现代质量工程-3可靠性设计(63)讲

1现代质量工程制造系统与质量工程研究所西安交通大学2五、面向质量的设计—可靠性设计最早的可靠性定义是由美国AGREE在1957年的报告中提出。1966年美国的MILSTD-721B又较正规的给出了传统的或经典的可靠性定义：“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”。3五、面向质量的设计—可靠性设计产品的可靠性一般可分为固有可靠性和使用可靠性。产品固有可靠性是产品在设计、制造中赋予的，是产品的一种固有特性，也是产品的开发者可以控制的；产品使用可靠性则是产品在实际使用过程中表现出的一种性能的保持能力的特性，它除了考虑固有可靠性的影响因素之外，还要考虑产品安装、操作使用和维修保障等方面因素的影响。4五、面向质量的设计—可靠性设计系统的失效规律早期失效期。发生在产品使用的初期，特别是“磨合”阶段。其特点是故障发生概率大，但失效率随时间的增加而迅速下降。故障发生的原因是产品内部存在缺陷和工艺质量欠佳。设计的主要任务是找出原因，采取措施，使失效率尽快稳定下来。5五、面向质量的设计—可靠性设计系统的失效规律偶然失效期是产品的正常工作时期，此时产品的失效是随机的，失效率基本是一常数。这一阶段的失效是不能预测的，事前更换元件也是无效的。6五、面向质量的设计—可靠性设计系统的失效规律耗损失效期。耗损失效是由于系统老化、疲劳、耗损所造成的失效，出现在系统工作的后期，表现为失效率迅速上升，直至报废。改善损耗失效的方法在于不断提高零部件的使用寿命，或及时更换即将失效的零部件，从而延长产品的使用寿命。7五、面向质量的设计—可靠性设计系统可靠性设计目的就是在综合考虑产品的性能、可靠性、费用和时间等因素的基础上，通过采用相应的可靠性设计技术，使产品在寿命周期内符合所规定的可靠性要求。系统可靠性设计往往是从设计系统的可靠性逻辑框图入手，建立组成系统的各单元间的可靠性数学模型，然后进行系统可靠性预测或通过可靠性分配确定每个功能单元的可靠性指标。在此过程中揭示系统的薄弱环节，运用可靠性设计技术提高系统的可靠性指标，保证系统的固有可靠性达到设计要求。8五、面向质量的设计—可靠性设计系统可靠性主要特征量不可维修（失效后无法修复或不修复，仅进行更换）产品可靠度、不可靠度、失效率、失效概率密度、平均寿命和可靠寿命可维修（发生故障后经修理或更换零件即恢复功能）产品维修度、维修率、维修密度、平均维修时间和可用度等。9五、面向质量的设计—可靠性设计可靠度与不可靠度通常用R表示可靠度R(t)称为可靠度函数，它表示在规定的使用条件下和规定的时间内，无故障地完成规定功能而工作的产品占全部工作产品的百分比，故其取值范围为[0，1]。R(t)可靠度可以描述为产品正常工作时间的概率分布)(}{)(tTPEptRt010五、面向质量的设计—可靠性设计可靠度与不可靠度对于不可修复的产品，可靠度的观测值是指直到规定的时间，能完成规定功能的产品数与在该区间开始时刻投入工作的产品数之比。N为开始时刻投入工作产品数；Ns(t)为到t时刻完成规定功能产品数；Nf(t)为到t时刻未完成规定功能产品数NtNNtNtRfs)(1)()(11五、面向质量的设计—可靠性设计可靠度与不可靠度不可靠度F，表示产品在规定的条件下和规定的时间内不能完成规定功能的概率，因此又称为累积失效概率。累积失效概率F也是时间t的函数，故又称为累积失效概率密度函数或不可靠度函数，记为F(t)。1)()(tFtR)()(1)(tTPtRtF12五、面向质量的设计—可靠性设计失效概率密度函数失效概率密度函数f(t)是累积失效概率F(t)的导数ttRttFtfd)(dd)(d)(t0d)()(ttftFtt0d)(d)(1)(1)(ttfttftFtR13五、面向质量的设计—可靠性设计失效率失效率（又称故障率，瞬时故障率）是指工作到某时刻t时尚未失效（发生故障）的产品，在该时刻t以后的下一个单位时间内发生失效（故障）的概率，其观测值为“在某时刻t以后的下一个单位时间内失效的产品数与工作到该时刻尚未失效的产品数之比”。