可靠性设计——I.可靠性的基本知识

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1、可靠性设计可靠性设计 I.可靠性的基本知识可靠性的基本知识 高嵩 2015-10-8可靠性设计可靠性设计1 1. 可靠性的基本概念可靠性的基本概念 2. 可靠性的参数体系可靠性的参数体系 3. 提高系统可靠性的途径提高系统可靠性的途径 4. 系统可靠性设计的内容系统可靠性设计的内容 本章内容本章内容 1.可靠性的基本概念可靠性的基本概念 2015-10-8可靠性设计可靠性设计3 可靠性定义可靠性定义 可靠性可靠性 产品产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功 能的能力。 在规定条件下和规定时间内，完成规定功 能的能力。 产品可靠性定义的要素是三个产品可靠性定义的要素是三个“规定规定” 。 “规

2、定条件规定条件”包括使用时的环境条件和工作条件。包括使用时的环境条件和工作条件。 “规定时间规定时间”是指产品规定了的任务时间。是指产品规定了的任务时间。 “规定功能规定功能”是指产品规定了的必须具备的功能及其 技术指标。 是指产品规定了的必须具备的功能及其 技术指标。 2015-10-8可靠性设计可靠性设计4 故障及其分类故障及其分类 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，称之为 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，称之为故障故障（即产 品丧失了规定的功能） 。 （即产 品丧失了规定的功能） 。 对于不可修产品（如电子元器件）：对于不可修产品（如电子

3、元器件）：失效。失效。 故障的表现形式，叫做故障的表现形式，叫做故障模式故障模式。 引起故障的物理化学变化等内在原因，称引起故障的物理化学变化等内在原因，称 故障机理故障机理。 2015-10-8可靠性设计可靠性设计5 故障及其分类故障及其分类 产品的故障按其故障规律分为两大类：产品的故障按其故障规律分为两大类： 偶然故障偶然故障 渐变故障渐变故障 产品的故障按其故障后果分为两大类：产品的故障按其故障后果分为两大类： 致命性故障致命性故障 非致命性故障非致命性故障 产品的故障按其统计特性分为两大类：产品的故障按其统计特性分为两大类： 独立故障独立故障 从属故障从属故障 2015-10-8可靠性

4、设计可靠性设计6 寿命剖面寿命剖面 寿命剖面寿命剖面 产品从制造到寿命终结或退出使用这段时间内所经历 的全部事件和环境的时序描述。它包含一个或多个任 务剖面。 产品从制造到寿命终结或退出使用这段时间内所经历 的全部事件和环境的时序描述。它包含一个或多个任 务剖面。 通常把产品的寿命剖面分为后勤和使用两个阶段。通常把产品的寿命剖面分为后勤和使用两个阶段。 2015-10-8可靠性设计可靠性设计7 寿命剖面示例寿命剖面示例 事件 （使用 方法） 事件 （使用 方法） 事件 （使用 方法） 事件 （使用 方法） 生 产 生 产 生 产 生 产 验 收 验 收 验 收 验 收 装卸和 公路运 输 装卸

5、和 公路运 输 装卸和 公路运 输 装卸和 公路运 输 装卸和 铁路运 输 装卸和 铁路运 输 装卸和 铁路运 输 装卸和 铁路运 输 装卸 和空 运 装卸 和空 运 装卸 和空 运 装卸 和空 运 装卸和 船运 装卸和 船运 装卸和 船运 装卸和 船运 装卸和后勤 支援运输 （最坏路线） 装卸和后勤 支援运输 （最坏路线） 装卸和后勤 支援运输 （最坏路线） 装卸和后勤 支援运输 （最坏路线） 有遮蔽存 贮，帐篷， 圆屋顶 有遮蔽存 贮，帐篷， 圆屋顶 有遮蔽存 贮，帐篷， 圆屋顶 有遮蔽存 贮，帐篷， 圆屋顶 无遮蔽 存储 无遮蔽 存储 无遮蔽 存储 无遮蔽 存储 工作准 备阶段 工作准

