[高等教育]10-质量管理中的可靠性技术.ppt

现代质量管理 与 统计分析,新生研讨课,5 质量管理中 的 可靠性技术,参考文献 茆诗松，汤银才，王玲玲，可靠性统计，高等教育出版社，2008.,5.1 可靠性工程的重要性,例,美国的宇宙飞船阿波罗工程有700万只元器件和零件，参加人数达42万人，参与制造的厂家达1万5千多家，生产周期达数年之久。 像这样庞大的复杂系统，一旦某一个元件或某一个部件出现故障，就会造成整个工程失败，造成巨大损失。 所以可靠性问题特别突出，不专门进行可靠性研究是难于保证系统可靠性的。,高科技的需要 现代科技迅速发展导致各个领域里的各种设备和产品不断朝着高性能、高可靠性方向发展，各种先进的设备和产品广泛应用于工农业、交通运输、科研、文教卫生等各个行业，设备的可靠性直接关系到人民群众的生活和国民经济建设。所以，深入研究产品可靠性的意义是非常重大的。,可靠性工程的重要性,经济效益的需要 产品或设备的故障都会影响生产和造成巨大经济损失。特别是大型流程企业，有时因一台关键设备的故障导致工厂停产，其损失都是每天几十万元甚至几百万元。因此，从经济效益的来看，研究可靠性是很有意义的。 研究与提高产品的可靠性是要付出一定代价的。从生产角度看，要增加产品的研制和生产的成本。但是，从使用角度看，由于产品可靠性提高了，就大大减少了使用费和维修费，同时还减少了产品寿命周期的成本。所以，从总体上看，研究可靠性是有经济效益的。,政治声誉的需要 从政治方面考虑，无论哪个国家，产品的先进性和可靠性对提高这个国家的国际地位、国际声誉及促进国际贸易发展都起很大的作用。,钱学森，特别重视质量可靠性技术,1911年12月11日2009年10月31日 1955年，他在饱尝不公正待遇的辛酸后，收拾行装，返回祖国。我国系统工程理论与应用研究的创导人 1991年10月16日 国务院、中央军委授予他“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英雄模范奖章。 1999年9月18日 中共中央、国务院、中央军委授予他“两弹一星”功勋奖章,钱学森大力倡导可靠性增长技术。1975年以后，多次提出“变动统计学”及“小样本变动统计学” 理论，指导我们结合随机过程理论、经典统计理论、 Monte Carlo 方法、 Bayes方法和模型拟合优度检验、增长趋势检验、相邻工程阶段之间是否存在增长的各种统计检验方法, 也特别重视质量可靠性技术。 完成了国家“七五”攻关项目-质量与可靠性增长技术国家级课题,1、 可 靠 性 基 本 理 论,可靠性数学与故障物理学； 集合论与逻辑代数； 概率论与数理统计； 图论与随机过程； 系统工程与人素工程学； 环境工程学与环境应力分析； 试验及分析基础理论。,7、 元 件 可 靠 性,制定元件可靠性； 元件失效分析与可靠性评价； 元器件及原材料的合理选择； 元器件的老化筛选； 元器件现场使用情况调查和反馈。,2、 可 靠 性 设 计,贮备设计和裕度设计； 降额设计和构件概率设计； 热设计、抗机械力设计； 防潮、腐蚀、盐雾、尘设计； 电磁兼容设计和抗辐射设计； 电磁兼容设计和抗辐射设计； 维修性设计和使用性设计； 质量、体积、重量和经济指标综合设计。,8、 系 统 可 靠 性,可靠性预计与分配； 失效模式效应与危害度分析； 事件树分析法(ETA)； 故障树分析法(FTA)； 可靠性综合评估。,3、 可试 靠验 性,环境试验； 寿命试验； 筛选试验。,9、 可教 靠育 性,举办各种可靠性学习班与讲座； 内外培训和内外考察； 专业技术会议； 出版可靠性刊物、可靠性教材。,4、 制造,质量控制手段和方法,10 可 靠 性 管 理,建立可靠性管理机构和研究机构； 制定可靠性管理纲要； 制定产品可靠性管理规范； 建立质量反馈制度； 开展产品可靠性评审。,5、 使靠 用性 的保 可证,使用和维护规程制定； 操作和维修人员培训； 安全性设计； 人-机匹配设计和环境设计。,6、 可 靠 性. 信 息,现场数据收集、分析、整理和反馈； 试验数据处理和反馈； 元器件失效率汇集和交换； 各种可靠性信息搜集和交流； 用户调查和反馈。,11、 可 靠 性 标 准,基础标准； 试验方法标准； 认证标准； 管理标准； 设计标准； 产品标准,可靠性工程的基本内容,5.2 可靠性的概念及指标,可靠性的定义及其说明,定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。 说明: 1. 产品：可以是零件、部件，也可以是由它们装配而成的机器，或由许多机器组成的机组和成套设备（统称为系统），甚至还把人的作用也包括在内。 2. 规定条件：一般指的是使用条件或环境条件。包括应力温度、湿度、尘砂、腐蚀等，也包括操作技术、维修方法等条件。