可靠性及系统可靠性

第一章可靠性与系统可靠性第一节可靠性与系统可靠性的概念第二节可靠性的发展概况第三节可靠性的特点

第四节可靠性与质量管理第五节研究系统可靠性的意义

第一章练习题更多内容请关注/study.asp?vip=83861262023/2/51中国矿业大学工业工程系第一节可靠性与系统可靠性的概念可靠性定义：三个“规定”

（1）可靠性:所谓可靠性就是产品在规定的条件下，在规定的时间内，能够完成规定的功能的能力。

（2）产品:指可以单独研究、分别试验的任何部件、组件、设备或系统。

（3）规定的条件:指产品使用时的应力条件（载荷条件）、环境条件以及贮存条件等。

（4）规定的时间:指产品的工作时间

（5）规定的功能:指产品应具有的技术指标。二、可靠性分类1．狭义可靠性和广义可靠性狭义可靠性:就是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。它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:是从工程概念出发所论及的具有更广泛意义的可靠性。国家标准将广义可靠性定义为：产品整个寿命周期内完成规定功能的能力。它包括了狭义可靠性和维修性.广义可靠性＝狭义可靠性＋维修性有效性（也称有用性）：可以维修的产品在某时刻具有或维持规定功能的能力。广义可靠性实质上就是产品的有效性注意：在一般场合，人们所说的可靠性是指广义可靠性，而在专业场合及定量计算时，可靠性又多指狭义可靠性。2．固有可靠性和使用可靠性固有可靠性（inherentreliability），是指由设计决定、制造实现和保证的可靠性，记作RI。使用可靠性，是指产品在使用过程中，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性，记作RU。有人还将RI和RU综合起来称为工作可靠性，记作RO

3．硬件可靠性和软件可靠性

所谓“硬件”:是指在传统上被看作是从完全相同的器件总体中取出的若干部分的一种组合。所谓“软件”:是指由书面的或可记录的信息、概念、文件或程序组成的产品。软件可靠性：在规定的条件下和规定的时间内，软件成功地完成规定功能的能力（概率）或不引起系统故障的能力（概率）。在微软遭逢美国司法部反托拉斯诉讼的期间，该公司1名主管的说词曾透露Windows

NT

4.0有严重的可靠度问题。但近来，微软的行销阵营却勇敢的宣称Windows

2000拥有「5个9」(99.999％)的可靠度。微软并非第一家低估其产品缺点的软体公司；就像除了Sun以外，大家都知道Solaris

2.4是有史以来瑕疵最多的Unix，而同样不完善的2.2

Linux

Kernel不是也曾宣称会提供企业所需的一切吗？在硬件一软件系统中，有人提出系统的可靠性可表示为：

（1-1）式中——系统可靠性；——软件可靠性；——硬件可靠性；——操作者误差。三、系统可靠性系统:是为了完成某一特定功能，由若干个彼此有联系的而且又能相互协调工作的部件所组成的综合体。不可修复系统:是指系统或其组成部件一旦发生失效，不再修复，系统处于报废状态，这样的系统称为不可修复系统。

可修复系统:通过维修而恢复其功能的系统系统可靠性:表示系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。系统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系统可靠度。四、可靠性技术的基本内容1．可靠性基础理论（l）可靠性数学。在数学领域已形成了一个独立的学科分支。（2）可靠性物理。60年代发展起来的。60年代前后就产生了失效物理学。现阶段已经发展到可靠性保证阶段。（3）可靠性管理。可靠性管理是对可靠性工作的各个环节以及产品的全寿命周期的各项技术活动进行组织、协调和控制，以实现既定的可靠性指标的一种方法。2．可靠性专业技术

（1）可靠性设计。这项工作包括：建立可靠性模型，对产品进行可靠性预计和分配，进行故障或失效机理分析，在此基础上进行可靠性设计。（2）可靠性试验。可靠性试验的目的是了解产品，验证产品的可靠性水平，试验—改进—再试验，反复提高产品可靠性水平。（3）维修性设计。大多数的产品均为可修理产品。维修性设计的目的是为了缩短平均停机时间。

