可靠性工程每章基本概念及复习要点.docx

复习要点：v 可靠性v 广义可靠性v 失效率v MTTF（平均寿命）v MTBF（平均事故间隔）v 维修性v 有效性v 修复度v 最小路集及求解v 最小割集及求解v 可靠寿命v 中位寿命v 特征寿命 v 研究可靠性的意义v 可靠性定义中各要素的实际含义v 浴盆曲线v 可靠性中常见的分布v 简述串联系统特性v 简述并联系统特性v 简述旁联系统特性v 简述r/n系统的优势v 并串联系统与串并联系统的可靠性关系v 马尔可夫过程v 可靠性设计的重要性v 建立可靠性模型的一般步骤v 降额设计的基本原理v 冗余(余度)设计的基本原理v 故障树分析优缺点广义可靠性：包括可靠性、维修性、耐久性、安全性。可靠性: 产品在规定时期内规定条件规定的时间完成规定功能能力。耐久性：产品在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，完成规定功能能力。安全性：产品在一定的功能、时间、成本等制约条件下，使人员和设备蒙受伤害和损失最小的能力可靠度R(t)：产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率累积失效概率F(t)：也称不可靠度，产品在规定条件下和规定时间内失效的概率失效概率密度f(t)：产品在包含t的单位时间内发生失效的概率失效率(t): 工作到t时刻尚未失效的产品，在该时刻t后的单位时间内发生失效的概率。基本：实验室条件下。应用：考虑到环境，利用，降额和其它因素的实际使用环境条件下。任务：元器件在执行任务期间，即工作条件下的基本不可修产品平均寿命MTTF：指产品失效前的平均工作时间 可修MTBF：指相邻两次故障间的平均工作时间，称为平均无故障工作时间或平均故障间隔时间维修性：在规定的条件下使用的可维修产品，在规定的时间内，按规定的程序和法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能的能力维修度M(t)：是指在规定的条件下使用的产品发生故障后，在规定的时间(0，t)内完成修复的概率。 修复率(t)：修理时间已达到某一时刻但尚未修复的产品在该时刻后的单位时间内完成修理的概率。 平均修复时间MTTR：可修复的产品的平均修理时间，其估计值为修复时间总和和修复次数之比。有效性：可维修产品在规定的条件（工作条件和维修条件）下使用时具有维持规定功能的能力。 有效度(可用度)：可维修的产品在规定的条件下使用时，在某时刻具有或维持其功能的概率。瞬时：在某一特定瞬间，可能维修的产品保持正常工作使用状态或功能的概率。平均：可维修产品在时间区间【0，t】内的平均有效度指瞬时有效度A（t）在【0，t】内的平均值。稳态：胃泰有效度或称为时间有效度，又可叫工作时间比，它是时间T趋于正无穷时瞬时有效度的极限。旁联系统：为提高系统可靠度，除了多安装一些单元外，还可以储备一些单元，以便当工作单元失效时，能立即通过转换开关使储备单元逐个去替换，直到所有单元都故障为止，系统才失效，这种系统称为旁联系统。最小路集：如在一条路集的弧序列中，任意除去其中的一条弧后，它就不再是一条路集最小割集：如在一条割集的弧序列中，去掉任一条弧后，它就不再是割集研究可靠性的意义：1可防止故障和事故的发生，尤其是避免灾难性的事故发生，从而保证人民生命财产安全。2总费用降低3减少停机时间，提高可用率，一台设备可以顶几台设备的工作效率。这样，在投资成本相近时，可发挥几倍效益。4改善企业信誉，增强竞争力，扩大产品销路，提高经济效益。(5)减少产品责任赔偿案件的发生，以及其他处理产品事故费用的支出，避免不必要的经济损失可靠性定义中各要素：产品（作为单独研究和分别试验的对象的系统、子系统、设备、元器件、人员）；规定的条件（产品所处的使用环境与维护条件，包括机械条件、气候条件、生物条件、物理条件和使用维护条件）；规定的时间（产品执行任务的时间，t可以是时间、起落次数、里程等）； 规定的功能（产品设计文件上对产品规定的技术性能）；能力（可以完成规定的功能）可靠性中常见的分布：1二项:一次实验只出现两种结果的场合，如命中与未命中，次品与合格品2泊松：如某段时间内纺纱机上线的断头数，电话总机接到的呼唤数，顾客数3指数:如产品的寿命4正态：各种误差，材料特性，磨损寿命，疲劳失效5截尾正态：数据不能取负值时6对数：疲劳腐蚀失效；7威布尔：因某一局部失效或故障引起的全局机能停止运行的原件设备系统等的寿命。