第6章 可靠性分析

1、第6章 可靠性分析2第6章 可靠性分析 (1)(1)可靠性的内涵是什么可靠性的内涵是什么? ? (2)(2)怎样对可靠性进行量化怎样对可靠性进行量化? ?即如何建即如何建立可靠性的数学模型立可靠性的数学模型? ? (3)(3)如何取得可靠性数据如何取得可靠性数据? ? (4)(4)如何实现模型如何实现模型? ? 可靠性概念的产生和发展，可以追溯到可靠性概念的产生和发展，可以追溯到19391939年，它经历了以下三个阶段。年，它经历了以下三个阶段。（1）初期发展阶段初期发展阶段 早期的可靠性研究，重点放在故障占大半的电子管方面。早期的可靠性研究，重点放在故障占大半的电子管方面。多用于军工产品。多

2、用于军工产品。 30304040年代，两次世界大战。年代，两次世界大战。特别二战期间，电子设备特别二战期间，电子设备常失效。常失效。例如：例如：美国运到远东的航空电子设备美国运到远东的航空电子设备60%60%不能使用（运输失不能使用（运输失效）；海军舰艇上电子设备效）；海军舰艇上电子设备70%70%失效，其中失效，其中50%50%仓库中失效；仓库中失效； 1955 1955年美国国防预算年美国国防预算3030用于维修和使用，以后又增加用于维修和使用，以后又增加到到7070，成为不堪忍受的负担。在整个战争中美国由于飞行，成为不堪忍受的负担。在整个战争中美国由于飞行事故损失飞机为事故损失飞机为21

3、 00021 000架，比被击落的飞机还要多架，比被击落的飞机还要多1.51.5倍。倍。 19391939年，美国航空委员会年，美国航空委员会适航性统计学注释适航性统计学注释，首次提，首次提出飞机故障率出飞机故障率0.000010.00001次次/ h/ h，相当于一小时内飞机的可靠度，相当于一小时内飞机的可靠度rsrs=0.99999=0.99999，这是最早的飞机安全性和可靠性定量指标。，这是最早的飞机安全性和可靠性定量指标。二战末期，德火箭专家二战末期，德火箭专家r r卢瑟卢瑟（lussenlussen）把）把火箭诱导火箭诱导装置作为串联系统，求得其可靠度为装置作为串联系统，求得其可靠度

4、为75%75%，这是首次定量计算复，这是首次定量计算复杂系统的可靠度问题，标志着对系统可靠性研究的开始。杂系统的可靠度问题，标志着对系统可靠性研究的开始。19421942年，美国麻省理工学院，真空管的可靠性问题研究年，美国麻省理工学院，真空管的可靠性问题研究。 19441944年纳粹德国试射年纳粹德国试射v v2 2火箭袭击伦敦，有火箭袭击伦敦，有8080枚火箭还没枚火箭还没起飞就在发射台上爆炸。经过研究，起飞就在发射台上爆炸。经过研究，人们提出火箭可靠度是所人们提出火箭可靠度是所有元器件可靠度乘积的结论，这是最早的系统可靠性概念有元器件可靠度乘积的结论，这是最早的系统可靠性概念。 50506

5、060年代年代，大体上确定了可靠性研究的理论基础及，大体上确定了可靠性研究的理论基础及研究方向。研究方向。19521952年，年，美国军事工业部门和有关部门成立美国军事工业部门和有关部门成立agreeagree（advisory group on reliability of electronic advisory group on reliability of electronic equipmentequipment，国防部电子设备可靠性顾问团），研究电子，国防部电子设备可靠性顾问团），研究电子产品的设计、制造、试验、储备、运输及使用。产品的设计、制造、试验、储备、运输及使用。 至至606

6、0年代后期年代后期，美国约，美国约40%40%的大学设置了可靠性工程的大学设置了可靠性工程课程。课程。日本，日本，19581958年成立可靠性研究委员会年成立可靠性研究委员会。19711971年起每年起每年召开一次可靠性与维修性学术会议。年召开一次可靠性与维修性学术会议。前苏联，前苏联，19501950年起年起，开始研究机器可靠性问题。，开始研究机器可靠性问题。这一阶段，可靠性研究工作从电子产品扩展到机械产品，这一阶段，可靠性研究工作从电子产品扩展到机械产品，从军工产品扩展到民用产品。从军工产品扩展到民用产品。 （3 3） 可靠性发展的国际化时代可靠性发展的国际化时代 1965年年国际电子技术

7、委员会设立了可靠性技国际电子技术委员会设立了可靠性技术委员会术委员会tc56（1977年改名为可靠性与维修年改名为可靠性与维修性技术委员会）。性技术委员会）。 从从7080年代起年代起，可靠性理论研究从数理基，可靠性理论研究从数理基础发展到失效机理的研究；础发展到失效机理的研究； 形成了可靠性试验方法及数据处理方法；形成了可靠性试验方法及数据处理方法； 重视机械系统的研究；重视机械系统的研究； 重视维修性研究；重视维修性研究； 建立了可靠性管理机构；建立了可靠性管理机构； 颁布了一系列可靠性标准；颁布了一系列可靠性标准； 设备的可靠性（设备的可靠性（reliablityreliablity）是

8、指在规定的时）是指在规定的时间和给定的条件下，设备无故障完成规定功能的能间和给定的条件下，设备无故障完成规定功能的能力，力，可靠性的概率度量亦称为可靠度。可靠性是部可靠性的概率度量亦称为可靠度。可靠性是部件（件（partpart）、元件（）、元件（componentcomponent）、产品（）、产品（productproduct）或系统（或系统（systemsystem）的完整性的最佳数量的度量。）的完整性的最佳数量的度量。可可靠性贯穿在产品和系统的整个开发过程（包括设计、靠性贯穿在产品和系统的整个开发过程（包括设计、制造、试验、运行、管理等环节），形成可靠性工制造、试验、运行、管理等环节）

