可靠性工程第8讲

可靠性工程

第八讲杨明CollegeofNuclearScienceandTechnologyHarbinEngineeringUniversity2010年5月13日第三章

系统可靠性设计第三章

系统可靠性设计3.4系统可靠性预计系统可靠性预计是对所设计系统可靠性的定量估算，一般根据系统的可靠性模型和可靠性数据，由单元的可靠性推出系统的可靠性，是一个由局部到整体的综合过程。一、概述1.定义二、目的第三章

系统可靠性设计进行可靠性评定（方案优化）；预测系统设计是否达到合同规定的可靠性指标；发现薄弱环节以便对系统进行改进。三、特点系统可靠性预计在各设计阶段的具体目的不同，所采用的预计方法也不同，是有层次的，随设计的深入而完善。第三章

系统可靠性设计早期方案论证阶段系统可靠性设计的目的：是比较各种系统方案的可靠性指标，与成本指标、费用、后勤保障等一同进行权衡，选择最优的系统设计方案，并为制定系统整体可靠性指标提供依据。特点：该阶段只有分系统和主要设备的有关数据，所采用的可靠性预计方法有相似设备法，相似复杂法和功能预计法。第三章

系统可靠性设计初步设计阶段可靠性预计的目的是评定设计能否达到合同规定的可靠性指标，并发现设计中的薄弱环节加以改进。采用的预计方法有元器件计数法、可靠性模型预计法、上下限法等。第三章

系统可靠性设计详细设计及生产过程阶段可靠性预计的目的是审查分配到各分系统、设备的可靠性指标能否达到，最终设计的系统可靠性指标能否满足合同要求，评价所选择的元器件、器材、设备是否合适，为系统可靠性增长实验和验证实验提供依据等。采用的预计方法有：应力分析法、机械结构的可靠性预计法和可靠性模型预计法等。第三章

系统可靠性设计四、程序明确系统可靠性结构的定义，包括系统功能、任务、结构组成等；明确系统工作的条件和故障的判断依据；画出可靠性框图、建立系统可靠性数学模型；预计各单元设备的可靠性；按系统可靠性数学模型预计系统的可靠性；系统可靠性预计结果为可靠性分配提供依据。第三章

系统可靠性设计五、要求可靠性预计越准确越好；在缺少数据的情况下，相对意义的预计也具有意义；为了使可靠性预计有价值，应尽早进行可靠性预计，一般要求在进行下一阶段设计前完成该阶段的可靠性预计，并根据预计结果对设计进行改进，直至满足要求为止。第三章

系统可靠性设计3.4.1相似设备法

一般应用于方案分析研究阶段，一个新设计的系统已确定由一定的分系统和主要设备组成，根据与新系统中所采用的分系统、主要设备功能、特性、环境相似（以致同一生产厂）的其它系统中的分系统、设备的使用经验和数据，以MTBF、故障率或其它可靠性参数对分系统和主要设备的可靠性进行简单的估算，然后由此推出系统的可靠度，这一方法称为相似设备法。一、概述第三章

系统可靠性设计

用于估计在现有技术水平的约束条件下某种系统方案达到最低可靠性指标的可行性。二、作用三、步骤确定所设计系统中的设备功能、特性、设备定义、工作环境，估计可能的生产工艺方法；第三章

系统可靠性设计确定与所设计系统中的设备最相似的现有设备（功能、特性、工作环境相似、最好具有相同的生产制造厂家）。获得并分析现有设备的数据，求得它的可靠性指标；假设相似设备具有相似的可靠性指标，得到新设备的可靠性指标，推出所设计系统的可靠性指标。第三章

系统可靠性设计四、例题某水面舰船的动力装置拟选用燃气轮机动力装置，一种设计方案如图所示。使预计这一方案，即燃气轮机动力装置的平均无故障间隔时间MTBF。燃油系统滑油系统燃气轮机传动系统动力装置第三章

系统可靠性设计解：（一）确定各系统的定义电机泵电机泵加热器加热器滤清器滤清器分离器分离器燃油系统

燃油系统由电机、泵、加热器、滤清器混联组成，它的功能是完成燃油供应，油量可调，连续运行，工作环境为舰船舱室，所有设备由有关的动力厂生产、船厂总装。1.燃油系统第三章

