可靠性基础讲义（质量工程师）.ppt

可靠性发展历史 1、二战：雷达 2、军事航空航天电子电气机械土木服务 3、内容：可靠性维修性维修保障性安全性 4、研究方法：宏观微观 单元系统 定性定量 不可修复可修复 手工计算机 5、试验：工程试验、统计试验 6、管理：以可靠性为中心的全面质量管理 主要内容：数理统计、可靠性理论、可修复系统、可靠性分析、可靠性设计、可靠性试验、可靠性管理 特点：可靠性与性能最大区别：看不见、不易测到。 概率统计的应用：可以统计、评估。,第5章 可靠性基础知识,第5章 可靠性基础知识,5.1 基本概念及常用度量 5.1.1 故障及其分类 1、故障概念：产品或其一部分不能本将不完成预定的功能的事件或状态称为故障。 对于不可修的产品也称失效。 故障（失效）功能损失（不可靠） 故障表现形式故障模式 物理、化学变化的原因机理,2、分类有多种方法： 由后果致命和非致命（对整体功能） 统 计独立和从属（影响故障次数） 规 律早期、偶然和耗损（浴盆曲线）,第5章 可靠性基础知识,第5章 可靠性基础知识,5.1.2 可靠性的基本概念 可靠性概念 经典的定义：产品在规定条件下和在规定的时间内，完成规定功能的能力。（三要素） 用概率可靠度 产品硬件、软件和流程性材料、服务。 产品的可靠性是指产品全寿命周期的可靠性、与设计、制造、使用密切相关（全寿命）。 时间：广义时间，次数、里程等,各个阶段对可靠性的影响大小： 设计 4050% 制造 2030% 固有可靠性 使用 2030% 使用可靠性 固有可靠性：设计、制造赋予的 实际过程中表现出的能力使用可靠性，与安装、操作使用、维修保障有关。 还可分为：基本可靠性、任务可靠性。 任务可靠性在规定任务剖面内完成规定的功能的能力。,第5章 可靠性基础知识,5.1.3 维修性 定义：产品在规定条件下、时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复其规定状态的能力。三要素 条件：机构和场所，人、设备、工具、备件、资料。 程序、方法：技术文件规定的，维修工作、类型、步骤方法。 维修性也是产品设计赋予的固有特性。,第5章 可靠性基础知识,第5章 可靠性基础知识,5.1.4 保障性 保障性：保障资源满足平时和战时使用要求的能力，资源的充足、适用程度 保障性与可靠性及维修性有密切关系 5.1.5 软件可靠性 硬件与软件都是系统的重要组成部分 软件也同样存在可靠性问题 iec 60300-3-6 软件可信性应用指南标准,5.1.6 可用性和可信性 可用性（有效性）是在要求的外部资源得到保证前提下，产品在规定条件下和规定时刻或时间区间内处于执行规定功能状态的能力。 可信性是表示可用性及其影响因素的综合反映。可靠性、维修性、维修保障性的非定量综合描述。 r.m.s综合反映广义可靠性，可信性 可用度 a 概率度量（有效度）,第5章 可靠性基础知识,5.1.7 可靠度函数、累积故障概率分布函数、故障概率密度函数 可靠度函数 r(t) = p(tt) t0 累积故障概率分布函数 f(t) = p(tt) 两者关系 r(t) + f(t) = 1 f(t) = 1r(t) 故障概率密度函数 f（t）= d f(t) / dt = - d r(t) / dt f(t) = 0t f（u）du r(t) = t f（u）du,第5章 可靠性基础知识,第5章 可靠性基础知识,第5章 可靠性基础知识,5.1.8 可靠性与维修性的度量 1、可靠度：完成规定功能的能力概率可靠度 可靠度概率定义 r ( t ) = p ( t t ) t 产品故障前的工作时间，随机变量。 t规定时间 统计方法 设有no个产品投入使用，r(t)故障数。 可靠度 r(t) = (no - r(t) ) / no 估计值 f(t) = r(t) / no,第5章 可靠性基础知识,2、故障率（失效率）函数 定义：某时刻尚未发生故障的产品，在该时刻后单位时间内发生故障的概率故障率（风险函数） 概率定义： ( t ) = f ( t ) / r ( t ) 统计计算： ( t ) = r(t) / ns(t) t (t)= 0 指数分布 r ( t ) = exp（-0 t ） 故障率与可靠度及故障密度函数的关系 r ( t ) = 1- f ( t ) = t f（u）du f ( t ) = 1- r ( t ) =0t f（u）du ( t ) = f ( t ) / r ( t ) f ( t ) = d f(t) / dt = - d r(t) / dt,第5章 可靠性基础知识,3、平均失效（故障）前时间（mttf） 第一次故障或失效 mttf = t i / n t i每个产品的寿命 指数分布时： mttf = 1 / 0 4、平均故障间隔时间（ mtbf ） 可修复产品 mtbf = t i / n t i每次故障前的寿命 产品的mtbf与产品维修效果有关。 