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可靠性基础知识简介 一 可靠性的基本概念 1 故障 失效 故障 失效 的定义 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 可修复 称故障 产品终止了规定功能 不可修复 叫失效 故障通常是失效后的状态 也有可能失效前就存在 故障的分类按故障出现的规律分 偶然故障 损耗故障 按故障出现的结果分 致命故障 非致命故障 按故障的统计特性分 独立故障 从属故障 偶然故障 由于偶然因素引起的故障 偶然故障是随机的 无法控制 只能通过统计概率来预测 损耗故障 是由于产品规定的性能随时间增加而逐渐衰退所引起 致命故障 完全丧失完成规定功能的能力 并可能造成人或物的重大损失 非致命故障 不影响任务的完成 但会导致非计划的维修 独立故障 由产品本身引起而又不能成为引起 其它器件故障原因的故障 非独立故障 其它产品故障引起的故障 注意 评价产品可靠性的统计原则是 只统计独立故障 故障模式 故障机理故障模式 故障的表现形式 称故障模式 故障机理 引起故障的原因 称故障机理 例 灯泡不能正常点亮 灯泡出现了故障 此灯泡不能正常点亮的表现形式 就称为灯泡的故障模式 引起灯泡不能正常点亮的原因是 灯丝断路 灯泡内部发生了物理变化 这就是 灯泡不能正常点亮的故障机理 2 浴盆曲线大多数产品故障概率随时间变化的曲线 呈浴盆形状 故将故障率曲线 称 浴盆曲线 早期故障期是产品刚刚投入使用的初期 此时故障率较高 故障缺陷容易暴露 产品的早期失效一般是由于设计缺陷 制作缺陷 材料缺陷 安装调整不当等原因引起 出现的早期故障可以通过加强工艺措施 质量管理措施及环境应力筛选等设计措施加以防止 偶然故障期此时已将早期失效的故障降到最低 发生的故障是由偶然因素引起 在此区域性能基本稳定 故障率趋于常数 A B区是耗损期到来之前产品的主要使用期 出现的偶然故障 只能通过统计方法来预测 耗损故障期产品使用很长一段时间后 故障迅速上升 直至极度 此时的故障主要由产品的老化 疲劳 磨损 腐蚀等原因引起 对耗损故障可通过实验数据分析耗损期到来的起始拐点 并通过预防维修来延长产品的寿命 二 可靠性的基本定义 1 可靠性可靠性定义 产品在规定条件下 规定时间内 完成规定功能的能力 称产品的可靠性 产品可靠性分 固有可靠性 使用可靠性 基本可靠性和任务可靠性 固有可靠性 是产品在设计 制造中形成的 是产品自身的一种固有特性 也是可控的特性 它源于产品的设计 制作者 使用可靠性 是产品在实际使用中 表现出的一种性能和保持能力的一种特性 它不仅和产品设计的固有可靠性有关 还和产品制作 操作使用 维修保障各因素紧密相关 基本可靠性 产品在规定条件下无故障的持续时间或概率 称基本可靠性 在评定产品基本可靠性时 需统计所有故障 其中所有可维修故障 决定着对维修人员的合理安排 任务可靠性 是产品在规定任务剖面内 完成规定功能的能力 只考虑任务期间影响任务完成的故障 任务剖面是指产品完成特定任务时间内 所经历的时间和环境的时序描述 此期间并非所有故障都发生 并非所有故障都致命 任务期间的所有产品故障将影响着任务的可靠性 2 维修性维修性定义 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 保持和恢复执行规定状态的能力 维修性的概率度量 称维修度M 维修性分 预防性维修 修复性维修 预防性维修 也称维护 是根据产品功能随时间衰减的特性及可能出现的故障采取预防性措施 以延长产品的寿命 恢复性维修 是产品发生故障后 使其产品尽可能恢复故障前的状态 产品可靠性和可维修性 是产品设计的两个重要设计特性 在产品的方案论证 评审中 就要对此提出要求 并落实到产品的设计中 3 可用性可用性定义 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区间内处于可执行规定功能状态的能力 简言之 产品在任意时刻使用时 该产品此时表现的可用能力 称产品的可用性 是可靠性 可维修性和维修保障的综合反映 可靠性是通过延长产品的工作时间提高产品可用性 维修性是通缩短产品的停机时间提高产品可用性 可用性分 