可靠性基础知识培训教材

可靠性的基本概念可靠性设计与分析技术可靠性试验可信性管理FLJIN2011年6月可靠性的基本概念一、故障（失效）及其分类1.故障（失效）：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。对于不可修的产品如电子元器件和弹药等也称失效。2．故障分类故障的规律早期故障、偶然故障、耗损故障故障的后果致命性故障、非致命性故障故障的统计特性独立故障、从属故障按故障的规律可分为偶然故障和耗损故障。早期故障是由于使用了不良元器件、制造工艺和其他原因引入的产品使用早期出现的故障。偶然故障是由于偶然因素引起的故障，其重复出现的风险可以忽略不计，只能通过概率或统计方法来预测。耗损故障是通过事前检测或监测可预测到的故障，是由于产品的规定性能随时间增加而逐渐衰退引起的。耗损故障可以通过预防维修，防止故障的发生，延长产品的使用寿命。可靠性的基本概念按故障引起的后果可分为致命性故障和非致命性故障。致命性故障会使产品不能完成规定任务或可能导致人或物的重大损失、最终使任务失败。非致命性故障不影响任务完成，但会导致非计划的维修。按故障的统计特性又可分为独立故障和从属故障。独立故障是指不是由于另一个产品故障引起的故障。从属故障是由另一产品故障引起的故障。在评价产品可靠性时只统计独立故障。可靠性的基本概念二、可靠性1．可靠性：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。可靠性的概率度量称为可靠度可靠性的基本概念“规定条件”包括使用时的环境条件和工作条件；“规定时间”是指产品规定了的任务时间；和产品可靠性关系极为密切。“规定功能”指的是产品规格书中给出的正常工作的性能指标。2．产品可靠性分类：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。可靠性的基本概念产品可靠性还可分为基本可靠性和任务可靠性。基本可靠性是产品在规定条件下无故障的持续时间或概率，它反映产品对维修人力的要求。因此在评定产品基本可靠性时应统计产品的所有寿命单位和所有故障，而不局限于发生在任务期间的故障，也不局限于是否危及任务成功的故障。任务可靠性是产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。评定产品任务可靠性时仅考虑在任务期间发生的影响完成任务的故障。可靠性的基本概念三、维修性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进行维修时，保持或恢复执行规定状态的能力。关注焦点：维修简便、快速、经济维修性是对可靠性的重要补充维修性是产品固有属性、是设计出来的维修是一种活动，产品故障后为恢复其性能的活动可靠性的基本概念维修的种类预防化维修：通过系统维修检查、检测和消除产品的故障征兆，使其保持在规定状态进行的全部活动。包括预先维修，定时维修，视情维修和故障检查等修复性维修：产品发生故障后，使其恢复到规定状态进行的全部活动。它可以包括下述一个或多个步骤：故障定位，故障隔离，分解、更换、组装、调校及检测等，也称修理。可靠性的基本概念维修性定性定管要求定性要求：良好可达性高的标准化和互换性完善的防差错措施及识别标识良好的测试性保障维修安全符合维修的人—工程要求可靠性的基本概念四、保障性系统（装备）的设计特性和计划的保障资源满足平时和战时使用要求的能力。包括两个方面的含义：与装备保障有关的设计特性；保障资源的充足和适用程度。可靠性的基本概念五、软件可靠性产品可靠性有两部分构成：硬件可靠性及软件可靠性与软件可靠性有关的标准：IEC60300-3-6《软件可信性应用指南》IEC61713《软件生存期的软件可信性应用指南》可靠性的基本概念六、可用性和可信性的概念1．可用性可用性是产品可靠性、维修性和维修保障的综合反映2．可信性可信性是一个集合术语，用来表示可用性及其影响因素：可靠性、维修性、维修保障。可靠性的基本概念七、可靠度函数、累积故障（失效）分布函数1．可靠度可靠度：R(t))tT(P)t(R2．累积故障分布函数：F(t)tTPtF≤1tFtR可靠性的基本概念3．故障密度函数：f(t)dttdFtfduuftFt0tdu)u(f)t(R可靠性的基本概念八、可靠性与维修性的常用度量（一）可靠度00N)t(rN)t(R（二）故障（失效）率ttNtrtS故障率的单位1菲特（fit）=10-9/小时可靠性的基本概念（三）平均失效（故障）前时间（MTTF）∑0101NiitNMTTF当产品的寿命分布服从指数分布01dteMTTFt（四）平均故障间隔时间（MTBF）1．（其中T为总试验时间）01001NTtNMTBFNii∑2．完全修复的产品dttRMTTFMTBF∫∞0可靠性的基本概念（五）贮存寿命产品在规定条件下贮存时，仍能满足规定质量要求的时间长度。（六）平均修复时间（MTTR）∑niin/tMTTR1式中ti：第i次修复时间n：修复次数可靠性的基本概念可用性：产品在任意时刻需要和开始执行任务时，处于可工作或可使用的程度。概率度量为可用度。固有可用度Ai:仅与工作时间和修复性时间有关的一种可用性，是产品设计特性。可靠性的基本概念MTTRMTBFMTBFiA可达可用性：仅与工作时间和修复性和预防化维修时间有关MMBMA-平均维修活动间隔时间MMT-平均维修时间MMTMTBMAMTBMAaA九、浴盆曲线1．早期故障期2．偶然故障期3．