14五、面向质量的设计—可靠性设计平均寿命产品的寿命则是产品无故障工作时间，而平均寿命则是产品寿命的平均值。对于不可修复产品，其寿命是指它失效前的工作时间。平均寿命就是指该产品从开始使用到失效前的工作时间（或工作次数）的平均值，或称为失效前平均时间，记为MTTF（MeanTimeToFailure）NiitN11MTTFN为测试产品总数；ti为第i个产品失效前的工作时间15五、面向质量的设计—可靠性设计平均寿命对于可修复产品，其寿命是指相邻两次故障间的工作时间，则其平均寿命即为平均无故障工作时间或称为平均故障间隔，记为MTBF（MeanTimeBetweenFailures）NinjijNiiitn1111MTBFN为测试的产品总数；ni为第i个测试产品的故障数；tij为第i个产品从第j-1次故障到第j次故障的工作时间。16五、面向质量的设计—可靠性设计产品可靠性指标之间的关系0)()(tttftEd])(exp[)()(0ttttftd])(exp[)(0tttRtd)()()(tRtft)(1)(tRtFMTBF，MTTF)(tR可靠度函数)(tF不可靠度函数)(tf失效概率密度函数)(t失效率)()(tFtf÷17五、面向质量的设计—可靠性设计常用失效分布函数指数分布。在可靠性理论中，指数分布是最基本、最常用的分布类型指数分布有一个重要特性，即产品工作了t0时间后，它再工作t小时的可靠度与已工作过的时间t0无关，而只与时间t长短有关。18五、面向质量的设计—可靠性设计常用失效分布函数正态分布。正态分布常用于描述材料的强度、疲劳和机器的磨损等。由概率论知，只要某个随机变量由大量相互独立、微小的随机因素的总和所构成，而且每一个随机因素对总和的影响都很微小，那么，就可断定这个随机变量近似服从正态分布。19五、面向质量的设计—可靠性设计常用失效分布函数对数正态分布。对数正态分布用于由裂痕扩展而引起的失效分布，如疲劳、腐蚀失效等。此外，也用于恒应力加速寿命试验后对样品失效时间进行的统计分析。20五、面向质量的设计—可靠性设计常用失效分布函数威布尔分布。威布尔分布在可靠性理论中是适用范围铰广的一种分布，当它的参数不同时，可以蜕化为指数分布、瑞利分布或正态分布。实践表明，金属材料的疲劳寿命都服从威布尔分布。21五、面向质量的设计—可靠性设计系统可靠性模型的建立系统的可靠性模型是指系统的可靠性结构模型（也称为可靠性框图）及其数学模型。它是从可靠性角度表示系统各单元、元件之间的逻辑关系的“概念”模型。通常将可靠性分为基本可靠性与任务可靠性。基本可靠性定义为产品在规定的条件下无故障的工作时间或概率。基本可靠性模型用来估计产品及其组成单元所需要的维修及保障要求。任务可靠性则定义为产品在规定的任务内，完成规定功能的能力。任务可靠性模型则是用来估计产品在执行任务过程中完成规定功能的概率，描述完成任务过程中产品各单元的预定作用，用以度量工作有效性的一种模型。22五、面向质量的设计—可靠性设计系统可靠性框图对于复杂产品的一个或一个以上的功能模式，用方框表示的各组成都分的故障或它们的组合如何导致产品故障的逻辑图，称为可靠性框图（ReliabilityBlockDiagram，RBD）系统的工程结构图是表示组成系统的单元之间的物理关系和工作关系，而可靠性框图则是表示系统的功能与组成系统的单元之间的可靠性功能关系。可靠性框图与工程结构图并不完全等价。23五、面向质量的设计—可靠性设计典型系统可靠性模型典型系统的可靠性模型有串联系统、并联系统、串并混合系统、表决系统及复杂系统等多种类型。