机械系统可靠性分析方法3

1、机械系统可靠性分析方法机械系统可靠性分析方法东北大学机械工程与自动化学院东北大学机械工程与自动化学院现代设计与分析研究所现代设计与分析研究所何雪浤何雪浤联系方式：联系方式-mail: 有关机械系统可靠性的一些问题有关机械系统可靠性的一些问题l系统可靠性建模问题系统可靠性建模问题l系统可靠性预计问题系统可靠性预计问题l系统可靠性分配问题系统可靠性分配问题l系统失效分析问题系统失效分析问题l系统故障树建立与分析问题系统故障树建立与分析问题l可靠性综合管理问题可靠性综合管理问题l机械系统可靠性理论和应用中的问题机械系统可靠性理论和应用中的问题机械系统可靠性分析方法机械系统

2、可靠性分析方法l1. 机械系统可靠性模型的建立机械系统可靠性模型的建立l2. 系统的可靠性分析方法系统的可靠性分析方法l3. 系统的可靠性分配方法系统的可靠性分配方法l4. 机械系统的失效分析机械系统的失效分析l5. 其他其他l1.1 系统的定义及分类系统的定义及分类系统系统：为了：为了完成某一特定功能完成某一特定功能，由若干个彼此有联系的而且，由若干个彼此有联系的而且又能相互协调工作的又能相互协调工作的单元所组成的所组成的综合体。 系统按系统按修复与否修复与否分两类。分两类。 l不可修复系统不可修复系统：指系统或其组成单元一旦发生失效，不再修复，：指系统或其组成单元一旦发生失效，不再修复，系

3、统处于报废状态。系统处于报废状态。l可修复系统可修复系统：通过维修而恢复其功能的系统。：通过维修而恢复其功能的系统。1. 机械系统可靠性模型的建立机械系统可靠性模型的建立1.2 系统可靠性功能逻辑框图系统可靠性功能逻辑框图l系统的各种特性可以采用多种模型来加系统的各种特性可以采用多种模型来加以描述。以描述。 l原理图原理图l功能流程图功能流程图l可靠性模型可靠性模型：描述了系统及其组成单元之间的：描述了系统及其组成单元之间的故障逻辑关系故障逻辑关系。 收音机原理图收音机原理图收音机可靠性框图收音机可靠性框图l系统的原理图、功能框图和功能流程图是建立系统可系统的原理图、功能框图和功能流程图是建立

4、系统可靠性模型的基础。靠性模型的基础。l建立系统逻辑框图时绝不能从结构上判定系统类型，建立系统逻辑框图时绝不能从结构上判定系统类型，而应从功能上研究系统类型。即：而应从功能上研究系统类型。即：同一系统，根据不同一系统，根据不同的功能，建立不同的模型。同的功能，建立不同的模型。 双开关系统原理双开关系统原理图及可靠性框图图及可靠性框图(b) 功能：导电功能：导电(c) 功能：断开功能：断开两个串联阀系统不同功能下的可靠性模型两个串联阀系统不同功能下的可靠性模型 (a) 流通流通(b) 截流截流l可靠性模型可分为两类可靠性模型可分为两类基本可靠性模型基本可靠性模型：用以估计产品及其组成单元可：用以

5、估计产品及其组成单元可能发生的故障引起的维修及保障要求的可靠性模能发生的故障引起的维修及保障要求的可靠性模型。是一个全串联模型。型。是一个全串联模型。 任务可靠性模型任务可靠性模型：用以估计产品在执行任务过程：用以估计产品在执行任务过程中完成规定功能的概率，描述完成任务过程中产中完成规定功能的概率，描述完成任务过程中产品各单元的预定作用并度量工作有效性的一种可品各单元的预定作用并度量工作有效性的一种可靠性模型。靠性模型。 在建立可靠性模型时，应根据建模目的不同，正在建立可靠性模型时，应根据建模目的不同，正确地区分基本可靠性模型与任务可靠性模型。确地区分基本可靠性模型与任务可靠性模型。 F/A-

6、18基本可靠性框图基本可靠性框图 F/A-18任务可靠性框图任务可靠性框图 1.3 机械机械系统可靠性模型分类系统可靠性模型分类2. 系统的可靠性分析方法系统的可靠性分析方法l2.1 串联系统串联系统l2.2 并联系统并联系统l2.3 混联系统混联系统l2.4 表决系统表决系统l2.5 旁联系统旁联系统l2.6 复杂系统复杂系统2.1 串联系统串联系统l特征特征：只有组成系统的只有组成系统的n个相互独立单元都正常工个相互独立单元都正常工作时，系统才正常工作作时，系统才正常工作。其中任一功能失效，则其中任一功能失效，则系统功能失效系统功能失效。如锚链就是这样的组合形式，如如锚链就是这样的组合形式

7、，如果其中一个环节断裂，整个链条就失效。果其中一个环节断裂，整个链条就失效。2.1 串联系统串联系统l 假定串联系统中各单元是独立的，则该假定串联系统中各单元是独立的，则该系统可靠度是系统可靠度是所有单元的可靠度的连乘积所有单元的可靠度的连乘积 。nisRRRRR.21 在串联系统中，单元数越多，系统可靠度越低。在串联系统中，单元数越多，系统可靠度越低。 2.1 串联系统串联系统l分析：假定各分析：假定各单元寿命单元寿命均服从指数分布，几个均服从指数分布，几个单元失效都属于偶然失效，令单元失效率为单元失效都属于偶然失效，令单元失效率为 i（常数），单元可靠度为（常数），单元可靠度为 l则系统可

