仪表可靠性分析

1、可靠性工程技术 Reliability Engineering Technology第一部分 基础概念第一章 绪论1.1 可靠性研究与应用的目的和意义n什么是产品可靠性？q产品的属性：故障q人总是要生病。从生理学上讲，人也可以看成是产品或机器q持久保持其功能/性能的能力，不出现问题、补发上故障，为用户所用q电冰箱用710年不出故障，捷达轿车“皮实” 可靠性高 产品或产品的一部分不能或将不能完成规定功能的事件或状态叫出故障，对某些产品如电子元器件等亦称失效。1.1 可靠性研究与应用的目的和意义n为什么要搞可靠性？q人造事物没有永恒q产品故障会造成巨大的损失n1n2n3n4经济损失人员安全武器装备

2、丧失战斗力政治、社会问题 从政治方面考虑，无论哪个国家，从政治方面考虑，无论哪个国家，产品的先进性和可靠性对提高这产品的先进性和可靠性对提高这个国家的国际地位、国际声誉及个国家的国际地位、国际声誉及促进国际贸易发展都起很大的作促进国际贸易发展都起很大的作用。用。1.1可靠性研究与应用的目的和意义n为什么要搞可靠性？q技术的进步、信息时代q产品，特别是飞机、武器装备等日益复杂化、高科技q载人航天、绕月探测工程q美国人的火星探测q人类的生活在20、21世纪发生了巨大的变化q人们对可靠性的要求日益提高q现代高科技产品对可靠性高要求 各种先进的设备和产品广泛应用于工农业、交通运输、科研、文教卫生等各个

3、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n研究与提高产品的可靠性是要付出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。但是，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高了，就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，研究可成本。所以，从总体上看，研究可靠性是有经济效益的。靠性是有经济效益的。1.1 可靠性研究与应用的目的和意义n为什么要搞可靠性？q高可靠是武器装备战斗

4、力的保障q提高武器装备的效能q减少装备维修q减少装备全寿命周期费用q综合效能n功能/性能，款式、构型等n可靠性(寿命)、维修性、产品支援n质量n价格/使用费用0.60.8650.9250.8650.520.81.2 可靠性工程的发展n萌芽期q20世纪40年代是可靠性萌芽时期， 1943年美国成立了电子管研究委员会专门研究电子管的可靠性问题； n形成期q1951年ARINC开始了最早的一个可靠性改进计划；1952年美国国防部成立了电子设备可靠性咨询组(AGREE)；1955年AGREE开始实施从设计、试验、生产到交付、储存和使用的全面的可靠性发展计划，并于1957年发表了军用电子设备可靠性的研究

5、报告，从9个方面阐述了可靠性设计、试验及管理的程序及方法，确定了美国可靠性工程的发展方向，成为可靠性发展的奠基性文件，标志着可靠性已经成为一门独立的 学 科 ， 是 可 靠 性 工 程 发 展 的 重 要 里 程 碑 。Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment 电子设备可靠电子设备可靠性顾问委员会性顾问委员会航空无线电通讯公司1.2 可靠性工程的发展n成熟与综合发展q20世纪60年代70年代,是可靠性工程全面发展和步入成熟的阶段。美国在许多武器装备中推行可靠性工程，美军形成了一系列较完善的标准q20世纪80年代以来，可靠性向更广

6、泛和更深入的方向发展，并以武器装备的效能为目标，将可靠性、维修性和保障性有机的综合在一起，形成可靠性系统工程q我国从20世纪80年代，才真正在武器装备中开展可靠性工程；q21世纪初，可靠性工程在我国全面深入的研究与应用1.3 可靠性工程n产品特性维修系统失效(不可靠)事故(不安全)诊断保障产品(系统)固有属性故障可靠性维修性保障性测试性安全性 系统失效 (不可靠)内涵及其外延1.3 可靠性工程n可靠性系统工程q可靠性工程n可靠性、安全性(系统安全性工程)q维修性工程与维修工程n维修性产品固有的特性：反映产品是否好修n维修：为保持/恢复产品可用状态所开展的活动n维修的方式与级别，RCM：以可靠性

