第六章可靠性工程基础

1、第六章可靠性工程基础 第六章第六章 可靠性工程可靠性工程 Reliability Engineering 第六章可靠性工程基础 主要内容主要内容 n6.1可靠性研究的重要性可靠性研究的重要性 n6.2可靠性的定义可靠性的定义 n6.3可靠性工程中的特征向量可靠性工程中的特征向量 n6.4系统可靠性系统可靠性 n6.5质量管理新发展质量管理新发展 第六章可靠性工程基础 6.1可靠性研究的重要性可靠性研究的重要性 n例如，美国的宇宙飞船阿波罗工程有例如，美国的宇宙飞船阿波罗工程有700700万只万只 元器件和零件，参加人数达元器件和零件，参加人数达4242万人，参予制造万人，参予制造 的厂家达的厂

2、家达1 1万万5 5千多家，生产周期达数年之久。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，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的。专门进行可靠性研究是难于保证系统可靠性的。 第六章可靠性工程基础 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： n 1. 1. 高科技的需要高科技的需要 n 2. 2. 经济效益的需要经济效益的需要 n

3、 3. 3. 政治声誉的需要政治声誉的需要 n 总之，无论是人民群众的生活，国民经济建设的需总之，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。问题是具有深远的现实意义。 第六章可靠性工程基础 n 现代科技迅速发展导致各个领域里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、文教泛应用于工农业、交通运输、科研、文教 卫生

4、等各个行业，设备的可靠性直接关系卫生等各个行业，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，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。深入研究产品可靠性的意义是非常重大的。 第六章可靠性工程基础 n产品或设备的故障都会影响生产和造成巨大经济损产品或设备的故障都会影响生产和造成巨大经济损 失。特别是大型流程企业，有时因一台关键设备的失。特别是大型流程企业，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，研究可靠性几百万元。因此，从经济效益的来看，研

5、究可靠性 是很有意义的。是很有意义的。 n 研究与提高产品的可靠性是要付出一定代价的。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。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。有经济效益的。 第六章可靠性工程基础 n从政治方面考虑，无论哪个国家，产品的先进从政治方面考虑，

6、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。声誉及促进国际贸易发展都起很大的作用。 第六章可靠性工程基础 6.2可靠性的定义可靠性的定义 n具有优良的技术性能指标是否是高质量的产品？具有优良的技术性能指标是否是高质量的产品？ n仅仅用产品技术性能指标不能反映产品质量的仅仅用产品技术性能指标不能反映产品质量的 全貌。产品的质量指标是产品技术性能指标和全貌。产品的质量指标是产品技术性能指标和 产品可靠性指标的综合。产品可靠性指标的综合。 n可靠性指标和技术性能指标的区别？可靠性指标和技术性能指标的

7、区别？ 第六章可靠性工程基础 n可靠性：指产品（包括零件和元器件、整机设备、可靠性：指产品（包括零件和元器件、整机设备、 系统）在规定的条件下和规定的时间内，完成规定系统）在规定的条件下和规定的时间内，完成规定 的能力。的能力。 三个规定三个规定 n对于可靠性的理解应注意：对于可靠性的理解应注意： 明确产品可靠性研究的对象明确产品可靠性研究的对象 必须明确产品可靠性所规定的条件必须明确产品可靠性所规定的条件 必须明确所规定的必须明确所规定的时间时间 必须明确产品所需完成规定的功能必须明确产品所需完成规定的功能 第六章可靠性工程基础 6.3可靠性工程中的特征向量可靠性工程中的特征向量 n6.3.

8、1 可靠性特征量可靠性特征量 n6.3.2 失效率的基本类型和产品的失效规律失效率的基本类型和产品的失效规律 第六章可靠性工程基础 6.3.1 可靠性特征量可靠性特征量 n1.寿命寿命 n对不同的产品，寿命有不同的定义：对不同的产品，寿命有不同的定义： n对不修理产品指发生失效前的工作时间。对不修理产品指发生失效前的工作时间。 n对修理产品指相邻两次失效间的工作时间，也对修理产品指相邻两次失效间的工作时间，也 称失效间隔工作时间。称失效间隔工作时间。 n寿命一般用寿命一般用T来表示。来表示。 第六章可靠性工程基础 nMTTF:失效时间 nMTBF:失效间隔时间 ABC Module 第六章可靠

