《可靠性基础知识》PPT课件.ppt

1 第五章可靠性基础知识大纲要求 一 可靠性的基本概念及常用度量1 掌握可靠性 维修性与故障 失效 的概念与定义2 熟悉保障性 可用性与可信性的概念3 掌握可靠性的主要度量参数4 熟悉浴盆曲线5 了解产品质量与可靠性的关系 2 二 基本的可靠性维修性设计与分析技术1 了解可靠性设计的基本内容和主要方法2 熟悉可靠性模型及串并联模型的计算3 熟悉可靠性预计和可靠性分配4 熟悉故障模式影响及危害性分析FMECA5 了解故障树分析FTA6 熟悉维修性设计与分析的基本方法 3 三 可靠性试验 1 掌握筛选与环境应力筛选2 了解可靠性增长试验和加速寿命试验3 熟悉可靠性测定试验4 了解可靠性鉴定试验 4 四 可信性管理 1 掌握可信性管理基本原则和可信性管理方法2 了解故障报告分析及纠正措施系统3 了解可信性评审作用和方法 5 第五章可靠性基础知识内容提要 一 可靠性的基本概念及常用度量1 1故障 失效 概念与定义 pp 212 213 1 2可靠性概念与定义 pp 213 214 1 3维修性概念与定义 p214 2 1保障性概念 p214 2 2可用性和可信性概念 p215 3 可靠性的主要度量参数 pp 217 219 4 浴盆曲线 pp 219 220 5 产品质量与可靠性的关系 p220 6 1 1故障 失效 概念与定义 pp 212 213 1 故障 失效 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 对不可修复的产品如弹药等亦称失效 故障 不能执行规定功能的状态 通常是产品本身失效后的状态 但也可能在失效前就存在 2 故障 失效 正式定义 终止即丧失完成规定的功能 7 3 故障 失效 模式 机理及分类 1 故障 失效 模式 故障 失效 的表现形式 如三极管的短路或开路 灯丝的烧断等 2 故障 失效 机理 引起产品故障的物理 化学或生物等变化的内在原因 3 故障 失效 分类 三种 见下页 8 3 故障 失效 分类 三种 p213 按故障 失效 的规律分 偶然故障耗损故障 按故障 失效 引起的后果分 致命故障非致命故障 按故障 失效 的统计特性分 独立故障从属故障 9 1 2可靠性概念与定义 pp 213 214 可靠性 产品在规定的条件下和规定的时间内 完成规定功能的能力 其概率度量为可靠度 其中的 三个规定 是理解可靠性概念的核心 可靠性分类 两种情形 pp 213 214 1 固有可靠性和使用可靠性2 基本可靠性和任务可靠性 10 1 3维修性概念与定义 p214 维修性 产品在规定的条件下和规定的时间内 按规定的程序和方法进行维修时 保持或恢复执行规定状态的能力 维修性与可靠性密切相关 皆为产品质量的重要设计特性 故对之应从产品论证时开始提出要求 并在开发中展开其设计 分析 试验 评定等活动 使对其要求以落实到产品的设计中 11 2 1保障性概念 p214 保障性 系统 装备 的设计特性和计划的保障资源满足平时和战时使用要求的能力 良好的保障设计特性是使装备具有可保障的特性 或说所设计的装备是可保障的 充足的并与装备匹配完善的保障资源说明装备是能得到保障的 具有可保障的和能保障的装备 战时 含义可移植于民用产品 12 2 2可用性和可信性概念 p215 固有 可用性 在要求的外部资源得到保证的前提下 产品在规定的条件下和规定的时刻或时间区间内处于可执行规定功能状态的能力 其概率度量为可用度 可靠性 维修性和维修保障的综合反映 要用时就可用 顾客对产品质量的又一重要需求 可信性 一个集合性术语 用来表示可用性及其影响因素 可靠性 维修性和维修保障 其定性和定量具体要求是通过可用性 可靠性 维修性和维修保障的定性和定量要求的 