9、，形成可靠性工程这门新兴学科。可靠性工程涉及元件失效数据的程这门新兴学科。可靠性工程涉及元件失效数据的统计和处理、系统可靠性的定量评定、运行维护、统计和处理、系统可靠性的定量评定、运行维护、可靠性和经济性的协调等各个领域。设备的可靠性可靠性和经济性的协调等各个领域。设备的可靠性是贯穿于整个寿命周期全过程的一个时间性度量指是贯穿于整个寿命周期全过程的一个时间性度量指标，从设计规划、制造安装、使用维护到修理、报标，从设计规划、制造安装、使用维护到修理、报废为止，可靠性始终是设备的灵魂。废为止，可靠性始终是设备的灵魂。 【应用【应用】实例实例感受可靠性分析和在此感受可靠性分析和在此基础上的改进对现代

10、工业的重要性。基础上的改进对现代工业的重要性。 西门子公司西门子公司 宽带传输系统使用大量的微波器件，人宽带传输系统使用大量的微波器件，人们希望这些元器件从第一次打开起能一直正常工作。们希望这些元器件从第一次打开起能一直正常工作。每一个每一个565mb同轴中继器都采用同轴中继器都采用30个二极管和晶体管个二极管和晶体管元件，在元件，在250公里长的网路上一共需要公里长的网路上一共需要7000个个sp87-11晶体管。这一网路在晶体管。这一网路在15年内不能发生故障年内不能发生故障。由于电路。由于电路的复杂性，无法使用多余的备用电子器件。的复杂性，无法使用多余的备用电子器件。加速寿命加速寿命试验

11、试验已表明已表明sp87-11晶体管的平均失效率小于晶体管的平均失效率小于1fit（failures in hours，即每，即每10亿小时失效的次数），因亿小时失效的次数），因此满足此满足15年不发生失效的要求年不发生失效的要求。 洛克希德公司洛克希德公司 军用飞机造价的约有军用飞机造价的约有60%在于其电子在于其电子系统，而且很多军用合同都要求制造商在保质期内以系统，而且很多军用合同都要求制造商在保质期内以固定的价格为产品提供维修等服务。固定的价格为产品提供维修等服务。lockheed公司生公司生产逻辑转换元件，这种元件应用在美国海军产逻辑转换元件，这种元件应用在美国海军s-3a反潜反潜飞

12、机上以进行飞机内外的通信传输。这些元件的失效飞机上以进行飞机内外的通信传输。这些元件的失效率服从帕累托分布，比较高，因此经常要拆卸下来进率服从帕累托分布，比较高，因此经常要拆卸下来进行维修，这就会损坏飞机的机身。原来这种逻辑转换行维修，这就会损坏飞机的机身。原来这种逻辑转换元件两次失效之间的平均时间（元件两次失效之间的平均时间（mtbf）大约为）大约为100小小时。现在改进它的设计，提高筛选方法可以把该元件时。现在改进它的设计，提高筛选方法可以把该元件的两次失效之间的平均时间（的两次失效之间的平均时间（mtbf）提高到）提高到500小时。小时。这样每周从这样每周从9架飞机上更换掉的该类元件的平

13、均数量就架飞机上更换掉的该类元件的平均数量就从从1.8个降低到个降低到0.14个。既减少了对飞机的损坏，又极个。既减少了对飞机的损坏，又极大的降低了维护费用。大的降低了维护费用。 通用公司通用公司 通用公司就是最早引入可靠性概念进行产品设计生通用公司就是最早引入可靠性概念进行产品设计生产的公司之一。在产的公司之一。在2001年年3月，在通用汽车实施可靠性工作几年月，在通用汽车实施可靠性工作几年后，在全球的子公司范围内全面推荐使用可靠性产品。并且和后，在全球的子公司范围内全面推荐使用可靠性产品。并且和可靠性行业的领军企业可靠性行业的领军企业进行了深层的合作，进行了深层的合作，一方面由一方面由瑞蓝

14、作为供应商为通用公司提供可靠性项目的技术支持；另一瑞蓝作为供应商为通用公司提供可靠性项目的技术支持；另一方面，通用公司也对瑞蓝科学家队伍进行的研究项目提供了长方面，通用公司也对瑞蓝科学家队伍进行的研究项目提供了长期的期的ge全球研究基金资助，在一些产品上进行了许多协作性的全球研究基金资助，在一些产品上进行了许多协作性的开发工作。开发工作。经过了长期的可靠性工作开展后，通用汽车的可靠经过了长期的可靠性工作开展后，通用汽车的可靠性水平显著上升性水平显著上升。2007年北美地区汽车车辆可靠性年北美地区汽车车辆可靠性(vds)调查报调查报告显示，通用汽车旗下告显示，通用汽车旗下别克品牌别克品牌战胜诸多

15、豪华品牌赢得榜首位战胜诸多豪华品牌赢得榜首位置。排名中，别克品牌以置。排名中，别克品牌以145个问题每百辆车的杰出表现，和个问题每百辆车的杰出表现，和丰田旗下的豪华汽车品牌丰田旗下的豪华汽车品牌雷克萨斯雷克萨斯分享了这份殊荣。别克品牌分享了这份殊荣。别克品牌在在2008年的车辆可靠性调查中获得头名，无疑将大幅提升该品年的车辆可靠性调查中获得头名，无疑将大幅提升该品牌在市场上的形象，以及其在二手车市场上的受欢迎程度。在牌在市场上的形象，以及其在二手车市场上的受欢迎程度。在中国市场，中国市场，2007年中国汽车市场售后服务满意度年中国汽车市场售后服务满意度(csi)调研报告，调研报告，来自通用的别