7、为中心的维修n测试与测试性：故障诊断q综合保障/产品支援n保障性：好保障、保障好n维修设备与人员n备件与维修网点(维修级别)n用户资料与培训等Reliability CenteredMaintenance 1.3 可靠性工程n可靠性工程理论基础q交叉型学科q可靠性的理论基础n宏观：系统学、概率论、统计学n微观：其他学科：材料学、力学等等q应用理论n系统工程n可靠性设计分析技术n可靠性试验技术n可靠性评估技术n可靠性信息管理n可靠性管理1.3 可靠性工程n可靠性工程范畴q系统/产品的可靠性要求或目标q可靠性的设计分析n建模、预计、FMEA、FTAn风险分析等q可靠性试验与评价n环境应力筛选(ES

8、S)n可靠性增长试验等n可靠性验证试验等q可靠性信息q可靠性管理1、可靠性基本理论可靠性数学与故障物理学；集合论与逻辑代数；概率论与数理统计；图论与随机过程；系统工程与人素工程学；环境工程学与环境应力分析；试验及分析基础理论。7、原件可靠性制定原件可靠性；元件失效分析与可靠性评价；元器件及原材料的合理选择；元器件的老化筛选；元器件现场使用情况调查和反馈。 2、可靠性设计贮备设计和裕度设计；降额设计和构件概率设计；热设计、抗机械力设计；防潮、腐蚀、盐雾、尘设计；电磁兼容设计和抗辐射设计；电磁兼容设计和抗辐射设计；维修性设计和使用性设计；质量、体积、重量和经济指标综合设计。8、系统可靠性可靠性预计

9、与分配；失效模式效应与危害度分析；事件树分析法(ETA)；故障树分析法(FTA)；可靠性综合评估。3、 可试 靠验 性 环境试验；寿命试验；筛选试验。9、 可教 靠育 性举办各种可靠性学习班与讲座；内外培训和内外考察；专业技术会议；出版可靠性刊物、可靠性教材。4、制造 质量控制手段和方法 10可靠性管理 建立可靠性管理机构和研究机构；制定可靠性管理纲要；制定产品可靠性管理规范；建立质量反馈制度；开展产品可靠性评审。5、使靠用性的保可证 使用和维护规程制定；操作和维修人员培训；安全性设计；人-机匹配设计和环境设计。6、可靠性.信息 现场数据收集、分析、整理和反馈；试验数据处理和反馈；元器件失效率

10、汇集和交换；各种可靠性信息搜集和交流；用户调查和反馈。11、可靠性标准基础标准；试验方法标准；认证标准；管理标准；设计标准；产品标准可靠性工程的基本内容可靠性工程的基本内容 第二章 可靠性基本概念与 度量表示2.1 可靠性概述2.1.1 可靠性工程概述q为达到产品的可靠性要求而进行的一套设计、研制、生产和试验工作：设计分析、试验与验证、管理、信息与评估qRE是可靠性系统工程的一个分支，是可靠性系统工程的核心。产品的可靠性是设计、生产和管理出来的q可靠性工程装备开发是系统工程的一个分支。服从装备开发系统工程和工程过程的基本规律2.1.1 可靠性工程概述n质量与可靠性关系q从广义质量观看，质量涵盖

11、可靠性q从狭义的质量观看，两者不相符q可靠性毕竟与狭义的质量管理还是有很大区别的，质量出了问题，往往批次性很强q可靠性是更深层次的与设计、工艺相关的根本性问题。有些企业对于可靠性工程有一种错误观念，认为可靠性工程是质量部门的事情，而设计部门却很少人员参与。q产品的可靠性是在设计阶段就已经决定了q在用户使用过程中，均是“可靠性”问题2.1.2 可靠性定义n可靠性：n对于可靠性的理解应注意：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 必须明确所规定的时间 必须明确产品所需完成规定的功能 指 *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。广泛的对象：包括零件和元器件、整机

12、设备、系统三个规定2.1.3 可靠性分类n狭义可靠性：前页所述。表示产品在某一规定时间内发生故障的难易程度广义可靠性=狭义可靠性+维修性故障n致命性故障：致命性故障：n产品不能完成规定任务n或可能导致重大损失n系统性故障：系统性故障：n由某一固有因素引起，n以特定形式出现的n偶然故障：偶然故障：n由于偶然因素引起得故障广义可靠性：产品在其整个寿命周期内完成规定功能的能力。2.1.3 可靠性分类n可靠性需要满足：n1）不发生故障n2）发生故障后能方便地、及时地修复，以保持良好功能状态能力，即要有良好的维修性。n维修性维修性是指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

