可靠性基础知识

可靠性基础知识内容安排12可靠性工程概念产品可靠性度量34可靠性工作项目可靠性工程平台第一部分可靠性工程概念可靠性产品的是产品在规定的条件下运行时，在规定的时间内保持规定功能的能力。可靠性的概念有以下特征：关注故障判定故障发生的可能性，用定量的形式表达；评价故障对系统功能的影响程度。可靠性的定量衡量参数为可靠度或MTBF，是概率参数。可靠性表征产品故障的频繁程度和危害程度，是产品的一种固有属性，主要由设计决定，可靠性设计和分析的主要任务是降低故障发生的概率和降低故障的影响。可靠性（Reliability）可靠性1.1规定条件规定条件环境条件工作条件工作应力温度湿度振动盐雾….工作负荷循环周期环境应力对产品可靠性的影响环境越恶劣可靠性越差温度应力会提高产品的故障率振动应力会加速产品的疲劳湿度和化学应力会缩短产品的寿命环境应力和可靠性一般是指数关系：温度－Arrhenius振动－Coffin-Manson湿度和其他－Eyring有意施加恶劣的环境应力进行试验可以高效地暴露产品缺陷。规定时间规定时间工作时间非工作时间贮存状态小时公里次数…待机状态…00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.511.52TimeR(t)产品可靠性随时间单调下降规定功能技术规格书要求产品应具备的功能。故障－不能满足规定的功能故障的种类：功能丧失功能降低

Surprise！故障的可恢复性可恢复－没有物理损伤不可恢复－有物理损伤规定功能常用故障判据逆向表达性能界限过应力设计裕度正常工作区破坏极限工作极限技术规范对于电视机来说…规定的条件环境条件供电条件工作条件开机时间比待机时间比关机时间比规定的时间工作时间开关次数日历时间规定的功能不发生安全性事件－致命的能够正常使用－严重的不降低功能一般的可靠性相关概念介绍

“大”可靠性＝RAMS

Reliability－可靠性

Availability－可用性

Maintainability－维修性

Safety－安全性“五性”＝可靠性＋维修性＋保障性＋测试性＋安全性维修性是产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序方法进行维修时，保持或恢复到其规定状态的能力。维修性的概念具有以下特征：关注故障，是针对故障的一种活动；维修性的定量衡量参数为平均维修时间（MTTR，MTTM），是时间参数。维修性表征产品预防故障和修复故障的能力，表达产品维修的难易程度，是产品设计所赋予的一种固有属性。维修性设计和分析的主要任务是建立以可靠性为中心的维修设计（RCM－ReliabilityCenterMaintainability），相当于容易发生故障的地方容易修复。维修性（Maintainability）维修性1.2