固有可用性 使用可用性 可用性的概率度量 称可用度A 固有可用性 不受外部资源的影响 使用可用性 受外部资源的影响 4 安全性安全性定义 是不发生危险事件的能力 导致以下后果发生的事件为危险事件 人员伤亡 财产损失 环境破坏 5 全寿命周期费用LCC全寿命周期费用 是指在系统的整个寿命周期内 为获取并维持系统的运营 包括处置 所发生的全部费用 全寿命周期费用分布见图1 图1 1 可靠度R产品在规定条件下 规定时间内 完成规定功能的概率度量 称可靠度 也就是产品功能随时间保持预期寿命的概率大小 是时间的函数 一般用R t 表示 R t P T t T 产品发生的故障时间 t 产品的规定时间 三 可靠性的常用度量 若产品的总数为No 工作到时刻t产品发生的故障数为r t 产品在时刻t的可靠度观测值为 例 设t 0时 有10000只灯泡投入工作 当t 365天时 有300只灯泡坏了 计算工作一年后灯泡的可靠度 R t 0 97 例 某电子元件110个 在同样的条件下进行试验 试验结果见下表 计算电子元件的可靠度R t 累计故障 失效 分布函数F t 各是多少 见下表1 表1 电子元件累计失效统计 2 累计故障 失效 分布函数F是度量故障的指标 是产品在规定条件下 规定时间内 不能完成规定功能的概率 为累计故障 失效 分布函数 也称不可靠度 也是时间的函数 一般用F t 表示 F t P T t 可靠性与故障分布函数是两个对立的事件 其关系式为 R t F t 1F t 由上例可知 计算灯泡的累计故障函数 即不可靠度为 F t 1 0 97 0 033 故障概率密度函数f故障概率密度函数f t 是累计故障分布函数F t 的导数 它表示在t时刻后的一个单位时间内产品发生故障的概率 设在规定时间内 发生故障的产品数为 未发生故障的产品数为 产品总数为 则有 是当t 0时 f t 的取值 4 故障率 故障率定义 产品工作到某时刻未发生故障 在该时刻后的单位时间内发生故障的概率 称为产品故障 失效 率 或称瞬时失效率 产品故障率一般用 t 表示 r t t时刻后 t时间内发生故障的产品数 t 所取时间间隔 Ns t 在t时刻没有发生故障的产品数 例 上述例题中 若一年后第一天灯泡又有1只坏了 求此时的故障率 已知 t 1天 r t 1只 Ns t 10000 300 9700此时的故障率 0 000103 天低故障率的元器件 常以 h为故障的单位 读为菲特 Fit 如果产品故障服从指数分布时 产品的故障率 为常数 此时可靠度为 一个由若干组成部分构成的复杂产品 不论组成部分的故障是什么分布 只要在故障后即予维修 且修后如新 则产品的故障分布就近似为指数分布 指数分布因其简单而得到较广泛的应用 常见的分布形式还有威布尔分布 对数正态分布等 R t F t f T 之间的关系如下图所示 5 平均失效 故障 前时间MTTF设No个不可修复的产品 在同样的条件下进行试验 测得其全部失效的时间为平均失效前的时间为 对于不可修复的产品 产品失效前的工作时间 就是产品的寿命时间 MTTF时间即为产品的平均寿命时间 当产品服从指数分布时 则 例 设有5个不可修复的产品进行寿命试验 它们发生失效的时间分别是 1000h 1500h 2000h 2200h 2300h 计算该产品MTTF的观测值 若已知产品服从指数分布 计算故障率是多少 在平均寿命内的可靠度是多少 1000 1500 2000 2200 23005 1800h t 0 00056 hR t 例 有100个不可修复的电子产品进行试验 在500小时内 3个坏掉了 到600小时时 又有2个坏掉了 求 t 在500小时这个时刻的故障率 已知 t 500h t 600 500 100 r t 2 Ns t 100 3 97 2 062 h 6 平均故障间隔时间MTBF一个可修复产品使用中发生了No次故障 每次故障修复后 又重新投入使用 测得每次故障前工作持续时间为其平均故障间隔时间MTBF为 T 为产品的总工作时间 No 发生故障次数 对于完全可修复产品 寿命时间 就是相邻两次故障间的工作时间 即无故障工作时间 因修复后产品如新 一批产品发生了No次故障 相当于No个新品工作到首次故障 因此 当产品寿命服从指数分布时 平均无故障时间MTBF 