,3. 规定时间：是可靠性区别于产品其他质量属性的重要特征，一般也可认为可靠性是产品功能在时间上的稳定程度。因此以数学形式表示的可靠性各特征量都是时间的函数。 这里的时间概念不限于一般的年、月、日、分、秒，也可以是与时间成比例的次数、距离。例如应力循环次数、汽车行驶里程。 4. 规定功能：首先要明确具体产品的功能是什么，怎样才算是完成规定功能。 产品丧失规定功能称为失效，对可修复产品通常也称为故障。,怎样才算是失效或故障，有时很容易判定，但更多情况则很难判定。 当产品指的是某个螺栓，显然螺栓断裂就是失效； 当产品指的是某个设备，对某个零件损坏而该设备仍能完成规定功能就不能算失效或故障； 有时虽有某些零件损坏或松脱，但在规定的短时间内可容易地修复也可不算是失效或故障； 若产品指的是某个具有性能指标要求的机器，当性能下降到规定的指标后，虽然仍能继续运转，但已应算是失效或故障; 究竟怎样算是失效或故障，有时要涉及厂商与用户不同看法的协商，有时要涉及当时的技术水平和经济政策等而作出合理的规定。,5. 能力：只是定性的理解是比较抽象的，为了衡量检验，后面将加以定量描述。 产品的失效或故障均具有偶然性，一个产品在某段时间内的工作情况并不很好地反映该产品可靠性的高低，而应该观察大量该种产品的工作情况并进行合理的处理后才能正确的反映该产品的可靠性，因此对能力的定量需用概率和数理统计的方法。 按产品可靠性的形成，可靠性可分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是通过设计、制造赋予产品的可靠性；使用可靠性既受设计、制造的影响，又受使用条件的影响。一般使用可靠性总低于固有可靠性。,对于可修复产品来说，可靠性的含义应指产品在其整个寿命周期内完成规定功能的能力。 故障：产品或产品的一部分不能或将不能完成规定功能的事件或状态叫出故障，对某些产品如电子元器件等亦称失效。分为： 致命性故障:产品不能完成规定任务或可能导致重大损失 系统性故障:由某一固有因素引起，以特定形式出现的故障 偶然故障:由于偶然因素引起得故障,可靠性需要满足： 不发生故障 发生故障后能方便地、及时地修复，以保持良好功能状态能力，即要有良好的维修性 维修性是指在规定条件下使用的产品在规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持和恢复到能完成规定功能的能力。,可靠性指标,衡量产品可靠性的指标很多，各指标之间有着密切联系，其中最主要的有四个 可靠度R (t) 累积失效概率(故障概率)F(t) 概率密度(故障密度函数)f (t) 失效率（故障率）(t),1. 可靠度: 产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率, 用R (t)表示. 若用T表示在规定条件下的寿命（产品首次发生失效的时间），则“产品在时间t内完成规定功能”等价于“产品寿命T大于t”。 所以可靠度(函数)R(t)可以看作事件“Tt”概率, 即 R(t)=P(Tt).,若受试验的样品数是N0个，到 t 时刻未失效的有 N s (t)个；失效的有N f (t)个。则没有失效的概率估计值，即可靠度的估计值（又称经验可靠度）为,2. 累积失效概率(故障概率) 产品在规定的条件下，在规定的时间内丧失规定的功能(即发生故障)的概率定义为不可靠度(或称为故障概率)，用F(t)表示： F (t) = P (Tt) 估计 关系: R(t)+F(t)=1,3. 概率密度(故障密度函数) 平均单位时间的故障频率 f(t)=F(t),4. 失效率（故障率, 或风险函数） 按概率定义:失效率(故障率)(t)是衡量可靠性的一个重要指标，其含义是产品工作到 t 时刻后的单位时间内发生故障的概率; 数学上，它是在时刻t尚未失效产品在t+t的单位时间内发生失效的条件概率的极限，即,按频数定义: 产品工作到t时刻后，在单位时间内发生故障的产品数与在时刻t时仍在正常工作的产品数之比。 式中dNf (t)为d t时间内的故障产品数。,失效率的单位：每小时失效的比例 国际上还采用“菲特“（FIT）作为高可靠性产品的失效率单位，为10-9/h 故障率也可用工作次数、转速、距离等 与可靠度关系: 失效率越小，可靠性越高。,R(t), f(t), (t)之间的关系,推导1：,（1）,推导2：,R(t), f(t), (t)之间的关系,（2）,推导：,失效率曲线与失效类型,失效率曲线浴盆曲线,1. 早期失效期为递减型。产品使用的早期，失效率较高而下降很快。主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及人为因素所造成的。 2.偶然失效期为恒定型。