可信性工程(1)

可信性工程北方交通大学崔贵章二○○三年二月北京目录第一部分基本概念第二部分可信性指标第三部分系统的可靠性第四部分可靠性分析第五部分可靠性试验第六部分可信性管理第一部分基本概念单元一术语单元二可信性工程单元一术语一、可信性（Dependability）用于表述可用性及其影响因素(可靠性、维修性和保障性)的集合术语注：可信性仅用于非定量的总体描述[IEC60050-191：1990]GB/T/9000-2000：3.5.3二、可靠性（Reliability）定义•产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力•产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率可靠性（续一）对定义的诠释•产品•三个规定/三个要件可靠性（续二）可靠性的分类•固有可靠性•使用可靠性•基本可靠性(BasicReliability)•任务可靠性(MissionReliability)三、故障在规定的环境条件和使用条件下产品丧失或部分丧失规定功能的状态•故障对规定条件而言，是个随机事件•对于不可修复的产品而言，常称其故障为“失效”故障（续一）故障的表现•间歇性故障和永久性故障•独立故障和从属故障•局部故障和整体故障故障（续二）•意外故障•突然故障和退化故障四、维修性（Maintainability）可维修产品在规定条件和规定时间内，按规定程序和方法进行维修时，保持或恢复到规定状态的能力维修性（续一）维修性包括两个方面•维护也叫预防性维修，是一种日常的可靠性控制过程，表现为预先检查和采用“边缘试验技术”•修理产品发生故障后，使其恢复完成规定功能的工作维修性（续二）维修性反映了可维修产品可以接受维修的能力，在产品的论证阶段、研制阶段、使用阶段和处理阶段的全寿命过程，都应重视维修性要求五、保障性产品的设计特性和计划的保障资源等是完成规定功能的能力保障性包括两个方面•与保障有关的设计特性•保障资源的充足和适用性保障性（续）产品同时具有可保障的特性和能保障的特性，才是具有完整保障性的产品六、可用性（Availability）固有可用性在要求的外部资源得到满足的前提下，产品在规定的条件下和规定的时间内可以完成规定功能的能力外部资源（不含维修资源）不影响固有可用性，使用可用性则受外部资源的影响可用性（续）可用性综合反映了产品可靠性、维修性和保障性所达到的水平可靠性、维修性和可用性是可靠性的三个基本方面，简称为RAM问题/技术单元二可信性工程一、从可靠性工程到可信性工程成立于1952年的美国国防部电子设备可靠性咨询组（AGREE），在1957年发表了研究报告《军用电子设备可靠性》，标志着可靠性工程已成为一门独立的学科。经过60年代的发展阶段，70年代的成熟阶段，80年代更深广的发展阶段，以及90年代以来进入向综合化、自动化、智能化和实用化发展的阶段，可靠性工程已发展为包括可靠性设计、可靠性试验、可靠性维修、可靠性分析和可靠性管理的可信性工程二、可信性工程的意义产品结构日益复杂装配密度迅速提高产品用期急剧缩短使用环境空前严酷可信性工程的意义（续）降低总费用图1-2-1产品的可靠性与总费用产品可靠性总费用生产费用维修费用第二部分可信性指标单元一可靠性指标单元二维修性指标单元三可用性指标单元一可靠性指标一、可靠度函数产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率，记为R（t）•R(t)=P(T＞t)其中T—产品故障前的工作时间t—规定的时间可靠度函数（续一）•R(t)=P(T＞t)≈Ns(t)No其中T—产品故障前的工作时间N0—t=0时，在规定条件下投入工作的产品数Ns(t)—在0到t时刻的工作时间内没有发生故障的产品数可靠度函数（续二）例设t=0时，投入工作的10000只灯泡，当t=365天时，发现有30只灯泡坏了，求一年时的可靠度参考答案R（年