1可靠性基本概念与参数体系xinconcept.ppt

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1、2019/9/2,1,可靠性基本概念与参数体系 Introduction to Reliability_Conception & Parameter,2019/9/2,2,可靠性、可靠度（Reliability） 定量（精确）,可靠（Reliable） 定性（模糊）,可靠性的概念是人们在对一些付出惨痛代价的事故的研究中提出的。例如，二战中美国,空军因飞行故障损失飞机21000架，比实战中被击落的多1.5倍； 运往远东的飞机电子设备，60%在运输中失效，50%在存储期间失效； 海军舰艇的电子设备，70%因意外事故失效。,一、可靠性的提出,1.1 可靠性技术的发展简介,2019/9/2,3,上世纪

2、以来的十大事故,1907年魁北克大桥坠垮使19000t钢材和86名工人坠入水中；,1912英国泰坦尼克号客轮遇难导致1513人丧生；,1937年德国兴登堡气球爆炸；,1963年美国“长尾鲨”号核潜艇失事；,1963年意大利维昂特水坝冲毁，造成4000人丧生；,2019/9/2,4,上世纪以来的十大事故,1974年土耳其的DC10飞机失事，造成355名乘客和11机组成员丧生；,1979年美国宾夕法尼亚反应堆事故；,1981年美国堪萨斯城饭店倒塌造成113人丧生，200人受重伤；,1984年12月印度博帕尔农药厂中毒事件约有3000人丧生，10万人不同程度中毒；,2019/9/2,5,上世纪以来的

3、十大事故,1986年前苏联切尔诺贝利核电站事故，4号反应堆发生猛烈爆炸，反应堆内放射性物质大量外泄，大伙经过7天才得以扑灭。,2019/9/2,6,有关可靠性的早期工作,1939年，英国航空委员会出版适航性统计学注释，首次提出飞机故障率不应超过0.00001次/h，这可以认为是最早的飞机安全性和可靠性定量指标。 二战末期，德国火箭专家R卢瑟(Lusser)首先提出概率乘积法则（将系统的可靠度看成其各子系统可靠度的乘积），用于V-火箭诱导装置的可靠度计算，得到其可靠度为75，这是第一次定量地计算一个复杂系统的可靠度问题。,2019/9/2,7,1952年，美国成立了“电子设备可靠性顾问团” (

4、Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment，即 AGREE) 。AGREE对电子产品的设计、制造、试验、储存、运输及使用等各个方面作了全面的可靠性调查研究，于1957年发表了著名的军用电子设备可靠性报告。 该报告首次比较完整的阐述了可靠性的理论和研究方法，该报告被公认为可靠性工程的奠基性文件。 从此，对可靠性问题的研究逐渐发展成为一门新兴的独立学科。,有关可靠性的早期工作,2019/9/2,8,可靠性理论的三个独立学科,可靠性理论在其发展过程中形成了三个主要领域或三个独立学科： (1)可靠性数学 可靠性数学是可靠性研究的最重要的基

5、础理论之一，它主要是研究与解决各种可靠性问题的数学方法和数学模型研究可靠性的定量规律。它属于应用数学范畴，涉及到概率论、数理统计、随机过程、运筹学及拓朴学等数学分支。它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。,2019/9/2,9,(2)可靠性物理 可靠性物理又称失效物理，是研究失效的物理原因与数学物理模型及检测方法与纠正措施的一门可靠性理论。它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。它是从本质上、从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,2019/9/2,10,(3)可靠性工程 可靠性工程是对产品(零、部件，元、器

6、件，总成，设备或系统)的失效及其发生的概率进行统计、分析，对产品进行可靠性设计、可靠性预测、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的一门包含了许多工程技术的边缘性工程学科。,2019/9/2,11,它是立足于系统工程方法，运用概率论与数理统计等数学工具（属可靠性数学），对产品故障进行研究，找出薄弱环节，确定提高产品可靠性的途径，并综合地权衡经济、功能等方面的得失，将产品的可靠性提高到满意的程度的一门学科。,2019/9/2,12,二、可靠性工程的发展与应用,电子设备,空间科学 宇航技术,一般工业部门 民用,五十年代,六十年代,七十年代以后,2019/9/2,13,