8、靠度为：则系统可靠度为：l上式表明上式表明串联系统的寿命串联系统的寿命也服从指数分布，即也服从指数分布，即系统失效率也为常数，且系统失效率也为常数，且 tiietR ttnitssniiieeetR11niis12.1 串联系统串联系统l串联系统的平均寿命为串联系统的平均寿命为 ss1若若 1.21n则则 ns tnnsetRtRnns1例例1l计算由两个单元组成的串联系统可靠度、失效计算由两个单元组成的串联系统可靠度、失效率和平均寿命。已知两个单元的失效率分别为率和平均寿命。已知两个单元的失效率分别为 1=0.00005(1/h)， 2=0.00001(1/h)，工作时间，工作时间t=100

9、0h。 00006. 000001. 000005. 021s94176. 0)(100000006. 0eetRtss1666700006. 0/1/1ss2.2 并联系统并联系统l特征特征：只要其中任一个单元只要其中任一个单元正常工作，系统就能正常工正常工作，系统就能正常工作作，只有只有n n个单元全部失效时，个单元全部失效时，系统才失效系统才失效。 2.2 并联系统并联系统l 并联系统是所有单元都失效时系统才失效的系统，因此并联系统是所有单元都失效时系统才失效的系统，因此该该系统故障率是所有单元故障率的连乘积系统故障率是所有单元故障率的连乘积。 )1).(1).(1)(1 (121nis

10、RRRRR 并联系统可靠度大于单元可靠度最大的值。并联系统可靠度大于单元可靠度最大的值。 tFtFniis1 niiniisstRtFtFtR1111112.2 并联系统并联系统ln=2时的并联系统，假设其单元寿命分布均是时的并联系统，假设其单元寿命分布均是失效率为常数的指数分布，则：失效率为常数的指数分布，则： tRtRtRtReeetRttts2121)(21212121111s ttttttseeeeeet2121212121212.2 并联系统并联系统l当当n个相同系统并联时，其可靠性特征量为：个相同系统并联时，其可靠性特征量为： ntnsetRtR1111nns1.21111.211

11、 ntnttssseeentRtRt11112.2 并联系统并联系统l2个相同系统并联时个相同系统并联时 tRtRtRs222323211s tttttseeeeet21211122例例2l已知条件和数据同例已知条件和数据同例1，即，即已知两个单元的失已知两个单元的失效率分别为效率分别为 1=0.00005(1/h)， 2=0.00001(1/h)，工作时间工作时间t=1000h。求求2个单元并联系统的可靠个单元并联系统的可靠度、平均寿命及失效率。度、平均寿命及失效率。 2.3 混联系统混联系统l特征：由串联和并联混合组成的系统特征：由串联和并联混合组成的系统 。2.3混联系统混联系统l对于一

12、般混联系统，可用串联和并联原理，对于一般混联系统，可用串联和并联原理，将混联系统中将混联系统中的串联和并联部分简化成的串联和并联部分简化成等效单元等效单元子系统子系统（图中（图中（b b）和（和（c c）。）。l利用串联和并联系统可靠性特征量利用串联和并联系统可靠性特征量求出子系统的可靠性特求出子系统的可靠性特征量。征量。l把每一个子系统作为一个把每一个子系统作为一个等效单元等效单元，得到一个与混联系统，得到一个与混联系统等效的串联或并联系统等效的串联或并联系统，即可求得全系统的可靠性特征量。，即可求得全系统的可靠性特征量。 混联系统可靠度计算步骤与方法混联系统可靠度计算步骤与方法2.3混联系

13、统混联系统l 例：求图示系统的可靠度例：求图示系统的可靠度 tRtRtRtRs3211 tRtRtRs542 tRtRtRtRtRtRtRsssssss2121213111 tRtRtRs764111 tRtRtRtRsss843l 两个典型的混联系统两个典型的混联系统串串并联系统并联系统并并串联系统串联系统nmsRR11mnsRR11例例3l若在若在m=n=5的串并联系统与并串联系统中，单元可的串并联系统与并串联系统中，单元可靠度均为靠度均为R=0.75，试分别求出这两个系统的可靠度。，试分别求出这两个系统的可靠度。n结论：结论：在单元数目及单元可靠度相同的情况下，串并联在单元数目及单元可靠

14、度相同的情况下，串并联系统可靠度高于并串联系统可靠度。系统可靠度高于并串联系统可靠度。 99513. 075. 01111551nmstRtR 74192. 075. 01111552mnstRtRl混联系统分析中要注意的问题混联系统分析中要注意的问题确保各单元或子系统的相互独立性确保各单元或子系统的相互独立性简化系统的可靠性框图简化系统的可靠性框图1221121098272345621sssRRRRRRRRR2.4 表决系统表决系统l特征特征：组成系统的组成系统的n个单元中个单元中，至少至少k个个单元正常工作单元正常工作，系统才能正系统才能正常工作常工作；大于（大于（n-k）个单元失效）个单

15、元失效，系统就失效系统就失效。这样的系统称为。这样的系统称为k/n表决系统表决系统。 l 2/3表决系统表决系统)(2)(3)(32tRtRtRs)()()(2)()()()()()()(321321321tRtRtRtRtRtRtRtRtRtRsl如果各单元寿命服从指数分布，则如果各单元寿命服从指数分布，则 ttttseeeetR)()()()(3211332212)(32113322102111)(dttRssl若各单元的失效率均为若各单元的失效率均为时，则时，则 tteetRtRtR323223)(2)(3)(653223sl 单元可靠度相等时的单元可靠度相等时的k/n表决系统表决系统q