可修可修产品－故障不可修产品－失效能修能检测能定位能到达能更换易修修得快－定位快、维修快、确认快修得好－修如旧、修如新维修性要素可用性是产品在任意一个随机时刻处于可用状态的能力。可用性常用可用时间占总时间的比值来描述，即：可用性＝可用时间/（可用时间＋不可用时间）可用性是可靠性、维修性和运用保障的综合特性：可靠性越好，则可用时间越长；维修性越好，则维修时间越短，不可用时间越短；运用保障特性越好，则维修等待时间越短。可用性（Availability）可用性1.3可用性示意图安全性是指产品不发生系统危险事件（HazardEvent，也称为事故）的能力。安全性的概念具有以下特征：关注危险，铁路产品的危险包括：违反政府法规人员伤亡重大财产损失环境破坏涉及到在各种环境条件和工作条件下，在运营、维护和维修过程中发生的所有危险；故障是危险的主要来源，危险性故障是全部故障的子集。安全性（Safety）安全性1.41.2可靠性工程发展世界可靠性工程发展：1940s年，起源于美国重点在于电子管和真空管的可靠性研究成立AGREE，电子设备可靠性顾问委员会1950s年，推广发展美国制定了一系列军用可靠性标准AGREE在1957年发表的《军用电子设备的可靠性》报告成为后来全世界可靠性工作的指南前苏联、日本、英国等国家开始介入可靠性研究可靠性由电子设备拓展到电力、机械、动力等方面（续前）1960s，可靠性工程的系统化阿波罗项目全面采用的可靠性工程技术，极大地推动了可靠性技术在全世界的推广可靠性工程已经成为系统工程的一部分，日益系统化可靠性统计试验逐步完善1970s，进入可靠性保证阶段可靠性管理的作用突出显现，美国将可靠性管理作为质量管理的核心日本全面引进可靠性技术，推行全面质量管理，取得巨大效益（续前）1980s，可靠性体系完善美国建立了完备的可靠性标准体系，如可靠性通用大纲、可靠性预计、FMEA等可靠性工作项目不断丰富，例如电路容差设计、潜在电路分析、随机有限元分析等波音公司建立了完备的故障信息闭环管理体系1990s年，可靠性工程深度拓展ISO9000将可靠性列入研制过程的必要工作项目民用产品全面建立可靠性要求体系机械、结构、机构的可靠性分析方法成熟诞生了大量可靠性软件工具中国可靠性的发展历程1960s年，可靠性引入到中国1970s年，可靠性引进和研究阶段诞生了大量可靠性标准翻译了一些可靠性书籍产生了一些可靠性报告（续前）1980s年，可靠性工程的应用1985年，诞生了中国质量与可靠性信息中心1986年，在高校中诞生了可靠性的专门学科1988年，GJB450-88《武器装备可靠性通用大纲》推行，成为军工和民用产品的可靠性工作标准大量研究课题取得突破性进展运七飞机成功地运用可靠性技术，极大地提高了可靠性教8飞机从方案阶段起，全过程推行可靠性工程技术电视机、机车等民用产品开始采用可靠性技术，提高产品的寿命和可靠性（续前）1990s年，中国航空航天可靠性技术成熟，全面推广可靠性技术的应用华为、中兴、大唐等通讯行业企业陆续开始推行可靠性技术出口产品的可靠性工作极大地推动了可靠性工程技术的应用一些外资企业在中国建立的研发和生产机构可靠性应用技术普及，间接地推动了我国可靠性技术的普及机车行业推出QS9000，强制采用可靠性工程控制电力系统可靠性工程框架逐步建立船舶行业可靠性工程工作陆续开展现在可靠性工作成为产品质量的核心可靠性技术需求迫切可靠性的工程地位产品特性SystemEffectiveness系统效能Performance性能OperationalAvailability使用可用度EquipmentCapability设备能力HumanCapability人员能力Maintainability维修性Supportability保障性SystemEffectiveness系统效能Reliability可靠性可靠性工作的效益分析（费用）系统的寿命周期费用（LifeCycleCosts，以下简称LCC），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）所花费的总费用。系统寿命周期费用构成示意图LCC–

全部费用视图AcquistionCostOperationsCostProductDistributionCostSoftwareCostMaintenanceCostTestEquipmentTrainingCostTechnicalDataCostSupplySupportCostRetirementandDisposalcostOperationsCostProductDistributionCostSoftwareCostMaintenanceCostTestEquipmentTrainingCostTechnicalDataCostSupplySupportCostRetirementandDisposalcost采购费用运行费用产品部署费用软件费用维修费用测试设备培训费用技术数据费用供给支持费用报废和处置费用现代设计思想的转变性能向效能的延伸采购费用向寿命周期费用的延伸Questions?第二部分产品可靠性度量可靠性的度量参数可靠性参数的分类基本可靠性任务可靠性通用可靠性参数可靠度R(t)故障率λ平均故障间隔时间（MTBF）平均首次故障时间（MTTF）可用度（Avilability）平均修复时间（MTTR）其它可靠性参数可靠性参数的分类可靠性参数&可靠性指标可靠性参数用于定量地描述产品的可靠性水平和故障强度。可靠性指标是要求产品应达到的可靠性参数值。基本可靠性产品在规定条件下，无故障的持续时间或概率维修人力费用后勤保障资源任务可靠性在规定的任务剖面中完成规定功能的能力通用可靠性参数－可靠度R(t)可靠度－R(t)指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率例如：

某型号的10000手机在一年共有10部次发生了功能性故障（不能正常使用部），该型号手机在一年内的可靠度为：R(1)＝(10000-10)/10000=0.999式中：N0—t=0时，在规定条件下进行工作的产品数；

r(t)—在0到t时刻的工作时间内，产品的累计故障数（产品故障后不予修复）。故障率λ故障率（FailureRate）：定义：工作到某时刻尚未发生故障的产品，在该时刻后单位时间内发生故障的概率。