13 3 可靠性的主要度量参数 pp 217 219 3 1可靠度3 2故障 失效 率3 3平均失效 故障 前时间 MTTF 3 4平均故障间隔时间 MTBF 3 5贮存寿命3 6平均修复时间 MTTR 3 7可用度 14 3 1可靠度 函数 R t 可靠度 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 设T 产品发生故障 失效 的时间 或寿命 t 规定的时间 则产品可靠度函数为R t P T t 而产品在规定的条件下和规定的时间内 不能完成规定功能的概率 常称之为累积故障分布函数 且记之为F t 显然有且相应有故障密度函数产品在t时刻的R t 的观测值 估计值 为其中为产品的总件数 r t 为工作到t时刻产品发生的故障数 例见p217 例5 1 1 15 3 2故障 失效 率 故障 失效 率 瞬时故障 失效 率 工作到某时刻t尚未发生故障 失效 的产品 在该时刻t后单位时间内发生故障 失效 的概率 其观测值 估计值 为 单位 菲特 Fit 其中为t时刻后 时间内的发生故障的产品数 为所取的时间间隔 为在t时刻没有发生故障的产品数 不难由之导出理论故障 失效 率且当寿命服从参数为指数分布时 其故障率即常数 例见p217 例5 1 2 16 3 3平均失效 故障 前时间 MTTF MTTF 对不可修复的产品 失效时间T即寿命 故MTTF即平均寿命 从而有特别当T服从参数为的指数分布时有MTTF的观测值 估计值 其中为投入同样条件下进行试验的不可修复产品件数 为相应的失效时间 例见p218 例5 1 3 17 3 4平均故障间隔时间 MTBF MTBF 对于完全修复的产品 因修复后的状态与新产品一样 故一件产品发生次故障相当于个新产品工作到首次故障 从而有以上第2式中的显然为这件投试产品的总计工作时间 例见p218 例5 1 4 18 3 5贮存寿命 p218 贮存寿命 产品在规定条件下贮存时 仍能满足质量要求的时间长度 产品出厂后 不工作 在规定条件下贮存 产品也有一个非工作状态的偶然故障率 而此一般比工作故障率小得多 但贮存产品的可靠性也是在不断下降的 因此 贮存寿命是产品贮存可靠性的一种度量 19 3 6平均修复时间 MTTR MTTR 在规定的条件下和规定的时间内 产品在任一规定的维修级别上 修复性维修总时间 其中为第i i 1 2 n 次修复时间 与在该级别上被修复产品的故障总数 n 之比 即有或简言之 MTTR即排除故障所需实际直接维修时间 不包括维修保障的延误时间 如等待备件等 的平均值 20 3 7可用度 1 对于固有 稳态 可用度A有2 对于使用可用度有 1 瞬时可用度其中X 0为在时刻t产品完好 2 平均可用度 在使用的时间区间 3 稳态可用度 长期使用 21 4 浴盆曲线 pp 219 220 浴盆曲线 因大多数产品的故障率随时间的变化曲线形似浴盆 如p219 图5 1 3 一 早期故障期加强质量管理 采用筛选等以减少 消灭之 二 偶然故障期产品的主要工作期 三 耗损故障期在其起始点之前 对耗损的零 部件予以维修 更换 以延长产品使用寿命 22 浴盆曲线 规定的故障率 维修后故障率下降 t t 产品典型的故障率曲线 0 23 5 可靠性与产品质量的关系P220 产品 质量 一组固有特性 3 5 1 满足要求 3 1 2 的程度 特性 物理的 功能的 时间的 性能 可靠性确定性的 不确定性的 看得见 测得到 事先 看不见 测不到 要长时间保持性能就是不要出故障 不出故障或出了故障能很快维修好是产品很重要的质量特性 可靠性是经得起时间考验的质量 要使产品高可靠 好维修就要在产品开发中开展可靠性 维修性设计 试验与管理工作 24 二 基本的可靠性维修性设计与分析技术 