《可靠性基础理论 李永华》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可靠性基础理论 李永华（128页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、可靠性基础理论,李永华 微信、qq:121320078,个人简介,博士、教授，曾留学瑞士；从事锅炉节能与优化、燃烧技术、新能源利用研究； 华北电力大学新能源教研室主任； 著作火电厂锅炉系统及优化运行、燃烧理论与技术、可再生能源、电站锅炉空气预热器等5部； 发电设备杂志编委； 发表论文120多篇，专利2项。,目录,可靠性基本概念 以可靠性为中心的检修技术 可靠性技术 故障诊断技术,第一节 可靠性基本概念,一、可靠性的定义 最早的可靠性定义由美国AGREE（可靠性咨询组织）在1957年的报告中提出，1966年美国的MILSTD721B又较正规地给出了传统的或经典的可靠性定义：“产品在规定的条件下
2、和规定的时间内完成规定功能的能力”。它为世界各国的标准所引证，我国的GB31882给出的可靠性定义也与此相同。,产品是泛指的，它可以是一个复杂的系统，也可以是一个零件。 可靠性也是产品的一个质量指标，而且是与时间有关的参量。,规定条件-包括产品使用时的应力条件（温度、压力、振动、冲击等载荷条件)、环境条件(地域、气候、介质等)和贮存条件等。 规定时间-经过零件筛选、整机调试和磨合后，产品的可靠性水平会有一个较长的稳定使用或贮存阶段，以后随着时间的增长其可靠性水平逐渐降低。,对于一个具体产品来说，在规定的条件下和规定的时间内，能否完成规定的功能是无法事先知道的。即：故障是一个随机事件。 应用概率
3、论与数理统计方法对产品的可靠性进行定量计算是可靠性理论的基础。,二、故障原因 研究表明，造成故障的的主要原因为设计、制造和管理等因素，其它原因很少，如下图：,据美国空军可靠性分析中心（RAC）的可靠性数据库，造成产品故障的因素分布为：,三、可靠性术语 可靠性 reliability-产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。 维修性 maintainability-在规定条件下使用的产品在规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能的能力。,有效性 availability-可以维修的产品在某时刻具有或维持规定功能的能力。 耐久性 durability-产品在
4、规定的使用和维修条件下，达到某种技术或经济指标极限时，完成规定功能的能力。 失效（故障） failure-产品丧失规定的功能。对可修复产品通常也称故障。,失效模式 failure mode-失效的表现形式。 失效机理 failure mechanism-引起失效的物理、化学变化等内在原因。 维修 maintenance-为保持或恢复产品能完成规定功能的能力而采取的技术管理措施。 维护 preventive maintenance-为防止产品性能退化或降低产品失效的概率，按事前规定的计划或相应技术条件的规定进行的维修，也可称预防性维修。,修理 corrective maintenance-产品失
5、效后，为使产品恢复到能完成规定功能而进行的维修。 可靠度 reliability-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。 平均寿命（平均无故障工作时间） mean life（mean time between failures-MTBF）-寿命（无故障工作时间）的平均值。,可靠度的观测值 observed reliability a对于不可修复的产品，是指直到规定的时间区间终了为止，能完成规定功能的产品数与在该时间区间开始时刻投入工作的产品数之比。 b对于可修复产品是指一个或多个产品的无故障工作时间达到或超过规定时间的次数与观察时间内无故障工作的总次数之比。 注：在计算无故障工
6、作总次数时，每个产品的最后一次无故障工作时间若不超过规定的时间则不予计入。,失效率 failure rate-工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。 可靠性验证试验 reliability compliance test-为确定产品的可靠性特征量是否达到所要求的水平而进行的试验。 可靠性认证 reliability certification-有可靠性要求的产品的质量认证的一个组成部分。它是由生产方和使用方以外的第三方，通过对生产方的可靠性组织及其管理和产品的技术文件进行审查，对产品进行可靠性试验，以确定产品是否达到所要求的可靠性水平。,四、可靠性参数体系,1、参数体
7、系 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,可靠性参数体系完整地表达了产品的可靠性特征。可靠性工程中使用的可靠性参数多达数十个，参数的使用随着工程对象或者装备类型的不同而变化，在同一种装备中还可能随着产品层次的不同而不同。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平均寿命MTBF为主。,在实际应用中人们逐步感到了传统的可靠性定义的局限性，因为它只反映了任务成功的能力。在进行可靠性设计时需要综合权衡完成规定功能和减少用户费用两个方面的需求，于是美国于1980年颁发的MILSTD785B按照DODD5000.40指令（国防重要武器系统采办指令）将可靠性分为基本可靠性和
8、任务可靠性。把可靠性概念分为两种不同用途的可靠性概念，是美国国防部对可靠性工作实践经验总结和对这一问题认识的深化。这无疑是一个新的重要发展。我国1988年颁布的军标GJB45088就引用这两种新的可靠性定义。,基本可靠性的定义：“产品在规定条件下，无故障的持续时间或概率”。它包括了全寿命单位的全部故障，它能反映产品对维修人力和后勤保障资源的需求。确定基本可靠性指标时应同几产品的所有寿命单位和所有的故障。例加MTBF（平均无故障间隔时间），MCBF（平均故障间的使用次数），MTBM（Mean Time Between Maintenance，平均维修间隔时间，一种与维修方针有关的可靠性参数，其度