第二节可靠性的发展概况

萌芽-创建-全面发展-深入发展阶段可靠性的概念人们早就有了，作为可靠性科学或可靠性的定量指标的研究是从第二次世界大战才迅速发展起来的。美国是可靠性技术的发源地，始于20世纪40年代美国对电子真空管的失效分析。它历经四个发展阶段，至今已成为一门内容丰富的工程技术学科。发展历史古代的建筑家和雕塑家们，竭力希望他们设计的庙宇，教堂、宫殿、塑像、水利设施及桥梁，不仅要富丽堂皇，而且要保存千秋万代。当代高层抗震建筑、电视塔、巨型单拱桥梁和水电站大坝的设计师们也很关心可靠性问题。

古代航海船队力求达到的帆船高适航性，是依靠船体的外形轮廓和确定船的稳定性的全套索具，依靠挑选同船体、桅杆的强度和耐久性有关的特种木材，依靠创造的可迅速操纵风帆、迅速调整在风暴中长时间航行的航船载荷的良好指挥条件。当代的船舶建造者．正在解决无比复杂的远洋船队、破冰船队以及核潜艇的可靠性、安全性和生存性问题。20世纪40年代是可靠性工程的萌芽阶段。第二次世界大战期间，美国的军用电子设备在储存期就有50%失效，机载电子管寿命连20h还不到。由此，迫使国防部开始探讨可靠性问题，并于1943年成立了“真空管研究委员会”，专门研究电子管的可靠性问题。这标志着可靠性研究的起步。20世纪50年代是可靠性的创建阶段。

阿波罗计划朝鲜战争期间，武器系统因雷达常出故障，能工作的时间仅16%，舰船设备只有33%能圆满工作，促使军内外开始系统的可靠性研究。美国于1950年成立“电子设备可靠性专门委员会”，1952年国防部成立“电子设备可靠性顾问委员会”（AdvisoryGrouponReliabilityofElectronicEquipment，简称AGREE）。1957年AGREE发表的“军用电子设备的可靠性”报告，明确产品的可靠性是可定量的、可分配的、可验证的，从而建立了可靠性的框架，奠定了可靠性的基础。前苏联从20世纪40年代后期，日本、原西德从50年代后期也开始了可靠性研究。20世纪60年代是可靠性全面发展阶段。美国在该阶段迅速发展了可靠性设计和试验方法，并取得了重要成果，1965年颁布的MIL-STD-785军用标准（1969年修订为785A）是其中最显著的成果。在此期间，世界各国也普遍成立了可靠性机构，推广可靠性教育，建立可靠性管理制度，制订可靠性标准。20世纪70年代以后是可靠性深入发展阶段。

由于军事装备的使用观念发生了战略性转变，从单纯重视性能到重视效能，从单纯要求高可靠性到要求可靠性、维修性等综合指标，并将可靠性，维修性作为减少全寿命周期费用的工具。我国的可靠性工作从1956年成立“环境试验所”开始，1965年在钱学森的建议下，原七机部五院成立了“可靠性质量管理研究所”（705所），进行了开拓性工作。但“十年动乱”，705所被迫解散，可靠性研究处于停顿状态，直到1973年才又恢复可靠性研究工作。1978年提出并开展了“七专”（专人、专机、专料、专批、专检、专技、专卡）活动，1979年中国电子学会成立“可靠性与质量管理专业学会”，1981年又成立“中国电子元器件质量认证委员会”，1982年国家标准局成立“全国电工电子产品可靠性与维修性标准化技术委员会”，使我国的可靠性研究得以蓬勃开展，并制定了一系列的国家标准。第三节可靠性的特点

一、规定条件下的可比性一个产品的可靠性受三个“规定”的限制。

（1）第一个“规定”是指因使用条件和环境条件的不同，可靠性水平有很大差异。（2）第二个“规定”是指规定时间的长短不同，其可靠性也不同。（3）第三个“规定”是指因规定的产品功能判据不同，将得到不同的可靠性评定结果。二、时间质量指标三、强调可用性

