品质管理品质知识品质管理学之可靠性概念

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1、此处是大标题样稿字样十五此处是大标题样稿字样十五 字以内字以内 7.1 7.1 可靠性的基本概念可靠性的基本概念可靠性的基本概念可靠性的基本概念 一一、可靠性工程发展及其重要性、可靠性工程发展及其重要性 可靠性工程发展及其重要性可靠性工程发展及其重要性可靠性工程发展及其重要性可靠性工程发展及其重要性 例如，美国的宇宙飞船阿波罗工程有700万只 元器件和零件，参加人数达42万人，参予制 造的厂家达1万5千多家，生产周期达数年之 久。象这样庞大的复杂系统，一旦某一个元 件或某一个部件出现故障，就会造成整个工 程失败，造成巨大损失。所以可靠性问题特 别突出，不专门进行可靠性研究是难于保证 系统可靠性

2、的。 可靠性工程的重要性主要表现在三个方面：可靠性工程的重要性主要表现在三个方面： 1. 高科技的需要 2. 经济效益的需要 3. 政治声誉的需要 总之，无论是人民群众的生活，国民经 济建设的需要出发，还是从国防、科研的需 要出发，研究可靠性问题是具有深远的现实 意义。 现代科技迅速发展导致各个领域里的各 种设备和产品不断朝着高性能、高可靠性方 向发展，各种先进的设备和产品广泛应用于 工农业、交通运输、科研、文教卫生等各个 行业，设备的可靠性直接关系到人民群众的 生活和国民经济建设，所以，深入研究产品 可靠性的意义是非常重大的。 产品或设备的故障都会影响生产和造成巨大经济损失。 特别是大型流程

3、企业，有时因一台关键设备的故障导致 工厂停产，其损失都是每天几十万元甚至几百万元。因 此，从经济效益的来看，研究可靠性是很有意义的。 研究与提高产品的可靠性是要付出一定代价的。从生 产角度看，要增加产品的研制和生产的成本。但是，从 使用角度看，由于产品可靠性提高了，就大大减少了使 用费和维修费，同时还减少了产品寿命周期的成本。所 以，从总体上看，研究可靠性是有经济效益的。 从政治方面考虑，无论哪个国家，产品的先 进性和可靠性对提高这个国家的国际地位、 国际声誉及促进国际贸易发展都起很大的作 用。 二、可靠性工程的基本内容二、可靠性工程的基本内容二、可靠性工程的基本内容二、可靠性工程的基本内容

4、可靠性工程涉及面积广，需要从科研、设 计、试验、制造、运输、贮存、直到使用和 维护等方面，进行研究和实施的工作。 1、 可 靠 性 基 本 理 论 可靠性数学与故障物理学； 集合论与逻辑代数； 概率论与数理统计； 图论与随机过程； 系统工程与人素工程学； 环境工程学与环境应力分析； 试验及分析基础理论。 7、 原 件 可 靠 性 制定原件可靠性； 元件失效分析与可靠性评价； 元器件及原材料的合理选择； 元器件的老化筛选； 元器件现场使用情况调查和反馈。 2、 可 靠 性 设 计 贮备设计和裕度设计； 降额设计和构件概率设计； 热设计、抗机械力设计； 防潮、腐蚀、盐雾、尘设计； 电磁兼容设计和抗

5、辐射设计； 电磁兼容设计和抗辐射设计； 维修性设计和使用性设计； 质量、体积、重量和经济指标综合设计。 8、 系 统 可 靠 性 可靠性预计与分配； 失效模式效应与危害度分析； 事件树分析法(ETA)； 故障树分析法(FTA)； 可靠性综合评估。 3、 可试 靠验 性 环境试验； 寿命试验； 筛选试验。 9、 可教 靠育 性 举办各种可靠性学习班与讲座； 内外培训和内外考察； 专业技术会议； 出版可靠性刊物、可靠性教材。 4、 制造 质量控制手段和方法 10 可 靠 性 管 理 建立可靠性管理机构和研究机构； 制定可靠性管理纲要； 制定产品可靠性管理规范； 建立质量反馈制度； 开展产品可靠性评

