可靠性概念、数据统计

可靠性工程主要内容：一、可靠性基本概念二、可靠性数据统计分析三、可靠性预测、分配四、可靠性保证技术五、机械可靠性设计主要参考书：1.刘易斯.实用可靠性工程.北京：航空工业出版社2.刘唯信.机械可靠性设计.北京：清华大学出版社3.肖德辉.可靠性工程.北京：航空出版社.4.王超.机械可靠性工程北京：冶金工业出版社1绪论1.1可靠性是一门新兴的学科1.2可靠性发展简史可靠性工程发展初期阶段（30~40年代）1939年英国航空委员会首次提出飞机故障率为0.00001次/h二次大战末期，德国火箭专家Lussen，提出串联系统的概念1942年，MIT开始对真空管机械可靠性研究一、可靠性工程基本概念可靠性工程技术发展形成阶段（50~60年代）1952年美国成立“电子设备可靠性顾问组”——AGREE（AdvisoryGrouponReliabilityofElectronicEquipment）1957年提出《电子设备可靠性报告》——奠定可靠性理论基础1958年美国成立ACGMR——导弹可靠性特设委员会1959年美国国防部发布《电子设备可靠性大纲》——MIL-R-25717C1968年美国航空局发布以可靠性为中心的维修大纲60年代末美国40%的大学已经开设了可靠性的课程。可靠性工程技术发展形成阶段（50~60年代）主要是制定各种军用标准、规范，进行可靠性统计试验，建立可靠性标准体系NASA将可靠性工程技术列为登月成功的三大技术成就之一可靠性的国际化阶段（70~80年代）可靠性保证阶段，实现以可靠性为中心的管理；从军事领域、电子、航空航天、核能扩展到电力、机械、土木、电力、保险风险评估等领域；从只重视硬件可靠性发展到硬件、软件并举，确保大型复杂设备的可靠性；重视可靠性工程试验，确保产品在规定的条件下具有规定的可靠性水平。–美国六七十年代就将可靠性技术引入汽车、发电设备、拖拉机、发动机等机械产品。–80年代，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•由美国、英国、加拿大、澳大利亚和新西兰五国组成的技术合作计划（TTCP）委员会编制出一本常用机械设备可靠性预计手册阀门、作动器、弹簧、轴承齿轮、花键、连接器离合器、联轴器、万向节电动机、泵、压气机、传感器日本以民用产品为主，大力推进机械可靠性的应用研究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日本一方面采用成功的经验设计，同时采用可靠性的概率设计方法的结果以及与实物试验进行比较，总结经验，收集和积累机械可靠性数据苏联（俄罗斯）对机械可靠性的研究十分重视，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。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苏联（俄罗斯）还充分利用丰富的实际经验，研究并提出典型机械零件的可靠性设计可经验公式，专门出版《机械可靠性设计手册》苏联（俄罗斯）还十分重视工艺可靠性和制造过程的严格控制管理，认为这是保证机械产品可靠性的重要手段80年代以来机械可靠性研究在我国开始受到重视从1986年起，机械部已经发布了六批限期考核机电产品可靠性指标的清单，前后共有879种产品已经进行可靠性指标的考核1990年11月和1995年10月，机械工业部举行了两次新闻发布会，先后介绍了236和159种带有可靠性指标的机电产品1992年3月国防部科工委委托军用标准化中心在北京召开了“非电产品可靠性工作交流研讨会”2005年GJB450改版，增加机械可靠性内容1.3可靠性研究的目的和意义A保证和提高产品的可靠性水平B提高经济效益C提高市场竞争力可靠性的效益一、用户效益1、产品可靠性的提高，防止事故发生，保证用户安全。2、可靠性提高，成本投资相近，用户效益提高。3、可靠性提高，全寿命周期成本下降，节省维修费用。二、企业效益1、可靠性提高，企业竞争力增强。2、可靠性提高，减少事故赔偿费用。1.4可靠性学科的研究内容可靠性数学研究解决各种可靠性问题的数学方法和数学模型。可靠性物理研究各种失效机理和失效模型可靠性工程以可靠性物理为背景，以可靠性数学为手段，解决各种工程问题，包括可靠性设计、可靠性预计、可靠性分配、可靠性增长、可靠性管理等可靠性的定义（Reliability）：（GB3187-82）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（能力是用概率值表示）tdttftxPtR)()()(Reliability以R表示从数学上讲：可靠性就是研究产品寿命的概率分布可靠性的三大指标：狭义可靠性、有效性、贮存寿命可靠性指标的估计：投入N个产品进行试验，到给定时间t时，有Ns个在正常工作；Nf个已经失效NtNNtNtRfs)(1)()()(tR是可靠度估计的平均值，置信度为50%可靠度=95%表示取100个试样进行试验，到给定时间，仍有95个试样能正常工作。