6、备阶段 工作准 备阶段 工作准 备阶段 发射 阶段 发射 阶段 发射 阶段 发射 阶段 调整 状态 调整 状态 调整 状态 调整 状态 导弹处 于战斗 位置 导弹处 于战斗 位置 导弹处 于战斗 位置 导弹处 于战斗 位置 发射后第 一个动作 发射后第 一个动作 发射后第 一个动作 发射后第 一个动作 飞行阶段飞行阶段 飞行阶段飞行阶段 命中 目标 命中 目标 命中 目标 命中 目标 生产 阶段 生产 阶段 生产 阶段 生产 阶段 后 勤 阶 段后 勤 阶 段 后 勤 阶 段后 勤 阶 段 运 输运 输 运 输运 输 储存/后勤阶段储存/后勤阶段 储存/后勤阶段储存/后勤阶段 使用阶段使用阶段

7、 使用阶段使用阶段 准备阶段准备阶段 准备阶段准备阶段 任务阶段任务阶段 任务阶段任务阶段 发射段发射段 发射段发射段 惯性飞行段惯性飞行段 惯性飞行段惯性飞行段 下降段下降段 下降段下降段 主 动 段 主 动 段 主 动 段 主 动 段 某导弹的寿命剖面 2015-10-8可靠性设计可靠性设计8 任务剖面任务剖面 产品在完成规定任务这段时间内所经历的 事件和环境的时序描述。任务剖面一般应 包括： 产品在完成规定任务这段时间内所经历的 事件和环境的时序描述。任务剖面一般应 包括： 产品的工作状态；产品的工作状态； 维修方案；维修方案； 产品工作的时间与顺序；产品工作的时间与顺序； 产品所处的环

8、境(外加的与诱发的)的时间与顺 序； 产品所处的环境(外加的与诱发的)的时间与顺 序； 任务成功或致命故障的定义。任务成功或致命故障的定义。 2015-10-8可靠性设计可靠性设计9 任务剖面示例任务剖面示例 s C 24min14 36 s C 16min20 30s C 16min20 41 s C 23min20 24 2015-10-8可靠性设计可靠性设计10 可靠度可靠度 产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规 定功能的 产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规 定功能的概率概率称为可靠度。依定义可知，系统 的可靠度是时间的函数，表示为： 称为可靠度。依定义可知，系统 的可靠度是时

9、间的函数，表示为： 式中，式中，R(t)可靠度函数；可靠度函数； 产生故障前的工作时间；产生故障前的工作时间； t 规定的时间规定的时间 )()(tPtR 可靠性的度量可靠性的度量可靠度可靠度 2015-10-8可靠性设计可靠性设计11 可靠度函数可靠度函数 依定义可知，可靠度函数依定义可知，可靠度函数R(t)为：为： 式中，式中， N0t = 0时，在规定条件下进行工作的产品 数； 时，在规定条件下进行工作的产品 数； r(t) 在在0到到 t 时刻的工作时间内，产品的累计 故障数。 时刻的工作时间内，产品的累计 故障数。 0 0 )( )( N trN tR 2015-10-8可靠性设计可

10、靠性设计12 累积故障分布函数累积故障分布函数 产品在规定的条件下和规定的时间内，丧 失规定功能的概率称为 产品在规定的条件下和规定的时间内，丧 失规定功能的概率称为累积故障概率累积故障概率（又 叫 （又 叫不可靠度不可靠度）。）。 依定义可知，产品的累积故障概率是时间的函 数，即 依定义可知，产品的累积故障概率是时间的函 数，即 显然，以下关系成立：显然，以下关系成立： 0 )( )( N tr tF 1)()( tFtR 2015-10-8可靠性设计可靠性设计13 可靠度函数与累积故障分布函数的性质可靠度函数与累积故障分布函数的性质 对偶性 非减函数非增函数单调性 0，1 0，1 取值范围

11、 对偶性 非减函数非增函数单调性 0，1 0，1 取值范围 )(tR)(tF )(1tF)(1tR R(t)与与F(t)的性质如下表所示：的性质如下表所示： 2015-10-8可靠性设计可靠性设计14 可靠度函数与累积故障分布函数的性质可靠度函数与累积故障分布函数的性质 由密度函数的性质由密度函数的性质1)( 0 dttf可知：可知： t t dttfdttftFtR)()(1)(1)( 0 因此，因此， R(t)、F(t) 与与 f(t) 之间的关系如图所示。之间的关系如图所示。 、 2015-10-8可靠性设计可靠性设计15 故障率函数故障率函数 故障率故障率 工作到某时刻工作到某时刻尚未