9、性工程基础 n2.可靠度可靠度 n 可靠度可靠度是指产品在规定的条件和规是指产品在规定的条件和规 定的时间内，完成规定功能的概率。它是定的时间内，完成规定功能的概率。它是 时间的函数，以时间的函数，以R(t)表示。若用表示。若用T表示在规表示在规 定条件下的寿命（产品首次发生失效的时定条件下的寿命（产品首次发生失效的时 间），对可靠度而言，以下三个事件是等间），对可靠度而言，以下三个事件是等 价的价的; n“产品在时间产品在时间t内完成规定的功能内完成规定的功能” n“产品在时间产品在时间t内无故障内无故障” n“产品的寿命产品的寿命T大于时间大于时间t” 第六章可靠性工程基础 n所以可靠度函

10、数所以可靠度函数R(t)可以看作事件可以看作事件“Tt”概率，概率， 即即 n nT产品故障前工作时间产品故障前工作时间 nt 规定的时间规定的时间 nP（Tt）产品工作到产品工作到t时刻不发生故障的时刻不发生故障的 概率概率 )()(tTPtR t dttf)( 第六章可靠性工程基础 n例例6.1 某船在某船在45天的航海任务中，其雷达无故天的航海任务中，其雷达无故 障的概率为障的概率为90%，就是指在航海的环境条件下，就是指在航海的环境条件下， 在在45天的时间内其可靠度为天的时间内其可靠度为 nR（45天）天）=P（T45天）天）=90% 第六章可靠性工程基础 n 若受试验的样品数是若受

11、试验的样品数是N0个，到个，到t时刻未失时刻未失 效的有效的有N s (t)个；失效的有个；失效的有N f (t)个。则没有个。则没有 失效的概率估计值，即可靠度的估计值为失效的概率估计值，即可靠度的估计值为 0 0 0 )()( )()( )( )( N tNN N tN tNtN tN tR f s fs s 第六章可靠性工程基础 n例例6.2 某批电子管有某批电子管有1000只，开始工作到只，开始工作到500 小时内有小时内有100只出现故障，工作到只出现故障，工作到1000小时共小时共 计有计有500只故障，求该批电子管工作到只故障，求该批电子管工作到500小小 时和时和1000小时的

12、可靠度。小时的可靠度。 n解：解：R（500）=（1000-100）/1000=0.9 n R（1000）=（1000-500）/1000=0.5 第六章可靠性工程基础 n可靠度是一个概率值，具有如下性质：可靠度是一个概率值，具有如下性质： n（1 1） 00R R ( (t t) )1 1 n（2 2）可靠度函数）可靠度函数R R（t t）是一个非增函数。）是一个非增函数。 n（3 3）R R（0 0）=1=1；R R（）=0=0 第六章可靠性工程基础 1 22 is better than 1? 第六章可靠性工程基础 n3.累计故障分布函数累计故障分布函数 n n t dttftTPtF

13、0 )()()( 1)()(tFtR 第六章可靠性工程基础 n同样，不可靠度的估计值为：同样，不可靠度的估计值为： 0 0 0 )( )( )()( )( )( N tNN N tN tNtN tN tF s f fs f 第六章可靠性工程基础 n例例6.3 对某产品给定的工作时间为对某产品给定的工作时间为100小时，小时，T 为产品故障前的时间，则（为产品故障前的时间，则（100）=P（T 100）. 第六章可靠性工程基础 4.故障密度函数故障密度函数f (t) n如果如果N0是产品试验总数，是产品试验总数，N f是时刻是时刻tt+t时时 间间隔内产生的故障产品数，间间隔内产生的故障产品数，

14、N f (t)(N0t)称称 为为tt+t时间间隔内的平均失效时间间隔内的平均失效(故障故障)密度，表密度，表 示这段时间内平均单位时间的故障频率，若示这段时间内平均单位时间的故障频率，若 N0，t0，则频率，则频率概率。概率。 n dt dN N tf f N 0 1 lim)( 0 dt tdF tf )( )( 第六章可靠性工程基础 n也可根据也可根据F(t)的定义，得到的定义，得到f (t)，即，即 tt f f t f dttfdt dt tdN N tdN NN tN tF 00 0 0 00 )( )( 1 )( 1 )( )( 第六章可靠性工程基础 n5. 产品的失效率产品的失