16、 k=1时时，即为，即为n个相同单元的并联系统；个相同单元的并联系统；q k=n时时，即为，即为n个相同单元的串联系统。个相同单元的串联系统。 例例4l某某3/6表决系统，各单元寿命均服从指数分布，失效率表决系统，各单元寿命均服从指数分布，失效率均为均为 =410-5 (1/h )，若工作时间，若工作时间t=7200h，求系统的，求系统的可靠度及平均寿命。可靠度及平均寿命。 75. 0)7200()(720000004. 0eeRtRth23750605710416151413111115633inisii2.5 旁联系统旁联系统l特征特征：其中：其中一个单元工作一个单元工作，其余单元处于非工

17、其余单元处于非工作状态的贮备作状态的贮备，当，当工作单元工作单元发生故障时，通过发生故障时，通过转换装置转换装置使使贮备的单元贮备的单元逐个地去替换，直到所逐个地去替换，直到所有单元都发生故障时，系统即失效。有单元都发生故障时，系统即失效。 l贮备系统应该有监测装置及转换装置。贮备系统应该有监测装置及转换装置。监测装置监测装置的作用是当工作单元一旦失效时，监测的作用是当工作单元一旦失效时，监测装置及时发现这一故障并发出信号，使转换装置装置及时发现这一故障并发出信号，使转换装置及时工作。及时工作。转换装置转换装置的作用就是及时使贮备单元逐个地去顶的作用就是及时使贮备单元逐个地去顶替失效单元，保证

18、系统正常工作。替失效单元，保证系统正常工作。l旁联系统旁联系统实例实例飞机的正常放起落架和应急放起落架系统；车辆飞机的正常放起落架和应急放起落架系统；车辆的正常刹车与应急刹车；备用轮胎；人工操纵与的正常刹车与应急刹车；备用轮胎；人工操纵与自动操纵等各种情况均为旁联系统。自动操纵等各种情况均为旁联系统。 l旁联系统的旁联系统的最低组成最低组成工作单元、贮备单元、监测装置、转换装置工作单元、贮备单元、监测装置、转换装置l旁联系统中旁联系统中贮备单元常有两种情况贮备单元常有两种情况贮备单元在贮备期间失效率为零；贮备单元在贮备期间失效率为零；贮备单元在贮备期间也可能失效。贮备单元在贮备期间也可能失效。

19、2.5.1 贮备单元完全可靠的旁联系统贮备单元完全可靠的旁联系统 l贮备单元完全可靠的旁联系统，还存在监测贮备单元完全可靠的旁联系统，还存在监测装置及转换装置可靠与不完全可靠的两种情装置及转换装置可靠与不完全可靠的两种情况。况。为了分析简便，略去监测装置不可靠的为了分析简便，略去监测装置不可靠的影响。影响。转换装置对系统的影响将分别进行讨转换装置对系统的影响将分别进行讨论。论。l考虑考虑几种可能的情况几种可能的情况转换装置完全可靠转换装置完全可靠转换装置不完全可靠转换装置不完全可靠l转换装置失效率恒定，可靠度为指数函数转换装置失效率恒定，可靠度为指数函数l转换装置可靠度为一个定值转换装置可靠度

20、为一个定值（1）转换装置完全可靠）转换装置完全可靠 当系统由当系统由n个单元组成，设系统个单元组成，设系统n个单元的寿命分个单元的寿命分别为随机变量别为随机变量T1，T2，T3，Tn，且两两相互独，且两两相互独立。则系统的寿命为随机变量立。则系统的寿命为随机变量TsT1+T2+Tn，系统可靠度为系统可靠度为系统的平均寿命为系统的平均寿命为 ).()()(21tTTTPtTPtRnssniins121.l假定：假定：系统由两个单元组成，单元的寿命都服从指数系统由两个单元组成，单元的寿命都服从指数分布，失效率分别为分布，失效率分别为1，2。l则：则：系统的寿命为单元寿命之和，即随机变量系统的寿命为

21、单元寿命之和，即随机变量 TsT1+T2 l若单元寿命分布的分布密度函数分别为若单元寿命分布的分布密度函数分别为f1(t)及及f2(t)，系，系统寿命分布的分布密度函数统寿命分布的分布密度函数fs(t)，则利用卷积公式及，则利用卷积公式及拉普拉斯变换可求拉普拉斯变换可求系统的可靠度系统的可靠度Rs(t)和和平均寿命平均寿命分别分别为：为： ttttstsseedteedttftR21212111221221)()(210211122011)(21dteedttRttssl若若l则则21ttttssetdttedttftR1)()(22s当系统由当系统由n个单元组成，单元的寿命均为指数分布，个单

22、元组成，单元的寿命均为指数分布，其失效率为其失效率为i，i=1，2，n，且两两相互独立，且两两相互独立时，可利用数学归纳法证明系统可靠度和系统平均时，可利用数学归纳法证明系统可靠度和系统平均寿命分别为：寿命分别为： nknkiitkiisketR11)(niiniis111l当失效率当失效率 时时n.211012!1.! 21)(nktktnsektenttttRnniis1例例5l试比较均由两个相同的单元组成的串联系统、试比较均由两个相同的单元组成的串联系统、并联系统、旁联系统（转换装置完全可靠及贮并联系统、旁联系统（转换装置完全可靠及贮备单元完全可靠）的可靠度。假定单元寿命服备单元完全可靠

23、）的可靠度。假定单元寿命服从指数分布，失效率为从指数分布，失效率为，单元可靠度，单元可靠度 9 . 0)( tetR一般讲，当认为转换装置可靠度为一般讲，当认为转换装置可靠度为1 1时，时，旁联系统的可靠度大于并联系统的可靠度。旁联系统的可靠度大于并联系统的可靠度。这是因为旁联系统中贮备单元在顶替前不这是因为旁联系统中贮备单元在顶替前不参加工作的缘故。参加工作的缘故。 2.5.1 贮备单元完全可靠的旁联系统贮备单元完全可靠的旁联系统（2）转换装置不完全可靠）转换装置不完全可靠以以两个单元组成的旁联系统两个单元组成的旁联系统为例，说明转换装置不为例，说明转换装置不完全可靠的旁联系统可靠度问题。完