提高可用性可以从两个方面入手：（l）是保证产品在规定的使用时间内不出故障，少出故障；（2）是出了故障能迅速修复，目的都是使设备不可利用的时间降到最低程度，为此需提高产品的无故障性或维修性。可用性＝可用时间/（可用时间＋因故障维修等不可用时间）×100%。四、统计、抽样特性

五、可靠性指标的体系一般地说，一个产品的可靠性可由多种指标形式表示。因为可靠性是个综合特性，它综合表现了产品的耐久性、无故障性、维修性、可用性和经济性，可分别用各种定量指标表示，形成一个指标体系。具体一个产品采用什么样的指标要根据产品的复杂程度和使用特点而定

第四节可靠性与质量管理

可靠性是时间的质量产品质量是指能满足用户要求的一种属性，它由功能指标决定；产品的质量主要包括性能、寿命、可靠性、安全性和经济性，有时还有可维修性、人性化要求及表面状况等。产品的性能指标是指技术指标，例如电子计算机的字长、容量、指令数和速度等。我们常见的各类产品技术指标都是性能指标。质量管理:以生产过程为中心，控制产品的性能特性参数不要超出管理工程的界限，并且以出厂合格率等指标进行评定。可靠性管理:通过试验和现场使用信息的反馈，以设计预测的事前分析技术为中心，预防故障的发生，保证可靠性目标的实现。

可靠性是对t＞0的质量的管理目前日本的可靠性和质量管理体制的两种形式:（l）将可靠性作为质量保证功能的扩充方式引入（2）可靠性和质量保证两种体制并存但是在美国一般把质量管理和可靠性分开，分别设有质量管理工程师和可靠性工程师的专业职称。前者主要服务于制造部门，后者主要服务于技术管理部门，而且随着可靠性工作内容的增多，还分为维修性设计工程师和可靠性设计工程师等职称。我国推行的是全面质量管理（TQC）体制，这种体制应是强调可靠性目标的全过程管理，按理说和可靠性是不矛盾的，只是目前在行业中实施的TQC制度还不太完善：偏重于生产过程的质量管理，强调产品性能参数的抽检合格率，对于设计过程和售后阶段的管理还很薄弱。对于可靠性，这两个阶段的管理十分重要，因此可以在现有管理体制内引入可靠性，加强设计和信息反馈的管理，完善全过程的管理循环。第五节研究系统可靠性的意义

一、研究系统可靠性的意义

1．可靠性是产品质量的一项重要指标2．产品日趋复杂化，可靠性成为日益突出的问题美国登月火箭发射计划称为-阿波罗计划，当时在宇宙开发领域内，最初美国失败多次，是落后于苏联的。可是由于引进了可靠性技术，阿波罗计划终于在六十年代取得了完全的成功，人类首次实现了了去月球旅行的梦想。因此，阿波罗计划被称为是可靠性的充分体现。尽管阿波罗计划的种种技术，现在为世界的各种产品所应用，但是可靠性技术是主要的。

1975年发射的先锋号卫星，由于一个价值2美元的零件失效，造成发射失败，损失220万美元。1986年1月28日导致穿梭机“挑战者”号爆炸的竟是一个助推器的密封圈失效，助推器由许多节连接在一起组成，节间加以密封，如果一个连接点的密封失效，则将引起火箭助推器外壳破裂，从而引起外燃料罐爆炸。最后导致造价12亿美元的“挑战者”号爆炸，七名宇航员全都遇难的重大事故。日本开始于阿波罗计划影响的背景下，即六十年代后期，主要用在国家铁路新干线及电器公司的自动交换机等设备上。如新干线，至1980年已经连续出色地运行了五亿五千万公里，可为世界称赞的惊人的奇迹．相当于绕地球13700周。表1-1复杂性对系统可靠性的影响组成系统的部件个数单个部件可靠性99.999%99.99%99.9%99.0%系统可靠性10100250500100010000100000100000099.99%99.90%99.75%99.50%99.01%90.48%36.79%＜0.1%99.90%99.01%97.53%95.12%90.48%36.79%＜0.1%＜0.1%99.00%90.48%77.87%60.64%36.77%＜0.1%＜0.1%＜0.1%90.44%36.60%8.11%0.66%＜0.1%＜0.1%＜0.1%＜0.1%表1-2不同年代生产的农用拖拉机的复杂性及可靠性水平拖拉机生产年份每台的部件数整机可靠性（假定部件平均可靠性99.99%）每年每1000台拖拉机故障台数193519601970198019901200225024002600290088.7%79.9%78.7%77.1%74.8%1132012132292523．产品使用环境的严酷化，对可靠性提出更高的要求4．产品全寿命周期费用的增长，要求提高可靠性

