系统可靠性分析与设计.ppt

系统可靠性分析与设计 主讲周春华 基本内容 系统可靠性的基本知识 基本理论可靠性设计可靠性分析可靠性试验可靠性使用与管理 第一章绪论 一 可靠性问题的提出首先是从军用航空电子设备开始的 第二次世界大战末期 美国对日作战中使用的电子设备 经过运输 储备到达战场的设备一半不能正常工作 致使作战受到严重影响 战后 美国率先把可靠性作为一门学种加以系统研究 52年 美国国防部成产了著名的 电子可靠性顾问团 AGREE AdvisoryGrouponReliabilityofElectronicEquipment 该机构对电子产品的设计 试制 生产 试验 储存 输送 管理 使用等各方面的可靠性问题 作了全面的调查研究 并于1957年写出了 电子设备可靠性报告 该报告比较完整地阐述了可靠性的理论甚础与研究方法 60年代以后 可靠性研究逐步完善的发展 并从电子产品扩展到机械产品 各国也越来越重视可靠性工作 二 系统可靠性研究的内容 三 系统可靠性设计的主要内容 1 把系统的目标可靠性合理分配到各子系统 2 进行失效模式 影响和致命度分析 FMECA 3 拟定设计变量 拟定尺寸 参数等设计变量 4 确定每种失效模式的判据 5 确定每种失效模式的应力分布和强度分布 6 进行失效模式的相关分析 7 计算失效模式可靠性 8 确定零件及系统的可靠性 若子系统可靠度计算结果与目标可靠性相差较远 则迭代 重新确定尺寸参数 9 计算系统的可靠性 若与目标可靠性不符 则迭代之 讨论 可靠性设计与传统的安全系数法 四 可靠性研究的必要性设备的复杂程度增加 设备日益复杂 零部件数量相应增多 设备的可靠性也会相应降低 提高经济效益 占领市场 减轻损失 可以说产品竞争的焦点就是可靠性 日本的汽车 彩电 照相机 摄像机等 能畅销全球 质量高 可靠性高 从使用角度 可靠性低轻则造成损失 重则机毁人亡 造成巨大的经济损失 例 86年1月28日 美国 挑战者 号航天飞机在发射后进入轨道前 因助推火箭燃料箱密封装置在低温下失效 使燃料溢出而引起爆炸 参考资料 1 系统可靠性设计与分析教程 北京航空航天大学出版社 2006年2 工程机械可靠性 人民交通出版社 2004年 第二章可靠性指标 注意 失效率和失效概率 频率 密度的不同意义 有何相互联系 R t 的计算公式 此阶段一般在出厂前完成 结论 查明原因 及时排除 尽快渡过早期失效期 精心维护 延长有效寿命 进入耗损期之前 尽快更换已磨损 老化的零件 大大降低失效率 延长使用寿命 6 平均寿命 该机构对电子产品的设计 试制 生产 试驻 储存 输送 管理 使用等各方面的可靠性问题 作了全面的调查研究 并于1957年写出了 电子设备可靠性报告 该报告比较完整地阐述了可靠性的理论甚础与研究方法 60年代以后 可靠性研究逐步完善的发展 并从电子产品扩展到机械产品 各国也越来越重视可靠性工作 7 可靠寿命 8 维修度 9 维修率 n n 10 平均修复时间 由维修率公式u t m t 1 M t 得 u t u 常数 讨论 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 11 有效度 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 课外思考题 1 推导失效率和可靠度的相互关系 2 根据浴盆曲线 说明厂家减小早期失效率的方法 用户如何避免遭遇早期失效 3 说明可靠度与有效度评价产品可靠性中的意义和作用 4 你认为评价产品的可靠性用哪些指标更有说服力 12 可修复产品的马尔科夫过程 1 马尔科夫转移矩阵 该机构对电子产品的设计 2 状态向量 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 3 特征向量 该机构对电子产品的设计 如何证明 该机构对电子产品的设计 4 可修复系统的转移矩阵和特征向量 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 讨论 1 x1表示系统维持正常工作的概率 即有效度2 上面可修复系统的极限状态矩阵如何求 第三章可靠性数学基础 一 常用概率分布 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 服从正态分布的常用参数 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 二 数理统计基础 1 子样统计量 2 置信度 