24、全可靠的旁联系统可靠度问题。（a）转换装置可靠度）转换装置可靠度 时时l若转换装置的失效率为若转换装置的失效率为0，单元的失效率为，单元的失效率为1，2，而且，而且两两相互独立，设两个单元寿命为随机变量两两相互独立，设两个单元寿命为随机变量T1及及T2，相应，相应的系统寿命为的系统寿命为 tetR0)(01021101TTTTTTTTsl系统的可靠度和平均寿命分别为系统的可靠度和平均寿命分别为 1021101)(dttRsstttsseeeTTtTTPTTtTPtTPtR102121011021101,)(l当两个单元失效率均相同，系统的可靠度和当两个单元失效率均相同，系统的可靠度和平均寿命分

25、别为平均寿命分别为 tttseeetR00)(011s2.5.1 贮备单元完全可靠的旁联系统贮备单元完全可靠的旁联系统（2）转换装置不完全可靠）转换装置不完全可靠（b）转换装置使用前失效率为）转换装置使用前失效率为0，使用时的可靠度为，使用时的可靠度为常数常数R0时时l设：组成系统的两个单元失效率仍然为设：组成系统的两个单元失效率仍然为1，2，转换装置，转换装置在使用中失效时，不可靠度在使用中失效时，不可靠度F01-R0，系统寿命为，系统寿命为T1，转，转换装置使用不失效时，可靠度为换装置使用不失效时，可靠度为R0，系统寿命为，系统寿命为T1+T2，则系统的可靠度及平均寿命分别为则系统的可靠度

26、及平均寿命分别为 )(1)(121210102101tttseeReRtTTPRtTPtR2011Rsl当两个单元失效率均相同，系统的可靠度和平当两个单元失效率均相同，系统的可靠度和平均寿命分别为均寿命分别为 )1 ()(0tRetRts)1 (10Rs例例6l由两个相同单元组成的旁联系统，由两个相同单元组成的旁联系统，单元寿命服从指数分布，且单元寿命服从指数分布，且 1= 2=0.0001/h， 0=0.000025/h，求，求在在t=2000h情况下的情况下的Rs(t)及及s。 97845. 01000025. 00001. 01)2000(2000000025. 020000001. 0

27、eeRsh180000001. 0000025. 010001. 01110sl考虑贮备单元在考虑贮备单元在贮备期为恒定失效率贮备期为恒定失效率 hl仍然考虑仍然考虑几种可能的情况几种可能的情况转换装置完全可靠转换装置完全可靠转换装置不完全可靠转换装置不完全可靠l转换装置失效率恒定转换装置失效率恒定l转换装置可靠度为一个定值转换装置可靠度为一个定值2.5.2 贮备单元不完全可靠的旁联系统贮备单元不完全可靠的旁联系统2.5.2 贮备单元不完全可靠的旁联系统贮备单元不完全可靠的旁联系统（1）转换装置完全可靠的情况）转换装置完全可靠的情况 tthtsheeetR)(211121)(hs112111t

28、thtsheeetR)()(hs11当两个单元当两个单元失效率相同失效率相同2.5.2 贮备单元不完全可靠的旁联系统贮备单元不完全可靠的旁联系统（2）转换装置不完全可靠的情况）转换装置不完全可靠的情况a）转换装置可靠度）转换装置可靠度 时时tthtsheeetR)(21011021)()(110211hstetR0)(02.5.2 贮备单元不完全可靠的旁联系统贮备单元不完全可靠的旁联系统（2）转换装置不完全可靠的情况转换装置不完全可靠的情况（b）转换装置的可靠度为常数）转换装置的可靠度为常数R0 tthtsheeRetR)(2110121)()(112101hsR例例7l数据同例数据同例5-6

29、，只是单元，只是单元2在贮备期中的失效在贮备期中的失效率为率为 h=0.00001/h，求系统的可靠度及平均，求系统的可靠度及平均工作时间。工作时间。 2.6 复杂系统复杂系统l如图所示的像电桥一样的系统，不能简化为串联、并如图所示的像电桥一样的系统，不能简化为串联、并联或串并联等上述典型的数学模型而加以计算，只能联或串并联等上述典型的数学模型而加以计算，只能用分析其用分析其“正常正常”与与“失效失效”的各种状态的的各种状态的布尔真值布尔真值表法表法来计算其可靠度，故此法又称为来计算其可靠度，故此法又称为状态穷举法状态穷举法。它。它是一种比较直观的、是一种比较直观的、用于复杂系统可靠度计算用于

30、复杂系统可靠度计算的方法的方法。 桥式系统桥式系统l设系统由设系统由n个单元组成，且各单元均有个单元组成，且各单元均有“正常正常”（用（用 “1”表示）与表示）与“失效失效”（用（用“0”表示）两种状态，这表示）两种状态，这样，该系统的状态就有样，该系统的状态就有2n种。种。对这对这2n2n种状态作逐一分种状态作逐一分析，即可得出该系统可正常工作的状态有哪几种，并析，即可得出该系统可正常工作的状态有哪几种，并可分别计算其正常工作的概率。可分别计算其正常工作的概率。然后，然后，将该系统所有将该系统所有正常工作的概率相加，即可得到该系统的可靠度。正常工作的概率相加，即可得到该系统的可靠度。l这一过

