《可靠性基础》课件.ppt

第九章可靠性技术 可靠性的基本概念可靠性特征量常用失效分布系统可靠性模型可靠性预计和分配 主要教学内容 学习要求 理解可靠性的基本概念 掌握失效率 失效概率密度 不可靠度 可靠度 产品的寿命特征等可靠性的特征量 掌握系统可靠性模型和可靠度的计算掌握指数分布 威布尔分布正态分布等失效分布掌握可靠性预计与分配的基本原则与方法 重点和难点 可靠性特征量的计算 第一节可靠性的基本概念 广义的可靠性 产品在其整个寿命周期内完成规定功能的能力 它包括狭义可靠性和维修性 狭义可靠性 产品在某一规定时间内发生失效的难易程度 因使用产品的条件不同 可靠性水平有很大差异 规定时间长短不同 其可靠性也不同 因规定的产品功能判据不同 将得到不同的可靠性评定结果 一个产品的可靠性受三个 规定 的限制 第二节可靠性特征量 不可修复产品的寿命 发生失效前的实际工作时间 可修复产品的寿命 相邻两次故障间的工作时间 此时也称为无故障工作时间 可靠性特征量 随机变量寿命的描述量 一 可靠度R t 定义 可靠度是指产品在规定的条件下和规定的时间区间内完成规定功能的概率 记为R t 可靠度是一个时间函数 是反映产品能在多大程度上可靠工作的一个具体指标 R t 表示产品实际寿命超过规定时间 的概率 或产品在规定时间 内无故障工作 或产品在规定时间 内完成规定功能的概率 1 可靠度的定义 2 可靠度的估计值 R t 可靠度函数的近似值 N 观测或实验的产品数 n t 产品从开始工作到时刻 时的失效数或时间 内失效产品的总数 失效频率表示失效概率 N n t 是时刻 时的存活产品数 它与产品数的比作为可靠度的近似值 二 不可靠度或累积失效概率F t 不可靠度 产品在规定的条件下和规定的时间内未完成规定功能的概率 其值等于1减可靠度 不可靠度同样是时间的函数 记作F t 有时也称为累积失效概率或累积失效分布函数 简称失效分布函数 1 不可靠度的定义 R t 和F t 互为对立事件 F 0 0 F 1 2 失效概率密度的估计值 n t 为在 t t t 时间间隔内失效的产品数 四 失效率 t 1 失效率的定义 失效率是工作到某时刻尚未失效的产品 在该时刻后单位时间内发生失效的概率 记作 t 称为失效率函数 有时也称为故障率函数或风险函数 2 失效率的估计值 解 例 对100个某种产品进行寿命试验 在t 100h以前产品没有失效 而在100 105h之间有1个失效 到1000h前共有51个失效 1000 1005h失效1个 分别求出t 100h和t 1000h时 产品的失效率和失效概率密度 1 求产品在100h时的失效率 和失效概率密度函数f 据题意有N 100 n 100 100 n 100 1 t 105 100 5h h h 2 求产品在1000h时的失效率 和失效概率密度函数f据题意有N 1000 n 1000 100 51 49 n 1000 1 t 1005 1000 5h h h 3 失效率单位 h kh 菲特菲特是失效率的基本单位 1Fit 10 9 h 它表示109个元器件在1小时内有一个失效 或在1000小时内某元器件失效的可能性为百万分之一 4 典型的失效率曲线 浴盆曲线 早期失效期 产品的故障率较高 且具有随时间迅速下降的特征 产品的故障主要是设计与制造中的缺陷 偶然失效期 产品的故障率可降到一较低水平 且基本处于平稳状态 故障率近似为常数 故障主要是由偶然因素引起的 偶然故障阶段是产品的主要使用期间 耗损失效期 特点是产品的故障率迅速上升 很快出现产品故障大量增加的现象直至最后报废 产品的故障主要是由老化 疲劳 磨损 腐蚀等耗损性因素引起的 并非所有产品的故障率曲线都可以明显分出上述三个阶段 高质量等级的电子产品其故障率曲线在其使用寿命期内基本是一条平稳的直线 而质量低劣的产品可能存在大量的早期故障或很快进入耗损故障期 五 产品的寿命特征 