1 可靠性设计的基本内容和主要方法2 可靠性模型及串并联模型的计算3 可靠性预计和可靠性分配4 故障模式影响及危害性分析FMECA5 故障树分析FTA6 维修性设计与分析的基本方法 25 2 1可靠性设计的基本内容和主要方法 PP 220 222 1 规定定性定量的可靠性要求 MTBF 使用寿命等 2 建立可靠性模型 串并联模型 pp 221 222 3 可靠性分配 pp 223 224 4 可靠性预计 pp 224 225 5 可靠性设计准则 6 耐环境设计 7 元器件选用与控制 8 电磁兼容性设计 9 降额设计与热设计 26 2 2可靠性模型及串并联模型的计算 pp 221 222 可靠性模型 可靠性框图和可靠性数学模型可靠性框图 用方框表示的各组成部分的故障或其组合如何导致产品故障的框图 各单元间的功能逻辑关系 产品原理图 各单元的物理关系 两者不可混淆 串联模型 组成产品的所有单元中任一单元发生故障都会导致整个产品故障 并联模型 工作贮备模型 组成产品的所有单元同时工作时 只要有一单元不发生故障 产品就不会发生故障 n个串并联模型的可靠性框图见p221 其可靠度 故障率计算见下页 计算例见pp 221 222 例5 2 1 2 27 并串联模型的可靠度 故障率计算 如图 当系统由n个相互独立工作单元组成 分别为第i 1 2 n单元的可靠度 故障率 则串联 并联 系统的可靠度分别为特别当i单元寿命服从参数为的指数分布时 不难得出串联系统的故障率为 28 2 3可靠性分配和可靠性预计pp 223 225 2 3 1可靠性分配及其方法可靠性分配 在产品设计阶段 将产品的可靠性定量要求按规定的准则分配到规定的层次的过程 其常用方法有评分分配法 比例分配法等 2 3 2可靠性预计及其方法可靠性预计 根据产品各组成部分的可靠性 预测产品在规定的工作条件下的可靠性所进行的工作 其常用的方法有元器件计数法 应力分析法等 29 2 3 1可靠性分配的评分分配法 30 2 3 2可靠性预计的元器件计数法 可靠性预计的元器件计数法 适用于产品设计开发的早期 其优点是不需要详尽了解每个元器件的应用汲它们之间的逻辑关系即可迅速估算出产品的故障率 但预计结果比较粗糙 其计算公式为 产品总故障率 第i种元器件的通用故障率 第i种元器件的通用质量系数 第i种元器件的数量n 产品所用元器件的种类数目 31 2 3 3可靠性预计的应力分析法 可靠性预计的应力分析法 适用于电子产品详细设计阶段 已具备详细文件清单 电应力比 环境温度等信息 此法比元器件计数法的结果要准确些 此法分三步求算 第一步 求出各种元器件的工作故障率式中 元器件基本故障率 环境系数 可查国军标GJB299B K 降额因子 其值小于等于1 由设计根椐使用范围如GJB Z35 93选定应力等级后决定 第二步 求出产品的工作故障率式中 第i种元器件的工作故障率 第i种元器件的数量 n 产品中元器件的类数 第三步 求出产品的 32 2 4故障模式影响及危害性分析FMECA 2 4 1可参照的标准 1 国家标准GB7826 87 系统可靠性分析技术故障模式及效应分析 FMEA 程序 2 国际电工委员会标准IEC60812Ed 2 2003 56 797 3 国家军用标准GJB1391 故障模式 影响及危害性分析程序 33 2 4 2FMECA的基本含义 FM 故障模式 元器件或产品故障的一种表现形式 一般是能被观察到的一种故障现象 如断裂 接触不良 短路 腐蚀等 E 故障影响 故障模式对安全性 产品功能的影响 故障影响一般分为三个等级 局部的高一层次的最终的影响 FMEA 故障模式和影响分析 在产品设计过程中 对产品各组成单元潜在的各种故障模式及其对产品功能的影响的分析 以便提出可能采取的预防改进措施 