）=0.997二、不可靠度函数（累积故障分布函数）产品在规定条件下和规定时间内，丧失规定功能的概率，记为F(t)F(t)=P(T＜t)=1-R(t)≈其中T—产品故障前的工作时间N0—t=0时，在规定条件下工作的产品数Nf(t)—在0到t时刻的工作时间内，发生故障的产品数Nf(t)N0不可靠度函数示意图图2-1-1F(t)、R(t)和f(t)的关系f(t)R(t)f(t)ttF(t)四、故障率函数（瞬时故障率函数）产品工作到某时刻t尚未发生故障，在该时刻后单位时间内发生故障的概率，记为λ(t)λ(t)≈△Nf(t)Ns(t)△t其中△t—时刻t后所取时间间隔Ns(t)—到时刻t，未发生故障的产品数△Nf(t)—时刻t后，△t时间内发生故障的产品数故障率的单位1菲特（Fit)=10-9/h故障率函数（续一）例•若年初投入的灯泡为9970只，若一年后坏了10只，求故障率参考答案λ（1年）=0.001/天•100件产品工作三年有4件发生故障，设产品每天工作12小时，求故障率参考答案λ（3年）=0.311×10-5/小时故障率函数（续二）我国电子工业规定的故障率等级等级符号最大故障率（1/h）四五级Y3×10-5五级W1×10-5六级L1×10-6七级Q1×10-7八级B1×10-8九级J1×10-9十级S10×10-10故障率函数（续三）浴盆曲线早期故障偶然故障耗损故障维修后故障率下降使用寿命规定的故障率λ(t)AB图2-1-2故障率函数（续四）浴盆曲线的讨论•没有偶然故障期或偶然故障期很短的产品，是不能投入使用的•产品出厂前，要进行可靠性筛选五、平均故障前时间不可修复产品平均寿命的统计特性，记为MTTF（Meantimetofailure）•MTTF≈1N0No∑tii=1其中N0—不可修复产品数ti—第i（i=1，2，…，N0)件商品的故障前时间•特别地，产品寿命服从指数分布时MTTF=1λ例设有5个不可修复产品进行寿命试验，它们发生失效的时间分别是1000h、1500h、2000h、2200h、2300h，求它们MTTF的观测值参考答案1800h六、平均故障间隔时间可修复产品两次相邻故障间平均工作时间的统计特性，记为MTBF（Meantimebetweenfailure）其中N0—可修复产品发生的故障数ti—第i次（i=1,2,…,N0）持续工作时间•特别地，产品寿命服从指数分布时MTBF==MTTF1λ•MTBF≈1N0No∑tii=1例设有一电子产品工作1万小时，共发生故障5次，求该产品MTTF的观测值参考答案MTBF=2000h七、产品的寿命特征可靠寿命给定的可靠度所对应的产品工作时间使用寿命产品在规定的条件下，具有规定的可接受的故障率的工作时间贮存寿命产品在规定的条件下贮存，仍能满足规定质量要求的时间长度单元二维修性指标一、平均修复时间在规定的条件下和规定的时间内，产品在任一规定的维修级别上，修复所需总时间的平均值记为，MTTR（Meantimetorepait）•MTTR=其中ti—第i(i=1,2,…,n)次修复时间n—修复次数ti1nn∑i=1•特别地，当单位时间完成修理的瞬时概率u(t)≡u(常数)时MTTR=1u二、平均维护时间产品在任一规定的维护级别上，维护所需总时间的平均值，记为MTTM（Meantimetomaintenanne）•MTTM=其中ti—第i(i=1,2…,n)次维护时间n—维护次数MTTM=1Pti1nn∑i=1•特别地，当单位时间内完成维护的瞬时概率P（t）≡P（常数）时三、两点讨论MTTR=和MTTM=越高，则维修时间越短，这将降低维修费用，减少停机损失MTBF高的产品，可以减少维修次数，但不一定就有良好的MTTR1u1p例甲产品的MTBF=2000h，MTTR=200h；乙产品的MTBF=1000h，MTTR=20h。显然后者反而更好些。