系统可靠性设计电机泵电机泵滤清器滤清器冷却器冷却器滑油系统

滑油系统由电机、泵、加热器、滤清器、冷却器混联组成，其功能是完成滑油的供应，连续运行，油量可调，压力恒定，工作环境为舰船的舱室，所有设备由有关动力厂生产，船厂总装。2.滑油系统第三章

系统可靠性设计燃气轮机离合器燃气轮机3.燃气轮机

燃气轮机由燃气轮机本体和离合器串联组成，功能为提供主动力，运行方式为低工况、巡航工况、高速工况交替连续运行，可多次启动，工作环境为海洋条件，拟采用进口机组。第三章

系统可靠性设计减速器轴系传动系统

传动系统由减速器、轴系、变距桨组成，变负荷连续运行，传递载荷，有部分冲击振动，工作环境为舰船舱室，海水中。由有关动力厂生产，船厂总装。4.传动系统变距桨第三章

系统可靠性设计（二）确定现有相似设备燃油系统，某舰用蒸汽动力装置的燃油系统采用与现在系统同样的混联方式，组成相同，功能特性相同，工作环境条件也相同，同为舰船舱室，只是供油不同，所有设备也同样由有关厂家生产，船厂总装，因此，可把某舰用整齐装置的燃油系统作为燃油系统的相似设备。以前国内未有燃气轮机动力装置的舰船，可参考的国外商船的燃气轮机动力装置的组成与该系统也不相同，不存在相似的燃气轮机动力装置，由各系统来考虑。第三章

系统可靠性设计滑油系统和传动系统与现有某舰用蒸汽动力装置的滑油系统和传动系统具有相同的组成、功能、特性、工作环境，差别仅是供油量及传递的动力不同，由同一厂家生产所有设备，船厂总装。因此，可确定某舰用蒸汽动力装置的燃油系统作为燃油系统的相似设备。燃气轮机，国外某商船燃气动力装置采用同型号燃气轮机，功能特性相同，工作环境基本相同，所不同的是商船一般多在设计工况下工作，而舰用燃气动力装置在巡航工况下工作，有时较长时间在低速工况下工作，短时间在高速巡航下工作，在设计点工作时间相对较短，也可确定它为所涉及动力装置燃气轮机的相似设备。第三章

系统可靠性设计（三）获得数据，分析求得相似设备的可靠性指标相似设备某舰用整齐动力装置燃油系统某舰用整齐动力装置滑油系统某国外商船的燃气轮机（与引进的同一型号，厂家）某舰用整齐动力装置传动系统MTBF统计值4500h4400h3700h20000h第三章

系统可靠性设计（四）根据相似设备法确定新系统的可靠性指标燃油系统的现有相似设备的MTBF为4500h，考虑技术的不断完善和可靠性的增长因素，新燃油系统的MTBF可预计为：同样可求得滑油系统和传动系统的MTBF为：第三章

系统可靠性设计国外商船用汽轮机的MTBF为3700h，考虑到低工况、高速工况均使燃气轮机的工作条件变坏，影响寿命，MBTF势必下降，预计舰用燃气轮机的MTBF为第三章

系统可靠性设计由于所设计舰船燃气轮机动力装置方案由四个系统串联组成，因此它的故障率为：第三章

系统可靠性设计五、特点和适用范围可根据相似设备已取得的经验和数据很简单地估算出新系统的故障率，可用于方案的比较选择、权衡决策。这一估计的精确性取决于新系统中所采用设备与现有设备的相似程度和现有设备的数据准确性。适用于早期方案论证设计，既适用于电子设备类，也适用于机电、机械设备类，其关键是寻找到恰当的相似设备，并有准确的统计数据。第三章

系统可靠性设计3.4.2相似复杂性法系统的可靠性是由组成系统的单元多少、组成方式、单元可靠度和工作环境所决定的。对于无冗余系统，系统的复杂性与可靠性之间存在着直接可预计的相互关系，这种关系和环境条件是密切相关的。一、相似复杂性法原理第三章