31、程可借助于布尔真值表进行。这一过程可借助于布尔真值表进行。 布尔真值表布尔真值表例例8l由由1、2、3、4和和D等子系统构成的系统可靠性等子系统构成的系统可靠性框图如图所示，各子系统的可靠度分别用框图如图所示，各子系统的可靠度分别用R1、R2、R3、R4和和RD表示。试写出系统可靠度的表示。试写出系统可靠度的表达式。表达式。例例8解解l以单元以单元D为中枢单元对系统进行分解。当单元为中枢单元对系统进行分解。当单元D处于处于正常工作状态时，原系统成为如下图所示的分系统正常工作状态时，原系统成为如下图所示的分系统S1:l当中枢单元当中枢单元D失效时，原系统成为如下图所示的分系失效时，原系统成为如下

32、图所示的分系统统S2：l因此，原系统的可靠度为：因此，原系统的可靠度为：211SDSDsRRRRR3 系统的可靠性分配系统的可靠性分配l3.1 概述概述l3.2 等同分配法等同分配法l3.3 按相对比例因子的分配法按相对比例因子的分配法l3.4 AGREE分配法分配法l3.5 花费最小的分配法花费最小的分配法3.1概述概述3.1.1 系统的可靠性分配系统的可靠性分配在规定条件下在规定条件下合理确定合理确定系统中系统中各单元各单元的可靠度的可靠度3.1.2 系统可靠性分配的目的系统可靠性分配的目的合理地确定系统中每个单元的可靠度指标，以合理地确定系统中每个单元的可靠度指标，以便在便在单元设计单元

33、设计、制造、试验、验收时切实地加、制造、试验、验收时切实地加以保证。反过来又将以保证。反过来又将促进设计、制造、试验、促进设计、制造、试验、验收方法和技术的改进和提高验收方法和技术的改进和提高。3.1概述概述3.1.2 系统可靠性分配的目的系统可靠性分配的目的通过可靠性分配，帮助设计者了解零件、单元通过可靠性分配，帮助设计者了解零件、单元( (子系统子系统) )、系统、系统( (整整体体) )间的可靠度相互关系，做到心中有数，间的可靠度相互关系，做到心中有数，减少盲目性减少盲目性，明确设计明确设计的基本问题的基本问题。 通过可靠性分配，使设计者更加通过可靠性分配，使设计者更加全面地权衡系统的性

34、能、功能、全面地权衡系统的性能、功能、重量、费用及有效性等与时间的关系重量、费用及有效性等与时间的关系，以期获得，以期获得更为合理更为合理地系统地系统设计，提高产品的设计，提高产品的设计质量设计质量。 通过分配，使系统所获得的可靠度值比分配前更加通过分配，使系统所获得的可靠度值比分配前更加切合实际切合实际，可，可节省制造的时间及费用节省制造的时间及费用。 3.1概述概述3.1.3 系统可靠性分配的原则系统可靠性分配的原则技术水平技术水平。对技术成熟的单元，能够保证实现较高的可靠性，对技术成熟的单元，能够保证实现较高的可靠性，或预期投入使用时可靠性可有把握地增长到较高水平，则可分或预期投入使用时

35、可靠性可有把握地增长到较高水平，则可分配给较高的可靠度。配给较高的可靠度。 复杂程度复杂程度。对较简单的单元，组成该单元的零部件数量少，组对较简单的单元，组成该单元的零部件数量少，组装容易保证质量或故障后易于修复，则可分配给较高的可靠度。装容易保证质量或故障后易于修复，则可分配给较高的可靠度。 重要程度重要程度。对重要的单元，该单元失效将产生严重的后果，或对重要的单元，该单元失效将产生严重的后果，或该单元失效常会导致全系统失效，则应分配给较高的可靠度。该单元失效常会导致全系统失效，则应分配给较高的可靠度。 任务情况任务情况。对整个任务时间内均需连续工作及工作条件严酷，对整个任务时间内均需连续工

36、作及工作条件严酷，难以保证很高可靠性的单元，则应分配给较低的可靠度。难以保证很高可靠性的单元，则应分配给较低的可靠度。 3.1概述概述3.1.4 系统可靠性分配时应考虑的因素系统可靠性分配时应考虑的因素 市场上同类产品的可靠性指标市场上同类产品的可靠性指标 产品的年利用率：故障率、维修度产品的年利用率：故障率、维修度 工厂现有的制造条件工厂现有的制造条件 用户和市场需求用户和市场需求3.2 等同分配法等同分配法l对系统中所有单元分配相等的可靠度对系统中所有单元分配相等的可靠度l串联系统串联系统l并联系统并联系统nsiRR1)(nsiRR1)1 (1l混联系统混联系统先将串并联系统先将串并联系统

37、化简化简为等效串联系统和等为等效串联系统和等效单元效单元，再，再给给同级等效单元同级等效单元分配以分配以相同的相同的可靠度可靠度。 例：例：请按等同分配法分请按等同分配法分配图示混联系统各单元配图示混联系统各单元的可靠度的可靠度212341ssRRR21234342)1 (1ssRRR213443sRRR3.3 按相对比例因子的分配法按相对比例因子的分配法l对系统中每个单元所对系统中每个单元所分配的故障率分配的故障率（或失效概（或失效概率）与率）与预测的故障率预测的故障率（或失效概率）（该单元（或失效概率）（该单元现有可靠性水平）成正比现有可靠性水平）成正比用于系统可靠性用于系统可靠性指标的再