7、美国于1961开始计划研制Apollo-11号宇宙飞船，它有720万个零件，其重要零件可靠性为99.9999999。,可靠性工程的应用实例（1） Apollo计划,1969年7月登月成功。尽管Apollo计划的种种技术，现在为世界上的各种产品所应用，但是其中影响最为深远的是可靠性技术。,2019/9/2,14,Apollo-11的控制舱,可靠性工程的应用实例（1） Apollo计划,阿波罗宇宙飞船整个研制的各阶段对可靠性和质量保证的要求,可靠性工程的应用实例（1） Apollo计划,2019/9/2,16,长征运载火箭中国可靠性研究的代表,长征运载火箭通过对故障原因分析、可靠性标准的规范应用等

8、一系列措施，大大提高了整个系统的可靠性。是目前最安全可靠的航天运载工具之一。,可靠性工程的应用实例（2）长征运载火箭,2019/9/2,17,我国机械产品的可靠性工作正在普及推广中，相继颁布了一批机电产品的可靠性指标，并限期考核。仪表、汽车的可靠性技术研究与应用，先行了一步，已获得成效。机械可靠性设计将得到更为广泛的应用和发展。 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

9、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,三、机械可靠性设计发展,2019/9/2,18,1.2 研究可靠性技术的意义,提高产品的可靠性是可以获得很高经济效益的。比如，美国西屋公司为提高某产品可靠性，曾对其作了一次全面设计审查，结果是：所得到经济效益是为提高可靠性所花费用的100倍以上。,二、提高经济效益,三、提高市场竞争能力,只有产品的可靠性水平提高了，才能通过产品的信誉，增强市场竞争能力。,一、保证和提高产品的可靠性水平,2019/9/2,Introduction to Reliability_Conception & Par

10、ameter,19,主要内容,可靠性基本概念 可靠性参数体系,2019/9/2,Introduction to Reliability Engineering_Conception,20,可靠性基本概念可靠性,可靠性 产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。 产品可靠性定义的要素是三个“规定”: “规定条件”、“规定时间”、“规定功能”,2019/9/2,21,故障及其分类,故障及其分类 产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态，称之为故障。 故障的表现形式，叫做故障模式。 引起故障的物理化学变化等内在原因，叫做故障机理。 不可修产品（如电子元器件）：失效 产品的故障按

11、其故障的规律可以分为两大类： 偶然故障 渐变故障,2019/9/2,22,可靠性基本概念质量与可靠性关系,从广义质量观看，质量涵盖可靠性 从狭义的质量观看，就是“符合性质量” 可靠性毕竟与狭义的质量管理还是有很大区别的，质量出了问题，往往批次性很强 可靠性是更深层次的与设计、工艺相关的根本性问题。 有些企业对于可靠性工程有一种错误观念，认为可靠性工程是质量部门的事情，而设计部门却很少人员参与。 产品的可靠性是在设计阶段就已经决定了 在用户使用过程中，均是“可靠性”问题,2019/9/2,23,寿命周期与寿命剖面,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

12、。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。,2019/9/2,24,寿命剖面示例,事件 （使用方法）,生 产,验 收,装卸和公路运输,装卸和铁路运输,装卸和空运,装卸和船运,装卸和后勤 支援运输 （最坏路线）,有遮蔽存贮，帐篷，圆屋顶,无遮蔽存储,工作准备阶段,发射阶段,调整状态,导弹处于战斗位置,发射后第一个动作,飞行阶段,命中目标,发射段,惯性飞行段,下降段,主动段,某导弹的寿命剖面,2019/9/2,25,任务剖面,产品在完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述。任务剖面一般应包括： 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

13、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。,2019/9/2,26,任务剖面示例,2019/9/2,27,可靠性基本概念,基本可靠性 产品在规定的条件下，无故障的持续时间或概率。 在没有后勤保障情况下系统工作能力的度量 考虑所有需要维修保障的故障,采用冗余，降低基本可靠性 通常等于或低于任务可靠性,2019/9/2,28,可靠性基本概念,任务可靠性 产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力 系统完成任务能力的度量 只考虑引起任务失败的故障 通过冗余提高任务可靠性 通常高于基本可靠性,2019/9/2,29,可靠性基本概念,固有可靠性 产品在设计、制造过程中赋予的固有属性

