可靠性工程技术基础PPT演示课件

培,1,前言可靠性是产品重要的质量特性。提高产品的可靠性，是提高产品完好性和工作成功性、减少维修和寿命周期费用的重要途径。在产品研制过程中深入开展可靠性工程，对提高产品可靠性具有十分重要的意义。可靠性工程是指为了达到产品的可靠性要求所进行的一系列技术与管理活动，贯穿了产品的论证、方案、工程研制、生产和使用等寿命周期过程。,培,2,可靠性发展与产品质量的特性关系产品质量的固有特性包含了产品的性能特性、专门特性、经济性、时间性、适应性等方面，如图所示。,培,3,可靠性是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。维修性是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，保持或恢复到其规定状态的能力，即反映产品是否易修的能力。测试性是产品能及时、准确地确定其工作状态（工作、不可工作或工作性能下降）并隔离其内部故障的能力。保障性是产品设计特性和计划的保障资源满足平时使用和利用率要求的能力，包括维修保障能力和使用保障能力（相当于家用电器售后服务能力）。安全性是产品所具有的不导致人员伤亡、产品毁坏，不危及人员健康和环境的能力。产品的故障可能导致安全性事故的发生。,培,4,可靠性(Reliability),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。可靠性的概率度量称为可靠度。,为了达到产品的可靠性要求所进行的一系列技术和管理活动。,可靠性工程(ReliabilityEngineering),1可靠性和可靠性工程概述,培,5,c.固有可靠性：设计和制造赋予产品的，并在理想的使用和保障条件下所具有的可靠性。d.使用可靠性：产品在实际的环境中使用时所呈现的可靠性，它反映产品设计、制造、使用、维修、环境等因素的综合影响。,培,6,e.其他名词术语产品:一个非限定性的术语,用来泛指元器件、零部件、组件、设备、分系统或系统。可以指硬件、软件或两者的结合。故障:产品不能执行规定功能的状态。失效:产品丧失完成规定功能的能力的事件。可靠性特征量:表示产品总体可靠性高低的各种可靠性参数指标。,培,7,2可靠性设计2.1可靠性要求设计、分析、试验和验收的依据。可靠性设计要求可分为：定性要求;定量要求。定性要求内容有:遵守一般可靠性设计和准则等。定量要求内容有:使用与合同参数和指标。使用参数和指标：直接与产品完好性、任务成功性、维修人力和保障资源费用有关的一种度量。其度量值称为使用指标（目标值与门限值）。合同参数和指标：在合同中表达订购方要求的，并且是承制方在研制和生产过程中可以控制的参数。其度量值称为合同指标（规定值和最低可接受值）。,培,8,2.1.1可靠性定量要求使用指标和合同指标表2使用指标和合同指标,*下面列出可靠性常用的设计指标参数,培,9,2.1.2可靠性定量要求主要参数特征量a.可靠度可靠性的概率度量，其符号为R(t)例如:R(t)=0.95，0.99等。b.平均故障间隔时间meantimebetweenfailures(MTBF)可修复产品的一种基本可靠性参数。其度量方法为：在规定的条件下和规定的期间内，产品寿命单位总数与故障总次数比。c.平均故障前时间meantimetofailures(MTTF)不可修复产品的一种基本可靠性参数。其度量方法为：在规定的条件和规定的期间内，产品寿命单位总数与故障产品总数之比。,培,10,2.1.2可靠性定量要求主要指标参数d.平均首次故障前时间meantimetofirstfailure(MTTFF)可修复产品的一种基本可靠性参数。其度量方法为：在规定的条件下，产品从开始使用到出现首次故障时产品寿命单位总数与产品首次故障总数之比。e.故障率产品可靠性的一种基本参数。其度量方法为：在规定的条件下和规定的期间内，产品的故障总数与寿命单位总数之比。