式中：Δr(t)—t时刻后，Δt时间内故障次数；

Δt—所取时间间隔；

Ns(t)—t时刻残存产品数。单位：一般为10-6/小时或10-9/小时（fit）平均故障率（AverageFailureRate-λ

）定义：产品故障总数和产品总工作时间的比率。计算：故障次数除以总工作时间TB = 交付时间点TW = 耗损时间点早期失效期偶然失效区耗损失效区TwTB制造缺陷工艺缺陷元件缺陷固有缺陷耗损故障时间失效率浴盆曲线浴盆曲线时间瞬时故障率制造和筛选可靠性预计和验证耗损机理分析早期故障随机故障耗损故障...开箱合格率...预计和试验与环境和应力相关的疲劳和衰减机理

增加检查点

改善抗恶劣环境设计

老化试验

环境应力筛选试验

可靠性评估

可靠性预计

可靠性增长试验高加速寿命试验材料特性

使用数据积累和分析

加速寿命试验

系统寿命模型浴盆曲线的进一步说明在给定时间内,MeanTimeToFailure[MTTF]–对于不可修产品,是发生故障的时间的平均值，通常用产品累积工作时间除以故障数量来计算。.

举例: 1000块表工作1星期. 在这段时间内，有两个故障发生

平均故障前工作时间－MTTF)MeanTimeBetweenFailures[MTBF]–对于一个可修产品,为累积工作时间除以累积故障次数。

例如: 一台电机在工作45,000小时内发生了6次故障 并修复，计算其MTBF。平均故障间隔时间(MTBF)MTBF或MTTF特别适用于哪些故障率保持恒定的产品，例如电子产品可靠度vs.故障率Vs.MTBFt为任务时间或任务次数例如:

假设某一电机的MTBF为7,500小时, 工作一个月（30天）不发生故障的概率为...当故障率保持恒定时，即产品寿命服从指数分布时:t=4xMTBFt=0.5xMTBF1.0000.368tt=MTBFt=00.0180.606Reliabilityt

0 0.01xMTBF0.1xMTBF0.5xMTBF1xMTBF4xMTBF10xMTBF100xMTBF1.0000.9900.9050.6060.3680.0184.54E-53.72E-44ReliabilityVs.MTBF小练习某洗衣机在1999年的广告中称其MTBF为5000小时，问：假设有1000台洗衣机，大概有多少台工作到5000小时不坏？平均故障间隔时间－MTTRMTTR（MeanTimeToRestore）表示针对发生故障的产品，平均恢复产品功能所需的时间MTTR是一个时间参数，需要考虑各个维修活动所占用的时间与MTBF相似，MTTR也是可以分类计算的，一般按维修级别（现场级、中间级和车间级）进行分类。可用度的参数含义可用度－A可用度为在任意随机时刻，产品处于可运行状态的概率。用以下公式计算：可用度的参数固有可用度－AiAi（inherentAvailability）指只考虑到故障修复情况，不进行预防性维修（保养），没有资源延迟，也没有管理延迟。Ai的计算方法为：可达可用度－AaAa（achievedAvailability）考虑到故障修复和预防性情况，没有考虑备件和管理延迟Aa的计算方法为运行可用度－AoAo（operationalAvailability）考虑到故障修复和预防性情况，并考虑到保障延迟。Ao的计算方法为：OperationalAvailability

使用可用度OperationalAvailability使用可用度Reliability可靠性Maintainability维修性Supportability保障性SupportSystemEffectivness保障系统效能SupportOrganisationEfectivness保障组织效能MeanTimeBetweenFailures平均故障间隔时间MeanTimeToRepair平均维修时间MeanLogisticDelayTime平均保障延误时间MeanWaitingTime平均等待时间MeanAdministrativeDelayTime平均管理延误可靠性参数体系可靠性参数体系完整地表达了产品的可靠性特征产品一般都有多个可靠性参数描述系统级的可靠性参数一般以可靠度为主；设备级的可靠性参数一般以MTBF为主可靠性参数体系要完整全面，例如洗衣机产品的可靠性参数体系要包括：MTBF（小时）和MTBF（次）可靠性指标是规定要达到的可靠性参数值，例如要求洗衣机达到MTBF为5000小时，则5000小时为该洗衣机的MTBF指标可靠性指标分为目标值和最低可接受值两类典型产品的可靠性参数体系飞机：军用飞机：可靠度、MTBHF（平均危险故障间隔时间）、MCSP（任务成功概率）、空中停车率等民用飞机：可靠度、空中停车率、机械原因延误率、机械原因返航率、机械原因取消率、空中停车率等导弹：可靠度：贮存可靠度、发射可靠度、飞行可靠度、引爆可靠度等汽车：平均首次故障时间MTTF（公里）平均故障间隔时间MTBF（公里）B10寿命第三部分可靠性工程平台可靠性工程平台可靠性工程平台管理平台技术平台数据平台工具平台可靠性设计准则可靠性建模和预计故障模式影响分析故障树分析－FTA可靠性数据分析和评估可靠性增长管理可靠性和寿命试验RAMS管理组织RAMS责任体系RAMS管理结构