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 3 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 4 数据分级 以下是60个数据 如何分级 分组 直方图如下 5 随机变量的代数运算 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 第四章可靠性设计 一 可靠性设计的基本程序 该机构对电子产品的设计 表4 1发达国家产品平均失效率 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 二 系统可靠性计算 一 系统的结构分类系统 由若干个零 部件 子系统 相互有机的组合在一起为完成某一功能的综合体 系统的可靠性取决于 零 部件的可靠性组合方式1 串联系统 任一零件 部件 发生故障 均引起系统失效 2 并联系统 并联系统 并联冗余系统 系统为完成某一功能其所需要的零部件中有一定的冗余 贮备 工作贮备系统 纯并联最常用 每个零部件都处于工作状态的并联系统 纯并联 零 部 件全部失效时 系统才失效 或一个部 零 件正常工作时 系统就正常工作 表决系统 两个或两个以上零件正常工作时 系统才正常工作 称r out of n系统 非工作贮备系统系统中零 部 件的某一个或多个处于工作状态 其它则处于 待命状态 当前者的某一零 部 件出现故障时 处于 待命状态 的部分立即转入 工作状态 待命转换到工作的可靠性问题理想开关非理想开关 二 系统的可靠性模型与可靠度计算 1 串联系统 结论 为 系统R 单元数变少 关键 单元 R 该机构对电子产品的设计 2 纯并联系统 举例 R 0 9R2 0 8R3 0 9R4 0 8串联 Rs 0 52Rs min Ri 并联 Rs 0 9996Rs max Ri 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 结论 该机构对电子产品的设计 3 表决系统 n个单元中 至少要r个单元可靠时系统才可靠 系统R如何求 n个单元中i个可靠 n i个失效 组合方式的种类为 每种组合方式发生的概率为 n个单元中i个可靠 n i个失效的概率 系统可靠度 讨论 r 1纯并联系统 r n串联系统 Rs串联 Rs表决 Rs纯并联 4 理想开关系统 理想开关系统 开关可靠度100 监测和转换装置 n个单元中只有k个单元工作 当工作单元失效时 通过失效监测和转换装置找到另一个单元进行工作 当每个单元的失效率为时 数学模型如下 5 混联系统 Rs1 R1R2Rs2 1 1 Rs1 1 R3 Rs Rs2R4 对于复杂混联系统 采用全概率公式或穷举法 解 取事件A表示单元1正常 若A 单元 可靠 则2或4或2 4同时可靠使系统可靠 则A可靠时系统可靠的条件是单元2 4并联 P S A 即代表并联单元2 4可靠的概率 A可靠的概率 P A RA可靠而系统可靠的概率 P S A 1 1 R2 1 R4 若A失效 则系统可靠的条件是3 4同时可靠 A失效的概率 A失效而系统可靠的概率 系统的可靠度 三 系统可靠性分配 一 可靠性分配原则1 对技术成熟的单元 分配较高的可靠度 2 对复杂程度低的单元 分配较高的可靠度 故障零件少 易组装 3 对重要单元分配较高的可靠 4 对难以保证高可靠度的单元 则分配较低的可靠性 二 可靠性分配方法 对串联系统 4 花费最小分配法 K值的确定 由于 结论 四 零件可靠性设计 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 五 典型构件及零件的可靠性计算 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 六 可靠性设计中的安全系数 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 2 概率安全系数 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 结论 为什么 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 第五章可靠性试验与统计分析 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 试证明 三 系统可靠性分配 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对电子产品的设计 