14、。 产品的开发者可以控制。 使用可靠性 产品在实际使用过程中表现出的可靠性。 除固有可靠性的影响因素外，还要考虑安装、操作使用、维修保障等方面因素的影响。,2019/9/2,30,可靠度及可靠度函数,可靠度及可靠度函数 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。依定义可知，可靠度函数R(t)为：,式中 N0 t = 0时，在规定条件下进行工作的产品数； r(t) 在0到t时刻的工作时间内，产品的累计故障数。,2019/9/2,31,累积故障分布函数,累积故障概率 产品在规定的条件下和规定的时间内，丧失规定功能的概率称为累积故障概率（又叫不可靠度）。 依定义可知，产品的累积

15、故障概率是时间的函数，即,显然，以下关系成立：,2019/9/2,32,可靠度函数与累积故障分布函数的性质,与 的性质如下表 所示：,2019/9/2,33,例11 检验一批轴承的可靠性：,抽取50个轴承为样本，考察其在稳定载荷条件下的运行情况：,2019/9/2,34,记样本零件总数N0，到某时刻 t, 累计失效数Nf(t)，仍正常工作数Ns (t ) ，,例11检验一批轴承的可靠性：,定义存活频率为：,2019/9/2,35,N0时,定义累积失效频率为：,例11检验一批轴承的可靠性：,2019/9/2,36,例11检验一批轴承的可靠性：,一般情况,2019/9/2,37,失效概率密度是累积

16、失效概率对时间的导数，记作f(t)。它表示产品寿命落在包含的单位时间内的概率，即产品在单位时间内失效的概率。可表示为：,2失效概率密度,2019/9/2,38,失效概率密度的估计值,2019/9/2,39,由定义可得：,失效概率密度、累积失效概率和可靠度的关系,2019/9/2,40,累积故障分布函数,可靠度函数与累积故障分布函数的性质,2019/9/2,41,故障率函数,故障率 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。 用数学符号表示为：,式中 故障率；, t 时刻后， 时间内故障的产品数；,残存产品数，即到 t 时刻尚未故障的产品数。,2019/

17、9/2,42,故障率函数,可按下式进行工程计算：,式中 时刻后时间内故障的产品数；,所取时间间隔；,残存产品数。,对于低故障率的元部件常以 为故障率的单位，称之为菲特（Fit）。,2019/9/2,43,失效率的估计值：,为在（t，t+t）时间间隔内失效的产品数,设有N0个产品，从t=0开始工作，到某时刻 t 的失效数 ，正常工作数 ，到时刻 的失效数为,则有,2019/9/2,44,对100个某种产品进行寿命试验，在t100h以前没有失效，而在100105h之间有1个失效，到1000h前共有51个失效，10001005h失效1个，分别求出100h 和1000h时，产品失效率和失效概率密度,解

18、：t=100h时，,据题意有,例12,2019/9/2,45,例12,t=1000h时，,据题意有,2019/9/2,46,失效规律与类型：,（a）早期失效型,（b）偶然失效型,（c）耗损失效型,2019/9/2,47,问题,故障率是概率值么？ 故障率有量纲么？ 故障率和累计故障密度之间有什么关系？,2019/9/2,48,人类健康的曲线,2019/9/2,49,产品故障浴盆曲线,浴盆曲线 大多数产品的故障率随时间的变化曲线形似浴盆，称之为浴盆曲线。由于产品故障机理的不同，产品的故障率随时间的变化大致可以分为三个阶段：,2019/9/2,50,对故障发生规律认识的变化,2019/9/2,51,

19、故障发生规律的六种模式,六种模式所占的比率（美国联合航空公司统计）,2019/9/2,52,航天产品的统计数据,六种模式所占的比率（航天产品的统计数据）,2019/9/2,53,我国的情况,我国海军、装甲兵、通讯装备的一些统计资料都证明了许多产品都没有明显的耗损故障区的结论,?,2019/9/2,54,故障率与可靠度、故障密度函数的关系,2019/9/2,55,故障率与可靠度、故障密度函数的关系,由于 ，所以,2019/9/2,56,故障率、可靠度与密度函数关系,2019/9/2,57,平均故障前时间(MTTF),2019/9/2,58,平均故障间隔时间,2019/9/2,59,问题,某微型计