RAMS专业机构RAMS工作体系RAMS程序文件管理平台2.1技术平台RAMS的大纲和工作计划RAMS保证大纲RAMS工作计划RAMS的作业指导书每一项可靠性工作形成独立的作业指导书指导书的作用：指导＋约束作业指导书由专业人员编制指导书每年修订一次产品研发和设计人员按作业指导书开展RAMS工作产品RAMS人员按作业指导书对RAMS的输出进行评审2.2大纲和计划

工作要求工作责任时间节点评审要求RAMS研制流程（铁路举例）可靠性研制流程（航天举例）论证阶段方案设计功能设计详细设计/原型开发定型阶段可靠性指标论证环境剖面和工作剖面可靠性关键项目可靠性建模分析可靠性预计可靠性分配FMEA可靠性增长试验可靠性鉴定试验可靠性评估可靠性研制试验可靠性工作大纲可靠性工作计划可靠性工作规范可靠性验证方案分配调整系统或功能功能初步设备和单元初步评估定型评估硬件详细大纲和计划应该开展什么可靠性工作项目？数据管理－FRACAS2.3FRACAS的英文全称是FailureReporting,AnalysisandCorrectiveActionSystem,也就是我们所说的故障报告、分析和纠正措施系统，也称故障闭环管理系统，另外FRACAS有多种称法，如“归零管理”、“PRACAS”、“8D”等。建立故障报告、分析和纠正措施系统（FRACAS）的目的是及时报告产品的故障，分析故障原因，制定和实施有效的纠正措施，以防止故障再现，改善其可靠性和维修性－－－－中华人民共和国国家军用标准(GJB841-90)FRACAS的主要目标FRACAS的主要目标是为了实现一个闭环的管理系统，积累知识数据库。FRACAS的重要性

根据美国可靠性分析中心（RAC）发布的一份有关可靠性工作任务的报告，在众多的可靠性任务中，FRACAS排分最高，因此其重要性已被国际公认。

RANKTASKSCORE1FRACAS（故障报告、分析和纠正措施系统）88.32DesignReviews（设计检查）83.83SubcontractorMonitoring（承包商监控）72.14PartsControl（元器件控制）71.25FMECA（故障模式影响分析）68.56RQT（可靠性认证试验）65.37Prediction（可靠性预计）62.28TAAF（可靠性增长）59.59ThermalAnalysis（热分析）58.610EnvironmentalStressScreening（环境应力筛选）54.1FRACAS的作用建立质量与可靠性信息管理平台将“8D”过程融入质量与可靠性信息管理建立统一的数据库和知识库，实现信息共享建立信息管理规则，规范化信息传递充分利用问题、故障信息，积累企业经验规范化问题/故障信息的报告、分析、纠正、闭环和利用

解决问题/故障处理不及时的问题解决信息传递的不规范的问题完善问题/故障的闭环控制优化企业的问题/故障处理流程提高质量和可靠性的工作效率科学地积累产品研制经验建立完整的问题/故障信息数据库建立科学地利用经验数据的方法建立型号知识库和专家库是其它可靠性工作的基础可靠性增长故障模式影响分析（FMEA）可靠性评估1.2.3.及时有效地处理当前故障过去发生的故障不再重现建立企业的可靠性经验利用FRACAS，可以：故障信息的利用FRCAS数据库故障模式手册关键件判定和故障历史使用、故障、维修信息故障统计分析可靠性评估（如B10）

