第一章可靠性工程绪论

可靠性工程李辉电气与光电工程学院内容提要1.开课目的和任务2.本课程的主要内容3.主要参考文献4.可靠性工程绪论本课程是测控技术与仪器专业的一门专业选修课，讲授可靠性工程的基础知识。通过本课程的教学，学生能够了解到产品从设计、生产、使用、维修直至产品最终报废的整个寿命周期中，提高产品可靠度的理论、方法和措施，能用以指导产品的开发、生产、检验以及质量管理，为将来从事可靠性工程相关的生产技术工作打下必要的基础。开课的目的和任务本课程的主要内容1.可靠性工程绪论（第一章）2.可靠性的基本理论（第二章）3.可靠性中常见的失效模型（第三章）4.可靠性试验（第四章）5.电子系统可靠性设计（第五章）6.可靠性预计和分配（第六章）主要参考文献作者书名出版社年E.ElsaYed可靠性工程(第二版)电子工业出版社2013居滋培可靠性工程原子能出版社1996肖德辉可靠性工程宇航出版社1985钟毓宁机电产品可靠性应用中国计量出版社1999一、定义第一节可靠性的定义二、广义可靠性和狭义可靠性三、固有可靠性和使用可靠性第一章绪论一、可靠性的定义可靠性是产品质量的部分内容。它是质量的一个局部，但它是质量的核心部分。（一）定义产品（系统）在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。定义中包含五个因素：1.产品：指研究对象可以是零件、构件、部件、机器、甚至系统。美国1961年研制Apollo-11宇宙飞船，720万个零件，提出可靠度为99.99999﹪的定量要求，1967年成功，1969年7月发射。人总是要生病。从生理学上讲，人也可以看成是产品或机器。2.规定条件包括：运输条件环境条件（温度、湿度、压力、腐蚀、振动、冲击等）工作条件（载荷性质、大小、操作方法、维修措施等）3.规定时间所研究对象的工作期限。（1）所研究对象的可靠性与工作时间有关系储存条件（2）可靠程度与t大小有关4.规定的功能研究对象能在规定的功能参数下正常运行。产品有两种状态：完成规定功能－－丧失规定功能－－故障（可维修产品）、失效（不可维修产品）。规定功能，即规定故障判据。实例1:拖拉机GB3187-82规定：失效即产品丧失了规定的功能，对可修复产品失效也称为故障。为正确判断产品是否失效，合理的判据非常重要。任何不正常（漏油、漏水、噪声大，耗油超标等）出现其中之一，为故障。则平均无故障工作时间（MTBF）=330h停机为故障。则MTBF=1200h5.能力可靠水平的高低，仍是定性的概念。(二)特点1.可靠性是t≥0的质量.t=0的质量又称今天的质量－－能否达到产品规定的功能。（设计、制造、调试阶段）t0的质量－－能否保持产品规定的功能。2.具有统计规律性单个产品寿命是随机的，但有统计规律性。自然界所观察到的现象:确定现象随机现象(1)确定现象在一定条件下必然发生的现象称为确定性现象.实例:“太阳不会从西边升起”,“水从高处流向低处”,“同性电荷必然互斥”,确定现象的特征条件完全决定结果(2)随机现象在一定条件下可能出现也可能不出现的现象实例1“在相同条件下掷一枚均匀的硬币,观察正反两面出现的情况”.结果有可能出现正面也可能出现反面.实例2“用同一门炮向同一目标发射同一种炮弹多发,观察弹落点的情况”.结果:“弹落点会各不相同”.实例3“抛掷一枚骰子,观察出现的点数”.结果有可能为:“1”,“2”,“3”,“4”,“5”或“6”.实例4“一只灯泡的寿命”可长可短.随机现象的特征条件不能完全决定结果随机现象在一次观察中出现什么结果具有偶然性,但在大量重复试验或观察中,这种结果的出现具有一定的统计规律性。