在此期间产品故障率低而且稳定，是设备工作的最好时期。在这期间内产品发生故障大多出于偶然因素，如突然过载、碰撞等，因此这个时期又叫偶然失效期。 3.耗损失效期，失效率是递增型。失效率上升较快，这是由于产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失效期。,为降低偶然失效期的失效率而增长有效寿命，应注意提高产品的质量，精心使用维护。,针对耗损失效的原因，应该注意检查、监控、预测耗损开始的时间，提前维修，使失效率仍不上升。当然，修复若需花很大费用而延长寿命不多，则不如报废更为经济。,平均寿命: 指产品从投入运行到发生故障的平均工作时间。对于不维修产品又称失效前平均时间MTTF(Mean time to failure)，根据数学期望的定义，可得 由于R(t)=-f(t), 所以,其它可靠性指标,当(t) = 常数时，R (t)= e -t，所以,对于可维修产品而言，平均寿命指的是产品两次相邻故障间的平均工作时间，称为平均故障间隔时间MTBF(Mean time between failures)，和MTTF有同样的数学表达式： 当(t) = 常数时，R (t)= e -t，所以,特征寿命: 可靠度达到R（0R1)时产品已经工作的时间称为可靠寿命或特征寿命, 记为tR,维修度与有效度: 对于可修改产品，产品在规定条件下进行修理时，在规定时间内完成修复的概率称为维修度，记为M(t). 在维修性工程中，还有维修密度函数m(t)、维修率(t)，它们之间的关系为：,平均修复时间(MTTRMean time to Repair): 产品修复时间的数学期望。有： 当(t)=常数时，,有效度: 对可修复系统，当考虑到可靠性和维修性时，综合评价的尺度就是有效度A，它表示产品在规定条件下保持规定功能的能力。 当考虑后勤保障、服务质量时，还应考虑平均等待时间(MWTMean Wait time)，这时有效度,5.3 两个常用的寿命分布,若产品的寿命或某一特征值T的故障密度为 则称T服从参数的指数分布. 指数分布的一个重要性质是无记忆性: 寿命分布为指数分布的产品，过去工作了多久对现在和将来的寿命分布不发生影响。 在“浴盆曲线”中，它是属于偶发期这一时段的。,1.指数分布(exponential distribution),分布函数 , t0 可靠度 , t0 失效率 平均故障间隔时间 其中表示平均寿命. ,例：一元件寿命服从指数分布，其平均寿命()为2000小时，求故障率及求可靠度 R (100及可靠度为0.8时的可靠寿命 解： (1/小时) 此元件在100小时时的可靠度为0.95，而可靠度为0.8时的可靠寿命为446.28小时。,2. 威布尔分布(Weibull distribution),威布尔分布应用比较广泛，常用来描述材料疲劳失效、轴承失效等寿命分布的。 威布尔分布是用三个参数来描述，这三个参数分别是尺度参数，形状参数、位置参数，其概率密度函数为： 或,分布函数 可靠度 失效率 1时，表示磨损失效；=1时，表示恒定的随机失效，这时为常数；1时，表示早期失效。 当=1,=0时退化为为指数分布，此时1/为平均寿命。,不同 值的威布尔分布 （ =1，=0）, =0, =0.5, = - 0.5, =1,f(t),t,不同 值的威布尔分布 （ =1， =2）,例,例:某零件寿命服从=4, =1200h,=3090的威布尔分布，试求:此零件工作2500 h的可靠度 和失效率及可靠度为0.99的可靠寿命。,解:R(2500)=e(25001200)/3090)4=0.969 44-1 30904 =0.0000964/h t0.90 =1200+3090(.99) =2178h,3.对数正态分布(log normal distribution),对数正态分布也是一类常用的寿命分布 产品寿命T的对数服从正态分布，即TN(,) 对数正态分布是用正态分布的二个参数,来描述的其概率密度函数为：,分布函数 可靠度 失效率 可靠寿命,例,某产品的寿命T服从对数正态分布, LN(,)。已知: =12h =0.32h, 求此产品工作105h的可靠度R(105),失效率(105)及可靠度为0.95时的可靠寿命t0.95。,解： 1. z= (t)/=(10512)/0.32=1.5221 R(105)=1.=0.9360 2. ./(0.32 105) 1 . 3. R(t0.95)=1z=0.95 , z=0.05 查表得：z= .64485 t0.95=12+(.64485)0.32=11.47365 t0.95=e11.47365=96148h,(105)=,=4.2/106h,5.4 可靠性试验概述,可靠性试验是获得可靠性数据的重要手段。可靠性试验是为了提高或证实产