20世纪60年代末，美军用电子设备每年的保障费用等于当年的采购费，而到1977年，保障费是采购费的1.5倍；飞机电子设备每10年的年平均费用增长9倍。我国某型歼击机的维修费与采购费之比为8：2。

上海某公司生产的黑白电视机,1978年平均失效间隔工作时为500h,开箱不良率为23.6％,一个月的早期返修率为20.8％,一年平均返修率为86.92％,安全性差,事故屡有发生,经济效益也非常低,每台成本351.35元,每台平均亏损34.92元,年产量26.8万台,总亏损就达936万元.在抓可靠性以后的5年内,从设计制造试验认定管理各方面采取了很多措施,终于使电视机的可靠性提高了一个数量级,平均失效间隔工作时间达到5000h以上。开箱不良率降低到2％以下,早期返修率降低到2％以下,一年平均返修率下降为13.28％,接近IEC65标准,经济效益大幅度提高,成本下降为247.56元,每台盈利52.86元,全年产量上升到126.37万台,全年盈利6680万元.原平均每台维修费高于8元,现降为2元,以500万台计算,每五年可减少社会维修费1.5亿.由于质量好,每台售价高于国内平均30元以上,每年产140万台,仅此一项增加利润4200万元.开箱不良率降低到2％以下,早期返修率降低到2％以下,一年平均返修率下降为13.28％,接近IEC65标准,经济效益大幅度提高,成本下降为247.56元,每台盈利52.86元,全年产量上升到126.37万台,全年盈利6680万元.原平均每台维修费高于8元,现降为2元,以500万台计算,每五年可减少社会维修费1.5亿.由于质量好,每台售价高于国内平均30元以上,每年产140万台,仅此一项增加利润4200万元.5．可靠性问题涉及国家和企业的经济利益，影响国家的安全和声誉本世纪30~40年代，出现了大量的桥梁倒塌、船舶沉没等事故。如美国在第二次世界大战后期．约共计2500艘自由型万吨货轮．在服役期间有145艘断成两截．700艘左右受到严重损环。

在50年代，随着空间技术的发展，又出现了不少飞机．火箭、导弹坠毁爆炸的灾难性事故。如l960年美国北极星导弹固体燃料发动机的压力壳，按传统理论设计、制造，检验均合格，可是在水压试验时，突然发生低应力脆断事故，这震惊了世界上整个工程技术界。1965年美国又发生一件著名的z60Sl-1固体火箭发动机压力壳爆炸的典型脆断事故。

我国的某型战机在“七五”期间，因不重视可靠性，发生较多的质量问题，造成多起机毁人亡的I、Ⅱ级飞行事故，直接经济损失2000多万元，给部队训练和战斗力造成严重影响。1992年3月22日我国用“长Ⅱ捆”火箭为澳大利亚发射卫星因发生极小概率的故障而招致失败，影响了国家的声誉。二、可靠性与安全生产

据统计，美国每年为此受伤者达2000万人。1967～1973年间的统计，产品责任事故中有37%是产品不合格，其余如安装不符合规范、试验检查不够、说明书指导书错误等等。这些都是厂家的责任。