20、算机的MTBF=10000小时，是否意味着该计算机每工作10000小时才出一次故障？,2019/9/2,60,寿命特征,2019/9/2,61,寿命特征,2019/9/2,62,首翻期、翻修间隔期和使用寿命,(t),t,首次翻修期,规定的故障率,A,B,(=1/MTBF),翻修间隔期,使用寿命,2019/9/2,63,维修度等有关尺度,产品的维修性可用其维修度(Maintainability)来衡量。,维修度的定义：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。记为M()。,平均修理时间MTTR:指可修复产品的平均修理时间（总维修活动时间（h）/维修次数）。,修

21、复率：指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理的概率。,2019/9/2,64,可靠性参数体系,可靠性参数是描述系统可靠性的度量。它直接与装备完好、任务成功、维修人力和保障资源有关。 可靠性指标是可靠性参数要求的量值。,2019/9/2,65,可靠性参数反映目标,2019/9/2,66,可靠性参数分为基本可靠性参数和任务可靠性参数 基本可靠性反映了产品对维修人力费用和后勤保障资源的需求。 确定基本可靠性指标时应统计产品的所有寿命单位和所有的故障。 任务可靠性是产品在规定的任务剖面中完成规定功能的能力。 确定任务可靠性指标时仅考虑在任务期间那些影响任务完成的故障(即

22、致命性故障)。,可靠性参数分类,2019/9/2,67,可靠性参数的相关性,平均故障间隔时间(MTBF)与平均故障间隔飞行小时(MFHBF) 任务成功概率与致命故障间的任务时间 MTBF与故障率 平均维修间隔时间与MTBF 平均拆卸间隔时间与MTBF,2019/9/2,68,可靠性参数指标特性,综合性（有效度） 可靠性参数的相关性 使用参数与合同参数之间存在转换关系 阶段性 产品可靠性，在研制阶段具有增长性,2019/9/2,69,阶段性,可靠性参数指标特性,2019/9/2,70,使用参数、合同参数 使用可靠性参数及指标反映了系统及其保障因素在计划的使用和保障环境中的可靠性要求，它是从最终用

23、户的角度来评价产品的可靠性水平。 MFHBF、MCSP、MTBM等。 合同可靠性参数及指标反映了合同中使用的易于考核度量的可靠性要求，它更多地是从承制方的角度来评价产品的可靠性水平。 如MTBF、MTBCF等。,可靠性参数分类,2019/9/2,71,使用指标与合同指标,2019/9/2,72,目标值 -1,GJB1909.1-94将目标值定义为：期望装备达到的使用指标，它既能满足装备的使用需求，又可使装备达到最佳的效费比，是确定规定值依据。 美军防务采办术语-98将目标值定义为：用户所期望的和项目经理企图获得的性能值，目标值表示比每个项目参数的性能门限值大一个量值。该量值在使用上是有意义的，

24、时间上是关键的而且费用上是有效的。,2019/9/2,73,目标值-2,美空军AFR80-5-78将目标值定义为：既满足使用要求又具有增长能力或保障费用最佳的R&M值。 从上述定义可以发现，R&M目标值首先表示系统投入外场使用，经过一段期间的使用，发现问题并进行改进后达到成熟状态的R&M水平，这种R&M水平必须满足预定的未来环境下的使用要求，同时，R&M的目标值应使系统在外场的使用和保障费用最低，而且应是通过增长可以达到的R&M值。,2019/9/2,74,门限值-1,GJB1909.1-94将门限值定义为：装备必须达到的使用指标，它能满足装备的使用要求，是确定最低可接受值的依据。 美军防务采

25、办术语-98将门限值定义为：为满足用户需求、所必须达到的最低可接受值。如果没有达到门限值，那么项目性能就会严重下降，项目费用可能太高，项目进度可能拖延。 美空军AFR80-5-78将门限值定义为：完成任务（即满足使用要求）所必需的最低的R&M水平。R&M门限值是制定合同最低要求的基础。,2019/9/2,75,门限值-2,R&M门限值是满足系统使用要求所必须的最低的水平，即最低的要求值。 它是外场使用试验进行验证的依据. 其验证时机可根据不同类型的系统及不同的要求来确定。,表 F-4、F-15、F-16与F-22(ATF)的RMS比较,目标值与门限值的示例,目标值与门限值的示例,目标值与门限值的示例,2019/9/2,80,某型飞机可靠性参数选择与确定,2019/9/2,81,运行比的确定,某飞机任务剖面及分系统工作,2019/9/2,82,各分系统时间表示,2019/9/2,83,各分系统飞行小时、工作小时和故障数,2019/9/2,84,谢谢,