38、分配指标的再分配3.3 按相对比例因子的分配法按相对比例因子的分配法l方法方法1 相对失效率法相对失效率法：如果已知系统的故障率为：如果已知系统的故障率为s，而设计要求系统达到的故障率为，而设计要求系统达到的故障率为s，若出现，若出现ss，则在可靠性指标再分配时，可将各元件，则在可靠性指标再分配时，可将各元件容许的失效率按比例缩小，即容许的失效率按比例缩小，即 issi该方法适用于失效率为常数的串联系统该方法适用于失效率为常数的串联系统niis1iniisi1例例9一个串联系统由一个串联系统由3 3个单元组成，各单元的预计失效率个单元组成，各单元的预计失效率分别为分别为 要求系统容许失效率为要

39、求系统容许失效率为 s s=0.001=0.001。试问应给各单。试问应给各单元分配的失效率各为何值元分配的失效率各为何值? ? -11h005. 0-12h003. 0-13h002. 0（1）确定系统失效率的预计值是否满足要求）确定系统失效率的预计值是否满足要求1 -31h01. 0002. 0003. 0005. 0iis（2）重新分配各单元失效率）重新分配各单元失效率1 -1ss1h0005.0005.001.0001.03.3 按相对比例因子的分配法按相对比例因子的分配法方法方法2相对失效概率法相对失效概率法：如果已知系统的失效：如果已知系统的失效概率为概率为Fs，而设计要求系统达到

40、的失效概率为，而设计要求系统达到的失效概率为Fs，若出现，若出现FsFs，则在可靠性指标再分配，则在可靠性指标再分配时，可将各单元容许的失效概率按比例缩小，即时，可将各单元容许的失效概率按比例缩小，即 issiFFFF issi3.3 按相对比例因子的分配法按相对比例因子的分配法l对于串联系统对于串联系统 iniisiFFFF1iniisi1非串联系统：见实例非串联系统：见实例例例10图示系统由图示系统由3个单元组成，已知它们的预计失效个单元组成，已知它们的预计失效概率分别为概率分别为 F1=0.04，F2=0.06，F3=0.12，如果，如果系统的容许失效概率为系统的容许失效概率为Fs=0.

41、005，试计算该系，试计算该系统中各单元所容许的失效概率值。统中各单元所容许的失效概率值。 例例10（1）确定系统失效概率的预计值是否满足要求）确定系统失效概率的预计值是否满足要求ssFFFFFFF012. 0111321312例例10 333121233121231212. 010. 0005. 0FFFFFFFFFFFFs，即（2）重新分配各单元失效概率）重新分配各单元失效概率 122111FFFFF122122FFFFF3.4 AGREE分配法分配法l考虑了系统的各单元或各子系统的复杂度、重考虑了系统的各单元或各子系统的复杂度、重要度、要度、工作时间工作时间以及它们与系统之间的失效关以及

42、它们与系统之间的失效关系，故又称为按单元的复杂度及重要度的分配系，故又称为按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法。适用于各单元工作期间的失效率为常数的串联系统。串联系统。3.4 AGREE分配法分配法n复杂度：单元中所含的重要零、组件复杂度：单元中所含的重要零、组件(其失效会引起单元其失效会引起单元失效失效)的数目的数目Ni，i1，2，n，与系统中重要零、组，与系统中重要零、组件的总数件的总数N之比之比 niNNNNniiii, 2 , 113.4 AGREE分配法分配法失效的次数单元效的次数个单元失效引起系统失第iiEin重要度：重要度：因该单元的失效而引起系

43、统失效的概率。因该单元的失效而引起系统失效的概率。 3.4 AGREE分配法分配法 nitNEtNttENNiisisiiii, 2 , 11niEtRtRiNNsiii, 2 , 1)(11)(考虑复杂度考虑复杂度考虑重要度考虑重要度考虑工作时间考虑工作时间例例11一个一个4 4单元的串联系统，要求在连续工作单元的串联系统，要求在连续工作48 h48 h期间期间内系统的可靠度内系统的可靠度R Rs s(t)(t)0.960.96。而单元。而单元1 1，单元，单元2 2的的重要度重要度E E1 1E E2 21 1；单元；单元3 3工作时间为工作时间为l0hl0h，重要度，重要度E E3 30

44、.900.90；单元；单元4 4的工作时间为的工作时间为12h12h，重要度，重要度E E4 4=0.85=0.85。已知它们的零件、组件数分别为已知它们的零件、组件数分别为1010，2020，4040，5050。问应怎样分配它们的可靠度问应怎样分配它们的可靠度? ? 99660. 0196. 011)48(20101R99322. 0196. 011)48(20202R98498. 090. 096. 011)10(20403R98016. 085. 096. 011)12(20504R3.5 花费最小的分配法花费最小的分配法l若串联系统若串联系统n个单元的预计可靠度个单元的预计可靠度(现在

45、可靠度水平现在可靠度水平)按递增序列排列为按递增序列排列为Rl，R2，Rn，则系统的预计可，则系统的预计可靠度为靠度为 niisRR1l如果要求的系统可靠度指标如果要求的系统可靠度指标RsRs，则系统中至少有，则系统中至少有一个单元的可靠度必须提高，即单元的分配可靠度一个单元的可靠度必须提高，即单元的分配可靠度Ri大于单元的预计可靠度大于单元的预计可靠度Ri。为此，必须花费一定的研制。为此，必须花费一定的研制开发费用。显然应开发费用。显然应从可靠度最低的单元开始提高其可靠从可靠度最低的单元开始提高其可靠度度。 3.5 花费最小的分配法花费最小的分配法l以费用函数相同为例以费用函数相同为例l将各