6、审。 5、 使靠 用性 的保 可证 使用和维护规程制定； 操作和维修人员培训； 安全性设计； 人-机匹配设计和环境设计。 6、 可 靠 性. 信 息 现场数据收集、分析、整理和反馈； 试验数据处理和反馈； 元器件失效率汇集和交换； 各种可靠性信息搜集和交流； 用户调查和反馈。 11、 可 靠 性 标 准 基础标准； 试验方法标准； 认证标准； 管理标准； 设计标准； 产品标准 可靠性工程的基本内容可靠性工程的基本内容 三、可靠性的概念及指标三、可靠性的概念及指标三、可靠性的概念及指标三、可靠性的概念及指标 1.可靠性 可靠性是指产品在规定的条件和规定的时 间内，完成规定的功能的能力。 2.可靠

7、性指标 衡量产品可靠性的指标很多，各指标之间有 着密切联系，其中最主要的有四个，即： 可靠度R (t)、 不可靠度(或称故障概率)F (t)、 故障密度函数f (t) 故障率(t)。 可靠性指标可靠性指标 (1)可靠度可靠度R (t) 把产品在规定的条件下和规定的时间内，完成 规定功能的概率定义为产品的“可靠度”。用 R (t)表示： R (t)=P(Tt) 其中P (Tt)就是产品使用时间T大于规定时间t 的概率。 若受试验的样品数是N0个，到t时刻未失效 的有N s (t)个；失效的有N f (t)个。则没有失效 的概率估计值，即可靠度的估计值为 (7-1) 如果仍假定t为规定的工作时间，

8、T为产品故 障前的时间，则产品在规定的条件下，在规定 的时间内丧失规定的功能(即发生故障)的概率 定义为不可靠度(或称为故障概率)，用F(t)表 示： F (t)=P (Tt) 同样，不可靠度的估计值为： (7-2) 由于故障和不故障这两个事件是对立的，所 以 R (t)+F (t)=1(7 -3) 当N0足够大时，就可以把频率作为概率的 近似值。同时可见可靠度是时间t的函数。因 此R (t)亦称为可靠度函数。 0R (t)1 可靠性指标可靠性指标 (2)故障密度函数故障密度函数f(t) 如果N0是产品试验总数，Nf是时刻tt+t 时间间隔内产生的故障产品数，N f(t) (N0t)称为tt+

9、t时间间隔内的平均失效(故 障)密度，表示这段时间内平均单位时间的故 障频率，若N0，t0，则频率概率。 也可根据F(t)的定义，得到f (t)，即 (7-5) F (t)具有以下性质： 0F (t) 1，且为增函数。 可靠性指标可靠性指标 (3)故障率故障率(t) 故障率(t)是衡量可靠性的一个重要指标， 其含义是产品工作到t时刻后的单位时间内发 生故障的概率，即产品工作到t时刻后，在单 位时间内发生故障的产品数与在时刻t时仍在 正常工作的产品数之比。(t)可由下式表示。 (7-6) 式中dNf(t)为d t时间内的故障产品数。 故障率、故障密度及可靠度之间的关系故障率、故障密度及可靠度之间

10、的关系 当N0时 (7-7) 故障率、故障密度及可靠度之间的关系故障率、故障密度及可靠度之间的关系 根据R (t)，F (t)，f (t),(t)的定义，还可 以推导出： (7-8) 失效率曲线 耗损失效期 t时间 偶然失效期 早期失效期 使用寿命 规定的失效率 (t) 失效率 AB 故障率曲线分析故障率曲线分析 “浴盆曲线浴盆曲线”。 (a)早期故障期：产品早期 故障反映了设计、制造、加工、 装配等质量薄弱环节。早期故 障期又称调整期或锻炼期，此 种故障可用厂内试验的办法来 消除。 故障率曲线分析故障率曲线分析 (b)正常工作期：在此期间产品故障率低而且 稳定，是设备工作的最好时期。在这期间

11、内 产品发生故障大多出于偶然因素，如突然过 载、碰撞等，因此这个时期又叫偶然失效期。 可靠性研究的重点，在于延长正常工作 期的长度。 故障率曲线分析故障率曲线分析 (c)损耗时期：零件磨损、陈旧，引起设备故 障率升高。如能预知耗损开始的时间，通过 加强维修，在此时间开始之前就及时将陈旧 损坏的零件更换下来，可使故障率下降，也 就是说可延长可维修的设备与系统的有效寿 命。 故障率的单位一般采用10-5小时或10-9小时 (称10-9小时为1fit)。 故障率也可用工作次数、转速、距离等。 t 4% 2% 5% 7% 14% 68% 可靠性指标可靠性指标 (4)平均寿命平均寿命 平均寿命是指产品从