基本修复和完全修复：mtbf = 0 r（t）dt,第5章 可靠性基础知识,5、产品的特征寿命 产品寿命：可靠寿命、使用寿命、总寿命、贮存寿命 可靠寿命：t r 一定可靠度下的寿命 使用寿命：t r 一定故障率下的寿命 总寿命：投入使用到报废的总工作时间 贮存寿命：在规定条件下，产品能贮存的日历持续时间启封使用能满足规定要求。,第5章 可靠性基础知识,6、平均修复时间mttr和可用度a 实际修复时间的平均值mttr mttr = i / n 系统处于可工作状态的概率a a = mtbf / (mttr +mtbf),第5章 可靠性基础知识,5.1.9 浴盆曲线,第5章 可靠性基础知识,早期故障阶段： ( t ) 减小 机械：跑合期（磨合期）、设计缺陷、加工缺陷、安装缺陷 偶然故障阶段： ( t ) 基本恒定 偶然因素，操作、负荷 耗损故障阶段： ( t ) 迅速增加 老化、疲劳、磨损、腐蚀。可通过维修、更换解决,第5章 可靠性基础知识,5.1.10 可靠性与产品质量的关系 质量： 性能特性容易评价 专门特性可用性、难于直观判断 安全性难于直观判断 经济性容易判别、比较 时间性容易判别、比较 适用性容易判别、比较,第5章 可靠性基础知识,5.2 可靠性设计、分析 5.2.1 可靠性设计 产品的可靠性与设计、生产和管理相关 可靠性设计水平与固有可靠性关系重大。 可靠性设计的主要技术： 1 规定定性定量的可靠性要求可靠性指标 指标体系：目标、产品质量水平、考核、验证、动力，mtbf、mttf、 mttr、 a、(t) 、r(t),第5章 可靠性基础知识,2 建立可靠性模型可靠性框图 产品系统级、分系统级、部件级的可靠性模型 功能数学方法：定量的可靠性分析，分配、预计、评估 乘法模型（串联） 加法模型（并联）工作贮备,第5章 可靠性基础知识,第5章 可靠性基础知识,第5章 可靠性基础知识,3 可靠性分配 5.2.2 4 可靠性预计 5.2.3 5 设计准则：系统化、条理化、科学化 6 耐环境设计：振动、冲击、噪音、防潮、防腐、热设计。 7 电子元器件的选用与控制（数据） 8 电磁兼容性设计 9 降额设计和热设计,第5章 可靠性基础知识,5.2.2 可靠性分配 把总的可靠性定量要求分配到规定的层次，使可靠性、性能、经济性达到综合平衡。 rs* ：r1*, r2*, rn* rs ( t ) = f (r1, r 2,rn) 平均分配： s = i -i= s /n,第5章 可靠性基础知识,评分分配法： 复杂度、技术成熟度、重要度、环境条件 评分：110分，四项相乘为评分数 评分系数：ci = wi/w wi第i个子系统的评分数 w系统的总评分数 故障率分配：i= cis ci 第i个子系统的评分系数,第5章 可靠性基础知识,5.2.3 可靠性预计 对产品可靠性的定量估计 r1，r2， rn rs 串联模型： rs = r1 * r2 * * rn = r i 元器件计数法： s = nigiqi 应力分析法： p =be k s = nipi,第5章 可靠性基础知识,复杂系统可靠性分析 系统设计及改进的过程，缺乏相应的资料和数据，定量的分析困难。 复杂系统中还应考虑人和环境因素的影响。 常用的两种方法：故障模式影响及危害性分析fmeca，故障树分析fta已形成标准 5.2.4 故障模式影响及危害性分析fmeca 可靠性故障，减少故障危害、安全性可靠性提高 故障模式产品功能影响单点故障。 