铁路信号可靠性理论及应用.

铁路信号可靠性原理及应用江磊第一章绪论第一节可靠性、安全性在铁路信号中的地位第二节RAMS简介第三节可靠性工程和安全性工程第四节现代质量观念第五节铁路信号可靠性与安全性1、可靠性、安全性的地位可靠性和安全性都是针对的工程上的问题，就是面向设备或系统而言。铁道信号的作用和功能决定了可靠性和安全性在铁路信号中的重要性。可靠性、安全性的地位回忆1、铁路信号基础设备有哪些？2、铁路信号控制系统有哪些？信号机、道岔、轨道电路、继电器等车站计算机联锁、列车调度指挥系统、列车运行控制系统、编组站调车控制系统、微机监测系统化等可靠性、安全性的地位铁路事故的发生，造成严重后果。事故原因可能是人为、设备、系统造成的，这些都是属于不可靠行为。在铁路信号设备或系统设计时都要遵循“故障-安全”原则可靠性、安全性的地位“轨道交通安全协同创新中心”由西南交通大学和北京交通大学联合牵头，中南大学重点参与，三所学校共同组建。同时，积极吸纳多家轨道交通行业重要研究院所和骨干企业，作为协同创新中心的参与单位。2、RAMS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。维修性：产品保持或恢复所具有的功能反映到时间和所需资源上的特征。可用性：广义的可靠性，又和维修性有关。安全性：将伤害或损坏的风险降低到可接受水平的状态。轨道交通RAMS各要素之间的关系3、可靠性工程和安全性工程可靠性是一门新兴的工程学科。产品的可靠性已成为衡量产品质量的重要指标之一。近年来，世界各发达国家已把可靠性技术和全面质量管理紧密地结合起来，有力地提高了产品可靠性水平。可靠性的发展简介可靠性的重要意义(1)提高产品的可靠性，可以防止故障和事故的发生，从而保证人民生命财产安全。(2)提高可靠性，能使产品总的费用降低。(3)提高可靠性，可以减少停机时间，提高产品可用率。(4)提高可靠性，可以改善企业信誉，增强竞争力，扩大产品销路，从而提高经济效益。(5)提高可靠性，可以减少产品责任赔偿案件的发生，避免不必要的经济损失。可靠性的基本概念概率论和数理统计是研究可靠性问题的主要工具。概率论能确定可靠性数量特性之间的相互关系。因此，可靠性理论的许多概念是与概率论中的概念密切相关的。而可靠性的测定则主要用的是数理统计方法。ReliabilityEngineering可靠性工程认为：产品、设备、系统在规定时间内，规定条件下，完成规定功能的可能性及能力，在期望的置信程度下，是可以设计、预测、试验和证明的。可靠性工程就是完成上述任务的理论与实践工具。可靠性技术在产品全寿命周期的各个阶段的应用目的和任务是：(1)可靠性设计：通过设计奠定产品的可靠性基础。研究在设计阶段如何预测和预防各种可能发生的故障和隐患，以及确保产品的维修性(2)可靠性试验：通过试验测定和验证产品的可靠性。研究在有限的样本、时间和使用费用下，如何获得合理的评定结果，找出薄弱环节，提出改进措施，以提高产品的可靠性(3)制造阶段的可靠性：通过制造实现产品的可靠性。研究制造偏差的控制、缺陷的处理和早期故障的排除，保证设计目标的实现。(4)使用阶段的可靠性：通过使用维持产品的可靠性。研究产品运行中的可靠性监视、诊断、预测，以及采用售后服务与维修策略，防止可靠性劣化。MultipleActivitiesFRACAFMEASStandardsbasedpreliminarypredictionsReliabilitygrowthOthersReliabilityCenteredMaintenanceAcceleratedTestingSystemReliabilityAnalysisLifedataAnalysisReliabilityEngineeringvs.QualityControlReliabilitydealswiththebehavioroffailurerateoveralongperiodoftime.Qualitycontroldealswithpercentoutofspecification,orpercentofdefectivesatonepointintime,(i.e.whenreceivingincomingcomponents,oratapointduringtheproduct’smanufacture/assembly).Reliabilityisqualityovertime.ProductCostvs.ReliabilityY轴ReliabilityTotalproductioncostOptimumReliabilityPostshipmentcostProductioncostcostReliabilityBasicsReliabilityanalysisrequiresafirmunderstandingoftheproduct’sfailureratebehavior.Mostproductswillbegintheirliveswithahigherfailurerateandthenexhibitadecreasingfailurerateuptoapoint.Thefailureratethenusuallystabilizestoaconstantfailurerateduringtheusefullifeoftheproduct.Astimegoesonandtheproductages,orreachesthewearoutlife,thefailureratethenincreasesrapidlywithtime.