,培,11,表3可靠性常用的设计指标参数的应用,培,12,式中：,Ri、i单元的可靠度、故障率（1/h）；,Rs、s系统的可靠度、故障率（1/h）。,此时，系统的故障率s为单元的故障率i之和:,系统的平均故障间隔时间为：,=1+2+n,平均故障间隔时间MTBF=,可靠性设计指标参数的关系(串联模型),R1R2Rn,培,13,2.2可靠性设计工作内容按可靠性要求开展设计工作。表5可靠性设计（定量）工作内容,培,14,2.2.1建立可靠性模型目的：用于定量分配、计算和评价产品的可靠性。可靠性模型的含义：可靠性模型指的是可靠性框图及数学模型。可靠性框图是用方框表示产品各单元的故障如何导致产品故障的逻辑关系。,培,15,可靠性模型的分类:产品的可靠性模型按用途分为基本可靠性模型和任务可靠性模型。基本可靠性模型是将产品组成单元进行全串联的模型，用以估计产品及其组成单元引起的维修及综合保障要求。任务可靠性模型较复杂，它用于描述在完成任务过程中产品各单元的预定用途。产品的可靠性模型基本结构类型主要包括串联、并联、混联、桥联、旁联、表决等。先介绍此类型。,培,16,串联模型系统的所有组成单元中任一单元的故障都会导致整个系统的故障，称为串联模型。串联模型是最常用和最简单的模型之一，既可用于基本可靠性建模，也可用于任务可靠性建模。串联模型的可靠性框图如图所示。,该可靠性框图对应的数学模型为：,式中：,Rs(t)系统的可靠度；,Ri(t)单元的可靠度；,n组成系统的单元数。,R1R2Rn,原理图,可靠性框图,培,17,串联模型,串联模型,几种典型的可靠性模型,Ri、i_单元的可靠度、故障率（1/h）；,Rs、s系统的可靠度、故障率（1/h）。,n组成系统的单元数。,培,18,并联模型,并联模型,几种典型的可靠性模型,培,19,r/n(G)模型,表决模型,几种典型的可靠性模型,r/n(G)表决器,培,20,2.2.2可靠性指标分配设计目的：可靠性分配是指将产品的可靠性指标逐级分配至产品各层次(由上到下)，作为产品各层次的可靠性设计目标，使各级设计人员明确要求，及早研究设计方案，并估计所需人力、时间和资源，以确保交付使用的产品逐步通过增长能够达到可靠性目标值。适用对象和情况:可靠性分配适用于电子、电气、机械，或新研产品、老品改进等有可靠性指标要求的产品，应根据不同产品以及指标要求的情况，选取合适的可靠性分配方法。可靠性分配工作一般应在方案阶段开始进行，并延续至初步设计阶段，根据设计方案的更改反复迭代，使指标分配逐渐趋于合理。,培,21,分配原则对于复杂度高的分系统、设备等产品应分配较低的可靠性指标；对于技术上不成熟的产品，可分配较低的可靠性指标；对于处于恶劣环境条件下工作的产品，可分配较低的可靠性指标；对于需要长期工作的产品，可分配较低的可靠性指标；对于重要度高的产品，应分配较高的可靠性指标。,培,22,分配方法:主要包括等分配法、比例组合法（等改进法）、评分法、再分配法（最小工作量法）、考虑重要度和复杂度的分配法、预计分配法以及工程相似法。各种分配方法适用于不同的情况。等分配法用于设计初期当产品情况还不十分清晰，或缺乏有关产品可靠性数据的情况。这是最简单、方便的一种分配方法，没有考虑产品的各单元实现可靠性值的难易程度，如单元的复杂程度、技术难度等，建议尽量不使用。设某系统由n个分系统串联组成，若给定系统可靠性指标为s，则按等分配法分配给各下属系统或设备的可靠性指标为：,培,23,可靠性比例分配法,新设计的系统与老系统相似，且有老系统及其分系统的故障率数据或老系统中各分系统故障数占系统故障数百分比的统计资料，可用比例分配法进行分配。,比例分配法,培,24,选取的可靠性分配方法,其使用要求如表6所示：,培,25,2.2.3可靠性预计目的:是对组成产品的元器件、部件和子系统的可靠性，由下到上、由局部到整体的逐级预计，预计产品能否达到规定的可靠性指标要求；方案论证时可根据可靠性预计结果选择方案；及早发现设计中的薄弱环节并改进；并为可靠性分配的迭代提供相关数据；还可为可靠性试验方案的确定提供依据。