46、单元的可靠度预计值按由小到大的次序排列，则将各单元的可靠度预计值按由小到大的次序排列，则有有l寻找寻找m m，使，使niiRRRRR.121 nnmmmmmnmiismRRRRRRRRRRR,.,.22111121例例12l汽车驱动桥双级主减速器第一级螺旋锥齿轮汽车驱动桥双级主减速器第一级螺旋锥齿轮主从动齿轮的预计可靠度为主从动齿轮的预计可靠度为RA0.85，RB0.85；第二级斜齿圆柱齿轮的预计可靠度为；第二级斜齿圆柱齿轮的预计可靠度为RC0.96，RD0.97，若它们的费用函数相，若它们的费用函数相同，要求齿轮系统的可靠度指标为同，要求齿轮系统的可靠度指标为Rs0.80。试用花费最小的原则

47、对。试用花费最小的原则对4个齿轮作可靠个齿轮作可靠度分配。度分配。 4. 机械系统的失效分析机械系统的失效分析l4.1 失效与失效分析中的一些基本概念失效与失效分析中的一些基本概念l4.2 失效模式影响分析（失效模式影响分析（FMEA）l4.3 失效模式、影响及致命度分析（失效模式、影响及致命度分析（FMECA）l4.4 故障树分析法（故障树分析法（FTA）4.1 失效与失效分析中的一些基本概念失效与失效分析中的一些基本概念1. 失效（故障）失效（故障） 产品丧失规定功能（失效、故障）产品丧失规定功能（失效、故障）l 产品在规定条件下，不能完成其产品在规定条件下，不能完成其规定的功能规定的功能

48、； l 产品在规定条件下，一个或几个产品在规定条件下，一个或几个性能参数性能参数不能保持在规定的界限不能保持在规定的界限（上、下限值）之内；（上、下限值）之内； l 产品在规定的应力范围内工作时，导致系统不能完成其功能的机产品在规定的应力范围内工作时，导致系统不能完成其功能的机械械零件、结构件或元器件的失效零件、结构件或元器件的失效（破裂、断裂、卡死等损坏状（破裂、断裂、卡死等损坏状态）；态）； l 由于环境由于环境应力变化，导致应力变化，导致产品功能失效；产品功能失效； l 即使产品在规定条件下具有完成规定功能的能力，但因即使产品在规定条件下具有完成规定功能的能力，但因操作者的操作者的失误失

49、误而造成产品功能失效。而造成产品功能失效。 SJ2166824.1失效与失效分析中的一些基本概念失效与失效分析中的一些基本概念2. 失效的分类失效的分类有有多种多种分类方法，按产品具体情况进行。分类方法，按产品具体情况进行。3. 失效等级的划分失效等级的划分在进行失效定性与定量分析时，要在进行失效定性与定量分析时，要区分区分故障的危害程度故障的危害程度，以以便进行可靠性评价和失效模式及影响分析。便进行可靠性评价和失效模式及影响分析。依具体设备、具依具体设备、具体使用场合而定。体使用场合而定。 原则：考虑原则：考虑人员人员、设备设备和和经济经济损失。损失。4. 失效的判据失效的判据失效判定标准失

50、效判定标准。 根据具体情况，由不同产品，不同工况订出失效判据。根据具体情况，由不同产品，不同工况订出失效判据。 常见汽车故障分类常见汽车故障分类4.1失效与失效分析中的一些基本概念失效与失效分析中的一些基本概念 5. 失效模式失效模式故障的表现形式故障的表现形式，是可靠性研究的基础。，是可靠性研究的基础。 故障模式的故障模式的不确定性不确定性 ：与材质、设计、制造、储存、使用、：与材质、设计、制造、储存、使用、维修、工作条件、负荷情况等因素有关。要考虑各个环节的影维修、工作条件、负荷情况等因素有关。要考虑各个环节的影响因素，作为分析信息。响因素，作为分析信息。 故障模式的故障模式的非单一性非单

51、一性：要根据不同产品和使用条件，确定该产：要根据不同产品和使用条件，确定该产品的故障模式，研究其发生频数及故障模式比率，使故障分析品的故障模式，研究其发生频数及故障模式比率，使故障分析定量化。定量化。分析原则分析原则：在描述系统的故障模式时，要：在描述系统的故障模式时，要尽量以零、部件故障尽量以零、部件故障模式来表征模式来表征，只有在难于用零、部件故障模式进行描述或无法，只有在难于用零、部件故障模式进行描述或无法确认是某一零、部件发生故障时，才可以用子系统或系统本身确认是某一零、部件发生故障时，才可以用子系统或系统本身的故障模式进行描述。的故障模式进行描述。 6. 失效模式的分类失效模式的分类

52、 损坏型（强度：拉、弯、扭、变形、温度、摩擦、损坏型（强度：拉、弯、扭、变形、温度、摩擦、） 退化型（时间）退化型（时间） 松脱型（联接）松脱型（联接） 失调型（需调整部分）失调型（需调整部分） 堵塞型（通路处）堵塞型（通路处） 渗漏型（密封）渗漏型（密封） 功能型（动作）功能型（动作） 其他型（润滑不良、汽车没油、驾驶室闷热、缺油、缺水、排其他型（润滑不良、汽车没油、驾驶室闷热、缺油、缺水、排冒黑烟，等等。冒黑烟，等等。 ）l要要根据不同产品及其使用条件，确定该产品的失效模式根据不同产品及其使用条件，确定该产品的失效模式。 4.1失效与失效分析中的一些基本概念失效与失效分析中的一些基本概念7

53、. 失效机理失效机理引起故障的物理、化学变化等引起故障的物理、化学变化等内在原因内在原因。研究失效机理研究失效机理目的目的在于从本质上研究对策，以减少失效。在于从本质上研究对策，以减少失效。 8. 失效分析失效分析 对发生失效的对发生失效的产品产品进行分析进行分析 内容：失效模式、失效机理等内容：失效模式、失效机理等 目的目的：分析产品的薄弱环节，找出其潜在的弱点。：分析产品的薄弱环节，找出其潜在的弱点。4.1失效与失效分析中的一些基本概念失效与失效分析中的一些基本概念4.1失效与失效分析中的一些基本概念失效与失效分析中的一些基本概念9. 失效分析的分类失效分析的分类按按时机时机分：事前分析、