浴盆曲线：1早期失效期，递减型，原因：由于设计，原料和制造过程中的缺陷造成。2偶然失效期，失效率较低，且较稳定，恒定型。原因:由多种而又不太严重的偶然因素引起，通常是产品设计余度不够，造成产品随机失效。3耗损失效期,失效率随时间延长而急速增加，递增型。原因：由带全局性的原因造成的，说明元件的损伤已经严重，寿命即将终止。串联系统特性:(1)系统可靠度低于该系统的每个单元的可靠度，且随着串联单元数量的增大迅速降低（各单元可靠度乘积）(2) 系统失效率大于该系统的各单元失效率（各单元失效率之和）(3)串联系统的各单元寿命服从指数分布时，该系统寿命也服从指数分布。(4)串联的单元数越多，系统的可靠度越低。并联系统特性:(1)系统的失效概率低于各单元的失效概率；（为各单元失效概率之积)(2)系统的可靠度高于各单元的可靠度 (3)系统的平均寿命高于各单元的平均寿命。(4)系统的各单元服从指数寿命分布，该系统不再服从指数寿命分布旁联系统特性:1与并联系统的区别：并联系统中每个单元一开始就同时处于工作状态，而旁联系统中仅用一个单元工作，其余单元处于待机工作状态。2储备单元均完全可靠的旁联系统：系统的可靠度为1-各单元F的卷积；系统的寿命为所有单元寿命之和3储备单元不完全可靠的旁联系统：（服从参数为的指数分布）当0，即储备单元在储备期内不失效时，这就是两单元在储备期内完全可靠的旁联系统；当2时，该系统为两单元的并联系统。r/n系统的优势；在工程实践中，对许多要求较高工作可靠度的系统来说，平均寿命并不是十分重要的可靠性指标，用户更感兴趣的，或者说至关重要的可靠性指标应是达到一定要求的可靠水平的可靠寿命。当可靠水平大于一定的值时，r/n系统的可靠寿命高于一个单元系统的可靠寿命，且可靠水平越接近l，采用r/n系统结构对提高可靠寿命的效果越显著。马尔可夫过程：在一个随机过程中，如果在某一时刻，由一种状态转移到另一种状态的转移概率只与现在处于什么状态有关，而与在这时刻以前所处的状态完全无关，即这种转移概率只与现在状态有关，与有限次以前的状态完全无关可靠性设计的重要性：1规定固有可靠性。系统设计阶段没认真考虑其可靠性，以后无论怎样注意制造、严格管理、精心使用，也难保产品可靠性要求2现代科学技术的迅速发展，使同类产品间的竞争加剧。需企业不断引进新技术，开发新产品，且研制周期要短。在产品的全寿命周期中，只有在设计阶段采取措施，提高产品的可靠性，才会使企业在激烈的市场竞争中取胜，提高企业的经济效益。3在设计阶段采取措施，耗资最少，效果最佳。4此外，我国开展可靠性工作的经验证明，在产品整个寿命周期内，对可靠性起重要影响的是设计阶段。可靠性设计原则：1明确的可靠性指标和可靠性评估方案2贯穿于功能设计的各个环节，在满足基本功能的同时，要全面考虑影响可靠性的各种因素3针对故障模式设计，最大限度的消除或控制产品寿命周期内可能出现的故障4设计时在继承以往成功经验基础上，采用先进的设计原理和技术5进行产品可靠性设计时，应对产品的性能，可靠性，费用时间等各因素进行权衡以便最初最佳设计方案。建立可靠性模型步骤：1确定产品的有关定义。确定任务功能，规定性能参数及容许限，建立相应的任务可靠性框图和故障标准。2按照产品各部分的功能关系建立功能框图3在功能框图的基础上，经过分析，确定各部分之间的可靠性逻辑关系，建立起可靠性结构模型4根据可靠性结构模型建立相应的数学模型指标分配:据系统设计任务书中规定可靠性指标，按一定分配原则和方法，合理分配给各分系统设备单元元器件，并将写入相应设计任务书或经济技术合同。可靠性预计：在产品可靠性结构模型的基础上，根据同类产品在研制过程及使用中所达到的可靠性水平，或预测产品在特定的应用中符合规定功能的概率。降额设计：使元器件或设备工作时所承受的工作应力（电应力和温度应力），适当低于元器件或设备规定的额定值，从而达到降低基本故障率、提高使用可靠性的目的。 冗余设计：在系统或设备完成任务起关键作用的地方，加一套以上相同功能的通道、单位或元件。当该部分出现故障时，系统仍能正常工作，以减少系统或设备的故障率提高其可靠性。