例如：抛硬币次数频率（出现正面）120000.5016240000.5005产品寿命是随机现象，而可靠性与产品的工作时间有关，故可靠性的高低一定具有统计规律性。二、广义可靠性和狭义可靠性对于发生故障的产品一般有两种处置方式：废弃、修复故障废弃的不可修复产品的可靠性为狭义可靠性。可修复产品的可靠性为广义可靠性。广义可靠性除考虑狭义可靠性外，还有考虑发生故障后修理的难易程度即维修性。狭义可靠性＋维修性＝广义可靠性三、固有可靠性和使用可靠性固有可靠性：在生产过程中已经确立了的可靠性。它是产品内在的可靠性，是生产厂在模拟实际工作条件的标准环境下，对产品进行检测并给以保证的可靠性。它与产品的材料、设计与制造工艺及检验精度等有关。产品的开发者可以控制。使用可靠性：与产品的使用条件密切相关，受到使用环境、操作水平、保养与维修等因素的影响。使用者的素质对使用可靠性影响很大。对产品而言，可靠性越高就越好。可靠性高的产品，可以长时间正常工作（这正是所有消费者需要得到的）；从专业术语上来说，就是产品的可靠性越高，产品可以无故障工作的时间就越长。二、可靠性技术发展的必要性一、可靠性技术发展概况第二节可靠性的发展及其重要意义三、可靠性学科的主要内容一、可靠性技术发展概况1、摇篮期（40年代）可靠性的研究是在第二次世界大战中开始的，当时对可靠性还没有明确的定义，但是德国火箭专家R.Lusser在设计V-1火箭时，把各子系统的可靠度乘积作为火箭系统的可靠度，计算出该火箭的可靠度为0.75，首次定量的表达了产品的可靠性。2、奠基期（50年代）1952年在美国国防部成立了电子设备可靠性咨询委员会（AGREE），1955年AGREE开始实施从设计、试验、生产到交付、储存和使用的全面的可靠性发展计划，并在1957年发表了著名的“军事电子设备的可靠性报告”，从9个方面阐述了可靠性设计、试验及管理的程序及方法，确定了美国可靠性工程的发展方向，成为可靠性发展的奠基性文件，标志着可靠性已经成为一门独立的学科，是可靠性工程发展的重要里程碑。3、普及期（60年代）从60年代开始，可靠性已不限于在电子领域应用，逐步推广到许多工业部门。从最复杂的宇宙飞船到民用的洗衣机、冰箱、复印机和汽车，甚至到细小的可置于人体内的心脏起搏器，都应用了可靠性设计，有明确的可靠性指标，使可靠性进入了普及期。美国在许多武器装备中推行可靠性工程，美军形成了一系列较完善的标准。4、成熟期（70年代）进入70年代，随着消费主义的高涨，提出了大量产品责任问题。1975年美国质量管理学会（ASQC）对质量进展作过预测，由于产品责任，美国当年度的赔偿金额将达500亿美元。为了防止产品的责任问题的发生，制造部门必须充分重视产品责任的预防，运用可靠性技术防止产品故障于未然。这时，可靠性已成为质量保证和质量管理的重要部分。西方工业发达国家全面开展可靠性工程实践和应用，可靠性技术变得越来越重要：从航空、航天、尖端武器和电子等行业，逐步推广应用到各个行业•核能、机械、电气、冶金、化工、铁道、船舶、电站、建筑、水利、通讯、医药等从宇宙飞船到日用产品全面普及•汽车、洗衣机、冰箱、复印机等5、现状•美国几个大汽车公司的可靠性活动有组织，规模大而且扎实，各自都有可靠性保证计划。•美国罗姆航空研究中心专门作了一次非电子设备可靠性应用情况的调查分析•美国国防部可靠性分析中心（RAC）收集和出版了大量的非电子零部件的可靠性数据手册•以美国亚利桑那大学D.Kececioglu教授为首的可靠性专家开展机械可靠性设计理论的研究，积极推行概率设计法，提出开展机械概率设计的十五个步骤美国：日本：日本以民用产品为主，大力推进机械可靠性的应用研究,1958年，日本成立了“可靠性研究委员会”，1973年成立“电子元件可靠性中心”。