1可靠性概论

1可靠性工程基础24人机系统的可靠性6可靠性应用1可靠性概论2系统可靠性模型3可靠性预测与分配5系统可靠性实效分析可靠性工程基础31.4可靠性与安全性关系1.1可靠性基本概念1.2可靠性特征量1.3常用失效分析1可靠性概论1.1可靠性基本概念一、可靠性的定义国家标准《可靠性、维修性术语》（GB3187—1994）把可靠性定义为：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力（或概率）。4（1）产品，是指可以单独研究、分别试验的任何部件、组件、设备或系统。它可以由硬件、软件或兼由二者组成。就产品的性质划分产品，可分为不可修复产品（如电子元件、灯泡等)和可修复产品（如计算机、大型设备等）。51.1可靠性基本概念（2）规定的条件，是指产品使用时的工作、环境条件以及储存条件。规定的条件不同，产品的可靠性也不同。常在产品说明书中说明。例如，某种设备在实验室内使用和在野外现场使用其可靠性是不同的；温度、湿度、腐蚀介质等不同的环境条件，对产品的可靠性都有很大的影响。61.1可靠性基本概念7（3）规定的时间，是指产品的工作时间，也称任务时间。例如，某种家电，规定90%设备无故障工作时间为15000h，那么在15000h之内，这一批产品绝大部分不会发生故障；但超过15000h，则不能保证完好工作的百分比。规定时间的单位可以是分、秒、小时、天、月、年，也可以是周期、次数、里程等。如继电器等用触点开关的次数表示。1.1可靠性基本概念8（4）规定的功能，是指产品应具有的各项性能指标（精度、功率、速度、稳定性等）。在工作或试验中，产品达到了规定的性能指标，则称产品完成了规定的功能；否则，产品丧失规定功能称为失效或故障。1.1可靠性基本概念9如电灯丝断了，属于（1）；研究可靠性，必须首先要明确故障的内容才能研究之，因为可靠性本身就是产品不出故障的概率，不能确定故障就不能计算概率。电视机的双影越来越重，影象越来越模糊，属于（3）。故障可能有以下几种情况：（1）不能工作；（2）工作不稳定；（3）功能退化等。1.1可靠性基本概念收音机一会有声音，一会没声音，属于（2）。二、可靠性分类1.狭义可靠性和广义可靠性狭义可靠性:是指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。它表示产品在规定时间内发生故障的难易程度，以后如对“可靠性”一词不加注明，均指狭义可靠性。101.1可靠性基本概念广义可靠性:是指产品整个寿命周期内完成规定功能的能力。它包括了狭义可靠性和维修性两个方面的内容。维修性:是指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，保持或恢复到能完成规定功能的能力。111.1可靠性基本概念广义可靠性实质上就是产品的有效性。有效性（也称有用性）是指可维修产品在某时刻具有或保持规定功能的能力。实际上，有效性是将一个可维修产品的可靠性和维修性有机地结合起来，用一个统一的尺度来评价产品在全部使用过程中能有效工作的程度和比率。它表示产品正常工作的能力。121.1可靠性基本概念2.固有可靠性和使用可靠性固有可靠性:是指由设计和制造过程所决定的产品可靠性。它所考虑的中心问题是狭义可靠性。使用可靠性:是指产品在使用过程中，因受环境条件、维修方式及人为因素的影响所能达到的可靠性。131.1可靠性基本概念3.硬件可靠性和软件可靠性“硬件”，是指在传统上被看作是从完全相同的器件总体中取出的若干部分的一种组合。前面所述的可靠性定义均指硬件可靠性。“软件”，是指由书面的或可记录的信息、概念、文件或程序组成的产品。软件可靠性可表述为：在规定的条件下和规定的时间内，软件完成规定功能的能力或不引起系统故障的能力。141.1可靠性基本概念三、可靠性的研究内容1.可靠性工程1）可靠性设计：通过设计奠定产品的可靠性基础。