13、持和恢复到能完成规定功能的能力。 2.1.3 可靠性分类q按用户/生产方分类n固有可靠性:n使用可靠性q按分析角度分类n基本可靠性：产品在规定的条件下，无故障的持续时间或概率q在没有后勤保障情况下系统工作能力的度量q考虑所有需要维修保障的故障n任务可靠性：产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力q系统完成任务能力的度量 q只考虑引起任务失败的故障由设计决定、制造实现和保证的可由设计决定、制造实现和保证的可靠性。靠性。先天不足先天不足在使用过程中，因受环境条件、维修方在使用过程中，因受环境条件、维修方式及人为因素的影响所能达到的可靠式及人为因素的影响所能达到的可靠性。性。2.1.4可靠性研究的内

14、容n可靠性设计分析q建立可靠性模型q可靠性分配q可靠性预计q故障模式、影响及危害性分析q故障树分析q潜在分析q电路容差分析q制定可靠性设计准则与符合性检查q元器件、零部件和原材料选择与控制q确定可靠性关键产品q确定功能测试、包装、贮存、装卸、运输和维修对产品可靠性的影响2.1.4可靠性研究的内容n可靠性试验与评价可靠性验证q环境应力筛选q可靠性研制试验q可靠性增长试验q可靠性鉴定试验q可靠性验收试验q可靠性分析评价q寿命试验2.1.4 可靠性研究的内容n可靠性管理q制定可靠性计划(甲方)q制定可靠性工作计划(承制方)q对承制方、转承制方和供应方的监督与控制q可靠性评审q建立故障报告、分析和纠正

15、措施系统q建立故障审查组织q可靠性增长管理2.1.4 可靠性研究的内容n使用可靠性评估与改进q使用可靠性信息收集q使用可靠性评估q使用可靠性改进q有限元分析q耐久性分析2.1.5 可靠性工程工作流程可靠性工程工作流程2.2 可靠性度量与表示 衡量产品可靠性的指标很多，各指标之间有着密切联系，其中最主要的有四个，即：n可靠度R (t)n不可靠度(或称累积故障概率)F (t)n故障密度函数f (t)n故障率(或称失效率)(t)。 2.2.1可靠度及可靠度函数R(t)n定义：n )()(tTPtR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，(也称为可靠度函数）用R(t)表示。 T

16、产品故障前的工作时间；t 规定的时间。n 即：P (Tt)就是产品使用时间T大于规定时间t的概率。 2.2.1可靠度及可靠度函数R(t) n可靠度R(t)是时间的函数 当t = 0时，R(0)=1 当t =时，R()= 02.2.1可靠度及可靠度函数R(t)n 若受试验的样品数是N0个，到t时刻未失效的有N s (t)个；失效总数有N f (t)个。n则没有失效的概率估计值，即可靠度的估计值为 000)()()()()()(NtNNNtNtNtNtNtRfsfss计算方法 可靠度估算示例0100200123456789101112样品号样品寿命42.012712)(tR寿命低于100即为失效，

17、那么, R(12)=?2.2.1可靠度及可靠度函数R(t)n例题 练习2.2.2 失效(故障)概率 F（t）n如果仍假定t为规定的工作时间，T为产品故障前的时间，则产品在规定的条件下，在规定的时间内丧失规定的功能(即发生故障)的概率定义为不可靠度(或称为故障概率)，用F(t)表示：n名称很多：不可靠度、失效概率、故障概率、累积失效概率)()(tTptF2.2.2 失效(故障)概率 F（t）n同样，不可靠度的估计值为：n若给定的不是Nf(t),而是每个小时间段内的实效数呢？ 000)()()()()()(NtNNNtNtNtNtNtFsffsf2.2.2 失效(故障)概率 F（t）n由于故障和不