适用对象和情况:可靠性预计适用于新研产品、老品改进等各类有可靠性指标要求的产品，需根据产品的不同阶段、不同产品的层次及特性，选取合适的可靠性预计方法。可靠性预计工作一般在方案阶段就应开始进行，并延续至详细设计阶段，根据设计方案的更改和细化反复迭代，从而使产品设计达到所规定的可靠性。,培,26,工程中常用的可靠性预计方法表9工程中常用的可靠性预计方法,培,27,采取的改进措施,产品可靠性预计的指标未满足时的措施,培,28,表10设备可靠性（MTBF）的预计值、验证值与使用值的比较（小时）,预计值、验证值、使用值,可靠性的预计值、验证值与使用值的比较,培,29,可靠性分配与预计的关系,培,30,3可靠性分析可靠性分析是可靠性设计重要组成部分。表13可靠性分析的主要工作项目,可靠性分析下面简要介绍前两项可靠性分析工作具体内容,培,31,3.1故障模式、影响及危害性分析(FMECA)(1)目的通过系统地分析，确定元器件、零部件、设备、软件在设计和制造过程中每一个产品层次所有可能的故障模式，以及每一故障模式的原因及影响程度，以便找出潜在的薄弱环节，并提出改进措施以提高产品的可靠性。(2)组成故障模式、影响及危害性分析（以下简称FMECA）由故障模式及影响分析（FMEA）和危害性分析（CA）两部分组成，只有在进行FMEA基础上，才能进行CA。,培,32,FMECA方法分类,设计FMECA,过程FMECA,功能FMECA,硬件FMECA,软件FMECA,损坏模式及影响分析DMEA,(3)FMECA分类及适用情况(a)FMECA分类,图FMECA方法的分类,统计FMECA,培,33,(b)FMECA实施的步骤:,培,34,初始约定层次产品任务审核第页共页约定层次产品分析人员批准填表日期,表16故障模式及影响分析(FMEA)表,培,35,表17危害性分析（CA）表初始约定层次产品任务审核第页共页约定层次产品分析人员批准填表日期,培,36,c.定义严酷度类别严酷度是指产品故障模式所产生的最终影响的严重程度。应对产品故障模式的严酷度进行定义，进而对每一个故障模式按严酷度类别进行排序。严酷度类别是依据产品每个故障模式造成最终可能出现的人员伤亡、“初始约定层次”产品损坏和环境损害等方面的影响程度而确定的。表18产品常用的严酷度等级划分,培,37,3.2故障树分析(FTA)(1)目的通过对可能造成产品故障的各种因素进行析，能定性地确定产品故障发生的所有原因和原因组合，并定量地确定产品故障的发生概率。通过故障树分析，能够透彻了解系统，找出薄弱环节，改进产品设计、使用环境、维修方式等，提高产品可靠性，同时验证重大故障的发生概率是否能满足可靠性要求。,培,38,(2)适用对象和情况FTA适用于电子、机电、机械，或者新研产品、老品、老品改进等各类产品。FTA适用于系统寿命周期的任何阶段，包括从设计阶段早期直至批生产前的各个设计阶段，以及生产和使用阶段。在设计阶段，FTA可帮助查找潜在的产品故障模式和灾难性危险因素，发现可靠性和安全性薄弱环节，改进设计；在生产和使用阶段，可以帮助对故障事件开展调查分析，更改设计或改进生产手段和使用维修方案。,培,39,(3)主要内容(A)方法:FTA是将一个不希望的产品故障事件或灾难性的产品危险事件做为顶事件，通过由上向下的严格按层次的故障因果逻辑分析，建立故障树。逐层找出对上一层事件必要而充分的直接原因，最终找出导致顶事件发生的所有原因（包括硬件、软件、环境、人为因素等）和原因组合，即各个底事件。在具有基础数据时计算出顶事件发生概率和底事件重要度等定量指标。下面介绍建立故障树概念和具体实施。,培,40,图故障树示例,培,41,(B)选择顶事件顶事件是建立故障树的基础，选择的顶事件不同，则建立的故障树也不同。在进行故障树分析时，选择顶事件的方法如下：（a）在设计过程中进行FTA时，一般从那些显著影响产品技术性能、经济性、可靠性和安全性的故障中选择确定顶事件。（b）在FTA之前若已进行了FME(C)A，则可以从故障严酷度为、类的系统故障模式中选择其中一个故障模式确定为顶事件。