16、克品牌也位居三甲。来自通用的别克品牌也位居三甲。海尔集团海尔集团 目前，海尔集团质量监测中心已建成了目前，海尔集团质量监测中心已建成了9大类产品、大类产品、2800多个台位的产品可靠性测试分析中心。据质量保障检测中心的多个台位的产品可靠性测试分析中心。据质量保障检测中心的介绍，为了提升产品在全球市场上的竞争力，海尔率先在家电行业介绍，为了提升产品在全球市场上的竞争力，海尔率先在家电行业开展了家用电器可靠性测试方面的探索，通过研究家用电器产品适开展了家用电器可靠性测试方面的探索，通过研究家用电器产品适用的可靠性验证方案，以期望实现对用户承诺的保修期向保证期的用的可靠性验证方案，以期望实现对用户承

17、诺的保修期向保证期的过渡。保证期与保修期，虽然只有一字之差，但反映的本质是质量过渡。保证期与保修期，虽然只有一字之差，但反映的本质是质量观念的天壤之别。保修期的承诺缺乏竞争力，因为修一次，用户就观念的天壤之别。保修期的承诺缺乏竞争力，因为修一次，用户就会伤心一次。由于家用电器产品与人们的日常生活紧密相关，其产会伤心一次。由于家用电器产品与人们的日常生活紧密相关，其产品的可靠性就显得更为重要。只有通过可靠性测试的验证，产品才品的可靠性就显得更为重要。只有通过可靠性测试的验证，产品才能进入全球市场，真正实现对用户的保证而不是保修的承诺。能进入全球市场，真正实现对用户的保证而不是保修的承诺。 本土企

18、业中联想公司也是电子行业中较早开展可靠性的企业。本土企业中联想公司也是电子行业中较早开展可靠性的企业。经过了几年的发展，在经过了几年的发展，在2006年年12月，据美国月，据美国pc杂志对杂志对3.5万多用户万多用户进行的调查。在笔记本电脑类的调查中，苹果和联想在笔记本电脑进行的调查。在笔记本电脑类的调查中，苹果和联想在笔记本电脑的可靠性和用户对可靠性的满意度方面的得分都超过了平均水平。的可靠性和用户对可靠性的满意度方面的得分都超过了平均水平。 我国可靠性研究现状我国可靠性研究现状 我国可靠性工作起步也比较早，我国可靠性工作起步也比较早， 50年代年代就建立了温热带环境暴露试验机就建立了温热带

19、环境暴露试验机构。构。 1972年年在这个基础上组建了我国唯一的电在这个基础上组建了我国唯一的电子产品子产品可靠性与环境试验研究所可靠性与环境试验研究所，着手可靠，着手可靠性与环境试验、失效分析、数据处理等研究性与环境试验、失效分析、数据处理等研究工作。最早也是由电子工业部门开展可靠性工作。最早也是由电子工业部门开展可靠性工作，工作， 在在60年代年代进行了有关可靠性评估的开拓性进行了有关可靠性评估的开拓性工作，由于种种原因，直到工作，由于种种原因，直到70年代末、年代末、80年年代初代初可靠性研究才重新受到重视，可靠性研究才重新受到重视， 特别是八十年代初特别是八十年代初，随着商品经济和贸易

20、的发，随着商品经济和贸易的发展，国内外市场的竞争日益激烈，民用、工业用产展，国内外市场的竞争日益激烈，民用、工业用产品和军用产品的用户，不仅要求产品的技术性能先品和军用产品的用户，不仅要求产品的技术性能先进，而且要求可靠性高。进，而且要求可靠性高。 国内外的专家都指出，国内外的专家都指出，现在和将来，市场竞争现在和将来，市场竞争的焦点是可靠性的焦点是可靠性，只有那些了解并能控制自己产品，只有那些了解并能控制自己产品可靠性的企业，才能在国际竞争中生存。可靠性的企业，才能在国际竞争中生存。一个可靠一个可靠性差的商品，不但不能在国际贸易中占领市场，在性差的商品，不但不能在国际贸易中占领市场，在国内市

21、场上也不会站住脚。产品责任法的推行，消国内市场上也不会站住脚。产品责任法的推行，消费者组织的建立，对产品的可靠性、安全性提出了费者组织的建立，对产品的可靠性、安全性提出了更高等要求。由于产品可靠性、安全性存在的问题更高等要求。由于产品可靠性、安全性存在的问题所造成的人身伤害及财产损失，不但要向生产者追所造成的人身伤害及财产损失，不但要向生产者追赔直接损失，而且要追赔间接损失，赔直接损失，而且要追赔间接损失，一个事故就可一个事故就可以导致一个企业的破产。以导致一个企业的破产。近几年来，可靠性和安近几年来，可靠性和安全性分析显得越来越重要，全性分析显得越来越重要，尤其是对于像核电站、大型尤其是对于

22、像核电站、大型化工厂、空间飞行器等这样化工厂、空间飞行器等这样复杂、高风险的系统。复杂、高风险的系统。 “挑战者挑战者”号航天飞机失事，导致上亿美元的经济号航天飞机失事，导致上亿美元的经济损失和七名宇航员丧生损失和七名宇航员丧生 可靠性是指产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功可靠性是指产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。能的能力。产品不能完成规定功能，称为故障（或失效）。可靠产品不能完成规定功能，称为故障（或失效）。可靠性一般用概率表示，也可以根据实际需要，用平均无故障工作时性一般用概率表示，也可以根据实际需要，用平均无故障工作时间或平均无故障里程（汽车、坦克等）表示。间

