可靠性工程基本概念

第一章绪论可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。“规定条件”：产品的使用条件、维护条件、环境条件。“规定时间”：产品必须达到的任务时间。如应力循环次数和车辆的行驶里程。“规定功能”：产品必须具备的功能及其技术指标。可靠性定义分为任务可靠性和基本可靠性。两者都强调无故障完成任务。任务可靠性强调完成规定的功能是界定在“任务剖面”的范围内。基本可靠性强调的持续时间是界定在寿命剖面的范围内。一个寿命剖面包含一个以上的任务剖面。度量任务可靠性时只考虑危及任务成功的致命故障，与该任务无关的故障可以不考虑。基本可靠性则涉及整个寿命周期内的所有故障。任务剖面：产品完成规定任务的时间内所经历的时间和环境的描述。产品的工作状态；维修方案；产品工作的时间与顺序；产品所处的环境(外加的与诱发的)的时间与顺序；任务成功或致命故障的定义。寿命周期与寿命剖面：产品从制造到寿命终结或退出使用这段时间内所经历的全部事件和环境的时序描述。它包含一个或多个任务剖面。通常把产品的寿命剖面分为后勤和使用两个阶段。可靠性的定义固有可靠性：产品在生产过程中确立的可靠性。生产厂在模拟实际工作标准环境下，对产品进行检测并给以保证的可靠性。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、使用者的素质等因素的影响。维修性：产品在发生故障或失效后，能迅速修复以维持良好而完善的状态的难易性。广义可靠性：产品在整个寿命周期内完成规定功能的能力。包括狭义可靠性和维修性。可靠性数学是可靠性研究的最重要的基础理论之一，主要研究解决各种可靠性问题的数学模型和数学方法，属于应用数学的范畴。应用于可靠性的数据收集、数据分析、系统设计及寿命试验等方面。可靠性物理即失效分析，是研究失效现象及其机制和检测方法的学科，使可靠性工程从数理统计方法发展到以理化分析为基础的失效分析方法。从微观角度研究零部件（元器件）的失效发展过程和失效机理，从本质上、从机理方面探究产品的不可靠因素，为研制、生产高可靠性产品提供科学的依据。可靠性工程是对产品（零部件、元器件、设备或系统）的失效及其发生概率进行统计、分析的一门边缘性学科，主要内容是运用系统工程的观点和方法论从设计、生产和使用等角度来研究产品的可靠性，包括对产品进行可靠性设计、可靠性预计、可靠性试验、可靠性评估、可靠性检验、可靠性控制、可靠性维修及失效分析。实施可靠性工程应重视可靠性数据的收集与分析3.可靠性设计应用可靠性理论、技术和设计参数的统计数据，在给定的可靠性指标下，对零件、部件、设备或系统进行的设计，称为可靠性设计。通过预计、分配、分析、改进等一系列可靠性工程活动，把可靠性定量要求设计到产品的技术文件和图样中去，从而形成产品的固有可靠性。系统可靠性设计零件可靠性设计系统可靠性设计的目的，就是要使系统在满足规定可靠性指标，完成预定功能的前提下，使系统的技术性能、重最、成本、时间等各方面取得协调，求得最佳设计；或是在性能、重量、成本、时间和其它要求的约束下，设计能得到实际高可靠度的系统。系统可靠性设计常用的方法系统可靠性框图;故障模式影响与危害度分析FMECA;故障树分析FTA;马尔科夫过程研究可靠性的重要意义保证和提高产品的可靠性水平;提高经济效益;提高市场竞争能力第二章可靠性数学基础定义：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称为可靠度。可靠度的观测值是指直到规定的时间终了为止，能完成规定功能的产品数与该区间开始时刻投入工作产品数之比。定义：产品在规定的条件下和规定的时间内，丧失规定功能概率称为累积故障概率（又称不可靠度）剩余寿命：若产品用到t时刻仍然完好，称为产品的年龄。具有年龄t的产品从t时刻开始继续使用下去直到失效为止所经历的时间，称为具有年龄t的产品的剩余寿命。定义：工作到某时刻尚未故障的产品，在该时刻后单位时间内发生故障的概率，称之为产品的故障率。