1 平均寿命 当产品寿命服从指数分布时 平均寿命 当产品寿命达到平均寿命时 即t 1 产品的可靠度和不可靠度为 F 1 1 R 1 1 0 368 0 632 这表明 在产品寿命服从指数分布的情况下 当产品寿命达到平均寿命时 可靠度已下降到37 即只有37 的产品寿命超过平均寿命 而63 的产品达到平均寿命以前就已经失效 当产品寿命服从正态分布时 此时的可靠度下降50 因此 用平均寿命作为指标时 可靠度较低 2 可靠寿命 特征寿命和中位寿命 当产品的可靠度下降到给定的可靠度r时 所对应的时间tr称为可靠寿命 即R tr r当产品寿命分布服从指数分布时 即R tr r即得tr lnr 可靠度r 0 5时的产品寿命称为中位寿命 当产品寿命服从指数分布时 得 t0 5 ln0 5 0 693 指数分布寿命中 当产品寿命等于平均寿命时 可靠度R e 1 0 37 此时的寿命称为特征寿命 在此特殊情况下 平均寿命与特征寿命相等 第三节常用失效分布 一 指数分布 产品的可靠度为R t e t t 0 失效率 t 平均寿命为 指数分布的一个重要性质是无记忆性 无记忆性是指产品在经过一段时间t0工作之后的剩余寿命仍然具有与原来工作寿命相同的分布 而与t0无关 即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 从实际意义上是指 如果确知产品在t0时刻正常工作 产品寿命分布又服从指数分布 则不管该产品以前工作了多久都是不必更换的 不过在一定的条件下 产品寿命不会总保持指数分布 二 威布尔分布 尺度参数t0 形状参数m 位置参数r0 当m 1 r0 0时 此时 威布尔分布成为指数分布 式中t0是平均寿命 等于1 不同t0值的威布尔分布 m 2 r0 0 不同m值的威布尔分布 t0 1 r0 0 m 1时 表示磨损失效 m 1时 表示恒定的随机失效 这时 为常数 m 1时 表示早期失效 威布尔分布宜于采用图解法进行分析 威布尔分布的特点 失效率 产品可靠度 不同r0值的威布尔分布 t0 1 m 2 三 正态分布 密度分布函数 失效分布函数 可靠度 失效率 材料强度 磨损寿命等都可看作和近似看作正态分布 第四节系统可靠性模型 在已有元件可靠性的基础上 提高系统的可靠性 在保证系统可靠性的条件下 如何分配可靠度 降低对元件可靠度的要求 使系统成本降低 一 研究系统的可靠性的目的 二 系统的结构模型 串联模型并联模型混联模型k n表决系统模型贮备系统模型 1 串联模型 2 并联系统 3 混合系统 三 系统可靠度计算 1 串联系统 要使系统S的正常工作事件 发生 就必须使各分系统的正常工作事件 1 2 n同时发生 1 2 n P 为系统S正常工作的概率 P i 为第i分系统正常工作的概率 RS为系统的可靠度 Ri为第i分系统的可靠度 若各分系统的故障分布是指数型分布 则 设 S为系统失效率 则 所以 这表明系统的寿命仍服从指数分布 其失效率为各单元的失效率之和 而系统的平均寿命为 当 St 0 1时 利用近似公式 则有 第五节可靠性预计和分配 一 可靠性预计在设计阶段进行的定量估计未来产品的可靠性的方法 是运用以往的工程经验 故障数据及当前的零部件的技术水平 来预测产品实际可能达到的可靠度 即预报这些产品在特定的应用中完成规定功能的概率 可靠性预计包括元器件可靠性预计和系统可靠性预计两部分内容 可靠性预计的目的 检验本设计是否能满足预定的可靠性目标 预计产品的可靠度值 协调设计参数及性能指标 以求得合理的提高产品的可靠度 比较不同的设计方案的特点及可靠度 以选出最佳的设计方案 发现影响产品可靠性的主要因素 找出薄弱环节 以采取必要的措施 降低产品的失效率 提高其可靠度 二 可靠性分配 可靠性分配是将规定的系统可靠度合理地细分给系统中每个单元的一种方法 如果说系统的可靠性预计是根据系统中最基本单元的可靠度来推测系统可靠性的顺过程 