15、效率 n 一般定义：失效率是工作到某时刻尚一般定义：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未失效的产品，在该时刻后单位时间内发 生失效的概率。生失效的概率。 n一般记为一般记为, 它也是时间它也是时间t的函数的函数, 故也记为故也记为 (t), 称为失效率函数称为失效率函数, 有时也称为故障率函有时也称为故障率函 数或风险函数。数或风险函数。 第六章可靠性工程基础 n一般情况下，一般情况下， (t) 可用下式进行计算：可用下式进行计算： n式中式中r(t)t时刻后，时刻后， t时间内产品的时间内产品的 故障数故障数 nt所取时间间隔所取时间间隔 nNs(t)到到t时刻还没

16、有发生故障的产品数时刻还没有发生故障的产品数 ttN tr t s )( )( )( 第六章可靠性工程基础 h t trNr /%* )(/( hh 546 1010 ( 1 101000 ( 1 1 （个） 个） （个） 个） 菲特 n 失效率的单位：失效率的单位： n 国际上还采用国际上还采用“菲特菲特“（FIT）作为高可靠性产）作为高可靠性产 品的失效率单位，为品的失效率单位，为10-9/h n 失效率越小，可靠性越高。失效率越小，可靠性越高。 第六章可靠性工程基础 t tTttTtP t t )/( lim)( 0 )( )()( )( )( )( )()(P )/( tR tFttF

17、 tTP ttTtP tTP tTttTt tTttTtP )( )( )( )( )( 1)()( lim)( 0 tR tf tR tF tRt tFttF t t n6.失效率失效率(t) 与与R (t)，F (t)之间的关系之间的关系 n 失效率是在时刻失效率是在时刻t尚未失效产品在尚未失效产品在t+t的单位的单位 时间内发生失效的条件概率，即时间内发生失效的条件概率，即 n n由条件概率公式的性质和时间的包含关系，可知由条件概率公式的性质和时间的包含关系，可知 n n n 第六章可靠性工程基础 n根据根据R (t)，F (t)，f (t),(t)的定义，还可以推导出：的定义，还可以推

18、导出： )(exp)( 0 )( 0 t dtt dttetR t 第六章可靠性工程基础 各可靠性特征量之间的关系 dttf t ettf )( 0 )()( 可靠度函数可靠度函数 累计失效概率累计失效概率故障概率密度故障概率密度 失效率函数（失效率函数（ (t)） )(exp)( 0 )( 0 t dtt dttetR t F（t）=1-R(t)f(t)=F(t) (t)=f(t)/R(t) 第六章可靠性工程基础 6.3.2 失效率的基本类型失效率的基本类型 n （1）早期失效期为递减型。产品使用的早期，）早期失效期为递减型。产品使用的早期， 失效率较高而下降很快。主要由于设计、制造、失效率

19、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、跑合、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、跑合、 起动不当等人为因素所造成的。起动不当等人为因素所造成的。 第六章可靠性工程基础 (t) t 早期失效型早期失效型 第六章可靠性工程基础 n（2）偶然失效期为恒定型，主要由非预期的）偶然失效期为恒定型，主要由非预期的 过载、误操作、意外的天灾以及一些尚不清楚过载、误操作、意外的天灾以及一些尚不清楚 的偶然因素所造成。由于失效原因多属偶然，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

20、为有效寿命。为降低偶然的时期，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。产品的质量，精心使用维护。 第六章可靠性工程基础 (t) t 恒定失效型恒定失效型 第六章可靠性工程基础 n （3）耗损失效期，失效率是递增型。失效率）耗损失效期，失效率是递增型。失效率 上升较快，这是由于产品已经老化、疲劳、磨上升较快，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，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，应故称为耗损失效期。针对耗损失效的

