各,各潜在故障模式的,影,影响。,进行危,害,害度分,析,析时，,要,要了解,严,严重程,度,度等级,，,，,表7-2,CA可以分,为,为定性,分,分析和,定,定量分,析,析两种,。,。在不,具,具有产,品,品故障,率,率数据,的,的情况,下,下，应,选,选择的,定,定性分,析,析法。,反之，,若,若有可,利,利用的,技,技术状,态,态数据,及,及故障,率,率数据,时,时，则,应,应以定,量,量的方,法,法计算,并,并分析,危,危害度,数,数值。,5FMECA实,施,施步骤,(1),定,定义系,统,统及功,能,能和性,能,能要求,；,；,(2),功,功能,级,级和系,统,统可靠,性,性框图,；,；,(3),确,确定潜,在,在的故,障,障模式,；,；,(4),功,功能,级,级的故,障,障模式,原,原因及,后,后一级,的,的影响,；,；,(5),如,如何,检,检测知,道,道各种,故,故障模,式,式的方,法,法；,(7)FMECA的,故,故障影,响,响的严,重,重程度,，,，确定,危,危害度,；,；,(6),针,针对故,障,障模式,、,、原因,、,、效应,，,，提出,可,可能的,预,预防措,施,施；,(8),估,估计故,障,障模式,的,的发生,概,概率范,围,围；,(9),为,为排除,故,故障或,控,控制风,险,险所需,的,的设计,更,更改或,其,其他措,施,施；,（10,）,）确定,采,采取改,进,进措施,或,或系统,其,其它属,性,性所带,来,来的影,响,响；,(,(11,),)填写FMEA和FMECA表格,。,。,格式见,表,表7-3和7,-,-4。,表7-3FMEA,装置名称：,代 号：,序 号：,分析者：,设计者：,日 期：,序,号,功,能,描,述,功,能,装,置,数,量,故,障,模,式,故,障,原,因,故障影响,故,障,检,测,可能,预防,措施,危,害,度,类,别,备,注,局,部,影,响,最,终,影,响,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,1,2,表7-4FMECA表,装置名称：,代 号：,序 号：,分析者：,设计者：,日 期：,序,号,功,能,描,述,功,能,故,障,模,式,危,害,度,类,别,故,障,原,因,故障,概率,及数,据源,产品,故障率,p,故障模,式频数,比,j,故障,影响,概率,j,工作时间,t,故障模,式危害,度,C,mj,产品,危害,度,C,r,备,注,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,1,2,.,产品故,障,障率p,可通过,可,可靠性,预,预计得,到,到。通,常,常来自,手,手册和,其,其他参,考,考资料,的,的故障,率,率是产,品,品的基,本,本故障,率,率b，使用,时,时应根,据,据需要,用,用应用,系,系数A、环境,系,系数E、质量,系,系数Q及所需,要,要的其,他,他系统,作,作修正,，,，其修,正,正方法,按,按下式,计,计算：,p=b（AEQ）,故障模,式,式频率,比,比,j是指产,品,品故障,模,模式j,出,出现故,障,障的百,分,分比。,各,各故障,模,模式的,频,频数比,可,可以从,故,故障率,数,数据或,以,以试验,及,及使用,数,数据推,导,导出来,。,。,故障影,响,响概率,j,j值是分,析,析人员,通,通过经,验,验判断,得,得出，,它,它是产,品,品以故,障,障模式j发生,故,故障而,导,导致系,统,统发生,故,故障的,条,条件概,率,率。,故障模,式,式危害,度,度Cmj,Cmj是产品,危,危害数,值,值的一,部,部分。,是,是产品,在,在特定,危,危害度,类,类别下,的,的那些,故,故障模,式,式中的,某,某一故,障,障模式,所,所具有,的,的危害,度,度数值,，,，可由,下,下式计,算,算：,Cmj=pjjt,产品危,害,害度Cr,Cr是指预,计,计将由,产,产品的,故,故障模,式,式造成,的,的某一,类,类型（,以,以产品,故,故障模,式,式的危,害,害度表,示,示）的,系,系统故,障,障的危,害,害度数,值,值。