是衡量一个产品 尤其是电器产品 可靠性的主要指标 单位为 小时 它反映了产品的时间质量 是体现产品在规定时间内保持规定功能的一种能力 具体来说 是指相邻两次故障之间的平均工作时间 也称为平均故障间隔时间 例 设有一个电子产品累计工作时间为10万小时 共发生故障50次 计算该产品MTBF的观测值 产品服从指数分布 其故障率是多少 MTBF内的可靠度是多少 2000h由可知 t 0 0005 h R t 7 平均修复时间MTTR平均修复时间 是在规定的条件下 规定的时间内 产品在任一规定的维修级别上 修复性维修总时间与在该级别上被修复产品的故障总数之比 T 是修复总时间 n 是修复次数 例 某产品使用了1810h 其间发生3次故障 第1次故障时间3h 第2次故障时间8h 第3次故障时间2h 计算该产品平均修复时间是多少 4 33 h平均修复时间MTTR 是度量产品维修性的重要指标 8 贮存寿命产品在规定条件下存储时 仍能满足规定质量要求的时间长度 称为贮存寿命 产品出厂后即使不工作 在规定的条件下存贮 产品也有一个非工作状态的偶然故障率 非工作的偶然故障率比工作故障率小的多 但贮存产品的可靠性也在不断下降 因此 储存寿命是度量产品存储可靠性的一个不可忽视的度量参数 可靠性设计的主要度量指标产品可靠性设计的主要度量指标 见下表 四 可靠性设计的基本方法 可靠性设计的主要技术1 规定定量的可靠性要求 2 建立可靠性模型 3 可靠性分配 4 可靠性预计 5 可靠性设计准则 6 耐环境设计 7 元器件选用与控制 8 电磁兼容设计9 降额设计与热设计 1 规定定性定量的可靠性要求产品开发前规定定性或定量的可靠性指标 是产品设计者进行产品固有可靠性的设计目标 也是考核产品可靠性的主要依据 工程上常用的可靠性指标为 平均故障间隔时间MTBF和产品的使用寿命两个指标 2 建立可靠性模型建立可靠性模型 是用以预计和评估产品可靠性的模型 建立系统 分系统可靠性模型 便于进行定量分配 估计 评价产品的可靠性 可靠性模型 包括可靠性框图 可靠性数学模型 可靠性框图 产品中各单元之间的逻辑功能关系 不同于产品原理图 产品原理图 是产品各单元的物理关系 可靠性模型包括 串联模型 并联模型 混联 模型 其它冗余模型等 典型可靠性模型如下框图所示 几种工程上常用的模型介绍如下 串联模型 A 产品可靠性串联框图 产品在功能上由n个功能单元串接在一起 构成整个产品功能的系统 称可靠性串联模型 串联系统 在组成产品的所有单元中 任一单元发生故障 都会导致整个产品的故障 只有所有分系统都能正常工作时 系统才能正常工作 这种可靠性系统 称产品的串联系统模型 单元1 单元2 单元3 单元n 产品电路原理图 可靠性框图 B 串联系统的数学模型串联模型 产品的可靠度是各功能单元的乘积 产品的故障率是各单元故障率之和 L C 串联系统的可靠度是指所有单元都正常工作的概率 因此 系统总的可靠度等于各单元可靠度之积 应注意的是上述数学模型是基于各工作单元彼此都相互独立 独立故障 若不独立 相关联单元的概率 用条件概率表述 串联模型可靠度Rs t 故障率 t 计算举例 例1 已知振荡器的电感 电容的故障率振荡器的寿命服从指数分布 计算振荡器的故障率 s t MTBF 及可靠度Rs t 例2 假设一个产品由10个部件单元串联组成 寿命服从指数分布 若每个部件工作10000小时可靠度为0 9 计算产品工作到10000小时的可靠度是多少 Rs 10000 0 349 由上述串联数学模型计算可知 产品组成串联系统的单元越多 产品的可靠性越低 因此在满足可靠性要求的同时 尽量简化设计 减少部件数量 多一个部件 就多一个故障概率 产品组成并联系统的可靠性高于各组成单元的可靠性 因此 为提高产品可靠性 应考虑产品的冗余设计 也称工作贮备系统的设计 并联模型 A 可靠性并联框图产品可靠性并联框图 产品在功能上由n个单元并接在一起构成整个产品的功能系统 称可靠性并联模型 并联模型 组成产品的所有单元同时工作时 只要有一个单元不发生故障 单元1 单元2 单元n 产品的整个系统就不会发生故障的系统 也就是说只有当所有分系统均出现故障时 系统才出现故障 这种称产品可靠性的并联模型 也称工作贮备模型 B 并联系统的数学模型并联模型 并联系统的可靠度 