（c）发生重大故障或者事故后，可以将此类事件作为顶事件，通过故障树分析为故障归零提供依据。对于顶事件必须严格选择，否则建出的故障树将达不到预期的目的。大多数情况下，产品会有多个不希望事件，应对它们一一确定，分别作为顶事件建立故障树并进行分析（见下面示例图）。,培,42,(C)建造故障树,故障树的建立故障树是一种特殊的倒立树状因果关系逻辑图。它用事件符号、逻辑门符号和转移符号(子树转移符号)描述系统中各种事件之间的因果关系。逻辑门的输入事件是输出事件的“因”，逻辑门的输出事件是输入事件的“果”。,培,43,a.故障树常用事件及其符号,b.故障树常用逻辑门及其符号,培,44,故障树,c.故障树分析图的组成:,基本事件：是无需探明其发生原因的底事件,底事件是故障树中仅导致其他事件的原因事件。它位于所讨论的故障树底端，总是某个逻辑门的输入事件而不是输出事件,未探明事件：是原则上应进一步探明其原因但暂时不必或者不能探明其原因的底事件,顶事件：是故障树分析中所关心的最后结果事件。它位于故障树的顶端，代表了系统不希望发生的事件,中间事件是位于底事件和顶事件之间的结果事件,培,45,故障树,d.故障树分析图的组成:,或门：当输入事件中至少有一个发生时，则输出事件发生，这种关系称为事件并,用逻辑“或门”描述,与门：门的输入事件同时发生时，输出事件必然发生，这种逻辑关系称为事件交，用逻辑“与门”描述,培,46,e.建故障树示例不同顶事件,培,47,f.建故障树示例不同顶事件,培,48,(6)FTA与FMECA的对比(见下表22),FMECA的结果可为FTA提供顶事件,培,49,4可靠性试验(1)概述1）目的a）发现产品在设计、材料、元器件和工艺方面的各种缺陷；b）确认是否符合可靠性定量要求,可靠性试验是产品在研制和生产阶段提高和验证可靠性的必要工作项目；c）改善产品的使用完好性、减小维修费用提供信息。可靠性是设计出来的，是制造出来的，也是试验出来的。,培,50,2）分类,a）可靠性试验它分为工程试验（环境应力筛选试验、可靠性研制试验及可靠性增长试验）及统计试验（可靠性鉴定试验、可靠性测定试验及可靠性验收试验）；环境应力筛选（ESS）工程试验可靠性研制试验(RDT)可靠性增长试验（RGT）可靠性试验可靠性鉴定试验（RQT）统计试验可靠性测定试验（RDT)可靠性验收试验（PRAT）b）从试验场合，则分为实验室试验及现场可靠性试验。在这讲中，我们主要介绍实验室中进行可靠性试验的内容。,培,51,3）基本概念a)可靠性试验本身是不能提高产品可靠性;b)可靠性试验用来寻找和发现产品在设计、材料、元器件和工艺方面的各种缺陷、针对暴露的产品各种缺陷,在研制和生产阶段通过改进产品的设计,才能提高产品可靠性;c)验证产品可靠性是否满足合同规定的要求，确认是否符合可靠性定量要求;d)寻找和发现产品各种缺陷的试验和提高产品可靠性的试验所加的环境应力一般为加速应力;e)各类验证产品可靠性的试验所加的环境应力一般为正常使用应力。,培,52,(2)我国可靠性试验发展1982年2月原四机部颁发了部标SJ2064电子设备可靠性验证试验（统计试验方案）1986年11月颁发了国标GB5080设备可靠性试验总要求等1990年10月颁发了国军标GJB899可靠性鉴定和验收试验1991年1月颁发了国军标GJB1032电子产品环境应力筛选方法1992年7月颁发了国军标GJB1407可靠性增长试验,培,53,在产品出厂前，有意将环境应力施加到产品上，使产品的潜在缺陷加速发展成早期故障，并加以排除，从而提高产品的可靠性。,(2)环境应力筛选的目的,培,54,2）筛选采用的环境应力类型,应力类型的选择优先采用温度循环和随机振动两者的组合。,应力,培,55,表4-2常用的应力及其强度、费用和筛选效果,培,56,（6）温度循环和随机振动的各参数量对筛选效果的影响,1）温度循环参数量：温度范围、保持时间、温度变化速率、循环次数。