这项工作包括：建立可靠性模型，对产品进行可靠性预计和分配，进行故障或失效机理分析，在此基础上进行可靠性设计。151.1可靠性基本概念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。根据试验的目的，有各种不同的可靠性试验方法。161.1可靠性基本概念3）可靠性优化与寿命周期费用：通过优化使产品在规定的研制费用以及时间进度、重量体积等条件下达到最佳的可靠性。或者在满足规定的可靠性指标前提下，减少其体积重量、节省费用和缩短研制时间、成本。提高产品的可靠性需从设计、制造等方面进行优化，因此会增加产品的设计费用、材料成本、制造成本。但是由于可靠性增加，减少维修，提高寿命，总的经济效益将得到提高。171.1可靠性基本概念4）系统可靠性：由许多单元及子系统组成的大系统的可靠性，有其自身的特点，最可靠的元器件不一定组成高可靠性的系统，因此系统可靠性有其特有的理论和方法，近年来已形成了独立的分支。5）软件可靠性：软件的可靠性使可靠性的内容得到了发展，由于软件的特殊性，其可靠性研究有不同的内容。181.1可靠性基本概念2.可靠性物理可靠性物理是20世纪60年代发展起来的。20世纪60年代前后，半导体器件发展很快，未知的失效原因很多，并且和物理学关系甚为密切，于是就产生了“失效物理学”。它是从本质上、机理方面探究产品的不可靠因素，从而为研制、生产高可靠性产品提供科学的依据。191.1可靠性基本概念3.可靠性数学研究产品故障的统计规律，涉及产品的可靠性设计、分析、预测、分配、评估、验收和抽样等技术的数理统计学方法，均属于可靠性数学研究的内容。201.1可靠性基本概念211.4可靠性与安全性关系1.1可靠性基本概念1.2可靠性特征量1.3常用失效分析1可靠性概论22二、累积失效概率F（t）一、可靠度R（t）三、失效概率密度f（t）四、失效率()t五、产品的寿命特征1.2可靠性特征量23可靠性的特征量主要是：可靠度、失效概率、失效率、失效概率密度和寿命等。一、可靠度R（t）1、可靠度定义可靠度—是指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。它是时间的函数，记作R（t）。1.2可靠性特征量24设T为产品寿命的随机变量，则可靠度函数为：R（t）=P（Tt）（1-1）表示产品的寿命T超过规定时间t的概率，既产品在规定的时间t内完成规定功能的概率。式（1-1）R（t）=P（Tt）的含义：1.2可靠性特征量25可靠度与时间的关系曲线如图1-2所示。1.2可靠性特征量26根据可靠度的定义，可以得出：（1）R（0）=1；（2）R（∞）=0。即开始使用时，所有产品都是好的；只要时间充分大，全部产品都会失效。1.2可靠性特征量27（1）对于不可修复的产品，可靠度估计值是指在规定的时间区间（0，t）内，能完成规定功能的产品数ns（t）与在该时间区间开始投入工作的产品数n之比。（2）对于可修复的产品，可靠度估计值是指一个或多个产品的无故障工作时间达到或超过规定时间t的次数ns（t）与观测时间内无故障工作总次数n之比。2、可靠度估计值)(ˆtR1.2可靠性特征量28因此，不论对可修复产品还是不可修复产品，可靠度估计值的计算公式相同，即:=ns（t）/n（1-2）1.2可靠性特征量29不可修复产品，是将直到规定时间区间（0,t）终了为止失效的产品数记为nf（t）；ns（t）=n-nf（t）（1-3）可修复产品，将无故障工作时间T不超过规定时间t的次数记为nf（t），所以nf（t）也是（0,t）时间区间的故障次数。故有关系式:1.2可靠性特征量30例1-1在规定条件下对12个不可修复产品进行无替换试验。在某观测时间内对3个可修复产品进行试验，试验结果如图1-3所示。两图中“×”均为产品出现故障时的时间，t为规定时间，求以上两种情况的产品可靠度估计值。)