通过增加多余资源以换取可靠性故障树分析优缺点：优点：1）系析者通过建树过程可全面了解系统组成及工作情况，并能专门研讨某些系统特殊的故障问题2）一切外部环境影响及人为失误等故障事件都可以考虑在故障中3）可以利用演绎法帮助寻找故障原因所在4）图示模型可给设计、使用和维修管理人员提供一种修改设计和故障诊断的有效工具5)故障树便于人们对系统进行定性和定量评价，且有选择评价目标和方法的自由。缺点：1）工作量大，既不经济又费时间2）容易疏忽或遗漏某些有用信息，另一方面某些失效数据又不能充分利用3）结果不易检查4）由于只考虑系统和元部件的成功与故障两种状态，对于多态事件较难处理5）处理共因故障工作量大，对从属和相依故障难处理6）一般条件下对待机储备和可修系统难分析每章概念第一章 绪论可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。 “规定条件”：产品的使用条件、维护条件、环境条件。“规定时间”：产品必须达到的任务时间。 如应力循环次数和车辆的行驶里程。“规定功能”：产品必须具备的功能及其技术指标。可靠性定义分为任务可靠性和基本可靠性。两者都强调无故障完成任务。任务可靠性强调完成规定的功能是界定在“任务剖面”的范围内。基本可靠性强调的持续时间是界定在寿命剖面的范围内。一个寿命剖面包含一个以上的任务剖面。度量任务可靠性时只考虑危及任务成功的致命故障，与该任务无关的故障可以不考虑。基本可靠性则涉及整个寿命周期内的所有故障。任务剖面：产品完成规定任务的时间内所经历的时间和环境的描述。 产品的工作状态；维修方案；产品工作的时间与顺序；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。寿命周期与寿命剖面：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。通常把产品的寿命剖面分为后勤和使用两个阶段。可靠性的定义 固有可靠性：产品在生产过程中确立的可靠性。生产厂在模拟实际工作标准环境下，对产品进行检测并给以保证的可靠性。 使用可靠性：与产品的使用条件密切相关，受到使用环境、操作水平、保养与维修、使用者的素质等因素的影响。维修性：产品在发生故障或失效后，能迅速修复以维持良好而完善的状态的难易性。广义可靠性：产品在整个寿命周期内完成规定功能的能力。包括狭义可靠性和维修性。可靠性数学是可靠性研究的最重要的基础理论之一，主要研究解决各种可靠性问题的数学模型和数学方法，属于应用数学的范畴。应用于可靠性的数据收集、数据分析、系统设计及寿命试验等方面。可靠性物理即失效分析，是研究失效现象及其机制和检测方法的学科，使可靠性工程从数理统计方法发展到以理化分析为基础的失效分析方法。 从微观角度研究零部件（元器件）的失效发展过程和失效机理，从本质上、从机理方面探究产品的不可靠因素，为研制、生产高可靠性产品提供科学的依据。可靠性工程是对产品（零部件、元器件、设备或系统）的失效及其发生概率进行统计、分析的一门边缘性学科，主要内容是运用系统工程的观点和方法论从设计、生产和使用等角度来研究产品的可靠性，包括对产品进行可靠性设计、可靠性预计、可靠性试验、可靠性评估、可靠性检验、可靠性控制、可靠性维修及失效分析。 实施可靠性工程应重视可靠性数据的收集与分析3. 可靠性设计 应用可靠性理论、技术和设计参数的统计数据，在给定的可靠性指标下，对零件、部件、设备或系统进行的设计，称为可靠性设计。 通过预计、分配、分析、改进等一系列可靠性工程活动，把可靠性定量要求设计到产品的技术文件和图样中去，从而形成产品的固有可靠性。 系统可靠性设计 零件可靠性设计系统可靠性设计的目的，就是要使系统在满足规定可靠性指标，完成预定功能的前提下，使系统的技术性能、重最、成本、时间等各方面取得协调，求得最佳设计；或是在性能、重量、成本、时间和其它要求的约束下，设计能得到实际高可靠度的系统。 系统可靠性设计常用的方法 系统可靠性框图;故障模式影响与危害度分析FMECA;故障树分析FTA;马尔科夫过程 研究可靠性的重要意义 保证和提高产品的可靠性水平;提高经济效益;提高市场竞争能力 第二章 可靠性数学基础定义：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率称为可靠度。 