23、或平均无故障里程（汽车、坦克等）表示。可靠性数据是指在各项可靠性工作及活动中所产生的描述产可靠性数据是指在各项可靠性工作及活动中所产生的描述产品可靠性水平及状况的各种数据，他们可以是数据、图表、符号、品可靠性水平及状况的各种数据，他们可以是数据、图表、符号、文字和曲线的形式。文字和曲线的形式。可靠性数据主要从两个方面得到：（可靠性数据主要从两个方面得到：（1）从实验室进行的可靠）从实验室进行的可靠性试验得到性试验得到；（2）从产品实际使用现场得到）从产品实际使用现场得到。可靠性数据收集与分析的目的及意义可靠性数据收集与分析的目的及意义 随着可靠性及维修性工作的深入发展，人们越来越深随着可靠性及

24、维修性工作的深入发展，人们越来越深刻地体会到，刻地体会到，有效的信息和数据是开展可靠性、维修性、有效的信息和数据是开展可靠性、维修性、保障性分析的基础保障性分析的基础，是决策的依据：，是决策的依据：(1)(1)根据根据可靠性数据可靠性数据提供的信息，改进产品的设计，制造工提供的信息，改进产品的设计，制造工艺，提高产品的固有可靠度，并为新技术的研究，新产品艺，提高产品的固有可靠度，并为新技术的研究，新产品的研制提供信息。的研制提供信息。(2)(2)根据根据现场使用提供的数据现场使用提供的数据，改进产品的维修性，使产品，改进产品的维修性，使产品结构合理，维修方便，提高产品的使用可用度。结构合理，维

25、修方便，提高产品的使用可用度。(3)(3)根据根据可靠性数据预测系统的可靠性和维修性可靠性数据预测系统的可靠性和维修性，开展系统，开展系统的可靠性设计和维修性设计。的可靠性设计和维修性设计。 产品的质量主要包括产品的质量主要包括性能指标和可靠性指标性能指标和可靠性指标两个方面，两个方面，产品的质量产品的质量既要性能优良、使用方便、外观优美大方、既要性能优良、使用方便、外观优美大方、又又要要经久耐用，极少出现故障。经久耐用，极少出现故障。性能指标性能指标是指衡量产品完成是指衡量产品完成规定功能所需要的指标，如手机，显示屏清晰、音质优美、规定功能所需要的指标，如手机，显示屏清晰、音质优美、外观、重

26、量、信号、辐射、电池的待机和通话时间等等都外观、重量、信号、辐射、电池的待机和通话时间等等都是性能指标，这是产品的基本指标之一。是性能指标，这是产品的基本指标之一。可靠性是指产品可靠性是指产品在规定的条件下，在规定的时间内，完成规定功能的能力。在规定的条件下，在规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性指标是产品的另一类质量指标可靠性指标是产品的另一类质量指标，它往往通过，它往往通过产品寿产品寿命命的各种特征表现出来，如产品正常而有效保持其性能所的各种特征表现出来，如产品正常而有效保持其性能所能持续的时间等。现代社会，可靠性越来越受到人们的重能持续的时间等。现代社会，可靠性越来越受到人们的重视，

27、就生产企业而言，提高产品的可靠性是提升企业竞争视，就生产企业而言，提高产品的可靠性是提升企业竞争力的一种策略，较高的产品可靠性才有可能占领更多的市力的一种策略，较高的产品可靠性才有可能占领更多的市场份额；就客户或用户而言，关键时刻的一次失效或故障，场份额；就客户或用户而言，关键时刻的一次失效或故障，可能会带来巨额财产损失，甚至大量人员的伤亡，生命的可能会带来巨额财产损失，甚至大量人员的伤亡，生命的结束。结束。(1)(1)可靠性的内涵是什么可靠性的内涵是什么? ?(2)(2)怎样对可靠性进行量化怎样对可靠性进行量化? ?即如何建即如何建立可靠性的数学模型立可靠性的数学模型? ?(3)(3)如何取

28、得可靠性数据如何取得可靠性数据? ?(4)(4)如何实现模型如何实现模型? ?以至可以求解以至可以求解. .分析可靠性。分析可靠性。 本章解决问题的思路：本章解决问题的思路：问题问题(1)(1)回答，三个规定和一个能力回答，三个规定和一个能力有统计意义。可靠度、平均寿命、失效率问题问题(2)(2)回答，统计建模回答，统计建模模型模型1 1：可靠函数：可靠函数r(tr(t) ) 可靠度可靠度 (6.1)(6.1) 模型模型3 3：失效分布：失效分布f(tf(t) )、f(tf(t) )和失效率和失效率 入入(t) (t) 失效失效率率 (6.3)(6.3)模型模型2 2：失效曲线、两个失效分布（

29、指数、威布尔）：失效曲线、两个失效分布（指数、威布尔）寿命与寿命与平均寿命平均寿命 (6.2)(6.2)问题问题(3)(3)回答，寿命试验回答，寿命试验 (6.4)(6.4)问题问题(4)(4)回答，主要是模型回答，主要是模型2 2、3 3，其统计方法。，其统计方法。(6.4) (6.4) 、(6.5)(6.5) 三个统计模型的建立三个统计模型的建立 模型模型1：可靠度（定义、模型、估计）：可靠度（定义、模型、估计） 模型模型2：失效率（定义、模型、估计）：失效率（定义、模型、估计） 模型模型3：平均寿命（定义、模型、估计）：平均寿命（定义、模型、估计）可靠性的三个统计模型下面对可靠性建立统计