提高产品可靠性的一种设计分析方法 CA 危害性分析 把FMEA中确定的每一种模式按其影响的严重程度类别及发生概率的综合影响的分析 以便全面评价各种可能出现的故障模式的影响 CA是FMEA的计续 CA可以是定性的也可以是定量的 34 2 4 2FMECA的基本含义续二 严酷度 某种故障模式影响的严重程度 一般分为四类 类 灾难性故障 会造成人员死亡或系统 如一飞机 毁坏的故障 类 致命性故障 导致人员严重受伤 器材及系统严重损坏 从而使任务失败的故障 类 严重故障 将使人员轻度受伤 器材或系统严重损坏 从而导致使任务推迟执行 或任务降级 或系统不能起作用 如飞机误飞 的故障 类 轻度故障 严重程度不足以造成人员受伤 器材或系统严重损坏 但需要非计划维修或修理的故障 35 2 4 2FMECA的基本含义续三 故障模式发生的概率等级划分 A级 经常发生 产品在工作期间发生的概率很高 即一种故障模式发生的概率大于总故障概率的0 2 B级 很可能发生 产品在工作期间发生的概率中等 即一种故障模式发生的概率为总故障概率的0 1 0 2 C级 偶然发生 产品在工作期间发生的概率偶然 即一种故障模式发生的概率为总故障概率的0 01 0 1 D级 很少发生 产品在工作期间发生的概率很小 即一种故障模式发生的概率为总故障概率的0 001 0 01 E级 极不可能发生 产品在工作期间发生的概率接近于0 即一种故障模式发生的概率小于总故障概率的0 2 36 2 4 2FMECA的基本含义续四 FMECA 故障模式影响及危害分析 针对产品所有可能的故障 根据故障模式的分析 确定每种故障模式对产工作的影响 找到单点故障 引起产品故障的 且无冗余或替代的工作程序作为补救的局部故障 并按故障模式的严酷度及其发生的概率确定其危害性 FMECA 显然包括FME A和CA FMECA方法可用于整个系统到零部件任何一级 一般根据要求和可能在规定的产品层次上进行 37 2 4 2FMECA的基本含义续五 FMECA的实施步骤 1 12 见p226 1 掌握产品结构和功的有关资料 2 掌握产品启动 运行 操作 维修资料 3 掌握产品所处环境条件资料 4 定义产品及其功能和最低工作要求 5 按照产品功能方诓图画出其可靠性方框图 6 据所需的结构和现有资料的多少来确定分析级别 即规定分析到的层次 7 找出故障模式 分析其原因及影响 8 找出故障的检测方法 9 找出设计时可能的预防措施 以防止特别不希望发生的事件 10 确定各种故障模式对产品产生危害的严酷程度 11 确定各种故障模式的发生概率等级 12 填写FMEA表 并绘制危害性矩阵 若需进行定量FMECA 则需填写CA表 若仅进行FMEA 则 11 和绘制危害性矩阵不必进行 38 2 5故障 失效 树分析FTA p227 2 5 1参照标准1 国家标准GB4888 85 故障树名词术语及符号 GB T7829 1987 程序 2 国家军用标准GJB768 故障树分析 3 国际电工委员会标准IEC61025Ed 1 1990 10 故障树分析 39 2 5 2FTA的基本含义 p227 FTA 类似于FMECA 是分析故障原因和结果的另一重要的可靠性工具 FT 故障树 表示产品的组成部分的故障模式 或外界事件 或它们的组合导致产品的一种给定故障模式的逻辑图 它用一系列事件符号 逻辑符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系 40 2 5 3FTA的一般要求 p227 1 FTA的准备工作 2 FT的建造 3 FT的定性分析 4 FT的定量分析 5 编写FTA报告 41 2 6维修性设计与分析的基本方法 pp 227 228 维修性设计主要有定性和定量两种方法 