可靠性基础理论和工程知识 北京航空航天大学

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1、Enterprise Edition Seminar,可靠性基础理论 和工程知识,介绍人,陈晓彤 毕业于 北京航空航天大学 可靠性工程专业硕士 现任 北京运通恒达科技有限公司 总工程师 中国宇航学会可靠性专业委员会委员 高级工程师 曾经 航天第三研究院总体设计部可靠性主任工程师 沈阳黎明发动机制造公司可靠性工程师 联系 X 010-82561200-230；13910672145,内 容,可靠性的背景知识 产品可靠性的度量 产品可靠性要求管理 可靠性工作流程管理 可靠性工程技术概要介绍,第一部分 可靠性的背景知识,可靠性是什么？ 可靠性工程的开展状况 为什么要开展可靠性工作？ 可靠性工作的效益

2、分析,哪些因素可能导致产品的故障？,产品的故障,设计 69,制造 10,管理 13,其它 7 ,造成产品故障的因素分布,来自于美国RAC的可靠性数据库 元器件故障不再是造成产品故障的主要原因,第1节 可靠性是什么？,可靠性的定义产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。 可靠性三要素 规定条件：包括使用时的环境条件和工作条件 规定时间：指产品规定了的任务时间 规定功能：指产品规定了的必须具备的功能及技术指标。,对于汽车来说,规定的条件 公路条件 气候条件 行使速度规定的时间 行驶里程 行驶时间 日历时间,规定的功能 不发生安全性事件致命的 能够正常行驶严重的 不降低功能一般的 不会

3、引起维修轻微的,对于显示器来说,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,第2节 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

4、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

5、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

6、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、汽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 汽车行业推出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,可靠性工作能带来什么好处？

7、,改善产品的可靠性水平，提高市场竞争能力 提高产品的任务成功率 提高系统的安全性，减少法律纠纷 降低产品全寿命周期费用 保持产品的型号/批次的性能稳定性,第4节 可靠性工作的效益分析 (费效比),可靠性工作的效益分析 （效能）,系统效能就是系统在规定的条件下满足给定定量特征和服务要求的能力。它是系统可用性、可信性及固有能力的综合反映，一般可以表示为：E=ADC 式中：E系统效能（Effectiveness）A可用性（Availability）D可信性（Dependability）C固有能力（Capability）,可靠性工作的效益分析 （费用）,系统的寿命周期费用（Life Cycle Cos

8、ts，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,可靠性工作的效益分析 （费效比）,可靠性工作需要增加费用投入 需要专门的人力投入 采用更好的设备和零件 需要软件和硬件的支持 可靠性试验需要资金支持可靠性工作能够减少的费用支出 故障导致的直接和间接损失 维修、维护费用 保障费用，如备件供应等关键在于：如何进行权衡,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 权衡对象的延伸,第二部分,产品可靠性的度量,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 任务剖面和故障判据其它可靠性参

9、数 产品的可靠性与寿命 可靠性参数体系,通用可靠性参数 可靠度 R(t) 可用度 A(t) 故障率 平均故障间隔时间（MTBF） 平均首次故障时间（MTTF）,可靠性参数的分类,可靠性参数 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。 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 任务剖面 规定功能和故障判据,规定功能和故障判据,故障判据：判别是否发生故障的依据 故障判据应该分级： 从安全性考虑不导致危险 从基本功能考虑保持基本功能 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

10、 研制任务书 技术要求说明书 由可靠性人员制定,小练习,试描述手机的任务剖面和故障判据。,手机,任务剖面 每天开机12小时，开机状态下通话1小时，关机12小时，每周充电3小时 温度范围为35至60之间，描述曲线为 每天有4小时步行振动量级，其余时间无振动 一年内有一次由1米处自由跌落到水泥地面 一年内有一次咖啡泼键,故障判据 辐射超标（量值）（1） 爆炸（1） 不能通话（2） 不能发短信（3） 来电无铃声（2） 来电无显示（3） 来电无显示（4） 通话声音小(量值)（2,3） 无通讯簿（3） 无振动 （4） 不能充电（2） ,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

11、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：N0t=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）。,通用可靠性参数可用度A(t),可用度A (t)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.,通用可靠性参数故障率,定义： 正规：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。 通常：故障次数除以总工作时间 单位一般为10-6/小时或10-9/小时

12、（fit）,式中： r(t) t时刻后， t时间内故障的产品数；t所取时间间隔；Ns(t)残存产品数。,小练习,手机数据：0代表无故障，X代表故障 试根据数据计算该类型手机的故障率。,通用可靠性参数MTBF和MTTF,MTBF平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure） 故障率的倒数 针对指数分布产品 针对可修产品MTTF平均故障前时间（Mean Time To Failure ） 任意分布的产品 一般为不可修,一个可修产品在使用过程中发生了N0次故障,每次故障修复后又重新投入使用,测得其每次工作持续时间为t1、t2、，其平均故障间隔时间（用符号 TBF 表示）为：,

13、小练习,手机数据：0代表无故障，X代表故障 试根据数据计算手机的MTBF和MTTF。,40天,80天,其它可靠性参数,其它典型的可靠性参数 BX 寿命（ B10 寿命、B5寿命）-LX寿命 B10寿命：产品出厂后，工作到T时间后，有10的产品发生了耗损故障(关键部件的更换)，则T为B10寿命 非电类产品一般采用BX寿命描述 任务成功率 执行任务S次，有N次成功，则N/S为任务成功率 常用于非寿命类产品，如开关类等 非正常停机率 在S工作小时内有N次非正常停机，则N/S为非正常停机率 常用于电子、电力设备以及发动机类产品,可靠性参数之间的关系,常见的产品可靠性分布形式,指数分布 描述产品的偶然失

14、效期 具有恒达故障率的产品，如大部分电子类产品 无余度的复杂系统 Weibull 分布 描述产品的整个寿命期 适用于几乎所有的产品 正态分布 轮胎、变压器、灯泡等,可靠性与寿命（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，故称之为浴盆曲线 由于产品故障机理的不同，分为三个阶段早期故障阶段、偶然故障阶段、耗损故障阶段,常见的寿命特征描述,可靠寿命：制定可靠度对应的产品工作时间 使用寿命：具有可接受的故障率的工作时间区间 大修期： （略） 总寿命：开始使用到报废（可能经过好几次大修） 贮存寿命：贮存的日历持续时间 首保期：质量保证期,小练习,某洗衣机在1999年的广告中称其M

15、TBF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？ 90的可靠寿命是多少？,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、MTBH

16、F、MCSP、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,小讨论,试建立液晶显示器的可靠性参数体系。,第三部分,产品可靠性要求管理,产品可靠性要求管理,为什么要进行可靠性要求管理？ 可靠性要求包括哪些方面？ 怎样提出可靠性要求？ 如何将可靠性要求落实到产品研发过程中去？ 如何保证产品的可靠性要求？,什么是产品可靠性要求？,包括： 订购方（市场）提出的可靠性要求 承制方对转承制方提出的可靠性要求 总体单位或部门提出的可靠性要求内容： 做什么可靠性工作？ 做到什么程度？,为什么进行产品可靠性要求管理？,可靠性要求是产品可靠性设计、分析、制造、试验和验收的依据。 为产品的可靠性工作建立目标管理机制，使有效的可靠性资源产生最大的可靠性效果。 设计、生产、管理人员只有在透彻地了解可靠性要求后才能将合理的可靠性正确地设计、生产到产品中去，才能按要求有计划地实施有关的组织、监督和控制工作。,