系统可靠性设计将设备（系统）的故障率与有源器件数和使用环境关联起来的图解方法，这种方法建立在大量的统计数据基础上，将所有的无源器件的故障率归并到有源器件的失效率上，从而用有源器件的数目预测设备的可靠性的方法。二、相似复杂性法定义把各类系统分为高、中、低三个质量等级，加上系统工作环境构成可靠性分类；分类统计绘出系统平均故障间隔时间与有源期间数的函数关系曲线；根据系统平均故障间隔时间求出系统的可靠度。三、方法第三章

系统可靠性设计第三章

系统可靠性设计设备类型可靠性等级低质量中等质量高质量机载，电子管式A1A2A3机载，晶体管式B1B2B3地面，电子管式B1B2B3地面，晶体管式C2C3D1移动，电子管式A2A3B1移动，晶体管式B2B3C1导弹，电子管式A1A2A3导弹，晶体管式B1B2B3船载，电子管式B1B2B3船载，晶体管式C1C2C3航天器，电子管式B1B2B3航天器，晶体管式C1C2C3可靠性分类表第三章

系统可靠性设计1010210310410510102103104105平均故障间隔时间（小时）各种可靠性等级下有源器件数与平均故障间隔时间的关系A1A2A3B1B2B3C1C2C3D1D2D3第三章

系统可靠性设计四、例题某机载系统是高质量的晶体管设备，装有500各有源器件，试估计该系统工作5小时的可靠度。解：查分类表，这一系统对应的分类是B3所对应的曲线。由有源器件数为500，得MTBF=90h，又已知t=5h，得第三章

系统可靠性设计五、相似复杂性法特点用于初期的可靠性预计，适用于复杂电子设备的设计；得出有源器件数与平均故障间隔时间的关系需要大量统计工作；机械系统不适用。第三章

系统可靠性设计3.4.3功能预计法

把系统的可靠性与功能特性联系起来，由统计数据的回归处理，得到功能与可靠性的关系方程，通过这一方程进行可靠性预计的方法称为功能预计法。一、定义

系统的一定功能是由一定的系统组成来实现的，功能越强，系统就越复杂（采用的元器件就越多），相应的可靠性低，随着时间的推移、技术的进步、可靠性的增长，系统可靠性也得以提高，因此系统的可靠性与系统功能及生产年代存在着相互关系。二、理论依据第三章

系统可靠性设计第三章

系统可靠性设计三、例题已知某雷达系统的回归方程和设计特性参数，使预计该雷达的平均故障间隔时间MTBF。设计参数单位值设计年代（DY）1970检测范围（DR）海里150接收机动态范围（RDR）分贝60多目标分辨力（MTR）千英尺0.1脉冲宽度（PW）微妙4.0半功率波束宽度（HP）度1.0第三章

系统可靠性设计雷达的回归方程：式中：P：元器件平均数DY：设计年代，如1980等MTR：多目标分辨力，单位千英尺（1英尺=0.3046米）DR：探测距离，单位：海里PW：脉冲宽度，单位：微妙HP：半功率波束宽度，单位：度

RDR：接收机动态范围，单位：分贝第三章

系统可靠性设计雷达的预期MTBF：式中：FR：元器件的平均故障率第三章

系统可靠性设计元器件种类雷达计算机显示器通讯设备电容器0.18550.15080.13990.3912电阻器0.3130.27090.22720.3416二极管0.21690.13720.25530.0682晶体管0.11270.05320.14200.0717集成电路0.11580.36100.17060.013电感器0.03930.01320.05270.1076电子管0.007900.01220混合电路0.00890.01370.00010.0067元器件分布第三章

系统可靠性设计种类失效率（10-6）环境因子机载地面船载电容器0.04988.6461.07665.907电阻器5.8103.1110.214460.101二极管1.0004.3220.8741.29晶体管1.1198.0041.50080.363集成电路6.0007.013电感器0.341.011电子管1.3136.00211混合电路12.0007.013MIL-HDBK-217元器件可靠性数据第三章