其中定性方法主要有 1 简化设计 2 可达性设计 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 维修安全设计 6 故障检测设计 7 维修中人素工程设计 42 三 可靠性试验pp 229 232 3 0可靠性试验概念3 1筛选与环境应力筛选3 2可靠性增长试验和加速寿命试验3 3可靠性测定试验3 4可靠性鉴定试验 43 3 0可靠性试验概念 可靠性试验 对产品的可靠性进行调查 分析的一种手段 可靠性试验 其主要目的是发现产品设计 元器件 零部件 原材料和工艺方面的缺陷 可靠性试验 可以是实验室 也可以是现场试验 可靠性试验一般可分为 工程试验 环境应力筛选试验 可靠性增长试验 统计试验 可靠性鉴定试验 可靠性测定 验收试验 44 3 1环境应力筛选试验 环境应力筛选试验 在产品上施加一定的环境应力 以剔除由不良元器件 零部件或工艺缺陷引起的产品早期故障的一种工序或方法 对电子产品施加的环境应力最有效的是随机振动和温度环境应力 环境应力筛选 在产品开发阶段 批生产阶段早期 都应在元器件 组件 部件等产品层次上100 进行 在批生产阶段后期 对组件级以上的产品可据其质量稳定情况抽样进行 环境应力筛选试验 不能提高产品的固有可靠性 但通过改进设计和工艺等可以提高产品的可靠性 45 3 2 1可靠性增长试验pp 229 230 1 可靠性增长试验 在规定的环境应力下 为暴露产品薄弱环节 并证明改进措施能防止薄弱环节再现而进行的试验 通过发现故障 分析和纠正故障 对措施的有效性进行验证 以提高产品可靠性水平的过程 试验 分析 改进 对产品性能鉴测 故障检测 故障分析及其以减少故障再现的设计改进措施的检验 试验本身不能提高产品可靠性 只有采取了纠正措施来防止产品在现场工作期间出现重复故障后 产品可靠性才能真正提高 46 2 增长目标值 增长计划 增长计划曲线制定 主要应根据同类产品预计过程中所得数据 通过分析以便确定可靠性增长试验时间 并使用鉴测试验过程的方法以对增长计划进行管理 3 参照标准 国家标准GB T15174 1994 可靠性增长大纲 国家军用标准GJB1407 可靠性增长试验 国际电工委员会标准 可靠性增长大纲 47 3 2 2加速寿命试验p230 1 加速寿命试验 在不改变产品失效机理条件下 通过提高工作环境应力 超正常应力水平 加速产品失效 尽快暴露产品设计过程中的缺陷 发现故障模式的试验 2 加速寿命试验三种常见类型 1 恆定应力加速寿命试验 2 步进应力加速寿命试验 3 序进应力加速寿命试验 48 3 3 1可靠性测定试验pp 230 231 可靠性测定试验 目的是通过试验测定产品的次是可靠性水平 电子产品寿命T服从平均寿命可为的指数分布且通常采用 1 定时截尾试验 从t 0时刻起投入若干产品进行寿命试验当累计试验到规定的时间即停止试验 2 定数截尾试验 从t 0时刻起投入若干产品进行寿命试验当累计试验中出现的故障到规定的r个故障数即停止试验 则不难有T在1 时的MTBF 的点估计值及置信水平的单边置信下限分别为例见p231 例5 3 1 49 3 3 2可靠性鉴定试验pp231 232 可靠性鉴定试验 为验证开发的产品的可靠性是否与规定的可靠性要求一致 用具有代表性的产品在规定条件下所作的试验 一种验证试验 此即与 时间 寿命 服从以MTBF为参数的指数有关的抽样检验 定时截尾的试验方案 常用方案见p231 表5 3 1 以及pp 231 232的有关说明 参照标准 美国军标MIL STD 781D 我国军用标准GJB899 50 3 3 3可靠性验收试验p232 用已交付或可交付的产品在规定条件下所做的试验 以验证产品的可靠性不随生产期间工艺 工装