可靠度=95%，置信度=90%表示取100组试样，每组100个，进行试验，到给定时间，至少有90组试样，每组有95个试样能正常工作NtNNtNtFsf)(1)()()(tF1)()(tRtF产品可靠性指标极限有效度可用性经济性有效性维修性可靠性平均有效度瞬时有效度平均修复时间可靠寿命平均寿命失效率累积失效概率可靠性修复率维修度保修费用率全寿命周期成本成本比成本可用度固有可用度使用可用度影响机械可靠度的主要因素设计运转使用环境变化保管运输服务制造维修气温不合适温度不合适腐蚀环境附件不合适销售的差错日常保养不良现场修理不良大修不良滥用超载误操作安全系数不足冗余度不足未防止误操作无故障保险零部件互换性差图纸差错公差不合适附件备件不足载荷确定不准超载防护不好不适应使用环境寿命确定不准保管不好备件供应不足服务上的差错使用可靠度Ru固有可靠度RI误差加工不良材料不良装配不良检查不良RIURRRR一件产品的可靠度与其生产、存储和使用均有关系RI（InherentReliability）固有可靠度RU（UseReliability）使用可靠度RR（RedundantReliability）储存可靠度费用R维修费用生产费用总费用R’不可能工作时间可能工作时间可能工作时间A有效性：可行性研究要求技术要求与合同R要求R技术要求与合同设计零件材料分析加工失效模式和影响分析应力和最坏情况分析冗余分析M分析R估计设计评审部件-总成制造研制样机制造重新设计修改制造使用性能试验部件-总成试验环境试验加速试验耐久试验R验证数据设计评审R估计QC试验维修筛选数据数据R验证R估计R估计可靠性计划流程（BS5760）2、可靠性特征量1.可靠度R(t)可靠度函数tdttftTPtR)()()(R(t)t1.01)(00)(lim1)0(tRtRRt可靠度估计量NtNtRs)()(规定时间t产品序号123111210456789ttttt产品序号观察时间123不可修复产品试验三件可修复产品试验4167.0125)()(NtNtRs4167.0125)()(NtNtRs里程（万公里）10121518202225283035失效数51231112111713100不失效数6858801721801241661881826862.累积失效概率F(t)NtNNtFtRtFdttftTPtFst)()(1)()()()()(0F(t)t1.03.失效概率密度函数f(t)tNtNtNtNNtNttNttFttFtfdttftFtFdttdFtffffft)(/])()()([)()()()()()()()(0'0f(t)f(t)F(t)R(t)1)(01)(lim0)0(tFtFFt4.失效率)(t)(1lim)(0tTttTtPttt)()()(tTPttTtPtTttTtP)()()(1)()()()(lim)()(1lim)('00tRtRtRdttdFttRtFttFtTPttTtPtttttdttetR0)()(ttNtNttNtNttNtsfsff)()()()()()(失效率估计值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的失效概率，也称为故障率函数。平均失效率tNttNttNmsNifififf1)()(式中：tfi第i个产品失效前的工作时间Ns整个试验期间未出现失效的产品数Nf整个试验期间出现失效的产品数失效率单位：1Fit=10-9/htdtttm0)(1失效率的三种类型)(ttIIIIIII早期失效(earlyfailure)DFR(decreasingfailurerate)II偶然失效(randomfailure)CFR(constantfailurerate)III耗散失效(wear-outfailure)IFR(increasingfailurerate)常见的失效率曲线t)(t高载荷正常载荷低载荷t)(tt)(tt)(t维修平均寿命：不可维修产品MTTF(MeanTimetoFailure)可维修产品MTBF(MeanTimebetweenFailure000000)()()()()()()(dttRdttRttRttdRttdFdtttfTE可靠寿命：给定可靠度Ｒ，从R(t)=P(Tt)中反解出的t值中位寿命：给定可靠度为５０％时的寿命更换寿命：给定)(t从)()()('tRtRt中反解出的t值失效率概率密度函数可靠度累积失效概率tdttettf0)()()(tdttetR0)()(tdttftF0)()()(')(tFtf)(1)(tFtR)(1)(tFtRtdtttf0)(rTRr)(5.0)(5.0TR1)(1eTRe2.３可靠性中常用的寿命分布正态分布：随机变量由大量的互相独立的，微小的随机因素的总和构成222)(21)(tetf随机变量的均值随机变量的标准差(尺度参数)12211、f(t)曲线以为对称轴2、f(t)曲线在±处有拐点3、t=时，f(x)有最大值4、当时，5、曲线f(t)以t轴为渐近线，且6、给定，改变，曲线f(t)仅沿t轴偏移7、给定，改变，图形对称轴不变但图形本身改变t1)(dttf0)(tf随机变量的取值落在±3范围内的概率为99.73%（3原则）进行正则变换：tz则：zZdzezZPztF2221)()()(2221)(Zez标准正态分布机械可靠性中材料的强度极限、磨损寿命、测量误差等ttdtetF222)(21)(ttdtetR222)(21)(累积失效概率可靠度)(tt对数正态分布：222)(ln21)(tettfttdtettF222)(ln21)(ttdtettR222)(ln21)(累积失效概率可靠度)(tt机械可靠性中材料的疲劳强度极限、疲劳寿命等)2exp()(2tE)1))(exp(2exp()(22tD威布尔分布；由最弱链模型导出PPmtmetmtf)(1)()(