•日本科技联盟的一个机械工业可靠性分科会将故障模式、影响（FMEA）等技术成功地引入机械工业的企业中；•日本企业界普遍认为：机械产品是通过长期使用经验的累积，发现故障经过不断设计改进获得的可靠性前苏联对机械可靠性的研究十分重视，50年代后期前苏联开始可靠性研究，在其二十年科技规划中，将提高机械产品可靠性和寿命作为重点任务之一。苏联：•发布了一系可靠性国家标准，这些标准主要以机械产品为对象，适于机械制造和仪器仪表制造行业的产品•在各类机械设备的产品标准中，还规定了可靠性指标或相应的试验方案80年代以来机械可靠性研究在我国开始受到重视,我国有关可靠性问题的研究越来越多。但是可靠性技术在一般工业和企业中的应用还不广泛，与先进工业国家还存在较大的差距。中国：•我国原机电部从1986年起已经发布了6批限期考核的机电产品可靠性技术指标的清单，前后共有879种产品已经进行了可靠性指标考核。制订了GJB-87《电子设备可靠性设计手册》等一系列标准。早在60年代初，美国有人预言，今后在激烈的国际市场竞争中，只有可靠性高的产品及企业才能幸存下来。在80年代，日本又有人断言，今后国际市场上产品竞争的焦点是可靠性。事实上，日本从美国引进可靠性工程技术后，在民用产品上的应用非常成功，其汽车、发电设备、家用电器和办公机具等能够畅销全球，根本原因是由于其质量和可靠性高。二、可靠性技术发展的必要性1、可靠性技术是产品竞争的武器•我国生产的电梯，平均使用寿命（指两次大修期的间隔时期）为3年左右，而国外的电梯平均寿命在10年以上，是我们的3倍；故障率，国外平均为0.05次，而我国为1次以上，高出20倍，这样的产品怎么有竞争力呢！因此要想在竞争中立于不败之地，就要狠抓产品质量，特别是产品可靠性，没有可靠性就没有质量，企业就无法在激烈的竞争中生存和发展。因此，可靠性问题必须引起政府和企业的高度重视，抓好可靠性工作，不仅是关系到企业生存和发展的大问题，也是关系到国家经济兴衰的大问题。2、可靠性技术将涉及到巨大的经济效益在60年代中期，小松工程机械产品滞销，企业濒临倒闭，为此对销往国内外的703台四种大型推土机进行全面的调查分析，通过调查分析，对大约30各部件和200个零件的寿命和可靠性进行改进提高，使这些机种的可靠性水平显著提高，维修费用降低了2／3，最后使小松推土机的出口贸易比率从20％增长到40－55％的水平，不但在竞争中站住了脚跟，而且带来了巨大的经济效益。3、提高产品可靠性,可以防止故障和事故的发生,尤其是避免灾难性的事故发生。•美国“挑战者号”航天飞机由于右侧助推火箭密封装置出现问题，造成燃料外泄引起爆炸(1986年在肯尼迪航天中心起飞后76秒），七名宇航员全部遇难。三、可靠性学科的主要内容1、可靠性数学2、可靠性物理3、可靠性工程研究解决可靠性问题的数学模型和数学方法。数理统计、随机过程，运筹学，模糊数学和概率论指产品发生故障以后的失效分析。是专门研究失效现象及其发生的机理和检测方法的一个学科。是对产品及其零部件的失效现象和发生的概率进行分析、预测、试验、评估和进行控制的工程学科。光学显微镜分析技术红外显微镜分析技术红外热像仪分析技术声学显微镜分析技术电子束测试系统俄歇电子能谱分析技术离子微探针分析技术可靠性工程范畴系统/产品的可靠性要求或目标可靠性的设计分析建模、预计风险分析等可靠性试验与评价环境应力筛选可靠性增长试验等可靠性验证试验等可靠性信息可靠性管理作业1-1；1-2