(ˆtR图1-31.2可靠性特征量31解：（1）不可修复产品试验由图1-3（a）统计可得nf（t）=7，因已知n=12，由式（1-2）和（1-3）有：4167.012712)()()(ntnnntntRfs1.2可靠性特征量32(2)3台可修产品的试验由图1—3(b)统计可得n=12，ns(t)=5，由式(1-3)得：=ns(t)／n)(ˆtR=5／12=0.41671.2可靠性特征量33二、累积失效概率F（t）1、累积失效概率的定义累积失效概率——是产品在规定条件和规定时间内失效的概率，其值等于1减可靠度。也可说产品在规定条件和规定时间内完不成规定功能的概率，故也称为不可靠度，它同样是时间的函数，记作F（t）。有时也称为累积失效分布函数（简称失效分布函数）。其表示式为：()()1()1()FtPTtPTtRt（1-4）1.2可靠性特征量34由此可见，R（t）和F（t）互为对立事件。失效分布函数F（t）与时间关系曲线如图1-4所示。从上述定义可以得出：F（0）=0，F（∞）=1。图1-41.2可靠性特征量35解：()1()()/fFtRtntn（1-5）例1-2有110只电子管，工作500h时有10只失效，工作到1000h时总共有53只电子管失效，求该产品分别在500h与1000h时的累积失效概率。∵110,(500)10,(1000)53ffnnn=53/110=48.18％2、累积失效概率的估计值)(ˆtF=10/110=9.09％∴1.2可靠性特征量36三、失效概率密度f（t）1、失效概率密度——是累积失效概率对时间的变化率，记作f（t）。它表示产品寿命落在包含t的单位时间内的概率，即产品在单位时间内失效的概率。其表示式为:（1-6）()()()dFtftFtdt()()toFtftdt（1-7）即1.2可靠性特征量37（1-8）()()()()()1()/fffnttntntFttFtftttnnnt2、失效概率密度的估计值()ft式中——在时间间隔内失效的产品数。()fnt(,)ttt当产品的失效概率密度f（t）已确定时，由式（1-4）、（1-7）可知f（t）、F（t）、R（t）之间的关系可用图1-5表示。图1-51.2可靠性特征量38四、失效率()t1.失效率的定义失效率——是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。记作，称为失效率函数，有时也称为故障率函数。()t按上述定义，失效率是在时刻t尚未失效的产品在t~t+Δt的单位时间内发生失效的条件概率，即：01()lim(/)ttPtTttTtt（1-9）1.2可靠性特征量39由条件概率()(/)()PtTttPtTttTtPTt所以式（1-9）变为：（1—10）)(1)()()()()()()(00tRdttdFttRtFttFlinttTPttTtPlinttt反映t时刻失效的速率，故也称为瞬时失效率。)(t1.2可靠性特征量40工程实际中，失效率与时间关系曲线有各种不同的形状，但典型的失效率曲线呈浴盆状，该曲线有明显的三个失效期，见图1—6所示。图1-6失效率函数但对机械设备的失效率曲线如图(d)所示,它的早期、偶然和耗损三个失效期不明显。1.2可靠性特征量412.失效率的估计值()t不论产品是否可修复，产品失效率的估计值均可由下式求得：（1-11）ttntnttntnttntsfsff)()()()()()(ˆ1.2可靠性特征量42例1-3对100个某种产品进行寿命试验，在t=100h以前没有失效，而在100~105h之间有1个失效，到1000h前共有51个失效，1000~1005h失效1个，分别求出t=100和t=1000h时，产品的失效率和失效概率密度。1.2可靠性特征量43据题意有：解：（1）求产品在100h时的失效率和失效概率密度)100(ˆ)100(ˆf5(h)100-105,1)100(,100)100(,100tnnnfsh/%2.0511001)100()100()100