可,按,按下式,计,计算：,由此可,知,知，若,系,系统中,某,某产品,具,具有最,大,大的Cr值，则,表,表示该,产,产品是,系,系统中,应,应首先,采,采取改,进,进措施,的,的产品,。,。,7.4,可,可靠,性,性设计,基本确,定,定系统,固,固有可,靠,靠性,说,说,“,“基本,确,确定”,是,是因为,在,在以后,的,的生产,制,制造过,程,程还会,影,影响固,有,有可靠,性,性。该,固,固有可,靠,靠性是,系,系统所,能,能达到,的,的可靠,性,性上限,。,。其它,因,因素(,如,如维修,性,性设计,等,等)只,能,能保证,系,系统的,实,实际可,靠,靠性尽,可,可能地,接,接近固,有,有可靠,性,性。,我们不,能,能把可,靠,靠性设,计,计简单,理,理解只,是,是提高,系,系统的,可,可靠性,，,，应当,理,理解为,要,要在系,统,统的性,能,能、可,靠,靠性、,费,费用等,各,各方面,的,的要求,之,之间进,行,行综合,权,权衡，,从,从而得,到,到最优,设,设计。,表7-5,各,各种因,素,素对系,统,统可靠,性,性的影,响,响程度,固有可靠性,使用可靠性,影 响 因 素,影响程度,1 零、部件材料,2 设计技术,3 制造技术,4使用(运输、操作安装、维修),30%,40%,10%,20%,一、电,子,子类产,品,品可靠,性,性设计,思,思想,1.,电,电子元,件,件与电,路,路的容,差,差分析,电路容,差,差分析,技,技术也,就,就是电,路,路性能,参,参数稳,定,定性预,计,计技术,。,。对于,精,精度要,求,求高的,复,复杂系,统,统，性,能,能稳定,性,性问题,在,在系统,可,可靠性,中,中占很,重,重要的,地,地位,。,漂移退,化,化的原,因,因有三,种,种：,一、忽,略,略公差,；,；（,原因产,生,生的参,数,数偏差,是,是固定,的,的）,二、是,环,环境条,件,件；,（偏差,在,在许多,情,情况下,是,是可逆,的,的）,三、退,化,化效应,。,。（偏,差,差是不,可,可逆的,）,）,三次设,计,计”的,主,主要内,容,容,第一次,设,设计,系统,设,设计(,或,或功能,设,设计),：,：,第二次,设,设计,参数,设,设计(,或,或质量,设,设计),：,：,第三次,设,设计容差设,计,计(裕度设,计,计或敏,感,感度分,析,析)：,容差设,计,计是“,三,三次设,计,计”中,最,最重要,的,的一环,。,。,“三类元,件,件制造,一,一类整,机,机”,2.,电,电磁兼,容,容设计,电磁兼,容,容性指,的,的是：,设,设备、,分,分系统,、,、系统,不,不会由,于,于受到,处,处于同,一,一电磁,环,环境中,其,其它设,备,备的电,磁,磁辐射,而,而导致,性,性能降,低,低或故,障,障；也,不,不会由,于,于自身,的,的电磁,辐,辐射使,处,处在同,一,一电磁,环,环境中,的,的其它,设,设备、,分,分系统,、,、系统,产,产生不,允,允许的,性,性能降,低,低或故,障,障。,3.,潜,潜在电,路,路分析,系统发,生,生故障,，,，有时,并,并非由,于,于元、,部,部件损,坏,坏、参,数,数漂移,、,、电磁,干,干扰等,原,原因所,造,造成，,而,而是由,于,于系统,的,的“潜,在,在电路,”,”作用,造,造成的,。,。所谓,“,“潜在,电,电路”,指,指的是,在,在某种,条,条件下,。,。电路,中,中产生,的,的不希,望,望有的,通,通路，,它,它的存,在,在会引,起,起功能,异,异常或,抑,抑制正,常,常功能,4.,热,热设计,热设计,就,就是要,考,考虑温,度,度对产,品,品影响,的,的问题,。,。