质量管理学的培训课程(7个ppt)4.ppt

第七章可靠性概念 7 1可靠性的基本概念 一 可靠性工程发展及其重要性 可靠性工程发展及其重要性 例如 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 参予制造的厂家达1万5千多家 生产周期达数年之久 象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 可靠性工程的重要性主要表现在三个方面 1 高科技的需要2 经济效益的需要3 政治声誉的需要总之 无论是人民群众的生活 国民经济建设的需要出发 还是从国防 科研的需要出发 研究可靠性问题是具有深远的现实意义 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 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 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 二 可靠性工程的基本内容 可靠性工程涉及面积广 需要从科研 设计 试验 制造 运输 贮存 直到使用和维护等方面 进行研究和实施的工作 可靠性工程的基本内容 三 可靠性的概念及指标 1 可靠性 可靠性是指产品在规定的条件和规定的时间内 完成规定的功能的能力 2 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 即 可靠度R t 不可靠度 或称故障概率 F t 故障密度函数f t 故障率 t 可靠性指标 1 可靠度R t 把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定义为产品的 可靠度 用R t 表示 R t P T t 其中P T t 就是产品使用时间T大于规定时间t的概率 若受试验的样品数是N0个 到t时刻未失效的有Ns t 个 失效的有Nf t 个 则没有失效的概率估计值 即可靠度的估计值为 7 1 如果仍假定t为规定的工作时间 T为产品故障前的时间 则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 T t 同样 不可靠度的估计值为 7 2 由于故障和不故障这两个事件是对立的 所以 R t F t 1 7 3 当N0足够大时 就可以把频率作为概率的近似值 同时可见可靠度是时间t的函数 因此R t 亦称为可靠度函数 0 R t 1 可靠性指标 2 故障密度函数f t 如果N0是产品试验总数 Nf是时刻t t t时间间隔内产生的故障产品数 Nf t N0 t 称为t t t时间间隔内的平均失效 故障 密度 表示这段时间内平均单位时间的故障频率 若N0 t 0 则频率 概率 也可根据F t 的定义 得到f t 即 7 5 F t 具有以下性质 0 F t 1 且为增函数 可靠性指标 3 故障率 t 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 即产品工作到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 t 可由下式表示 7 6 式中dNf t 为dt时间内的故障产品数 故障率 故障密度及可靠度之间的关系 当N0 时 7 7 故障率 故障密度及可靠度之间的关系 根据R t F t f t t 的定义 还可以推导出 7 8 失效率曲线 故障率曲线分析 浴盆曲线 a 早期故障期 产品早期故障反映了设计 制造 加工 装配等质量薄弱环节 早期故障期又称调整期或锻炼期 此种故障可用厂内试验的办法来消除 故障率曲线分析 b 正常工作期 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 可靠性研究的重点 在于延长正常工作期的长度 故障率曲线分析 c 损耗时期 零件磨损 陈旧 引起设备故障率升高 如能预知耗损开始的时间 通过加强维修 在此时间开始之前就及时将陈旧损坏的零件更换下来 可使故障率下降 也就是说可延长可维修的设备与系统的有效寿命 故障率的单位一般采用10 5小时或10 9小时 称10 9小时为1fit 故障率也可用工作次数 转速 距离等 t 4 2 5 7 14 68 可靠性指标 4 平均寿命 