可靠性基础知识介绍

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、。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

6、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

7、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（Tt ） T:产品发生的

8、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）

9、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（Tt ） 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）=1 F（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=0.03 3、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

10、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

11、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、 230

12、0h、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+2300 5 =1800h,(t)= = =0.00056/h R(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

13、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

14、，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

15、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

16、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：