18、故障这两个事件是对立的，所以n n当N0足够大时，就可以把频率作为概率的近似值。1)()(tFtR2.2.3 失效(故障)概率密度 f (t)n定义：失效概率密度是累积失效概率F(t)对时间的变化率。其物理意义是在时间间隔(t,t+dt)内的单位时间内发生故障的概率。)( )()(tFdttdFtf注对于使用方来说，总数一般是不知道的，所以对使用方而言f（t）的使用价值不大。2.2.3 失效(故障)概率密度 f (t)n如果N0是产品试验总数，N f是时刻tt+t时间间隔内产生的故障产品数，N f (t)(N0t)称为tt+t时间间隔内的平均失效(故障)密度，表示这段时间内平均单位时间的故障频

19、率，若N0，t0，则频率概率。它等于时刻t后的一个单位时间内产品的故障数与产品总数之比。dtdNNtffN01lim)(02.2.3 失效(故障)概率密度 f (t)n也可根据F(t)的定义，得到f (t)，即 nF (t)具有以下性质： 0 F (t) 1，且为增函数。 ttfftfdttfdtdttdNNtdNNNtNtF000000)()(1)(1)()(2.2.4 瞬时失效/故障率(t)n 故障率(t)是衡量可靠性的一个重要指标，n其定义为：在t时刻，尚未失效的产品，在该时刻后的单位时间内发生失效的概率。2.2.4 瞬时失效/故障率(t)n计算方法计算方法)(1)()()()(lim)

20、(0tRdttdFttRtFttFtt2.2.4 瞬时失效/故障率(t)n当N0时 )()(/ )(1 ()()()(1)(000tRtfNtNdtNtdNdttdNtNNtffffdttdNtNtfs)()(1)(式中dNf (t)为dt时间内的故障产品数。计算方法dtdNNtffN01lim)(02.2.4 瞬时失效/故障率(t)一般情况下，(t)可用下式进行工程计算： ttNtrts)()()(式中r（t）t时刻后，t时间内的故障的产品故障数； t所取时间间隔； Ns（t）在t时刻没有发生故障的产品数。2.2.4 瞬时失效/故障率(t)n失效率曲线耗损失效期t时间偶然失效期早期失效期使用

21、寿命规定的失效率(t)失效率AB浴盆曲线器件的缺陷，制造的缺陷或储存运输的原因造成的故障产品进入成熟期，故障多为偶然原因造成产品进入耗损期，故障多为老化、耗损，物理化学机理通过浴盆曲线确定保修期确定使用寿命零部件个未能更换时间2.2.4 瞬时失效/故障率(t)n（1）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、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。 使产品失效率达到偶然失效期的时间使产品失效率达到偶然失效期的时间t t0 0称为交付使用点。称为交付使用点。 （2）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

22、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，这偶然失效期是能有效工作的时期，这段时间称为有效寿命。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。 （3）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。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。2.2.4 瞬时失效/故障率(t)n失效率的单位： 国际上还采用“

23、菲特“（FIT,Failure Unit）作为高可靠性产品的失效率单位，为10-9/h httnNn/%*)(/(hh5461010( 1101000( 11（个）个）（个）个）菲特广义的单位：次数、周期等 失效率越小，可靠性越高。失效率越小，可靠性越高。2.2.4 瞬时失效/故障率(t) 失效分布失效分布*指数分布指数分布n我们知道n解此微分方程， 可得可靠度函数： n于是得)()()(tRtRttdxxtR0)(exp)(tdxxttf0)(exp).()(2.2.4 瞬时失效/故障率(t) 失效分布失效分布*指数分布指数分布n当 时，产品寿命的密度函数 n其分布函数F(t)与可靠度R(t

24、)分布为 n n这个分布函数为指数分布，它的数学期望（即均值）为：)(ttetf.)(tetF1)(tetR)(1)()(00dttedtttfTEt2.2.4 瞬时失效/故障率(t) 失效分布失效分布*正态分布正态分布2.2.4 瞬时失效/故障率(t) 失效分布失效分布*正态分布正态分布2.2.4 瞬时失效/故障率(t) 失效分布失效分布*威布尔分布威布尔分布2.2.4 瞬时失效/故障率(t) 失效分布失效分布*威布尔分布威布尔分布2.2.5 四个指标之间的关系n(t)与可靠度R (t)n(t)与不可靠度F (t)n(t)与故障密度函数f (t)tdttttetRtRdtttRdttdRtRdttfdtttRtft0)(00)()(ln)()()()()()()()()(2.2.5 四个指标之间的关系2.3 可靠性寿命特征寿命是可靠性的又一种表示，产品的寿命是产寿命是