“idealized”bathtubcurveFailurerateY轴Life（miles）WearoutUsefulEarlyBathtubcurveforacarY轴Life(miles)FailrateBurn-inillustrationFailurerateY轴Life（miles）WearoutUsefulEarlyTburn-in?PreventivemaintenanceFailurerateY轴Life（miles）WearoutEarlyWearoutQuantifyingreliabilityQuantifyingreliabilityProbabilitythatanitemwilllastacertaintimewithout“failure”undercertainconditions.FunctionoftimeFunctionofconditionsRequiresprecisedefinitionof“failure”.Traditional“QualityControl”assuresthattheproductwillworkafterassemblyandasdesigned.ReliabilitylooksathowlongtheproductwillworksasdesignedHowisreliabilitycalculated?NeeddataNeedamodelNeeddiagnosticstocheckmodelappropriatenessNeedeffectivewaystocommunicateCommonlanguageCommonmetricsGraphs可靠性的概率统计知识概率论和数理统计是可靠性工程重要的数学基础。2.l可靠性特征量可靠度可靠度是“产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率”。可靠度是时间t的函数，故也称为可靠度函数，记作R(t)。通常表示为R(t)=P(Tt)(2-1-1)R(0)=1，R(+∞)=0。R(t)的估计值为R(t)=NtnNt）（－＝试验的产品总数仍在正常工作的产品数到时刻累积失效概率F(t)累积失效概率是寿命的分布函数，也称为不可靠度，记作F(t)。它是产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率，通常表示为F(t)=P(T≤t)或F(t)=1－R(t)因此F(0)=0，F(+∞)=1。失效概率密度f(t)失效概率密度是累积失效概率对时间t的导数，记作f(t)。它是产品在包含t的单位时间内发生失效的概率，可用下式表示f(t)=或F(t)=)()(tFdttdFtdxxf0)(F(t)的估计值Ntnt）（＝试验的产品总数时刻失效的产品数到Ff（t）的估计值试验的产品总数产品数）内每单位时间失效的＋，在时间（ttt)()()(ttFttFtftNtntNtnttn)()()(＝失效率(t)失效率(瞬时失效率)是：“工作到t时刻尚未失效的产品，在该时刻t后的单位时间内发生失效的概率”，也称为失效率函数。由失效率的定义可知，在t时刻完好的产品，在(t，t+△t)时间内失效的概率为P(tT≤t+△tI|Tt)，在时间内的平均失效率为当△t→0时，就得到在t时刻的失效率ttTttTtPtt)|(),(t),()(lim0tttt)()()()()()()('00limlimtRtFttRtFttFttTPttTtPtt由此式可见，产品的失效率越小，产品的可靠性越高；反之，失效率越大，产品的可靠性就越低。的估计值(见图2.3)为:式中n(t)的含义与(2—1—8)式中的n(t)相同，n(t)、N与(2—1—2)式中的n(t)、N相同。)()()()()(1)()(''tRtRtRtftFtFt)()()('tRtRt)()()(tRtdRdtt0()ln()ttdtRttdtttR0))(exp()()(tttnNttttt))(()(nt),()(＝仍正常工作的产品数在时刻品数内每单位时间失效的产在时间失效率的单位是一个非常重要的特征量,它的单位通常用时间的倒数表示。但对目前具有高可靠性的产品来说，就需要采用更小的单位来作为失效率的基本单位，因此失效率的基本单位用一个菲特(Fit)来定义，1菲特=，它的意义是每1000个产品工作10h，只有一个失效。有时不用时间的倒数而用与其相当的“动作次数”、“转数”、“距离”等的倒数更适宜些。失效率曲线产品的可靠性取决于产品的失效率，而产品的失效率随工作时间的变化具有不同的特点，根据长期以来的理论研究和数据统计，发现由许多零件构成的机器、设备或系统，在不进行预防性维修时，或者对于不可修复的产品，其失效率曲线的典型形态如图2．4所示,由于它的形状与浴盆的剖面相似，所以又称为浴盆曲线(Bathtub-curve)，它明显地分为三段，分别对应元件的三个不同阶段或时期。)(t2.1.4平均寿命平均寿命的含义是寿命的数学期望，平均寿命是一个标志产品平均能工作多长时间的特征量。如显像管、电视机、空调、计算机等常用平均寿命作为可靠性指标。不可修复(指失效后无法修复或不修复而进行替换)产品的平均寿命是指产品失效前的平均工作时间，记为MTTF(MeanTimeToFailure)；可修产品的平均寿命是指相邻两次故障间的平均工作时间，称为平均无故障工作时间或平均故障间隔时间，记作MTBF(MeanTimeBetweenFailures)。如果我们仅考虑首次失效前的一段工作时间，那么二者就没有什么区别了，所以我们将二者统称为平均寿命，记作夕。若产品总体的失效密度函数／(r)已知，由概率论中数学期望的定义，有（2-1-12）进一步推导，得（2-1-13）由此可见，在一般情况下，将可靠度函数在[0，+]区间上进行积分，便可得到产品总体的平均寿命。0)(dtttf0)(dtttfMTTF的估计值为:(2-1-14)式中n——测试的产品总数；——第i，个产品失效前的工作时间，单位为h。MTBF的估计值为:(2-1-15)式中n—