,t6,培,57,表4-3筛选前的准备工作和环境应力筛选程序,培,58,(7)环境应力筛选的应用范围,研制阶段或可靠性增长中激发材料、元器件、设计缺陷和工艺缺陷,可靠性增长试验前预处理,备件的筛选,可靠性鉴定试验前预处理,组装件的筛选,可靠性验收试验前预处理,出厂交付前的筛选,产品维修后筛选,环境应力筛选,研制阶段,生产阶段,使用阶段,培,59,4.2可靠性增长试验（1）可靠性增长试验概述可靠性增长试验是产品研制阶段中单独安排的一个可靠性工作项目，作为工程研制阶段的组成部分。保证产品进入批生产前的可靠性达到预期的目标。可靠性增长试验通常安排在工程研制基本完成之后和可靠性鉴定试验之前。可靠性增长试验是一种有目标、有计划、有增长模型的专项试验。可靠性增长试验耗费的资源相当巨大，试验总时间通常为产品预期MTBF目标值的525倍，所以,并不是任何一个产品都合适进行增长试验。,培,60,（2）可靠性增长与可靠性增长试验的目的和一般方法,可靠性增长试验的目的是在研制阶段保证产品在进入批生产前的可靠性达到预期的目标。可靠性增长试验的一般方法是制定增长目标、确定增长模型,通过试验发现产品故障,根据故障分析,改进设计的这样一个不断反复试验改进过程。,(再）试验,故障分析,再设计（纠正）,可靠性增长试验过程,培,61,杜安（DUANE）模型,累积MTBF：,瞬时MTBF：,式中：-截矩（增长起始点）；m-增长率。,可靠性增长模型,AMSAA模型以下不介绍，费用高不适用民用产品,培,62,(5)基本要求1)承制方在研制阶段应尽早开展可靠性研制试验，通过试验、分析、改进（TAAF）过程来提高产品的可靠性。2)可靠性研制试验是产品研制试验的组成部分，应尽可能与产品的研制试验结合进行。3)承制方应制定可靠性研制试验方案，并对可靠性关键产品，尤其是新技术含量较高的产品实施可靠性研制试验。必要时，可靠性研制试验方案应经订购方认可。4)可靠性研制试验前期可采用加速应力进行，以尽快找出产品的薄弱环节或验证设计余量。5)对试验中发生的故障均应纳入故障报告、分析和纠正系统（FRACAS），并对试验后产品的可靠性状况作出说明。,培,63,(6)工作要点1)与可靠性增长试验不同之处在于可靠性研制试验没有增长目标，只要达到诱发故障,并通过改进设计，提高产品的固有可靠性水平的目的即可。2)对于新技术含量较高的产品应安排可靠性研制试验，一般在合同中规定可靠性研制试验的项目。3)民用产品可靠性研制试验可以采用加速应力进行，以识别薄弱环节并诱发故障或验证设计余量。加速应力可采用单应力步进加速或多应力同时加速。4)在民用产品环境试验条件时，也可按照受试产品使用需要设计。,培,64,4.4可靠性验证试验4.4.1目的与分类（1）目的：是确认产品是否符合合同规定的可靠性定量要求。（2）分类：1）可靠性鉴定试验为了验证设备设计是否符合规定的可靠性要求，应用能代表具有批准的技术状态的设备,在规定的环境试验条件下进行可靠性鉴定试验。若无其他规定，则至少要用两台设备进行定时截尾试验方案的鉴定试验。统计试验方案应是订购方规定或同意的GB5080中的方案。,培,65,2)可靠性验收试验为了确定生产的设备是否符合规定的可靠性要求，应按规定的抽样原则从各生产批次中抽取设备,在与可靠性鉴定试验相同的环境试验条件下进行可靠性验收试验，这些受试设备应能代表其所属批次的特征。验收试验统计试验方案应从GB5080中给出的序贯截尾试验方案或定时截尾试验方案。（3）验证试验(统计试验)方案的分类指数寿命型：定时截尾、序贯截尾、定数等方案成败型：一次抽样、序贯截尾等方案,培,66,4.4.3验证试验方案（指数寿命型统计试验方案）(1)定时截尾统计试验方案随机抽取一组样本量为n的样本进行可靠性鉴定试验。试验进行到累积时间达到预定值T*时截止。设在试验过程中共出现r次故障。如果rAc(接收数)，认为批产品可靠性合格，可接收；如果rRc(拒收数)，认为批产品可靠性不合格，拒收。其方框图如图。,定时截尾方案方框图,培,67,当已知