30、模型，从定量的角度来刻画可靠性。模型一、可靠度函数模型一、可靠度函数1. 寿命分布 产品的可靠性往往通过产品寿命寿命的各种特征表现出来，如何度量产品的可靠性呢？一个产品或系统一个产品或系统的寿命是指该产品或系统从开始工作一直到失效或的寿命是指该产品或系统从开始工作一直到失效或发生故障为止正常工作的整个时间段，发生故障为止正常工作的整个时间段，如果该产品或系统由于清洁或断电等原因（发生故障或失效以外的原因）而停工了一段时间，那么这段没有工作的时间是不计入其寿命中的。产品寿命的单位常用小时（h）表示，但其他单位如分钟、天、周、月和年等有时也会使用。产品或系统的寿命产品或系统的寿命t t 是一个非是

31、一个非负随机变量，它的分布称为产品或系统寿命分布。负随机变量，它的分布称为产品或系统寿命分布。常见的寿命分布常见的寿命分布 寿命分布有寿命分布有离散型分布和连续型分布离散型分布和连续型分布，有，有一维分布一维分布和多维分布和多维分布。一维离散型分布常见的有二项分布、几何分布、超一维离散型分布常见的有二项分布、几何分布、超几何分布、泊松分布等几何分布、泊松分布等。一维连续型寿命分布常用的有一维连续型寿命分布常用的有指数分布指数分布、伽玛、伽玛(gamma)(gamma)分布、分布、威布尔威布尔(weibull(weibull) )分布分布、极值分布和、极值分布和对数正态分布对数正态分布等，限于篇

32、幅，这里简单介绍两个常等，限于篇幅，这里简单介绍两个常见的寿命分布。见的寿命分布。 【例【例6.2.3】 在可靠性理论的很多应用中，参数为的指数分布常被用来描述某产品的寿命分布。试求该寿命分布的可靠度函数、失效率函数和平均寿命。【解】参数为的指数分布的密度函数和分布函数分别为 ttetf)(0tttetf1)(其可靠度函数为 ttetftr)(1)(0t在该模型中，可靠度函数关于时间以指数的速度由1趋于0。平均寿命为 1)()(0dtttftet它恰好是指数分布参数的倒数；失效率函数为 ttteetrtft)()()(0t它和时间无关，相互独立，是一个常数，这说明指数分布不能用于失效率函数不是

33、常数的产品的寿命分布；另外还要注意到指数分布的失效率是平均寿命的倒数。如果指数分布的参数 =1/100，则其平均寿命为 =100（小时），失效率是 =1/100，即产品工作到任意时刻之后，平均每100个产品中大约有1个失效（即出现故障）。 图6.3 参数为100的指数寿命分布的可靠度和失效率 系统系统泛指由一群有关连的个体组成，根据预先编排泛指由一群有关连的个体组成，根据预先编排好的规则工作，能完成个别元件不能单独完成的工作好的规则工作，能完成个别元件不能单独完成的工作的群体。的群体。系统是普遍存在的，在宇宙间，从基本粒子到河外系统是普遍存在的，在宇宙间，从基本粒子到河外星系，从人类社会到人的

34、思维，从无机界到有机界，星系，从人类社会到人的思维，从无机界到有机界，从自然科学到社会科学，系统无所不在。它大致可以从自然科学到社会科学，系统无所不在。它大致可以分为自然系统、人工系统、复合系统。分为自然系统、人工系统、复合系统。自然系统包括生态平衡系统、生命机体系统、天体自然系统包括生态平衡系统、生命机体系统、天体系统、物质微观结构系统以及社会系统。人工系统包系统、物质微观结构系统以及社会系统。人工系统包括生产系统、交通系统、电力系统、电子计算机系统、括生产系统、交通系统、电力系统、电子计算机系统、教育系统、医疗系统、企业管理系统。复合系统是自教育系统、医疗系统、企业管理系统。复合系统是自然

35、系统和人工系统的组合。如导航系统、广播系统、然系统和人工系统的组合。如导航系统、广播系统、交通管理系统和人一机系统等等。交通管理系统和人一机系统等等。系统三要素：（系统三要素：（1 1）系统是由若干要素（部分）组成）系统是由若干要素（部分）组成的；（的；（2 2）系统有一定的结构；（）系统有一定的结构；（3 3）系统有一定的功）系统有一定的功能，或者说系统要有一定的目的性。能，或者说系统要有一定的目的性。 现代工业产品或系统现代工业产品或系统：作为人工系统、复合系统的：作为人工系统、复合系统的现代工业产品，如电子产品，大都是由许多子系统现代工业产品，如电子产品，大都是由许多子系统或部件、元器件

36、等单元组成。整个产品或系统的可或部件、元器件等单元组成。整个产品或系统的可靠性不仅和构成它的每一个单元的可靠性有关，还靠性不仅和构成它的每一个单元的可靠性有关，还与这些单元组成该系统的构成方式密切相关，所以与这些单元组成该系统的构成方式密切相关，所以要综合起来考虑整个系统的可靠性；对系统的失效要综合起来考虑整个系统的可靠性；对系统的失效率，也是如此。率，也是如此。 常见的系统常见的系统：有串联系统、并联系统、混联系统、：有串联系统、并联系统、混联系统、表决系统、冷储备系统和热储备系统，稍复杂一些表决系统、冷储备系统和热储备系统，稍复杂一些的是网络系统。下面仅仅讨论结构比较简单的串、的是网络系统

37、。下面仅仅讨论结构比较简单的串、并、混联系统的可靠性和失效率并、混联系统的可靠性和失效率 本节讨论不可修复系统，即组成系统的各部件失效后，本节讨论不可修复系统，即组成系统的各部件失效后，不对失效部件进行任何的维修。不对失效部件进行任何的维修。这里为简化，系统和元器件都只考虑不可修复情况，这里为简化，系统和元器件都只考虑不可修复情况，即它们只有两种状态：正常工作和失效。即它们只有两种状态：正常工作和失效。 一个系统由一个系统由n n个子系统或部件、单元个子系统或部件、单元 构成，假设这构成，假设这n n个部件各自能否正常工作是相互独个部件各自能否正常工作是相互独立的。设第立的。设第i i个部件的