热设,计,计的重,点,点是通,过,过器件,的,的选择,、,、电路,设,设计(,包,包括容,差,差与漂,移,移设计,和,和降额,设,设计等,),)及结,构,构设计,来,来减少,温,温度变,化,化对产,品,品性能,的,的影响,，,，使产,品,品能在,较,较宽的,温,温度范,围,围内可,靠,靠地工,作,作。,热设计,通,通常采,用,用散热,或,或冷却,方,方法。,散,散热的,基,基本设,计,计措施,有,有：传,导,导、对,流,流、辐,射,射等几,种,种方式,。,。,二、机,械,械类产,品,品可靠,性,性设计,思,思想,安全系,数,数法（,许,许用应,力,力法）,结构承,受,受外载,荷,荷后，,由,由计算,得,得到工,作,作应力,应小,于,于该结,构,构件的,许,许用应,力,力,，即,其中lim为材料,的,的极限,应,应力；,n为预定,的,的设计,安,安全系,数,数。,强度概,率,率计算,法,法的基,本,本理论,基本出,发,发点：,认为零,件,件材料,的,的强度c是服从,于,于概率,密,密度函,数,数f(c)随机变,量,量，而,作,作用于,零,零件危,险,险截面,上,上的工,作,作应力s，是服从,于,于概率,密,密度函,数,数g(s)的随机,变,变量。,g(s),f(c),f(c),c,s,c,s,g(s,),),概率密,度,度曲线,不,不重叠,。,。工作,应,应力大,于,于零件,强,强度的,概,概率等,于,于零。,如,如用安,全,全系数,的,的概念,来,来表达,，,，则计,算,算安全,系,系数小,于,于1的,概,概率等,于,于零，,即,即,P(sc)=0,P(n计1),=,=0,具有这,样,样强度应力关,系,系的机,械,械零件,是,是安全,的,的，不,会,会发生,强,强度破,坏,坏。,g(s),f(c),f(c),c,s,c,s,两概率,密,密度曲,线,线有相,互,互重叠,的,的部分,。,。虽然,工,工作应,力,力的平,均,均值s仍远小,于,于极限,应,应力(强度)的平均,值,值c，但不能,绝,绝对保,证,证工作,应,应力在,任,任何情,况,况下都,不,不大于,极,极限应,力,力。,虽然以,均,均值计,算,算的安,全,全系,数是大,于,于1的,，,，但从,上,上分析,可,可见，,仍,仍不能,保,保证100%,的,的安全,。,。,对于机,械,械零件,的,的疲劳,强,强度，,零,零件的,承,承载能,力,力将随,时,时间而,衰,衰减，,f(c,),),s,c,g(s,),),c,s,t,概率密,度,度函数,联,联合积,分,分法,零件破,坏,坏的概,率,率为：P(sc)，即,当,当零件,材,材料的,强,强度c小于零,件,件工作,应,应力s时，零,件,件发生,强,强度破,坏,坏。,曲线f(c)以下，a-a线以左(即变量c小于s时)的面积,，表,示,示零件,的,的强度,值,值小于s的概率,，,，它按,下,下式计,算,算：,g(s,),),f(c,),),f(c,),),c,s,c,s,s,ds,曲线g(s)下，位,于,于s到s+ds之间的,面,面积，,它,它代表,了,了工作,应,应力s处于ss+ds之间概,率,率，它,的,的大小,为,为g(s)ds。,零件的,强,强度和,工,工作应,力,力两个,随,随机变,量,量。根,据,据概率,乘,乘法定,理,理：,P(AB)=P(A)P(B),所以乘,积,积f(c)g(s)ds即为对,于,于确定,的,的s值时，,零,零件中,的,的工作,应,应力刚,刚,刚大于,强,强度值,的,的概率,。,。,把应力s值在它,一,一切可,能,能值的,范,范围内,进,进行积,分,分,当f(c)和g(s)服从指,数,数分布,或,或正态,分,分布时,，,，计算,量,量不是,很,很大。,三、系,统,统可靠,性,性预计,和,和分配,系统可,靠,靠性预,计,计和分,配,配是可,靠,靠性设,计,计的重,要,要任务,之,之一，,它,它在系,统,统设计,的,的各阶,段,段,(如方案,论,论证、,初,初步设,计,计及详,细,细设计,阶,阶段),要反复,进,进行