串联系统是指系统中只要有一个单元失效就会导致整个系统失效的系统，或者说只有当系统中所有单元都正常工作时，系统才能正常工作的系统。1n2………独立串联系统的可靠度等于各单元可靠度的乘积，系统的失效率等于各单元失效率之和。串联系统的单元越多，系统购可靠性就越低24五、面向质量的设计—可靠性设计典型系统可靠性模型并联系统。对于n个相互独立的单元组成的并联系统中，只要有一个单元正常工作，系统就能正常运行；反之，只有当系统的n个单元全部失效，系统才失效。1n2………并联系统的不可靠度等于各单元不可靠度的连乘积。25五、面向质量的设计—可靠性设计典型系统可靠性模型串并联系统111m112...212m222n1nmnn2.........由于串并联模型中具有功能冗余单元，因此其系统可靠性比单纯串联系统可靠性高，但其系统成本也较高。26五、面向质量的设计—可靠性设计典型系统可靠性模型并串联系统11m121...12m2221n1mnm2n2...............并串联系统的可靠性高于任一子系统的可靠性，其原因是使用了功能冗余单元。27五、面向质量的设计—可靠性设计典型系统可靠性模型表决系统。在组成系统的n个单元中，如果至少有k个单元失效，则系统失效，这样的系统称为表决系统或k/n系统。当k=1时，得到串联模型：而当k=n时，得到并联模型。1n2...k/n(G)28五、面向质量的设计—可靠性设计LLC流出流入阀1阀2121229五、面向质量的设计—可靠性设计系统可靠性预计系统可靠性预计是为了估计产品在给定工作条件下的可靠性而进行的工作，它运用以往的工程经验、故障数据、当前的技术水平，尤其是以元器件、零部件的失效率为依据，预报产品（零部件、子系统或系统）实际可能达到的可靠度。这是一个由局部到整体、由小到大、由下到上的过程，是一个综合的过程。30五、面向质量的设计—可靠性设计系统可靠性预计系统的可靠性预计，通常分为早期预计和后期预计。早期预计用于方案论证等初始设计阶段，有元件计数法、上下限法、相似设备法、相似功能法等；后期预计用于具体设计阶段，有数学模型法、应力分析法、布尔真值法、蒙特卡洛法等。31五、面向质量的设计—可靠性设计系统可靠性预计数学模型法就是根据组成系统的各单元间的可靠性数学模型，按概率运算法则，预测系统的可靠度的方法，它是一种经典的方法。性能参数法。该方法的特点是统计了大量相似系统的性能参数与可靠性的关系，在此基础上进行回归分析，得出一些经验公式及系数，以便在方案论证及初步设计阶段，能根据初步确定的系统性能及结构参数预计系统可靠性。相似产品类比论证法。其基本思想是根据仿制或改型的类似国内和国外产品已知的失效率，分析两者在组成结构、使用环境、原材料、元器件水平、制造工艺水平等方面的差异，通过专家评分给出各修正系数，综合权衡后得出一个失效率综合修正因子32五、面向质量的设计—可靠性设计系统可靠性分配系统可靠性指标分配是在要求时间、有限的性能和成本等条件下，根据产品的可靠性指标，制订出组成该产品的元器件、零部件、组件、部件的可靠性指标的工作过程，即将产品可靠性质量要求分配到规定的产品层次，从而将整个系统的可靠性要求转换为每一个分系统或单元的可靠性要求，使之协调一致。33五、面向质量的设计—可靠性设计系统可靠性分配原则对于复杂度高的分系统、设备等，应分配较低的可靠性指标对于技术上不成熟的产品，分配较低的可靠性指标对于处于恶劣环境条件下工作的产品，应分配较低的可靠性指标对于需要长期工作的产品，分配较低的可靠性指标对于重要度高的产品，应分配较高的可靠性指标34五、面向质量的设计—可靠性设计无约束条件的系统可靠性分配方法AGREE分配法。该方法是以分系统、单元对系统的重要性和分系统、单元的相对复杂性为基础来进行可靠性指标分配的。所谓重要度是指某个单元发生故障时对系统可靠性的影响程度所谓复杂度是指某个单元的元器件数与系统总元器件数之比35五、面向质量的设计—可靠性设计无约