可靠性增长计划

可靠性设计准则

QS9000FMEA

FRACAS是其它可靠性工作的数据基础FRACAS效益分析预防VS纠正概要设计开发使用生产费用预防费用纠正费用FRACAS效益分析概要设计开发使用生产可靠度时间和资源可靠性增长节约的时间和成本原来的可靠度通过经验学习具有更高的可靠度传统的FRACAS流程故障报告故障分析故障纠正措施故障闭环并分门别类发布故障修订SOURCING研发SOURCINGSOURCINGSOURCINGSOURCINGSOURCING制造组装测试样机SOURCING维修使用各个组织的工作相互独立数据收集和分析也不协调一致基于纸面上的记录不区分优先级，因而也没有把握住重点不对历史数据进行提炼整理进展缓慢，效率低下

FRACAS典型流程(GJB841)FRACAS典型的流程体系营造

平台搭建

系统运行

体系营造：建立符合企业质量管理体系需要的组织体系和信息处理流程，划分工作职责，明确工作职能，提出对信息数据利用的要求；平台搭建：通过体系营造，理清FRACAS系统的功能，利用工程应用软件，构建电子化的FRACAS系统，实现FRACAS系统的各项要求；系统运行：利用FRACAS系统平台，开展故障闭环工作，统计数据，并通过计算机化的管理手段，对整个系统的运行状态加以监控和推进；如何开展FRACAS？第四部分可靠性工程项目可靠性关键技术

可靠性建模（RBD）可靠性预计维修性预计可用性计算故障模式影响与危害性分析（FMECA）故障树分析(FTA)3可靠性框图模型（RBD）可靠性框图模型包括：可靠性框图数学模型可靠性框图模型分析的程序是：系统定义（任务和功能、组成与接口、工作模式等）任务定义和故障判据建立可靠性框图建立可靠性数学模型可靠性模型计算结果分析和设计调整2.1R1R2R3R4R5RTotal=f(R1,R2,…RN)可靠性关系模型系统可靠性度SystemRel=f(SubsysRel)组件可靠度AsmRel=f(CompRel)零件/元器件可靠度CompRel=f(可靠度)子系统可靠度SubSysRel=f(AsmRel)GoalsAnalysisR=e(l)(-t)l=Ln(R)-t系统任务可靠性计算可靠性框图模型（RBD）3.1典型的可靠性框图模型可靠性框图模型（RBD）3.1可靠性建模－RBD工作内容分析示范产品的任务和可靠性逻辑关系，利用Relex建立可靠性框图（RBD）可靠性模型是可靠性分配、可靠性预计、FMEA等项工作的输入输入：功能和任务说明文档最小功能清单功能框图输出：产品RBD作业指导书实例产品RBD报告工作程序（见上图）3.1可靠性预计：根据产品结构和使用特性来评估产品可靠性水平的方法；可靠性预计的目的：评估产品可靠性水平是否达到要求，并根据预计结果指导可靠性设计，提高产品可靠性；可靠性预计方法：电子产品：元件计数法、应力分析法机械产品：概率分析法可靠性预计参数：MTBF1,MTBF2,MTBF3,MTBF4,MTBF,MDBF;可靠性预计3.2应力分析法集成电路技术类型工作环境管脚数和位数工作应力质量级别封装类型可靠性预计模型

GJB299BMIL-STD-217FBellcore失效率可靠性预计3.2预计标准可靠性预计3.2可靠性预计分析工作项目工作内容：选定可靠性预计模型（建议选用MIL-STD-217F或Bellcore），设置预计参数（环境类别设置、温度设置、应力设置），进行如下计算：典型环境下的MTBF计算；最坏环境下的MTBF计算；敏感性分析（温度、电应力）；任务可靠性计算。输入：产品树和元件表典型和最坏环境条件元器件工作应力信息RBD3.2输出：可靠性预计作业指导书实例产品可靠性预计报告工作程序建议性的工作程序如下图所示：可靠性预计分析3.2维修性预计预计——预先估计产品的维修性参数，了解其是否满足规定的维修性指标。定义： 根据历史经验和类似产品的数据等估计、测算新产品在给定工作条件下的维修性参数，以了解产品设计满足维修性要求的程度。预计的对象：参数：与合同规定的指标相一致，MTTR层次：通常是系统或设备级，以便与合同要求规定和使用需要相比较。返回3.3维修流程图返回维修性预计3.3计算 为系统的平均修复时间； 为针对系统组成单元i的平均修复时间； 为系统组成单元i的失效率；n

为设定了维修时间的全部系统组成单元数量； 为系统失效率。维修性预计3.3系统维修性预计工作内容对产品维修活动的进行定义，估算每个维修活动所需时间，结合可靠性预计结果预计LRU和系统的平均修