平均寿命是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 Meantimetofailure 根据数学期望的定义 可得 7 9 将 7 1 式微分 可得 7 10 代入 7 9 得 7 11 当 t 常数时 R t e t 所以 7 12 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 Meantimebetweenfailure 和MTTF有同样的数学表达式 7 13 当 t 常数时 7 14 可靠性指标 5 有效度 对于可修复产品 只考虑其发生故障的概率显然是不合适的 还应考虑被修复的可能性 衡量修复可能性的指标为维修度 用M t 表示 维修度M t 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 在维修性工程中 还有维修密度函数m t 维修率 t 其相互关系有 7 15 7 16 平均修复时间 MTTR MeantimetoRepair 应理解为产品修复时间的数学期望 有 7 17 当 t 常数时 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 t 它表示产品在规定条件下保持规定功能的能力 7 18 MTBF 反映了可靠性的含义 MTTR 反映维修活动的一种能力 两者结合 固有有效度A t 当考虑后勤保障 服务质量时 就会在时间序列上出现平均等待时间 MWT MeanWaittime 如果从实际出发 使用有效度A0应表示为 可靠性指标 6 重要度 若干个部件组成的系统中 每个部件并非等同重要 在可靠性分析中 一般将各部件在系统中所起的重要程度进行定量描述 用wj表示 7 20 显然 0 wj 1 这个重要度是从系统的结构来看部件的重要程度 因此它是结构重要度 可靠性指标 7 复杂度 复杂度ci可以简单地用分系统的基本构件数来表示 即 7 21 其中 ni 第i个分系统的构件数 N 系统的构件总数 n 分系统数 四 常用寿命分布函数 1 指数分布 指数分布在可靠性领域里应用最多 由于它的特殊性 以及在数学上易处理成较直观的曲线 故在许多领域中首先把指数分布讨论清楚 若产品的寿命或某一特征值t的故障密度为 0 t 0 则称t服从参数 的指数分布 f t t R t t t t 指数分布 则有 不可靠度 t 0 可靠度 t 0 故障率平均故障间隔时间 指数分布例题 例7 1 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 R 1000 解 小时 此元件在100小时时的可靠度为0 95 而在1000小时时的可靠度为0 60 指数分布性质 指数分布的一个重要性质是无记忆性 无记忆性是产品在经过一段时间t0工作之后的剩余寿命仍然具有原来工作寿命相同的分布 而与t无关 马尔克夫性 这个性质说明 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 实际意义 在 浴盆曲线 中 它是属于偶发期这一时段的 常用寿命分布函数 2 正态分布 正态分布在机械可靠性设计中大量应用 如材料强度 磨损寿命 齿轮轮齿弯曲 疲劳强度以及难以判断其分布的场合 若产品寿命或某特征值有故障密度 t 0 0 0 则称t服从正态分布 正态分布 则有 不可靠度可靠度 故障率正态分布计算可用数学代换把上式变换成标准正态分布 查表简单计算 得出各参数值 常用寿命分布函数 3 威布尔分布 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 t 0 0 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 威布尔分布 则有 不可靠度 可靠度故障率 威布尔分布特点 当 和 不变 威布尔分布曲线的形状不变 随着 的减小 曲线由同一原点向右扩展 最大值减小 当 和 不变 变化时 曲线形状随 而变化 当 值约为3 5时 威布尔分布接近正态分布 当 和 不变时 威布尔分布曲线的形状和尺度都不变 它的位置随 的增加而向右移动 威布尔分布其它一些特点 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 为指数分布 式中为平均寿命 