38、寿命用随机变量个部件的寿命用随机变量titi表示，整表示，整个系统的寿命为个系统的寿命为t t；初始时刻；初始时刻t t = 0= 0时，所有部件都时，所有部件都是新的，且同时开始工作。是新的，且同时开始工作。r rsyssys( (t t) )：表示系统的可靠度，即：表示系统的可靠度，即 ，r ri i( (t t) )：表示第：表示第i i个部件的可靠度，即个部件的可靠度，即 ， ：表示系统的失效率，：表示系统的失效率， ， ：表示第：表示第i i个部件的失效率，个部件的失效率， ， ：表示系统的平均寿命：表示系统的平均寿命mttfmttf。 nccc,21)()(ttptrsys)()(

39、ttptriisysisysmsyssyssysrr/iiirr / 一、串联系统一、串联系统定义：一个系统由定义：一个系统由n个子系统或部件构成，如果只有所有的部个子系统或部件构成，如果只有所有的部件都正常工作时，系统才正常工作，而只要有一个部件失效，件都正常工作时，系统才正常工作，而只要有一个部件失效，系统就失效，这样的系统称为串联系统，下图给出了串联系统系统就失效，这样的系统称为串联系统，下图给出了串联系统的结构示意图。由串联系统的结构特点可知，上述串联系统的的结构示意图。由串联系统的结构特点可知，上述串联系统的寿命寿命 可靠度可靠度根据可靠度的定义得串联系统的可靠度为根据可靠度的定义得

40、串联系统的可靠度为 c1c2cnntttt,min 21)7 . 6()(,min)(112121niiniinnsysstrttpttttttpttttpttptr*上式表明串联系统的可靠度是所有独立部件的可靠度的乘积，串联系统的构成部件越多，系统的可靠度越低 用用i(t)失效率表示串联系统的可靠度为失效率表示串联系统的可靠度为 （6.8）易计算得串联系统的失效率为易计算得串联系统的失效率为 （6.9）失效率失效率即一个由相互独立的部件构成的串联系统的失效率是所有部即一个由相互独立的部件构成的串联系统的失效率是所有部件的失效率之和，串联系统的构成部件越多，系统的失效率件的失效率之和，串联系统

41、的构成部件越多，系统的失效率越高。越高。 再有再有(6.3)和和(6.5)式可得串联系统的平均寿命为式可得串联系统的平均寿命为 （6.10）平均寿命平均寿命tniinitiniisyssduuduutrtr01101)(exp)(exp)()(niisysssysssyssttrtrt1)()()()(dtduudtduudttrmtniitsysssysssys 001000)(exp)(exp)(例例6.3.1：某系统由：某系统由n个相互独立的部件串联而成，假设每个部件的失个相互独立的部件串联而成，假设每个部件的失效率都为常数，分别为效率都为常数，分别为。求此串联系统的可靠度、失效。求此串

42、联系统的可靠度、失效率和平均寿命。率和平均寿命。 【解】由已知条件每个部件的失效率都为常数及第二节的性质【解】由已知条件每个部件的失效率都为常数及第二节的性质2可知，可知，这这n个部件的寿命服从参数分别为个部件的寿命服从参数分别为的指数分布，由例的指数分布，由例6.2.3的结论得它们的可靠度分别的结论得它们的可靠度分别为为。由。由(6.7)式，式，此系统的可靠度为此系统的可靠度为再由再由(6.9)式得，此系统的失效率为式得，此系统的失效率为 由由(6.10)则得到系统的平均寿命为则得到系统的平均寿命为 实际上，由该系统的可靠度函数或失效率函数都容易看出，该系统的实际上，由该系统的可靠度函数或失

43、效率函数都容易看出，该系统的寿命仍然服从指数分布，参数为寿命仍然服从指数分布，参数为；由此也可得到该系统的平；由此也可得到该系统的平均寿命为均寿命为 n,21n,21nietrtii, 1,)(tetrtrniinitniisyssi111exp)()(niiniisysstt11)()()(1/1exp)(1010tdttdttrmsyssniiniisysssysnii1nii1/1例例6.3.2：设某种计算机有：设某种计算机有100个相互独立的部件串联而成，每个部件个相互独立的部件串联而成，每个部件正常运行正常运行1500小时的可靠度都是小时的可靠度都是r(1500)=0.999(很高了

44、很高了)，求该计算机，求该计算机正常工作正常工作1500小时的可靠度；如果每个部件正常运行小时的可靠度；如果每个部件正常运行1500小时的可靠小时的可靠度都是度都是r(1500)=0.99(也不低也不低)，试求该计算机正常工作，试求该计算机正常工作1500小时的可小时的可靠度。靠度。 【解】因为是串联系统，所以计算机正常工作1500小时的可靠度为 9048. 0999. 0)1500()1500(1001001iisysrr这一结果说明，尽管每个部件在1500小时内几乎不可能失效，但是由100个这样的部件串联构成的计算机的在工作1500小时内出现故障的概率却高达0.1！当ri(1500)=0.