可靠度的观测值是指直到规定的时间终了为止，能完成规定功能的产品数与该区间开始时刻投入工作产品数之比。定义：产品在规定的条件下和规定的时间内，丧失规定功能概率称为累积故障概率（又称不可靠度）剩余寿命：若产品用到t时刻仍然完好，称为产品的年龄。具有年龄t的产品从t时刻开始继续使用下去直到失效为止所经历的时间，称为具有年龄t的产品的剩余寿命。定义：工作到某时刻尚未故障的产品，在该时刻后单位时间内发生故障的概率，称之为产品的故障率。故障率浴盆曲线 早期故障期；偶然故障期；耗损故障期可靠寿命：给定的可靠度所对应的产品工作时间。中位寿命：产品的可靠度等于0.5时的可靠寿命。 平均寿命：产品寿命的平均值。对于不可修产品，平均寿命就是平均故障前时间；对于可修复产品，平均寿命就是平均故障间隔时间。可用性是系统可靠性与维修性的综合表征。定义：可修复产品，在规定的条件下使用，在规定维修条件下修复，在规定的时间具有或维持其规定功能处于正常状态的概率。 瞬时有效度 使用有效度 极限有效度瞬时有效度是产品在某一时刻所具有或维持其规定功能的概率。平均有效度是在某规定时间内有效度的平均值。 极限有效度是当时间趋于无限大时，瞬时有效度的极限值。 随机试验具有以下特点：重复性 随机性 明确性 第3章 典型系统可靠性模型系统由相互作用和相互依赖的若干单元结合成的具有特定功能的有机整体。系统包含“单元”，其层次高于“单元”系统按其可否修复分为不可修复系统和可修复系统两类 定义 组成系统的所有单元中任一单元的故障都会导致整个系统故障的称为串联系统。串联系统是最常用和最简单的模型之一。 组成系统的所有单元都发生故障时，系统才发生故障。并联系统是最简单的冗余系统（有贮备模型）。 系统由n个单元组成，若系统中有r个或r个以上单元正常，则系统正常，这样的系统称作n中取r表决系统。 组成系统的各单元只有一个单元工作，当工作单元故障时，通过转换装置接到另一个单元继续工作，直到所有单元都故障时系统才故障，称为旁联系统，又称非工作贮备系统。非工作贮备的优点是能大大提高系统的可靠度。缺点是：（1）由于增加了故障监测与转换装置而提高了系统的复杂度；（2）要求故障监测与转换装置的可靠度非常高，否则贮备带来的好处会被严重削弱。 贮备系统按贮备单元在贮备期间的失效情况可分为三类 冷贮备（无载贮备）贮备单元在贮备期间失效率为零； 热贮备（满载贮备）贮备单元在贮备期间失效率与工作单元失效率一样； 温贮备（轻载贮备）贮备单元在贮备期间失效率大于零而小于工作单元失效率。维修度：对可能维修的产品在发生故障或失效后，在规定的条件下和规定的时间内完成修复的概率。修复率：维修时间已达到某一时刻但尚未修复的产品在该时刻后的单位时间内完成修复的概率。可用性：当需要时，可维修产品保持正常使用状态或功能的能力。其度量指标是可用度。第4章 可靠性分配与预计可靠性分配 系统可靠性分配就是将使用方提出的，在系统设计任务书(或合同)中规定的可靠性指标。，从上而下，由大到小，从整体到局部，逐步分解，分配到各分系统，设备和元器件。可靠性预计 系统的可靠性预计是在系统的设计阶段根据组成系统的元器件等在规定条件下的可靠性指标、系统的结构、系统的功能以及工作方式等来推测系统的可靠性。是一个由局部到整体、由小到大，由下到上的一种综合过程。 可靠性分配的目的是使各级设计人员明确其可靠性设计要求，根据要求估计所需的人力、时间和资源，并研究实现这个要求的可能性及办法。 可靠性预计的目的：将预计结果与要求的可靠性指标相比较，审查设计任务书中提出的可靠性指标是否能达到。在方案论证阶段，通过可靠性预计，根据预计结果的相对性进行方案比较，选择最优方案。在设计阶段，通过预计，发现设计中的薄弱环节，加以改进。为可靠性增长试验、验证试验及费用核算等方面的研究提供依据。通过预计给可靠性分配奠定基础。可靠性分配与可靠性预计的关系：可靠性分配结果是可靠性预计的依据和目标；可靠性预计相对结果是可靠性分配与指标调整的基础。相互制约，相辅相成，使系统的设计满足要求。可靠性分配与可靠性预计的作用: 提高产品的固有可靠性;降低产品全寿命周期的费用;为可靠性增长计划提供科学依据. 