耗损故障期维修后故障率下降耗损故障偶然故障早期故障t规定的故障率AB使用寿命可靠性的基本概念十、可靠性与产品质量的关系性能指标产品质量专门特性（包括可靠性、维修性、保障性等）可靠性的基本概念基本可靠性设计与分析技术一、可靠性设计的基本内容规定定性定量的可靠性要求建立可靠性模型可靠性分配可靠性预计可靠性设计准则耐环境设计元器件选用与控制电磁兼容设计降额设计与热设计一、可靠性模型串联模型：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故障并联模型：组成产品所有单元同时工作时，只要有一个单元不发生故障，产品就不会故障，亦称贮备模型表决模型：组成系统的n个单元中，正常的单元数不小于r（1≤r≤n）系统就不会故障，这样的系统称为r/n(G)表决模型。基本可靠性设计与分析技术串联系统可靠性模型串联系统：系统的所有组成单元中任一单元的故障都会导致整个系统的故障．可靠性框图:可靠性数学模型：若单元的寿命分布为指数分布，则：n1iistRtRtλiietR1n2基本可靠性设计与分析技术tλtλnitλniissniiieeetRtR111niisλλ1niisλλT111若每个单元工作时间与系统时间相同，且单元也服从指数分布，则系统平均故障间隔时间MTBF若由10个都等于0.9的单元组成串联系统，则Ｒs=0.348基本可靠性设计与分析技术并联系统可靠性模型：组成系统的所有子系统都发生失效系统才发生故障．组成产品所有单元同时工作时，只要有一个单元不发生故障，产品就不会故障，亦称贮备模型。框图：可靠性数学模型niistRtR11112n并联系统框图基本可靠性设计与分析技术当系统各单元的寿命分布为指数分布时，对n个相同单元的并联系统，有：ntλsie11tRnλλλttRTs1211d0基本可靠性设计与分析技术双开关系统原理图K1K2双开关系统可靠性框图K1K2K1K2(a)电路导通(b)电路断开基本可靠性设计与分析技术表决模型：组成系统的n个单元中，正常的单元数不小于r（1≤r≤n）系统就不会故障，这样的系统称为r/n(G)表决模型。它是工作贮备模型的一种形式。可靠性框图如下图：r/n(G)系统可靠性框图12nr/n(G)若组成系统的各单元相同，每个单元失效概率为q，正常工作概率为p，则r/n(G)表决模型服从二项分布nrnrnnnqnqpknqpnnpqp011系统可靠度（假设表决器完全可靠）11nnrnrsnnRtppqpqnr二、可靠性分配在产品设计阶段，将产品的可靠性定量要求按规定的准则分配到规定的产品层次的过程。可靠性分配的目的：将整机可靠性要求分配到各组成单元明确设计时对各组成单元控制的重点常用方法：评分分配法；比例分配法评分分配法选择故障率为分配参数，主要考虑四个影响因素：复杂度：组成分系统的元器件数数量及组装调试的难易程度，最复杂10分，最简单１分。技术成熟度：分系统的技术水平和成熟程度重要度：分系统的重要性或工作时间环境条件：分系统所处环境条件基本可靠性设计与分析技术评分分配法选择故障率为分配参数，主要考虑四个影响因素：复杂度：组成分系统的元器件数数量及组装调试的难易程度，最复杂10分，最简单１分；技术成熟度：分系统的技术水平和成熟程度，最不成熟10分，最成熟１分；重要度：分系统的重要性或工作时间，重要性最高或工作时间最长10分，重要性最低或工作时间最短１分；环境条件：分系统所处环境条件，最恶劣10分，最不恶劣１分。评分分配法：由专家根据各组成单元影响可靠性的各种因素的水平进行打分，通过计算加以分配．基本可靠性设计与分析技术设整机可靠性指标MTBF，则整机故障率λs为：分配公式：（1）λi=Ciλs（2）Ci=ωi/ω（3）41jijiy（4）uii1基本可靠性设计与分析技术ω—整机评分数ωi—第i个单元评分数ｙij—第i个单元第j个因素评分数MTBF1s评分分配法步骤：确定待分配的可靠性指标，确定评分因素；聘请尽可能多的熟悉产品的有经验的专家，至少５名义上；设计人员向专家介绍产品；个专家独立评分；经评分处理，给出各组成单元的指标；基本可靠性设计与分析技术评分分配法举例某飞机共由18个分系统组成，其中五个分系统是已使用过的成件并已知其MFHBF，见下表。规定飞机的可靠性指标MFHBF=2.9(飞行小时)。试用评分分配法对其余13个分系统进行分配。分系统名称已知的MFHBF发动机50前缘襟懵80应急系统500飞控系统142弹射救生系统280总计22．16633731662219211.)..(*MFHBF分系统名称复杂度技术水平工作时间环境条件各单元评分数各单元评分系数分配给各单元的MFHBF结构8410412800．127626.15动力装置811086400．063852.30发动机接口32841920．0191174.71燃油系统521088000．079741.87液压系统52875600．055859.80前轮结构45834800．047869.81………….…………航空电子978735280．35169.49其他25552500．0249134.02总计100341.03.337可靠性分配工程应用要点用于可靠性分配的整机可靠性指标应大于规定的值，留有余量，充分考虑没有列入考虑的因素和其它的系统组成单元通过各单元的专家评分，如简化设计，促进技术的成熟，采取措施减轻环境的影响等．对评分高的单元采取有针对性的控制措施。基本可靠性设计与分析技术比例组合法原理一个新设计的系统与老的系统非常相似，也就是组成系统的各单元类型相同。对这个新系统只是提出新的可靠性要求。可以根据老系统中各单元的故障率，按新系统可靠性的要求，给新系统的各单元分配故障率。如果有老系统中各分系统故障数占系统故障数百分比的统计资料，可以按下式进行分配老老新新SiSi