故障率浴盆曲线早期故障期；偶然故障期；耗损故障期可靠寿命：给定的可靠度所对应的产品工作时间。中位寿命：产品的可靠度等于0.5时的可靠寿命。平均寿命：产品寿命的平均值。对于不可修产品，平均寿命就是平均故障前时间；对于可修复产品，平均寿命就是平均故障间隔时间。可用性是系统可靠性与维修性的综合表征。定义：可修复产品，在规定的条件下使用，在规定维修条件下修复，在规定的时间具有或维持其规定功能处于正常状态的概率。瞬时有效度使用有效度极限有效度瞬时有效度是产品在某一时刻所具有或维持其规定功能的概率。平均有效度是在某规定时间内有效度的平均值。极限有效度是当时间趋于无限大时，瞬时有效度的极限值。随机试验具有以下特点：重复性随机性明确性第3章典型系统可靠性模型系统由相互作用和相互依赖的若干单元结合成的具有特定功能的有机整体。系统包含“单元”，其层次高于“单元”系统按其可否修复分为不可修复系统和可修复系统两类定义组成系统的所有单元中任一单元的故障都会导致整个系统故障的称为串联系统。串联系统是最常用和最简单的模型之一。组成系统的所有单元都发生故障时，系统才发生故障。并联系统是最简单的冗余系统（有贮备模型）。系统由n个单元组成，若系统中有r个或r个以上单元正常，则系统正常，这样的系统称作n中取r表决系统。组成系统的各单元只有一个单元工作，当工作单元故障时，通过转换装置接到另一个单元继续工作，直到所有单元都故障时系统才故障，称为旁联系统，又称非工作贮备系统。非工作贮备的优点是能大大提高系统的可靠度。缺点是：（1）由于增加了故障监测与转换装置而提高了系统的复杂度；（2）要求故障监测与转换装置的可靠度非常高，否则贮备带来的好处会被严重削弱。贮备系统按贮备单元在贮备期间的失效情况可分为三类冷贮备（无载贮备）贮备单元在贮备期间失效率为零；热贮备（满载贮备）贮备单元在贮备期间失效率与工作单元失效率一样；温贮备（轻载贮备）贮备单元在贮备期间失效率大于零而小于工作单元失效率。维修度：对可能维修的产品在发生故障或失效后，在规定的条件下和规定的时间内完成修复的概率。修复率：维修时间已达到某一时刻但尚未修复的产品在该时刻后的单位时间内完成修复的概率。可用性：当需要时，可维修产品保持正常使用状态或功能的能力。其度量指标是可用度。第4章可靠性分配与预计可靠性分配系统可靠性分配就是将使用方提出的，在系统设计任务书(或合同)中规定的可靠性指标。，从上而下，由大到小，从整体到局部，逐步分解，分配到各分系统，设备和元器件。可靠性预计系统的可靠性预计是在系统的设计阶段根据组成系统的元器件等在规定条件下的可靠性指标、系统的结构、系统的功能以及工作方式等来推测系统的可靠性。是一个由局部到整体、由小到大，由下到上的一种综合过程。可靠性分配的目的是使各级设计人员明确其可靠性设计要求，根据要求估计所需的人力、时间和资源，并研究实现这个要求的可能性及办法。可靠性预计的目的：将预计结果与要求的可靠性指标相比较，审查设计任务书中提出的可靠性指标是否能达到。在方案论证阶段，通过可靠性预计，根据预计结果的相对性进行方案比较，选择最优方案。在设计阶段，通过预计，发现设计中的薄弱环节，加以改进。为可靠性增长试验、验证试验及费用核算等方面的研究提供依据。通过预计给可靠性分配奠定基础。可靠性分配与可靠性预计的关系：可靠性分配结果是可靠性预计的依据和目标；可靠性预计相对结果是可靠性分配与指标调整的基础。相互制约，相辅相成，使系统的设计满足要求。可靠性分配与可靠性预计的作用:提高产品的固有可靠性;降低产品全寿命周期的费用;为可靠性增长计划提供科学依据.在新产品从开发研制一直到定型生产之前，一艇要经设计——试制——试验——修改设计——小批生产——检验——改进——定型生产这一过程，在这一过程中，产品可靠性水平在不断提高，称为可靠性增长。可靠性分配的程序:明确系统可靠性参数指标要求;分析系统特点;选取分配方法（同一系统可选多种方法）;准备输入数据;进行可靠性分配;验算可靠性指标要求;可靠性分配的无约束分配方法：等分配法;评分分配法；再分配法；比例分配法；AGREE方法等分配法又称为平均分配法。