12、投入运行到发生故障的 平均工作时间。对于不维修产品又称失效前 平均时间MTTF(Meantimetofailure)，根据数 学期望的定义，可得 (7-9) 将(7-1)式微分，可得 (7-10) 代入(7-9)得 (7-11) 当(t)=常数时，R (t)=e-t，所以 (7- 12) 对于可维修产品而言，平均寿命指的是产品 两次相邻故障间的平均工作时间，称为平均 故 障 间 隔 时 间 MTBF(Mean time between failure)，和MTTF有同样的数学表达式： (7-13) 当(t)=常数时， (7-14) 可靠性指标可靠性指标 (5)有效度有效度 对于可修复产品，只考

13、虑其发生故障的概 率显然是不合适的，还应考虑被修复的可能 性，衡量修复可能性的指标为维修度，用M(t) 表示。 维修度M(t)产品在规定条件下进行修 理时，在规定时间内完成修复的概率。 在维修性工程中，还有维修密度函数m(t)、 维修率(t)，其相互关系有： (7-15) (7-16) 平均修复时间(MTTRMeantimetoRepair)应 理解为产品修复时间的数学期望。有： (7-17) 当(t)=常数时， 对可修复系统，当考虑到可靠性和维 修性时，综合评价的尺度就是有效度A(t)，它 表示产品在规定条件下保持规定功能的能力。 (7-18) MTBF反映了可靠性的含义。 MTTR反映维修

14、活动的一种能力。 两者结合固有有效度A(t) 当考虑后勤保障、服务质量时，就会在时 间序列上出现平均等待时间(MWTMeanWait time)。如果从实际出发，使用有效度A0应表 示为： 可靠性指标可靠性指标 (6)重要度重要度 若干个部件组成的系统中，每个部件并非 等同重要，在可靠性分析中，一般将各部件 在系统中所起的重要程度进行定量描述，用wj 表示。 (7- 20) 显然，0wj1。这个重要度是从系统的结构 来看部件的重要程度，因此它是结构重要度。 可靠性指标可靠性指标 (7)复杂度复杂度 复杂度ci可以简单地用分系统的基本构件数 来表示，即： (7- 21) 其中：ni第i个分系统的

15、构件数； N系统的构件总数； n分系统数。 四、常用寿命分布函数四、常用寿命分布函数四、常用寿命分布函数四、常用寿命分布函数 1.1.指数分布指数分布 指数分布在可靠性领域里应用最多，由于 它的特殊性，以及在数学上易处理成较直观 的曲线，故在许多领域中首先把指数分布讨 论清楚。若产品的寿命或某一特征值t的故障 密度为 (0，t0) 则称t服从参数的指数分布。 f(t) t R(t) t (t) t 指数分布指数分布指数分布指数分布 则有：不可靠度 (t0) 可靠度 (t0) 故障率 平均故障间隔时间 指数分布例题指数分布例题指数分布例题指数分布例题 例7-1：一元件寿命服从指数分布，其平 均寿

16、命()为2000小时，求故障率及求 可靠度R (100)=?R(1000)=? 解：(小时) 此元件在100小时时的可靠度为0.95，而 在1000小时时的可靠度为0.60。 指数分布性质指数分布性质指数分布性质指数分布性质 指数分布的一个重要性质是无记忆性。 无记忆性是产品在经过一段时间t0工作之后的 剩余寿命仍然具有原来工作寿命相同的分布， 而与t无关(马尔克夫性)。这个性质说明，寿 命分布为指数分布的产品，过去工作了多久 对现在和将来的寿命分布不发生影响。 实际意义? 在“浴盆曲线”中，它是属于偶发期这 一时段的。 常用寿命分布函数常用寿命分布函数常用寿命分布函数常用寿命分布函数 2.2.正态分布正态分布 正态分布在机械可靠性设计中大量应用， 如材料强度、磨损寿命、齿轮轮