可见，维修性必须作为可靠性的一个方面，予以足够的重视单元三可用性指标一、瞬时可用概率可修复产品是处在一个由规定状态到故障状态，又由故障状态到规定状态的不断转移的随机过程中，因而可以用在时刻t时产品处于规定状态的概率作为可用性指标图2-3-1toA0.5A(t)1.0A(t)二、固有可用概率当长期使用某一产品时，A（t）趋于一个固定值A，称之为固有可用概率，也叫“可用度”或“役时率”λ=和u=时1MTBF1MTBRA=MTBFMTBF+MTTR当三、可靠性指标可靠性指标定义单位可靠度R(t)产品在规定条件下，规定的期间内，完成规定任务的概率%故障率(瞬时故障率，失效率)λ（t）在某时刻以前工作起来的产品，在继续的单位时间内，产生故障的比例%/103h;非特(Fit)=10-9/h平均故障间隔时间(MTBF)对于可修复的产品，两相邻故障间的工作时间的平均值时间故障前平均时间(MTTF)对于不进行修理的产品，发生故障以前工作时间的平均值时间耐用寿命产品从早期失效终了，到万耗损失效开始的工作时间时间维修度可以维修的产品，在规定的条件下，规定的时间内，完成维修的概率%平均修复时间(MTTR)修复性维修所需要的时间的平均值时间平均维护时间(MTTM)对可维修产品，维护所需时音质平均值时间平均不能工作时间(MDT)不能工作时间的平均值时间平均能工作时间(MUT)能工作时间的平均值时间可用度A(t)可以维修的产品，在某特定的瞬间，维持其功能的概率%四、可靠性指标示例使用条件修理的可能性维护种类产品例可靠性指标例连续使用可修复预防性维护电子计算机武器、车辆、飞机、生产设备、雷达、载波机平均故障间隔时间耐用寿命有效度事后维护实施用电气用具和机械器具，电视机平均故障间隔时间耐用寿命早期失效率（一年）不可修复使用到耗损故障期电子元器件、机械零部件、一般消费用具失效率平均寿命失效分布形状及其参数使用一定时间后弃去实行预防性维护的设备的元器件和零部件，使用期比平均寿命长的元器件、零部件失效率更新寿命失效分布形状及其参数突然使用可修复预防性维护过负荷继电器成功率不可修复雷管、炮弹、导弹成功率第三部分系统可靠性的计算单元一概述单元二串联系统单元三并联系统单元四混合系统单元五分系统相互依赖的系统单元六可靠性分配单元七可靠性预计一、系统可靠性计算的意义在设计阶段，选择系统的结构和元器件在制造阶段，保证采购质量，不断改近工艺在使用阶段，加强维护，及时修理单元一概述二、可靠性模型用于预计或估计产品可靠性的模型应建立系统级和分系统级可靠性模型包括可靠性方框图和可靠性数学模型三、可靠性框图可靠性框图表示产品中各单元之间的逻辑功能关系原理图表示产品中各单元之间的物理关系例振荡电路的原理图与可靠性框图C（电容）L（电感）原理图LC可靠性框图图3-1-1图3-1-2四、加法公式互斥条件下的加法公式两条件A、B互斥C=A+B=A∪BP（C）=P（A+B）=P（A）+P（B）加法公式（续）非互斥条件下的加法公式两条件A、B不互斥C=A+B=A∪BP（C）=P（A+B）=P（A）+P（B）-P（AB）加法公式（续）非互斥条件下的加法公式两条件A、B不互斥C=A+B=A∪BP（C）=P（A+B）=P（A）+P（B）-P（AB）非独立条件下的乘法公式两条件A、B不独立C=AB=A∩BP（C）=P(AB)=P(A)P(BlA)=P(B)P(AlB)乘法公式（续）单元二串联系统一、可靠性框图只有各分系统都正常工作，系统才能正常工作S1S2Sn图3-2-1二、可靠度的计算记分系统Si(i=1，2，…，n)正常工作的事件为Ai，可靠度为Ri(t),R(t)是系统的可靠度•各分系统不相互独立时R(t)=P(A1)P(A2|A1)P(A3|A1A2)…P(An|A1A2…An-1)•各系统相互独立时R(t)=∏Ri(t)ni=1特别地，当各分系统的故障率函数λi(t)(i=1,2，…，n)是常数λi的指数分布时R(t)=eλitn∑i=1例•设在单元一的振荡电路电感和电容的故障率λL=λc=10-5/h，求振荡器的MTBFs参考答案MTBFs=50000h•设产品由独立的10个部件串联组成，