7 2系统可靠性模型 可靠性模型指的是系统可靠性逻辑框图 也称可靠性方框图 及其数学模型 原理图表示系统中各部分之间的物理关系 而可靠性逻辑图则表示系统中各部分之间的功能关系 即用简明扼要的直观方法表现能使系统完成任务的各种串 并 旁联方框的组合 逻辑图和原理图 了解系统中各个部分 或单元 的功能和它们相互之间的联系以及对整个系统的作用和影响对建立系统的可靠性数学模型 完成系统的可靠性设计 分配和预测都具有重要意义 借助于可靠性逻辑图可以精确地表示出各个功能单元在系统中的作用和相互之间的关系 虽然根据原理图也可以绘制出可靠性逻辑图 但并不能将它们二者等同起来 逻辑图和原理图的关系 逻辑图和原理图在联系形式和方框联系数目上都不一定相同 有时在原理图中是串联的 而在逻辑图中却是并联的 有时原理图中只需一个方框即可表示 而在可靠性逻辑图中却需要两个或几个方框才能表示出来 逻辑图和原理图 例如 为了获得足够的电容量 常将三个电器并联 假定选定失效模式是电容短路 则其中任何一个电容器短路都可使系统失败 因此 该系统的原理图是并联 而逻辑图应是串联的 逻辑图和原理图 例如 为了获得足够的电容量 常将三个电器并联 假定选定失效模式是电容短路 则其中任何一个电容器短路都可使系统失败 因此 该系统的原理图是并联 而逻辑图应是串联的 逻辑图和原理图 例如 为了获得足够的电容量 常将三个电器并联 假定选定失效模式是电容短路 则其中任何一个电容器短路都可使系统失败 因此 该系统的原理图是并联 而逻辑图应是串联的 在建立可靠性逻辑图时 必须注意与工作原理图的区别 画可靠性逻辑图 首先应明确系统功能是什么 也就是要明确系统正常工作的标准是什么 同时还应弄清部件A B正常工作时应处的状态 常开触头继电器 故障模式 1 给电后 合不上 2 断电后 分不开 原理图 可靠性框图 导管及二个阀门的原理图和逻辑图 阀门A 阀门B 原理图 可靠性框图 由此可见 系统内各部件之间的物理关系和功能关系是有区别的 如果仅从表面形式看 二个元件像是串联的 如不管其系统的功能如何 把它作为串联系统进行计算就会产生错误 随着系统设计工作的进展 必须绘制一系列的可靠性逻辑框图 这些框图要逐渐细分下去 按级展开 可靠性逻辑框图按级展开 当我们知道了组件中各单元的可靠性指标 如可靠度 故障率或MTBF等 即可由下一级的逻辑框图及数学模型计算上一级的可靠性指标 这样逐级向上推 直到算出系统的可靠性指标 这就是利用系统可靠性模型及已知的单元可靠性指标预计或估计系统可靠性指标的过程 系统可靠性模型 系统可靠性模型 一 串联模型 组成系统的所有单元中任一单元的故障就会导致整个系统故障的系统称串联系统 它属于非贮备可靠性模型 其逻辑框图如图所示 系统可靠性模型 串联模型 根据串联系统的定义及逻辑框图 其数学模型为 7 22 式中Rs t 系统的可靠度 Ri t 第i个单元的可靠度 系统可靠性模型 串联模型 若各单元的寿命分布均为指数分布 即 7 23 式中 s 系统的故障率 i 各单元的故障率 系统可靠性模型 串联模型 系统的平均故障间隔时间为 7 24 可见 串联系统中各单元的寿命为指数分布时 系统的寿命也为指数分布 由于Ri t 是个小于1的数值 由式 7 22 它的连乘积就更小 所以串联的单元越多 系统可靠度越低 由式 7 24 可以看到 串联单元越多 则MTBFs也越小 系统可靠性模型 二 并联模型 组成系统的所有单元都故障时 系统才故障的系统叫并联系统 它属于工作贮备模型 其逻辑框图如图所示 系统可靠性模型 并联模型 根据并联系统定义逻辑框图 其数学模型为 7 25 式中Fs t 系统的不可靠度 Fi t 第i个单元的不可靠度 系统可靠性模型 三 n中取r模型 r n 组成系统的n个单元中 不故障的单元数不少于r r为介于1和n之间的某个数 系统就不会故障 这样的系统称为r n系统 它属于工作贮备模型 如四台发动机的飞机 必须有二台或二台以上发动机正常工作 飞机才能安全飞行 这就是4中取2系统 系统可靠性模型 n中取r模型 r n 当n个单元都相同时 其可靠度可按二项展开式计算 7 29 式中n 系统的单元数 r 系统正常工作所必须的最少单元数 系统可靠性模型 n中取r模型 r n 式中第一项Rn t 是n个单元都正常工作的概率 第二项是 n 1 个单元正常工作 一个单元故障的概率 前r 1项是r个单元正常工作 n r 个单元故障的概率 