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 2 回归预测法 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 3 概率预测法 该机构对 该机构对 6 6工程机械发动机的技术诊断分析 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 该机构对 第七章系统失效分析 系统失效分析的主要过程是确定故障模式 研究失效机理 提出处理预防措施 系统失效分析常用的方法有FTA FMECA两种方法 7 1基本术语 一 故障树 表示系统失效的因果关系的树状逻辑图 该机构对 二 故障树分析 以故障树为模型分析系统可靠性的一种方法 找最小割集 求可靠度等 三 故障等级 故障重要程度的量度 反映了故障对系统功能的影响 发生的程度等 四 致命度 故障后果严重程度的量度0 0 5 0 注意 致命度与故障等级并不一定相关 机床电器故障 故障等级高 致命度低 工程机械中液压系统故障 故障等级高 致命度低 机床主轴变形故障 故障等级低 致命度高 7 2失效模式 影响及致使度分析 FMECA 在系统设计过程中 通过对系统各组成单元潜在的各种失效模式及其对系统功能的影响 与产生后果的严重程度进行分析 提出可能采取的预算改进措施 以提高产品可靠性的一种方法 基本步骤如下 一 准备工作1 充分熟悉产品的功能 构成与工作原理及有关的技术资料 2 明确产品的使用环境条件 3 明确产品的可靠性要求 4 掌握产品各种失效模式的产品原因 影响和后果 二 填写FMECA表格 最重要的工作 故障模式 原因分析 三 填写关键项目表 把所有 级故障模式和致命度高的故障模式集中列入表中 格式 四 根据关键项目表 进行主要故障与影响分析 提出改进 主要在设计部门进行 或预防 主要在使用部门进行 措施 7 3故障树分析 FTA 特点 1 图文并茂 表达清晰 可读性好 2 便于分析故障原因3 了解失效模式之间的相互关系 逻辑关系 4 运用灵活方便 对象可大可小 二 故障树符号 该机构对 三 故障树建立步骤故障树是可靠性的基础 故障树建立的正确与否决定分析的正确性 1 熟悉系统 结构 原理 资料 2 明确故障判据 3 确定顶事件 系统不希望发生的失效事件 由分析目的要求选定顶事件数可 1 4 确定边界条件 环境 状态作出合理的假设 5 发展故障树 举例 洗衣机为例说明故障树的建立洗衣机不希望发生的事情 波轮不转 振动过大 噪音过大边景条件 电流可靠 结构完好 二 故障树的定性分析 要使A发生 基本事件有多种组点 割集 凡是能导致顶事件发生的基本事件的集合 最小割集 割集是导致顶事件发生的充分必要条件 特点 全部最小割集 顶事件发生的可能原因 系统发生了故障 必有一最小割集发生 意义 保证系统安全 必须防止最小割集发生 讨论 基本事件不独立或故障数有相同的基本事件时 如何计算顶事件的发生概率 是否还有其他方法 第八章高可靠性系统设计方法 2 改善制造与安装工艺 提高制造可靠性 如电气系统接线端的螺丝松动往往是造成故障的主要原因之一 改用压线式或焊接式可大大防止接触不良造成的故障 又如缸盖或车辆上使用的螺栓 采用气动板手 液压板手或扭矩板手比手工拧紧 其可靠性大大提高 如中碳钢的焊接 母材加温 可减少焊接应力 3 采用抗振设计和抗疲劳设计 提高使用可靠性 如焊在电路板上电子器件 当受到振动和冲击时为防止自重引起导线疲劳断裂 可使用固定支架 电气系统组装时 电线捆在一起后重量增加 为防止振动和冲击的影响 用线槽或捆梆固定 4 采用先进的技术 提高系统的可靠性 如采用先进的设计方法 先进的现代集成电路 计算机控制等 均可提高系统的可靠性 PLC无触点控制 提高可靠性 二 设计目标 功能不中断或短时中断1 采用冗余设计 提高可靠性冗余设计是大大提高可靠性 保证系统功能不中断 中断往往造成致命故障 的最有效的措施 冗余有工作冗余 备用 待用 冗余如客厅吊顶灯照明系统 属工作冗余 故障后备用系统快速响应立刻启动 属备用冗余 如飞机发动机2个或4个 冗余设备会提高成本 2 采用功能快速恢复装置或措施 提高可靠性 系统发生故障 如能快速修复 不会造成不良后果 如果要求绝对不发生故障 成本可能会提高不少 如家用保险丝或空开 三 设计目标 抗环境能力强1 提高抗温 湿度变化能力 提高可靠性 比如工业控制中 工控机比兼容机性能稳定露天施工设备 其日晒雨淋是常有的事 抗温