当系统中个单元具有近似的复杂程度、重要性以及制造成本时，可用等分配法分配系统各单元的可靠度。评分分配法含义：在可靠性数据非常缺乏的情况下，通过有经验的设计人员或专家对影响可靠性的几种因素评分，对评分进行综合分析而获得各单元产品之间的可靠性相对比值，根据评分情况给每个分系统或设备分配可靠性指标。评分因素与原则：（1）复杂度最复杂的评10分，最简单的评1分。（2）技术发展水平:水平最低的评10分，水平最高的评1分。(3)工作时间:单元工作时间最长的评10分，最短的评1分。(4)环境条件:单元工作过程中会经受极其恶劣而严酷的环境条件的评10分，环境条件最好的评1分。可靠性指标分配的模糊数学模型:(1)建立评价因素集;(2)建立评价因素权重集;(3)建立因素评价集（等级）及相应分值集;(4)构建模糊综合评判矩阵;(5)计算各单元综合评价分值;(6)可靠性指标分配3.再分配法如果系统可靠性预计结果小于规定的系统可靠度，则须重新进行可靠度分配。4.比例分配法使系统中各单元的容许失效率与该单元预计失效率成正比。5.AGREE法考虑了组成系统各单元的复杂度、重要度、工作时间以及它们与系统之间的失效关系，又称为按照单元的复杂度及重要度的分配法。适用于各单元工作期间的失效率为常数的串联系统。可靠性预计目的、用途:评估系统可靠性，审查是否能达到要求的可靠性指标。在方案论证阶段，通过可靠性预计，比较不同方案的可靠性水平，为最优方案的选择及方案优化提供依据。在设计中，通过可靠性预计，发现影响系统可靠性的主要因素，找出薄弱环节，采取设计措施，提高系统可靠性。为可靠性分配奠定基础。分类根据战术技术中可靠性的定量要求:基本可靠性预计由于产品不可靠导致对维修和保障的要求。任务可靠性预计估计产品在完成任务的过程中完成其规定功能的概率。从产品构成角度分析：单元可靠性预计（元件、部件或设备等）系统可靠性预计可靠性预计基本方法及用途：系统可靠性预计：数学模型法；边值法；故障树分析法设备可靠性预计：数学模型法；相似分析法；元器件计数法；应力分析法元器件可靠性预计：应力分析法数学模型法：根据组成系统的各单元间的可靠性数学模型，按概率运算法则，预计系统的可靠度的方法，是一种经典的方法.相似设备法：将新设计的产品和已知可靠性数据的相似设备进行比较，从而简单估计出新产品可能达到的可靠性水平。相似产品法考虑的相似因素一般包括：产品结构、性能的相似性；设计的相似性；材料和制造工艺的相似性；使用剖面(保障、使用和环境条件)的相似性相似复杂性法：将新设计产品的与相似产品相比较，考虑新产品的相对复杂性，建立新、老产品可靠性之间的函数关系。功能预计法：建立设备的功能特性和观测的工作可靠性之间的统计相关关系；根据系统的功能，统计大量相似系统的功能参数和相关可靠性数据，运用回归分析的方法，得出一些经验公式及系数；根据初步确定的系统功能及结构参数预计系统的可靠性。元器件计数法：按不同种类元器件的数量来预计单元和系统可靠度的方法。采用这个方法进行预计，首先确定设计方案中各种元器件的类型。应力分析法：用于产品详细设计阶段的电子元器件失效率预计。预计电子元器件工作失效率时对基本失效率进行修正。边值法：基本思想：对于一些很复杂的系统，采用数学模型很难得到可靠性的函数表达式。不采用直接推导的办法而是忽略一些次要因素，用近似的数值来逼近系统可靠度真值，从而使繁琐的过程变得简单。边值法又称为上下限法，将一个复杂的系统先简化成某些单元组成的串联系统，求该串联系统的可靠度预测值的上限及下限。然后逐步考虑系统的其他部分，逐次求出越来越精确的可靠度上限值和下限值，当达到一定的精度要求后，再将上限值和下限值合成一个可靠度单一预测值。机械产品可靠性预计方法：相似分析法；统计分析法故障物理法相似分析法根据相似产品或相似环境下的可靠性数据，对产品或环境条件进行对比修正，得出可靠性预计结果。第五章故障模式影响与危害度分析故障