9、量方法为：在规定的条件下和规定的时间内产品寿命单位总数与该产品计划和非计划维修时间总数之比）。,任务可靠性的定义：“产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力”。它反映了产品的执行任务成功的概率，它只统计危及任务成功的致命故障。常见的任务可靠性参数有任务可靠性，MCSP（Mission Completion Success Probability，完成任务的成功概率，其度量方法为：在规定的条件下和规定的时间内系统完成规定任务的概率），MTBCF（Mission Time Between Critical Failure，致命故障间的任务时间，其度量方法为：在规定的一系列任务剖面中，产品任务总时间
10、与致命性故障数之比）等。,可靠性参数还可分为使用参数和合同参数。使用可靠性参数及指标反映了系统及其保障因素在计划的使用和照章环境中的可靠性要求，它是从最终用户的角度来评价产品的可靠性水平的，如MCSP，MTBM等。合同可靠性参数及其指标反映了合同中使用的易于考核度量的可靠性要求，它更多的是从产品制造方的角度来评价产品的可靠性水平，如MTBF，MTBCF等。,2、可靠性常用参数 产品一般都有多个可靠性参数描述。衡量产品可靠性水平有好几种标准，有定量的，也有定性的，有时要用几种标准（指标）去度量一种产品的可靠性， 下面根据GB3187-82和有关IEC（国际电工委员会）标准，介绍最基本、最常用的几
11、个可靠性特征量。,（1）寿命剖面、任务剖面与故障判据 寿命剖面的定义为：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。寿命剖面说明了产品在整个寿命期所经历的事件（如装卸、运输、贮存、检测、维修、部署、执行任务等）以及每个事件的顺序、持续时间、环境和工作方式。它包含一个或多个任务剖面。,任务剖面的定义：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。对于完成一种或多种任务的产品都应制定一种或多种任务剖面。 任务剖面一般应包括：1）产品的工作状态；2）维修方案；3）产品工作的时间与顺序；4）产品所处环境的时间与顺序；5）任务成功或致命故障的定义。,故障判据：判
12、别是否发生故障的依据。故障判据应该分级：1）从安全性考虑不导致危险；2）从基本功能考虑保持基本功能；3）从附加功能考虑保持附加功能。 任何产品只要有可靠性要求就必须有故障判据。故障判据需要根据下面的依据进行确定。1）研制任务书；2）技术要求说明书；3）由可靠性人员制定。,（2）可靠度 可靠度就是在规定的时间内和规定的条件下系统完成规定功能的成功概率。一般记为R。它是时间的函数，故也记为 R(t)，称为可靠性函数。,如果用随机变量 t 表示产品从开始工作到发生失效或故障的时间，其概率密度为 f(t) 如下图所示：,若用 t 表示某一指定时刻，则该产品在该时刻的可靠性 R(t) 为：,对于不可修复
13、的产品，可靠性的观测值是指直到规定的时间区间终了为止，能完成规定功能的产品数与在该区间开始时投入工作产品数之比，即：式中：N-开始投入工作产品数；Ns(t)-到 t 时刻完成规定功能产品数，即残存数；Nf(t)-到 t 时刻未完成规定功能产品数，即失效数。,举例：某型号的10000部手机在一年共有10部次发生了功能性故障（不能正常使用），该型号手机在一年内的可靠度为：R(1)=(10000-10)/10000 = 0.999。,伴随可靠度的还有可用度 A(t) ，可用度的概念是：在规定时间 t 内的任意随机时刻, 产品处于可用状态的概率。用下式表示：,（3）失效率（故障率）及浴盆曲线 通俗的讲
14、，失效率是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。失效率为系统运行到 t 时刻后单位时间内，发生故障的系统数与时刻 t 时完好系统数之比。失效率有时也称为瞬时失效率或简单地称为故障率。一般记为,它也是时间 t 的函数,故也记为(t)，称为失效率函数，有时也称为故障率函数或风险函数。,按上述定义，失效率是在时刻 t 尚未失效产品在 t+t 的单位时间内发生失效的条件概率。即： 它反映t时刻失效的速率，也称为瞬时失效率。,失效率（或故障率）曲线反映产品总体个寿命期失效率的情况。下图为失效率曲线的典型情况，大多数产品的故障率随时间的变化曲线形似浴盆，故称之为浴盆曲线形象地称为
15、浴盆曲线。,失效率随时间变化可分为三段时期： 早期失效期(Infant Mortality) ，失效率曲线为递减型。产品投入使用的早期，失效率较高而下降很快。主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、磨合、起动不当等人为因素所造成的。当这些所谓先天不良的失效后且运转也逐渐正常，则失效率就趋于稳定，到t0时失效率曲线已开始变平。t0以前称为早期失效期。针对早期失效期的失效原因，应该尽量设法避免，争取失效率低且t0短。, 偶然失效期，也称随机失效期 (Random Failures) 。失效率曲线为恒定型，即t0到t1间的失效率近似为常数。失效主要由非预期的过载、误操作、意外的天灾以及
16、一些尚不清楚的偶然因素所造成。由于失效原因多属偶然，故称为偶然失效期。偶然失效期是能有效工作的时期，这段时间称为有效寿命。为降低偶然失效期的失效率而增长有效寿命，应注意提高产品的质量，精心使用维护。, 耗损失效期(Wearout)，失效率是递增型。在t1以后失效率上升较快，这是由于产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失效期。 针对耗损失效的原因，应该注意检查、监控、预测耗损开始的时间，提前维修，使失效率仍不上升，如上图中虚线所示，以延长寿命不多。当然，修复若需花很大费用而延长寿命不多，则不如报废更为经济,（4）平均寿命 平均寿命是寿命的平均值，对不可修复产品常用失效前平均时间，也叫平均首次故障时间，一般记为MTTF(Mean Time to Failures)，对可修复产品则常用平均无故障工作时间，也叫平均故障间隔时间，一般记为MTBF。平均无故障工作时间 MTBF(Mean Time Between Failure) ；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。它仅适用于可维修产品。同时也规定产品在总的使用阶段累计工作时间与故障次数的比值为 MTBF 。MTBF= 总的工作时间 / 故障数 =1/,