系统可靠性设计第三章

系统可靠性设计四、功能预计法特点在已知系统可靠性指标和功能参数的回归方程条件下，进行系统的可靠性预计是比较简单的；多用于早期设计阶段；不仅适用于电子设备，也适用于机械设备和机电组合系统。（例如：美国福特公司的飞机参数回归方程）第三章

系统可靠性设计3.4.4元器件计数法

根据通用元器件的种类及数量、元器件的质量等级、设备环境条件，对系统（设备）可靠性进行预测的方法，称为元器件计数法，这一方法适用于合同和初步设计阶段。一、定义第三章

系统可靠性设计二、方法式中：设备总失效率第i种元器件的通用质量系数第i种元器件的通用失效率第i种元器件的数量设备所有元器件的种类数目GJB299-87《电子设备可靠性预计手册》第三章

系统可靠性设计三、特点适用于同一种环境的设备，如设备所包含的N个单元是在不同环境中工作，则应该分别考虑，然后将这些在不同环境下工作的单元失效率相加，即得设备的总失效率。多用于电子设备；当有机械零部件的数据时，也可用于机械系统初步预计；若经过元器件计数法预测不能达到合同要求，则应选择更好的元器件或采用冗余设计。第三章

系统可靠性设计3.4.5应力分析法

根据元器件所受应力水平，对元器件的失效率做出预计的方法。一、定义第三章

系统可靠性设计

元器件的强度与元器件工作的应力水平之间的相互关系决定着在给定条件下的元器件失效率，元器件处于不同的应力水平就会有不同的失效率。已知元器件将要承受的预期的或实际的应力及这些应力对元器件失效率的影响。据此对各个元器件的基本失效率进行修正，求得各个元器件在一定的应力环境下的失效率。二、原理第三章

系统可靠性设计

多用于详细设计阶段，能准确地计算除设备中各种元器件的失效率，在结合所建的设备可靠性模型，可准确地预计所设计设备的可靠性水平。不足之处是比较麻烦和费时。三、特点第三章

系统可靠性设计

确定每一元器件的基本失效率。已知元器件类型、环境温度和应力水平，查GJB299-87中有关图表求得；根据GJB299-87提供的图标或公式，求得修正公式和修正系数；使用修正公式，由基本失效率、修正系数计算元器件失效率。四、步骤第三章

系统可靠性设计3.4.6可靠性模型预计法

可靠性模型预计法是指在已知各级单元失效率的条件下，利用系统的可靠性模型，由前述章节所讲述的可靠性计算方法预计系统的可靠性的方法。一、定义第三章

系统可靠性设计

一般用于详细设计阶段，此时已建立起较为详细的可靠性模型，并已知各级单元的种类、数量、环境及应力情况，由此也给定了它们的失效率。电子设备的元器件工作失效率可用应力分析法求得，非电子零部件的工作失效率可查有关非电子零部件的可靠性数据手册。二、方法第三章

系统可靠性设计若零部件或设备的可靠性数据准确，则这一方法的预计结果是准确的；既适合于电子书设备，也适合于机械设备；有利于编写计算机软件，提高计算速度；在详细设计阶段是工程实际中的有效方法。三、特点第三章

系统可靠性设计3.4.7上下限法

串联单元数越多，系统可靠度越小，上下限法是一种取串联单元作为估计的依据，进而考虑并联单元的作用，修正系统可靠度，使之从上下限值逼近真正可靠度的一种工程近似方法。一、原理第三章

系统可靠性设计

在系统可能的2n个状态中，只选出概率量级较大、同时计算方便的那些失效状态，计算它们的概率之和F，（1-F）大于系统真实的可靠度，作为系统可靠度的上限；在系统可能的2n个状态中，只选出概率量级较大、同时计算方便的那些正常工作状态，计算它们的概率之和作为系统可靠度的下限，它小于系统真实的可靠度；二、步骤第三章

系统可靠性设计若上下限相差较大，要进行上下限的第二次、第三次预测，直至两者比较接近时为宜；采用几何平均的方法，求出系统可靠度的近似预测值；第三章

系统可靠性设计三、特点