在新产品从开发研制一直到定型生产之前，一艇要经设计试制试验修改设计小批生产检验改进定型生产这一过程，在这一过程中，产品可靠性水平在不断提高，称为可靠性增长。可靠性分配的程序:明确系统可靠性参数指标要求;分析系统特点;选取分配方法（同一系统可选多种方法）;准备输入数据;进行可靠性分配;验算可靠性指标要求;可靠性分配的无约束分配方法：等分配法;评分分配法；再分配法；比例分配法；AGREE方法等分配法又称为平均分配法。当系统中个单元具有近似的复杂程度、重要性以及制造成本时，可用等分配法分配系统各单元的可靠度。 评分分配法含义：在可靠性数据非常缺乏的情况下，通过有经验的设计人员或专家对影响可靠性的几种因素评分，对评分进行综合分析而获得各单元产品之间的可靠性相对比值，根据评分情况给每个分系统或设备分配可靠性指标。评分因素与原则 ：（1）复杂度 最复杂的评10分，最简单的评1分。（2）技术发展水平: 水平最低的评10分，水平最高的评1分。 (3)工作时间:单元工作时间最长的评10分，最短的评1分。(4)环境条件 :单元工作过程中会经受极其恶劣而严酷的环境条件的评10分，环境条件最好的评1分。 可靠性指标分配的模糊数学模型:(1)建立评价因素集;(2)建立评价因素权重集;(3)建立因素评价集（等级）及相应分值集;(4)构建模糊综合评判矩阵;(5)计算各单元综合评价分值;(6)可靠性指标分配3.再分配法 如果系统可靠性预计结果小于规定的系统可靠度，则须重新进行可靠度分配。 4.比例分配法 使系统中各单元的容许失效率与该单元预计失效率成正比。5. AGREE法 考虑了组成系统各单元的复杂度、重要度、工作时间以及它们与系统之间的失效关系，又称为按照单元的复杂度及重要度的分配法。 适用于各单元工作期间的失效率为常数的串联系统。可靠性预计目的、用途:评估系统可靠性，审查是否能达到要求的可靠性指标。在方案论证阶段，通过可靠性预计，比较不同方案的可靠性水平，为最优方案的选择及方案优化提供依据。在设计中，通过可靠性预计，发现影响系统可靠性的主要因素，找出薄弱环节，采取设计措施，提高系统可靠性。为可靠性分配奠定基础。 分类 根据战术技术中可靠性的定量要求 :基本可靠性预计 由于产品不可靠导致对维修和保障的要求。任务可靠性预计 估计产品在完成任务的过程中完成其规定功能的概率。从产品构成角度分析：单元可靠性预计（元件、部件或设备等 ） 系统可靠性预计可靠性预计基本方法及用途：系统可靠性预计：数学模型法；边值法；故障树分析法设备可靠性预计：数学模型法；相似分析法；元器件计数法；应力分析法 元器件可靠性预计：应力分析法数学模型法：根据组成系统的各单元间的可靠性数学模型，按概率运算法则，预计系统的可靠度的方法，是一种经典的方法.相似设备法：将新设计的产品和已知可靠性数据的相似设备进行比较，从而简单估计出新产品可能达到的可靠性水平。 相似产品法考虑的相似因素一般包括：产品结构、性能的相似性；设计的相似性；材料和制造工艺的相似性；使用剖面(保障、使用和环境条件) 的相似性相似复杂性法：将新设计产品的与相似产品相比较，考虑新产品的相对复杂性，建立新、老产品可靠性之间的函数关系。功能预计法：建立设备的功能特性和观测的工作可靠性之间的统计相关关系；根据系统的功能，统计大量相似系统的功能参数和相关可靠性数据，运用回归分析的方法，得出一些经验公式及系数；根据初步确定的系统功能及结构参数预计系统的可靠性。元器件计数法：按不同种类元器件的数量来预计单元和系统可靠度的方法。采用这个方法进行预计，首先确定设计方案中各种元器件的类型。 应力分析法：用于产品详细设计阶段的电子元器件失效率预计。预计电子元器件工作失效率时对基本失效率进行修正。边值法：基本思想：对于一些很复杂的系统，采用数学模型很难得到可靠性的函数表达式。不采用直接推导的办法而是忽略一些次要因素，用近似的数值来逼近系统可靠度真值，从而使繁琐的过程变得简单。边值法又称为上下限法，将一个复杂的系统先简化成某些单元组成的串联系统，求该串联系统的可靠度预测值的上限及下限 。然后逐步考虑系统的其他部分，逐次求出越来越精确的可靠度上限值和下限值，当达到一定的精度要求后，再将上限值和下限值合成一个可靠度单一预测值。机械产品可靠性预计方法：相似分析法；统计分析法故障物