45、99时，计算机正常工作1500小时的可靠度为3660. 099. 0)1500()1500(1001001iisysrr这一结果让我们感到更为震撼。在电子工业领域，大型产品或系统开发企业往往对电子元器件可靠度的要求极高。 二、并联系统二、并联系统定义：一个系统由定义：一个系统由n个子系统或部件构成，如果有一个部件工个子系统或部件构成，如果有一个部件工作，系统就能工作；只有所有的部件全部失效时，系统才失效，作，系统就能工作；只有所有的部件全部失效时，系统才失效，这样的系统称为并联系统，下图给出了并联系统的结构示意图。这样的系统称为并联系统，下图给出了并联系统的结构示意图。 并联系统的结构决定了并

46、联系统的寿命并联系统的结构决定了并联系统的寿命 所以并联系统的可靠度为所以并联系统的可靠度为 可靠度可靠度c2c1cnntttt,max 21)11. 6()(1 11,1,max1,max)(11212121niiniinnnsysptrttpttttttpttttpttttpttptr(6.11)式表明并联系统的构成部件越多，系统的可靠度越高。 失效率失效率由于 ，所以该系统的失效率为由由(6.3)则得到系统的平均寿命为则得到系统的平均寿命为 平均寿命平均寿命【例【例6.3.3】某系统有】某系统有2个相互独立的部件并联而成，假设这两个相互独立的部件并联而成，假设这两个部件的失效率分别为常数

47、个部件的失效率分别为常数1,2。求此并联系统的可靠度、失。求此并联系统的可靠度、失效率和平均寿命。效率和平均寿命。p257解解1)1 ()(nttsyspeentrntnttsyspsyspsyspeeentrtrt)1 (1)1 ()()()(1nintsyspsysindtedttrm10011)131211 (1)1 (1 )(.111)()(21210)(02121dteeedttrmtttsyspsysttttttsyspsyspsyspeeeeeetrtrt)()(212121212121)()()()(tttttniisyspeeeeetrtr)(1212121)1)(1 (1)

48、(1 1)(tttsyspeeetr)(21212121)()(【例【例6.3.4】某系统由】某系统由n个相互独立的部件并联而成，假设每个部件的个相互独立的部件并联而成，假设每个部件的失效率都为常数失效率都为常数。求此并联系统的可靠度、失效率和平均寿命。求此并联系统的可靠度、失效率和平均寿命。【解】由已知条件和第二节的性质【解】由已知条件和第二节的性质2可知，这可知，这n个部件的寿命分布都个部件的寿命分布都是参数为是参数为的指数分布，由例的指数分布，由例6.2.3的结论得它们的可靠度都为的结论得它们的可靠度都为 nietrti, 1,)(由(6.3.5)式，此系统的可靠度为 ntniisysp

49、etrtr)1 (1)(1 1)(1由于 1)1 ()(nttsyspeentr所以该系统的失效率为ntnttsyspsyspsyspeeentrtrt)1 (1)1 ()()()(1由(6.2.8)则得到系统的平均寿命为 nintsyspsysindtedttrm10011)131211 (1)1 (1 )(三、混联系统三、混联系统定义：由串联和并联混合组成的系统称为混联系统。混联系统的结定义：由串联和并联混合组成的系统称为混联系统。混联系统的结构形式多种多样，这里仅举几个例子以说明混联系统可靠度、失效构形式多种多样，这里仅举几个例子以说明混联系统可靠度、失效率和平均寿命的计算方法。率和平均

50、寿命的计算方法。1、串、串并联系统并联系统可靠度：可靠度：失效率失效率平均寿命平均寿命由于计算该串由于计算该串并联系统的平均寿命复杂一些，这里不再给出。并联系统的平均寿命复杂一些，这里不再给出。 12111m122212m2n2n1nmnnimjijsysitrtr11)(1 1)(nmtmttsyssyssyseeemntrtrt)1 (1 )1 ()()()(12、并、并串联系统串联系统图图6.3.4所示的系统称为并所示的系统称为并串联系统。假设各部件的可靠度函数分串联系统。假设各部件的可靠度函数分别为别为rij(t)，i=1,n,j=1,mi,所有部件的寿命都相互独立。所有部件的寿命都相

51、互独立。11121m121222m2n1n2nmn（1）可靠度：（2）指数分布情形： 并串联系统的可靠度为失效率为平均寿命为 nimjijsysitrtr11 )(1 1)(ntmsysetr)1 (1)(ntmntmtmsyssyssyseeemntrtrt)1 (1)1 ()()()(1nisysimm111【例【例6.3.2续】假设每个部件正常运行续】假设每个部件正常运行1500小时的可靠度都达不到小时的可靠度都达不到0.999，只能是，只能是0.9684，如果直接用可靠度是，如果直接用可靠度是0.9638的的100个部件串个部件串联构成计算机系统，则计算机的可靠度仅是联构成计算机系统，

52、则计算机的可靠度仅是假设计算机有足够的空间为每个部件增加备用的冗余部件假设计算机有足够的空间为每个部件增加备用的冗余部件,为提高计为提高计算机系统的可靠度，可以用两个可靠度为算机系统的可靠度，可以用两个可靠度为0.9638的部件并联起来代的部件并联起来代替原来的一个部件，这实际上就是一个串替原来的一个部件，这实际上就是一个串并联系统。根据上面的并联系统。根据上面的公式可得，此时计算机系统的可靠度是公式可得，此时计算机系统的可靠度是，这和用，这和用100个可靠度为个可靠度为0.999的部件串联的结果一样，比直接用可的部件串联的结果一样，比直接用可靠度是靠度是0.9638的的100个部件串联极大地

53、提高了计算机系统的可靠度。个部件串联极大地提高了计算机系统的可靠度。 【例【例6.3.8】计算图】计算图6.10所示的混联系统的可靠度，其中每个部件的所示的混联系统的可靠度，其中每个部件的可靠度标在它们的旁边可靠度标在它们的旁边. 【解】该混联系统最内层是由部件c4和c5并联而成的子系统，记为，先计算其可靠度为部件c1、c2、c3和组成并串联系统，根据前面的公式可得该混联系统的可靠度为 0.9961)94. 098. 01)(96. 099. 01 (1sysr94. 0)75. 01)(76. 01 (14cr4c c1c2c3c4c50.980.760.750.04039684. 0)15