12、发生故障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，称之为产品的 的产品，在该时刻 后单位时间内发生故障的概率，称之为产品的 故障率故障率。 用数学符号表示为：用数学符号表示为： 式中，式中， (t) 故障率；故障率； dr(t) t 时刻后，时刻后，dt 时间内故障的产品数；时间内故障的产品数； Ns(t) 残存产品数，即到残存产品数，即到t 时刻尚未故障的产 品数。 时刻尚未故障的产 品数。 dttN tdr t s )( )( )( 2015-10-8可靠性设计可靠性设计16 故障率函数故障率函数 可按下式进行工程计算：可按下式进行工程计算： 式中，式中，r(t) t 时刻

13、后，时刻后，t 时间内故障的产品数；时间内故障的产品数； t 所取时间间隔；所取时间间隔； Ns(t) 残存产品数。残存产品数。 对于低故障率的元部件常以对于低故障率的元部件常以 10-9/h 为故障率的单 位，称之为菲特（ 为故障率的单 位，称之为菲特（Fit）。）。 ttN tr t s )( )( )( 2015-10-8可靠性设计可靠性设计17 问题问题 故障率是概率值么？故障率是概率值么？ 故障率有量纲么？故障率有量纲么？ 故障率和累积故障密度之间有什么关系？故障率和累积故障密度之间有什么关系？ 2015-10-8可靠性设计可靠性设计18 故障率实例故障率实例 例例右表为 某产品 右

14、表为 某产品10 万个在万个在18 年 内 的 故 障 数 据 ， 试 计 算 这 批 产 品 年 内 的 故 障 数 据 ， 试 计 算 这 批 产 品 1 年、年、2年年 的故障 率。 的故障 率。 19917 /10018 15379 14238 10137 676 345 134 123 112 101 00 (t)(%/年年) r(t) 1000个个r(t) 1000个个t（年）（年） 23.81 100.0 / 18.18 11.49 6.45 3.12 1.03 1.02 1.01 1.00 0 2015-10-8可靠性设计可靠性设计19 人类健康的曲线人类健康的曲线 图 人类典

15、型的健康曲线 t t 为革命健康工作五十年 年幼体弱 年富力强年老体衰 AB 2015-10-8可靠性设计可靠性设计20 产品故障浴盆曲线产品故障浴盆曲线 浴盆曲线浴盆曲线 大多数产品的故障率随时间的变化曲线形似浴盆，称 之为浴盆曲线。由于产品故障机理的不同，产品的故 障率随时间的变化大致可以分为三个阶段： 大多数产品的故障率随时间的变化曲线形似浴盆，称 之为浴盆曲线。由于产品故障机理的不同，产品的故 障率随时间的变化大致可以分为三个阶段： 产品典型的故障率曲线产品典型的故障率曲线 t t 使用寿命 早期 故障 偶然故障耗损故障 AB 规定的 故障率 维修后故障率下降 使用寿命 早期 故障 偶

16、然故障耗损故障 AB 规定的 故障率 维修后故障率下降 (t) 2015-10-8可靠性设计可靠性设计21 对故障发生规律认识的变化对故障发生规律认识的变化 2015-10-8可靠性设计可靠性设计22 故障发生规律的六种模式故障发生规律的六种模式 A 4% B 2% D 7% E 14% F 68% C 5% 六种模式所占的比率 （美国联合航空公司统计） 六种模式所占的比率 （美国联合航空公司统计） 2015-10-8可靠性设计可靠性设计23 我国的情况我国的情况 A 3% B 1% C 4% D 11% E 15% F 66% A 3% B 1% C 4% D 11% E 15% F 66%? 我国海军、装甲兵、通讯装备的一些统计 资料都证明了许多产品都没有明显的耗损 故障区的结论。 我国海军、装甲兵、通讯装备的一些统计 资料都证明了许多产品都没有明显的耗损 故障区的结论。 2015-10-8可靠性设计可靠性设计24 )( )( )( )( )( )( )(