大于各分系统的可靠度 并联系统的失效度 等于各分系统失效度的连乘积 并联模型可靠度R计算举例 假设一个产品由10个部件并联组成 寿命服从指数分布 若每个部件工作10000小时可靠度为0 9 计算产品工作到10000小时的可靠度是多少 Rs 10000 0 9999999999由并联系统可靠性计算可知 产品组成并联系统的可靠性远大于各组成单元的可靠性 因此 为提高产品的可靠性 应考虑产品的冗余设计 也称工作贮备系统的设计 混联模型A 可靠性混联框图产品在功能上 同时存在串联 并联单元的产品系统 称产品可靠性混联模型 B 混联系统的数学模型 单元1 单元2 单元3 单元6 单元7 单元5 单元4 由下图所示的产品混联模型 计算产品可靠度的数学模型是 其它冗余系统模型 表决系统 r n n中取r系统 组成产品系统的n个单元中 正常的单元数不小于r 系统就不会出现故障 故障出现到一定数量 才会引起系统失效 这样的系统称为表决 单元1 单元2 单元n r n G 系统 它是工作贮备系统的一种形式 桥联系统 非工作贮备系统K故障检测和转换装置组成产品系统的各单元 只要有一个单元工作 当工作单元故障时 通过转换装置接到另一个单元继续工作 直到所有单元都故障时 系统 单元1 单元2 单元n 才发生故障 此系统称为非工作贮备系统 也称旁联系统 等待冗余系统 具体含义 是 1 1 3 可靠性分配可靠性分配 在产品设计阶段 将产品可靠性的定量要求 按规定的准则分配到规定产品的不同层次的功能单元 称产品的可靠性分配 在产品设计前 将产品可靠性总体指标由整体到局部 由上一层到下一层逐一分解到各单元 可靠性分配方法有 专家评分分配法 比例分配法 等分配法 代数法 重要度分配法等多种方法 常用的是评分分配法 分配参数是故障率 t 评分分配法考虑的主要影响因素是 产品的复杂程度 产品技术的成熟度 故障影响重要度 环境影响因素 根据上述4个不同因素的影响 考虑评分的高低 例 假设有四个部件A B C D组成的串联电子系统 寿命服从指数分布 其可靠性指标为 MTBF 500h 试用评分法将可靠性分配到各部件中 计算系统规定的故障率 请专家对四种影响因素进行评分 打分情况见下表 专家打分评价表 8 9 6 8 3456 4 可靠性预计可靠性预计 是在设计阶段对系统的可靠性所进行的定量估计 是根据系统组成的元件 部件的可靠性数据 用可靠性模型来进行预计的 可靠性预计方法主要有2种 元器件计数法 适于产品开发早期 不需了解元器件和逻辑关系进行的可靠性预计 预计结果较粗糙 应力分析法 用于产品具体开发阶段 元器件信息了解较详细 预计结果较准确 可参照GJB Z299C MIL HDBK 217F国标进行 计算 应力分析法计算步骤如下 2 5 0 5 1 16 0 7 1 5 2 5 1 120 0 3 1 100 0 5 1 122 2上述为元件计数法可靠性预计计算举例 可靠性分配 还有相似产品预计法 专家评分法等方法 专家评分法在可靠性分配里已做了详细介绍 5 可靠性设计准则根据国标GJB450A 2004产品可靠性工作通用要求 在产品设计任务书中提出和规定产品的可靠性设计要求和准则 确保产品可靠性设 计贯彻各环节的始终 6 耐环境设计产品耐环境设计 包括 防潮设计 防霉设计 热设计 抗冲击 振动设计 抗噪声设计等 进行产品系统的可靠性设计 首先要确保产品固有可靠性的耐环境设计 7 元器件选用与控制元器件的固有可靠性 是由生产厂家研制和保证的 元器件的使用可靠性是由使用单位的研发人员保证的 国内外失效分析资料表明 有相当多的元器件失效 并非元器件固有可靠性不高 而是由于使用者对元器件的选用不当或 使用有误引起 因此只有正确选用 合理使用元器件 才能保证产品设计的固有可靠性 为此 要了解进厂元器件性能 使用稳定性 元器件供货商质量保证手段 对元器件进行认真筛选和选用 对失效元器件要进行认真分析 找出失效的真正原因 元器件在制作和存贮中 还要注意静电对元器件的影响 采取防静电措施 8 电磁兼容设计EMC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于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 这种满足国