54、00(100sysr0.9049)9684. 01 (1 )1500(1002sysr问题问题3 3：可靠性数据即寿命数据如何得到可靠性数据即寿命数据如何得到? ?答答：首先要通过寿命试验获取寿命数据，首先要通过寿命试验获取寿命数据，然后再通过寿命数据分析，确定寿命分布的然后再通过寿命数据分析，确定寿命分布的类型以及获得其参数的估计，或者得到寿命类型以及获得其参数的估计，或者得到寿命分布本身的估计。只有在对部件、产品的寿分布本身的估计。只有在对部件、产品的寿命特性有了定量的认识之后，据此得到的可命特性有了定量的认识之后，据此得到的可靠性指标才比较符合实际；靠性指标才比较符合实际；最后简介加速寿

55、命试验。最后简介加速寿命试验。 一、寿命数据的获得一、寿命数据的获得寿命试验寿命试验 1 1、定义：寿命试验是指从一批产品中随机定义：寿命试验是指从一批产品中随机抽取抽取n n个产品组成一个样本，然后把此样本个产品组成一个样本，然后把此样本放在一定的应力水平放在一定的应力水平( (工作温度、工作电压工作温度、工作电压等等) )下进行试验，观察其工作状态，对照事下进行试验，观察其工作状态，对照事先确定的失效判据，发现有样品失效，立先确定的失效判据，发现有样品失效，立即记录其失效时间，最后用统计方法对这即记录其失效时间，最后用统计方法对这些失效时间数据进行处理，获得这批产品些失效时间数据进行处理，

56、获得这批产品( (总体总体) )的各项可靠性指标。的各项可靠性指标。 ( (一一) ) 寿命试验的定义和目的寿命试验的定义和目的2 2、寿命数据分析的目的是寿命数据分析的目的是定量地把握系统或部件寿定量地把握系统或部件寿命分布和可靠性特征，并把所获的信息反馈到设命分布和可靠性特征，并把所获的信息反馈到设计、制造和使用维修中去，以期改善可靠性、降计、制造和使用维修中去，以期改善可靠性、降低成本或合理安排维修和更换，使之获得更好的低成本或合理安排维修和更换，使之获得更好的使用价值和经济效果。使用价值和经济效果。具体地讲，表现在如下几具体地讲，表现在如下几个方面：个方面：(1)(1)在研制阶段用以暴

57、露试制产品各方面的缺陷，评在研制阶段用以暴露试制产品各方面的缺陷，评价产品可靠性达到预定指标的情况；价产品可靠性达到预定指标的情况；(2) (2) 在生产阶段为监控生产过程提供信息；在生产阶段为监控生产过程提供信息；(3) (3) 对定型产品进行可靠性鉴定或验收；对定型产品进行可靠性鉴定或验收；(4) (4) 暴露和分析产品在不同环境和应力条件下的失效暴露和分析产品在不同环境和应力条件下的失效规律及有关的失效模式和失效机理；规律及有关的失效模式和失效机理；(5) (5) 为改进产品可靠性，制定和改进可靠性试验方案，为改进产品可靠性，制定和改进可靠性试验方案，为用户选用产品提供依据。为用户选用产

58、品提供依据。 ( (二二) ) 寿命试验的分类寿命试验的分类1 1、根据试验场所分类：、根据试验场所分类：现场寿命试验和实验室寿现场寿命试验和实验室寿命试验命试验 (1) (1) 现场寿命试验现场寿命试验 这是产品在实际使用条件下观这是产品在实际使用条件下观测到的实际寿命数据，最能说明产品可靠性的特测到的实际寿命数据，最能说明产品可靠性的特征，可以说是最终的客观标准。因此，收集现场征，可以说是最终的客观标准。因此，收集现场中产品的寿命数据很重要。然而，收集现场数据中产品的寿命数据很重要。然而，收集现场数据困难多、投资大，需要时间长，工作情况也难以困难多、投资大，需要时间长，工作情况也难以一致，

59、而且必须要有相应的组织管理工作。一致，而且必须要有相应的组织管理工作。(2) (2) 实验室寿命试验实验室寿命试验 又称模拟寿命试验，它将现又称模拟寿命试验，它将现场主要的工作条件搬到实验室，并加以人工的控场主要的工作条件搬到实验室，并加以人工的控制，所有参试样本都在几乎完全相同的条件下进制，所有参试样本都在几乎完全相同的条件下进行寿命试验。行寿命试验。 模拟寿命试验管理简便、投资小、有重复性，模拟寿命试验管理简便、投资小、有重复性，便于产品间的比较。由于现场条件复杂多样，不可便于产品间的比较。由于现场条件复杂多样，不可能把现场工作条件全搬到实验室内，只能选择对产能把现场工作条件全搬到实验室内

60、，只能选择对产品寿命最有影响的、可控的一、二项条件，如温度、品寿命最有影响的、可控的一、二项条件，如温度、电流、电压、振动、负载等。这些工作条件通称为电流、电压、振动、负载等。这些工作条件通称为应力，其值称为应力水平，如应力，其值称为应力水平，如150150就是温度这个就是温度这个应力的一个水平。应力的一个水平。 模拟寿命试验由于受设备条件的限制，往往只模拟寿命试验由于受设备条件的限制，往往只能对产品施加单一条件，有时也可以施加多种条件，能对产品施加单一条件，有时也可以施加多种条件，这与实际使用环境条件有很大差异，因而未能如实这与实际使用环境条件有很大差异，因而未能如实地、全面地暴露产品的质量