21、原因，应 该注意检查、监控、预测耗损开始的时间，提该注意检查、监控、预测耗损开始的时间，提 前维修，使失效率仍不上升。当然，修复若需前维修，使失效率仍不上升。当然，修复若需 花很大费用而延长寿命不多，则不如报废更为花很大费用而延长寿命不多，则不如报废更为 经济。经济。 第六章可靠性工程基础 R(t) t 耗损失效型耗损失效型 第六章可靠性工程基础 产品的失效规律产品的失效规律 第六章可靠性工程基础 6.4系统可靠性系统可靠性 n一、串联模型一、串联模型 n 组成系统的所有单元中任一单元的故障就会组成系统的所有单元中任一单元的故障就会 导致整个系统故障的系统称串联系统。它属于导致整个系统故障的系

22、统称串联系统。它属于 非贮备可靠性模型，其逻辑框图如图所示。非贮备可靠性模型，其逻辑框图如图所示。 123n 第六章可靠性工程基础 系统可靠性模型(串联模型) n根据串联系统的定义及逻辑框图，其数学模型为：根据串联系统的定义及逻辑框图，其数学模型为： n式中式中 Rs (t)系统的可靠度；系统的可靠度； Ri (t)第第i个单元的可靠度。个单元的可靠度。 n i is tRtR 1 )()( 第六章可靠性工程基础 串联系统串联系统 nA system consists of n independent CFR components that are connected in series (w

23、hen any one fails, the system fails) 1 1 ( )( ) ( ). n i i n i i R tR t t 12n 第六章可靠性工程基础 系统可靠性模型(串联模型) n若各单元的寿命分布均为指数分布，即若各单元的寿命分布均为指数分布，即 n式中式中 s系统的故障率；系统的故障率； i各单元的故障率。各单元的故障率。 t i i etR )( t t n i t s s n i i s eeetR 1 1 )( n i is 1 第六章可靠性工程基础 系统可靠性模型(串联模型) n系统的平均故障间隔时间（系统的平均故障间隔时间（Mean Time Betw

24、een failure，MTBF）为）为 n可见，串联系统中各单元的寿命为指数分布时，可见，串联系统中各单元的寿命为指数分布时， 系统的寿命也为指数分布。系统的寿命也为指数分布。 n 由于由于Ri(t)是个小于是个小于1的数值，由前边式子，它的的数值，由前边式子，它的 连乘积就更小，所以串联的单元越多，系统可靠连乘积就更小，所以串联的单元越多，系统可靠 度越低。串联单元越多，则度越低。串联单元越多，则MTBFs也越小。也越小。 n i i s s MTBF 1 11 第六章可靠性工程基础 系统可靠性模型 n二、并联模型二、并联模型 n组成系统的所有单元都故障时，系统才故组成系统的所有单元都故障

25、时，系统才故 障的系统叫并联系统。其逻辑框图如图所障的系统叫并联系统。其逻辑框图如图所 示。示。 1 2 n 并联模型并联模型 第六章可靠性工程基础 系统可靠性模型(并联模型) n 根据并联系统定义逻辑框图，其数学模型为根据并联系统定义逻辑框图，其数学模型为 n式中式中 Fs(t)系统的不可靠度；系统的不可靠度； Fi(t)第第i个单元的不可靠度。个单元的不可靠度。 n i is tFtF 1 )()( 第六章可靠性工程基础 串联系统与并联系统区别 nComponents connected in series nComponents connected in parallel Fails w

26、hen the first component fails Fails when all components fail Combination of two types Series-parallel system 第六章可靠性工程基础 6.5 质量管理的新发展质量管理的新发展 n1.1.人力资源与质量管理紧密结合人力资源与质量管理紧密结合 n通用电气公司（通用电气公司（GEGE）显示其高层管理者坚持质）显示其高层管理者坚持质 量至上的决心的一个确切标志是：通用电气公量至上的决心的一个确切标志是：通用电气公 司经理奖金（高达司经理奖金（高达100100万美金）的万美金）的40%40%取决于其取决于其 质量计划的执行程度。而此前，奖金仅是根据质量计划的执行程度。而此前，奖金仅是根据 利润完成情况决定的。利润完成情况决定的。 第六章可靠性工程基础 n2.2.设计决定质量设计决定质量 n质量最终是由设计部门确定的，产品被设计出质量最终是由设计部门确定的，产品被设计出 来的时候，产品的质量定位已经被决定了，制来的时候，产品的质量定位已经被决定了，制 造部门只是在实现设计出来的产品质量。造部门只