则可靠性分配就是根据系统要求的总指标由上而下规定最基本单元可靠度的逆过程 1 可靠性分配的目的 1 合理的确定系统中每个单元的可靠度指标 一边在单元设计 制造 试验 验收时切实地加以保证 反过来又将促进设计 制造 试验 验收方法和技术的改进和提高 2 帮助设计者了解零件 单元 系统间的可靠度相互关系 做到心中有数 减少盲目性 明确设计的基本问题 3 使设计者更加全面地权衡系统的性能 功能 重量 费用及有效性等与时间的关系 以获得更为合理的系统设计 提高产品的设计质量 4 使系统所获得的可靠度值比分配前更加切合实际 可节省制造的时间及费用 2 可靠性分配的原则 1 按技术水平 对技术成熟的单元 能够保证实现较高的可靠性 或预期投入使用时可靠性可以有把握的增长到较高水平 则可分配给较高的可靠度 2 按复杂程度 对较简单的单元 组成该单元的零件数量少 组装容易保证质量或故障后易于修复 则可分配给较高的可靠度 3 按重要程度 对重要的单元 该单元失效将产生严重后果 或该单元失效常会导致全系统失效 则应分配给较高的可靠度 4 按任务情况 对整个任务时间内均需连续工作及工作条件严酷 难以保证很高可靠性的单元 则应分配给较高的可靠度 5 按相对故障率分配可靠度 此外 一般还要受费用 重量 尺寸等条件的约束 总之 最终都是以最小的代价来达到系统可靠性的要求 3 系统可靠性分配的方法 1 等分配法等分配法又称平均分配法 它不考虑各个子系统的重要程度 而是把系统总的可靠度平均分摊给各个小系统的方法 2 再分配法 3 相对失效率法相对失效率法是使系统中各单元的容许失效率正比于该单元的预计失效率值 并根据这一原则来分配系统中各单元的可靠度 此法适用于失效率为常数的串联系统 对于冗余系统 可将它化简为串联系统后再按此法进行 第五节可靠性试验 一 概述可靠性试验是为了解 评价 分析和提高产品可靠性水平而进行的试验 可靠性试验贯穿于产品设计 生产 维护 使用等各个阶段 通过可靠性试验可以确定产品在各种环境条件下工作或储存时的可靠性指标 为产品设计 生产 维护 使用提供有用的数据 通过可靠性试验充分暴露产品在设计 原材料 工艺等方面存在的问题 经失效分析 质量控制等一系列措施 使存在的问题得以解决 从而提高可靠性水平 可靠性试验的主要目的 保证产品的可靠性 研究产品失效分布规律 为可靠性预测 设计 试验提供有用的数据 暴露使用过程中可能出现的不安全因素 研究预防故障发生的措施 对新材料 新工艺 新元件 新设计进行评价 如安全余量 耐环境性能 潜在缺陷等 研究新的试验方法 为产品设计与控制提供试验的方案 为可靠性管理提供依据 2 可靠性试验分类 1 可靠性统计试验是以定量评估产品的可靠性水平为目的的 利用试验中得到的产品故障信息 应用统计方法来推断产品达到的可靠性水平 试验中 试验条件应尽可能与产品使用的实际情况相对应 试验方法符合统计原理 可靠性统计试验包括寿命试验 可靠性测定试验 鉴定验收试验等 2 可靠性工程试验是以保证和提高产品可靠性为目的的 试验结果是希望充分暴露产品存在的问题 以便采取有效的改进措施 试验中 试验条件和方法可以是不同于产品实际的 可靠性工程试验包括环境试验 筛选试验 可靠性增长试验 HALT HASS等 根据试验截止情况 可靠性试验分为全数试验 定时截尾试验 定数截尾试验和序贯概率比试验 根据试验中失效后是否替换新样品的要求 分为有替换和无替换情形 根据试验地点分为内场 实验室 模拟试验和外场 使用现场 试验 3 可靠性试验大纲 一般可靠性大纲的内容框架如下 1 试验目的和要求 2 试验条件与方法 3 试样状态与来源 4 试验组织与管理 5 试验进度与地点 6 试验评审与报告 7 试验结束后故障与样品的处理意见 可靠性试验必须按照可靠性大纲所规定的试验计划来开展 试验计划包括 可靠性试验要求 详细的试验方案 试验进度