54、事后分析、事中分析分：事前分析、事后分析、事中分析按按连续性连续性分：间歇分析、连续分析分：间歇分析、连续分析按按分析方式分析方式分：个别分析、统计分析分：个别分析、统计分析按按产品管理阶段产品管理阶段分：设计中的故障分析、制造重的故障分：设计中的故障分析、制造重的故障分析、使用中的故障分析分析、使用中的故障分析4.1失效与失效分析中的一些基本概念失效与失效分析中的一些基本概念10. 失效分析的一般过程失效分析的一般过程掌握原始资料及数据。掌握原始资料及数据。 判断失效模式。判断失效模式。 研究失效机理。研究失效机理。 证实分析。证实分析。 提出预防措施。提出预防措施。 注意观察新的失效因子。

55、注意观察新的失效因子。 11. 常用的失效分析方法常用的失效分析方法l 图示法图示法 直方图法、因果图法、主次图法直方图法、因果图法、主次图法l 按故障模式及其影响进行分析的方法按故障模式及其影响进行分析的方法 FMEA、FEMCA、FTA、ETAl 综合分析法综合分析法 FEMCA+FTA、FTA+ETA4.1失效与失效分析中的一些基本概念失效与失效分析中的一些基本概念4.2 失效模式影响分析（失效模式影响分析（FMEA）1.任务任务找出零找出零( (元元) )、部件或系统可能发生何种故失效、部件或系统可能发生何种故失效模式模式，鉴别或推断其失效的鉴别或推断其失效的机理机理，研究该失效模式对

56、系统，研究该失效模式对系统可能产生什么可能产生什么影响影响，以及分析这些影响是否是致命，以及分析这些影响是否是致命性的性的( (即影响和即影响和后果后果分析分析) )。4.2 失效模式影响分析（失效模式影响分析（FMEA）2. 分析方法和步骤分析方法和步骤（1）明确系统的组成明确系统的组成，弄清系统、子系统及零、部件的结构、功能，弄清系统、子系统及零、部件的结构、功能，并绘出产品功能及结构层次框图。并绘出产品功能及结构层次框图。 （2）画出系统可靠性功能逻辑框图画出系统可靠性功能逻辑框图，明确各单元间及单元与系统间，明确各单元间及单元与系统间的功能逻辑关系，便于进行可靠度及失效率计算。的功能逻

57、辑关系，便于进行可靠度及失效率计算。 （3）按单元）按单元列出每个组成零件可能发生的列出每个组成零件可能发生的(明显的和潜在的明显的和潜在的)失效模式失效模式。 （4）分析失效的原因分析失效的原因。 设计（结构）、制造、使用（环境、维护、设计（结构）、制造、使用（环境、维护、人为）人为）（5）指出失效的后果指出失效的后果。 对其他单元、子系统、系统的影响；人员、对其他单元、子系统、系统的影响；人员、环境、经济环境、经济4.2 失效模式影响分析（失效模式影响分析（FMEA）（6）统计统计（估计）（估计）失效发生的频数及频率失效发生的频数及频率。 （失效模式发生概率评分（失效模式发生概率评分准则：

58、准则：1-10）（7）估计失效的严重程度估计失效的严重程度。（失效模式严酷度评分准则：。（失效模式严酷度评分准则：1-10）（8）估计失效被发观的难易性估计失效被发观的难易性。 （失效模式检测难度评分准则：不易（失效模式检测难度评分准则：不易测数测数1-10）（9）计算风险顺序数计算风险顺序数。 （6） （7） （8），按风险顺序数由大到小），按风险顺序数由大到小排定失效重要程度的相对次序。排定失效重要程度的相对次序。（10）提出改进的建议和措施提出改进的建议和措施 。对于那些潜在的且风险顺序数大的失。对于那些潜在的且风险顺序数大的失效模式，应提出改进和减少其发生的建议和措施，这是效模式，应提

59、出改进和减少其发生的建议和措施，这是FMEA方法成方法成功与否的关键功与否的关键。 2. 分析方法和步骤分析方法和步骤4.2 失效模式影响分析（失效模式影响分析（FMEA）3. FMEA的成果表达的成果表达 列列FMEA表表 FMEA分析分析所用表格的形式、内容应随分析的对象所用表格的形式、内容应随分析的对象不同而有所差异不同而有所差异，实施，实施FMEA的人可根据情况适当的人可根据情况适当增减项目。增减项目。 发射发射接收接收显示显示供电供电通讯通讯话筒话筒线圈线圈天线天线耳机耳机蜂鸣器蜂鸣器电池电池头套头套机匣机匣步话机步话机产品的功能层次关系产品的功能层次关系产品的结构层次关系产品的结构

60、层次关系4.3 失效模式、影响及致命度分析（失效模式、影响及致命度分析（FMECA）1. 致命度：致命度：指指各失效模式产生后果的严重程度各失效模式产生后果的严重程度，进行致命度分析，可，进行致命度分析，可指出哪种零、部件，哪种失效模式需采取的预防措施或改进设计。指出哪种零、部件，哪种失效模式需采取的预防措施或改进设计。 2. FMECA：FMEA的发展。一般的发展。一般FMEA只进行定性分析，而只进行定性分析，而FMECA可以进行定量分析。可以进行定量分析。FMECA的结果也应当作为设计综合评审、安全的结果也应当作为设计综合评审、安全性工程、维修性工程中重要技术文件。性工程、维修性工程中重要