上式可看出 当r 1时即为并联模型 当r n时即为串联模型 系统可靠性模型 四 混合式贮备模型 可靠性逻辑框图如图所示 并串联 系统可靠性模型 四 混合式贮备模型 可靠性逻辑框图如图所示 串并联 系统可靠性模型 混合式贮备模型 当各单元相同时 串并联或并串联贮备模型如下 串并联贮备的数学模型为 7 30 并串联贮备的数学模型为 7 31 Rs t t 并串联n 2 N 2 串并联n 2 N 2 单个元件 混联模型 例 五 多数表决贮备模型 n中取r模型的一个特殊情况就是多数表决贮备模型 一个系统将三个以上 必须是奇数 并联单元的输出进行比较 把多数单元出现相同的输出作为系统的输出 这就是多数表决贮备系统 表决器 R 1 旁联系统 R1 R2 R3 转换器 实际中 系统是比较复杂的 如果系统可靠性框图不能分解成上述的几种模型 可用 网络计算法 布尔直值表法 部件状态图示法最小路集法 全概率分解法等 7 3故障模式 影响分析 故障模式 影响分析 FailureModeEffectAnalysis 简称FMEA 是一种定性的可靠性分析方法 资料表明这种方法是很有效的 在工程上很有价值 这种方法是找出设计上的潜在缺陷的手段 是设计审查中必须重视的资料之一 是设计者和生产者必须完成的任务 通过分析产品所有可能的故障模式来确定每一故障对人员和系统安全 任务成功 系统性能 维修性 维修要求等的潜在影响 并按其影响的严重程度及其发生概率 确定其危害度 找出薄弱环节 以便采取有效的措施消除或减轻这些影响 在FMEA基础上增加危害度分析 CA 就形成故障模式 影响及危害度分析 FailureModeEffectandCriticalityAnalysis 简称FMECA 1 FMEA和FMECA的任务 1 列出全部部件的故障模式 2 分析对系统功能造成的影响和后果 3 判断每种故障模式的危害度大小 估计危害度发生的概率 4 提出相应对策和建议 进行更改设计 冗余设计 把潜在的 危害大的故障消灭在设计阶段 2 故障模式 彻底寻清失效模式至关重要 1 基本故障模式 如 提前启动 在规定时刻停机失效 在规定时刻启动失效等 2 可能发生的故障模式 如 结构失效 破损 机械上卡住 振颤 不能开 关 误开 关 内 外 漏 超出允许上 下 限 流动不畅 错误动作 提前 滞后 运行 输出量过大 小 电路开 断 等 3 FMEA的分析方法 进行FMEA的目的是为了研究产品故障对系统工作所产生的后果和影响 并将每一可能的故障模式按其危害度进行分类 并采取必要的纠正措施 初步设计阶段进行FMEA 对设计方案进行评定 对多个方案进行比较 FMEA可以迅速暴露比较明显的故障模式 确定单个故障 有些故障略加设计更改 消除 重复进行FMEA 消除或减少已确定的故障模式的影响 功能法 FMEA的基本方法还包括硬件法 采用哪种分析方法 通常根据设计复杂程度的不同和可利用的数据的差异来确定 硬件法是列出各个硬件产品 并对它们可能出现的故障模式加以分析 功能法认为每个产品用于完成多个功能 4CA的分析方法 CA的目的是按每一故障模式的危害度类别及该故障模式的发生概率所产生的综合影响来对其分类 以便全面评价各潜在故障模式的影响 进行危害度分析时 要了解严重程度等级 表7 2 CA可以分为定性分析和定量分析两种 在不具有产品故障率数据的情况下 应选择的定性分析法 反之 若有可利用的技术状态数据及故障率数据时 则应以定量的方法计算并分析危害度数值 5FMECA实施步骤 1 定义系统及功能和性能要求 2 功能级和系统可靠性框图 3 确定潜在的故障模式 4 功能级的故障模式原因及后一级的影响 5 如何检测知道各种故障模式的方法 7 FMECA的故障影响的严重程度 确定危害度 6 针对故障模式 原因 效应 提出可能的预防措施 8 估计故障模式的发生概率范围 9 为排除故障或控制风险所需的设计更改或其他措施 10 确定采取改进措施或系统其它属性所带来的影响 11 填写FMEA和FMECA表格 格式见表7 3和7 4 表7 3FMEA 表7 4FMECA表 产品故障率 p 可通过可靠性预计得到 通常来自手册和其他参考资料的故障率是产品的基本故障率 b 使用时应根据需要用应用系数 A 环境系数 E 质量系数 Q及所需要的其他系统作修正 其修正方法按下式计算 p b A E Q 故障模式频率比 j是指产品故障模式j出现故障的百分比 