影响：局部、高一层次、最终影响,第5章 可靠性基础知识,危害影响的严重程度（严酷度） 发生概率 根据危害大小提出可能的预防 严酷度：四级(灾难、致命、严重、轻度)， 概率：五级 安全性分析及评价： h = d p 风险=损失概率 危害性矩阵图： 危害性以线段长段评定 fmeca用途 确定关键件和重要件 单点故障和薄弱环节 为维修性、测试性、安全性、保障性、试验提出信息,第5章 可靠性基础知识,第5章 可靠性基础知识,影响fmeca的工作效果因素 分析者的水平 可利用的信息 分析的时机，设计过程 fmeca的实施步骤 （1）掌握产品的结构与功能 （2）掌握产品启动、运行、操作、维修资料 （3）掌握产品的使用环境 （4）定义产品及其功能和最低要求,第5章 可靠性基础知识,第5章 可靠性基础知识,（5）画出功能框图、可靠性框图 （6）确定分析到的曾次 （7）找出所有的故障模式 （8）找出故障检测的方法 （9）找出设计时预防的措施 （10）确定故障模式产生危害的严酷度 （11）确定故障模式发生的概率级别 （12）填写fmeca表,第5章 可靠性基础知识,5.2.5 故障树分析技术 fta 故障树: 用一系列事件符号、逻辑符号、转移符号描述系统中各事件与故障（顶事件）间的因果关系 倒长的树根（顶事件）在上，叶(底事件)在下 逻辑门的符号和意义：与门、或门、禁门、非门、顺序与门、表决门、异或门等 事件符号：顶事件、中间事件、底事件矩形、矩形、圆形、菱形、椭圆形、房形。 转移符号：转入、转出符号,第5章 可靠性基础知识,故障树分析的步骤 系统的定义：系统故障、边界、相关资料 故障树的建造：一个故障一个故障树， 故障：一次故障、二次故障、指令故障 不可分 可分解 操作失误 故障树的评价：定性与定量评价 （1）定性评价：找出最小割集与最小路集，进行重要度、敏感性分析 （2）定量评价：顶事件概率、定量的重要度、灵敏度 故障树分析报告：对建造、分析、评价过程进行总结，给出结果和结论。,第5章 可靠性基础知识,fta的优缺点 、优点： 加深对系统的全面了解，能用于研究特殊的故障问题 可研究环境及人为失误等因素的影响 是一种图示的分析方法，是逻辑推理方法 可进行定性与定量分析 能给设计、使用及维修提供改进、故障诊断的工具 、缺点 工作量大，时间、经济消耗大 结果不易检查，容易有疏忽或遗漏 对多态事件难以处理，对储备和可修复系统难以分析,5.2.6 维修性设计 产品的维修性是设计出来的。 维修性定性设计主要有：简化设计、可达性设计、标准化互换性与模块化设计、防差错及识别标志设计、维修安全设计、故障检测设计、维修中人因工程设计等。,第5章 可靠性基础知识,(1)简化设计：尽可能采用最简单的结构和外形, 以 降低对使用和维修人员的技能要求。 (2)可达性设计：是当产品发生故障进行维修时, 容易接近需维修部位的设计。 (3)标准化、互换性与模块化设计。 (4)防差错及识别标志设计。 (5)维修安全性设计。 (6)故障检测设计。 (7)维修中的人因工程设计。,第5章 可靠性基础知识,5.3 可靠性试验 作用：调查、分析和评价的手段 目的：定量要求，合格与否 保证可靠性，实现可靠性增长 分类：地点实验室、现场试验 目的工程试验、统计试验 应力筛选、鉴定 可靠性增长、验收,第5章 可靠性基础知识,5.3.1 环境应力筛选 低于极限的环境应力，模拟真实条件。 剔除早期故障， 100%筛选 最有效：随机振动和温度循环应力 不能提高产品的固有可靠性 5.3.2 可靠性增长 暴露产品薄弱环节，改进薄弱环节，提高可靠性，试验分析改进 rs = r1 * r2 * * rn = r i rs min ( r i),第5章 可靠性基础知识,第5章 可靠性基础知识,5.3.3 加速寿命试验 不改变故障机理，缩短试验时间 1、恒定应力加速 2、步进应力加速分级加速 3、序进应力加速连续加速 5.3.4 可靠性测定试验 假定指数分布的条件 测定产品的r指标mtbf 定时、定数截尾 mtbf = t / r,5.3.5 可靠性鉴定试验 开发产品的r规定r要求的验证。 具有代表性的产品，规定的条件，定型依据 国家标准，企业标准 由于时间、费用的问题，试验方案中风险指标、的值较大 5.5.6 验收试验 交付使用产品的可靠性试验验收统计试验。 定时、定数截尾、序贯型 抽样试验。,第5章 可靠性基础知识,5. 4 可信性管理 5.4.1 基本原则 可靠性管理，从系统的观点出发，用科学的计划、组织、监督和控制可靠性活动开展，以最少的资源实现用户要求的可靠性。 从头开始、用系统方法、坚持预防为主、信息管理（fracas）、贯彻标准和法规、严格技术状态、一次成功、采用可信性评审,第5五章 可靠性基础知识,5.4.2 管理的四项主要内容 计划：分析确定目标，制定实施要求，准备所需的资源，确定完成时间和负责人 组织：总负责人和建立管理机构 监督：报告