各故障模式的频数比可以从故障率数据或以试验及使用数据推导出来 故障影响概率 j j值是分析人员通过经验判断得出 它是产品以故障模式j发生故障而导致系统发生故障的条件概率 故障模式危害度Cmj Cmj是产品危害数值的一部分 是产品在特定危害度类别下的那些故障模式中的某一故障模式所具有的危害度数值 可由下式计算 Cmj p j j t 产品危害度Cr Cr是指预计将由产品的故障模式造成的某一类型 以产品故障模式的危害度表示 的系统故障的危害度数值 可按下式计算 由此可知 若系统中某产品具有最大的Cr值 则表示该产品是系统中应首先采取改进措施的产品 7 4可靠性设计 基本确定系统固有可靠性 说 基本确定 是因为在以后的生产制造过程还会影响固有可靠性 该固有可靠性是系统所能达到的可靠性上限 其它因素 如维修性设计等 只能保证系统的实际可靠性尽可能地接近固有可靠性 我们不能把可靠性设计简单理解只是提高系统的可靠性 应当理解为要在系统的性能 可靠性 费用等各方面的要求之间进行综合权衡 从而得到最优设计 表7 5各种因素对系统可靠性的影响程度 一 电子类产品可靠性设计思想 1 电子元件与电路的容差分析 电路容差分析技术也就是电路性能参数稳定性预计技术 对于精度要求高的复杂系统 性能稳定性问题在系统可靠性中占很重要的地位 漂移退化的原因有三种 一 忽略公差 原因产生的参数偏差是固定的 二 是环境条件 偏差在许多情况下是可逆的 三 退化效应 偏差是不可逆的 三次设计 的主要内容 第一次设计 系统设计 或功能设计 第二次设计 参数设计 或质量设计 第三次设计 容差设计 裕度设计或敏感度分析 容差设计是 三次设计 中最重要的一环 三类元件制造一类整机 2 电磁兼容设计 电磁兼容性指的是 设备 分系统 系统不会由于受到处于同一电磁环境中其它设备的电磁辐射而导致性能降低或故障 也不会由于自身的电磁辐射使处在同一电磁环境中的其它设备 分系统 系统产生不允许的性能降低或故障 3 潜在电路分析 系统发生故障 有时并非由于元 部件损坏 参数漂移 电磁干扰等原因所造成 而是由于系统的 潜在电路 作用造成的 所谓 潜在电路 指的是在某种条件下 电路中产生的不希望有的通路 它的存在会引起功能异常或抑制正常功能 4 热设计 热设计就是要考虑温度对产品影响的问题 热设计的重点是通过器件的选择 电路设计 包括容差与漂移设计和降额设计等 及结构设计来减少温度变化对产品性能的影响 使产品能在较宽的温度范围内可靠地工作 热设计通常采用散热或冷却方法 散热的基本设计措施有 传导 对流 辐射等几种方式 二 机械类产品可靠性设计思想 安全系数法 许用应力法 结构承受外载荷后 由计算得到工作应力 应小于该结构件的许用应力 即 其中 lim为材料的极限应力 n为预定的设计安全系数 强度概率计算法的基本理论 基本出发点 认为零件材料的强度c是服从于概率密度函数f c 随机变量 而作用于零件危险截面上的工作应力s 是服从于概率密度函数g s 的随机变量 g s 概率密度曲线不重叠 工作应力大于零件强度的概率等于零 如用安全系数的概念来表达 则计算安全系数小于1的概率等于零 即 P s c 0 P n计 1 0 具有这样强度 应力关系的机械零件是安全的 不会发生强度破坏 两概率密度曲线有相互重叠的部分 虽然工作应力的平均值 s仍远小于极限应力 强度 的平均值 c 但不能绝对保证工作应力在任何情况下都不大于极限应力 虽然以均值计算的安全系数是大于1的 但从上分析可见 仍不能保证100 的安全 对于机械零件的疲劳强度 零件的承载能力将随时间而衰减 f c s c g s c s t 概率密度函数联合积分法 零件破坏的概率为 P s c 即当零件材料的强度c小于零件工作应力s时 零件发生强度破坏 曲线f c 以下 a a线以左 即变量c小于s时 的面积 表示零件的强度值小于s的概率 它按下式计算 g s f c f c c s c s s ds 曲线g s 下 位于s到s ds之间的面积 它代表了工作应力s处于s s ds之间概率 它的大小为g s ds 零件的强度和工作应力两个随机变量 根据概率乘法定理 P AB P A P B 所以乘积f c g s ds即为对于确定的s值时 零件中的工作应力刚刚大于强度值的概率 把应力s值在它一切可能值的范围内进行积分当f c 和g s 服从指数分布或正态分布时 计算量不是很大 三 系统可靠性预计和分配 系统可靠性预