一个世纪以来的十大事故：1.1907年魁北克大桥坠垮使19000t钢材和86名工人坠入水中。2.1912年英国提坦号客轮遇难导致1513人丧生。3.1937年德国兴登堡气球爆炸。4.1963年美国“长尾鲨”号核潜艇遇难。5.1963年意大利维昂特水坝冲毁，造成4000人丧生。6.1974年土耳其的DC-10飞机失事，造成355名乘客和11名机组人员丧生。7.1979年美国宾夕法尼亚反应堆事故。8.1981年美国堪萨斯城饭店倒塌造成113人丧生，200人受重伤9.1984年12月印度博帕尔农药厂中毒事件约有3000人丧生，10万人不同程度中毒。10.到1986年前苏联切尔诺贝利核电站事故

1944年l0月20日，美国俄亥俄州克利夫兰市发生了一起液化天然气贮罐爆炸并引起大火的重大恶性事故。建于1942年的一台圆筒形贮罐(直径21．3m，高126m)．在运行中突然发生脆性断裂．并产生许多碎片。大量的可燃性气体夹着液滴．成雾状向四周扩散。附近的工厂、商店、住宅等先后发生气体爆炸和火灾．周围的市区被火焰包围，形成一片火海．20分钟后．与圆筒形贮罐相邻的3号球罐(直径17．4m)，由于支柱被火烧弯而倒塌，整个球罐在火焰烘烤下发生强烈的蒸气爆炸，喷射的火焰高达300m。这场由于压力容器破裂而引起连锁反应的灾难性事故，使70栋住宅．219辆汽车和2座工厂全部烧毁．另外还有13座工厂和35栋住宅遭到部分破坏，死亡133人．经济损失达6802万美元。

佛山九江大桥坍塌事故现场当年桥面合龙时有约10厘米的误差，是被硬压到桥墩上强迫合龙的，所以九江大桥稍稍有点“扭曲”。黎宝松说，10厘米对这样一座跨径160米的桥来说，已是个不该被忽略的大误差了

当年桥面合龙时有约10厘米的误差，是被硬压到桥墩上强迫合龙的，所以九江大桥稍稍有点“扭曲”。黎宝松说，10厘米对这样一座跨径160米的桥来说，已是个不该被忽略的大误差了。黎宝松直言：“这样的桥不知道怎么还会评上国家奖。”广东省高速公路公司认为，九江大桥开通19年，坍塌的一个因素是桥梁老化。对此，黎宝松觉得好笑：“搞桥梁是百年工程，工程设计没有六七十年，就不该通过。”

可靠性问题还非常尖锐地摆在联合采煤机设计师的面前，也摆在人造心脏设计师们的而前。实际上．可靠性不成为头号问题的技术部门是不存在的。特别是高风险性的行业：航空、空间技术、原子能、转基因产品等。

黎宝松认为，挖沙、江水冲刷也可能威胁九江大桥。“桥梁建设本身会改变河流形态，九江大桥几座桥扎堆建在一起，桥墩、承台、基础桩密密麻麻，阻水、冲刷严重”。黎宝松认为，上述问题即使设计施工中估计不足，后期养护时也应有一整套监测参数。九江大桥之前是如何“体检”的，是否包含了这些项目，目前不得而知。

，三、可靠性与经济效益

1．可靠性微观经济分析2．可靠性宏观经济分析（1）资源意义（2）财政意义（3）公益意义（4）市场意义

1．可靠性微观经济分析

在20世纪60年代，所谓世界最大的美国卡特匹勒公司和三菱公司合营后，垄断了日本工程机械的进出口贸易。在此冲击下，小松濒于倒闭。为了迎接竞争挑战，以“产品可靠性超过卡特匹勒”为战略目标，由经理亲自领导全公司展开了可靠性活动，最后使推土机的可用度提高了4～8%，平均无故障工作时间（MTBF）提高了三倍，维修费用降低了2/3，出口率从不足20%上升到40～50%。数年来，不但守住日本国内市场，而且扩大了出口额。

2．可靠性宏观经济分析

（1）资源意义可靠性有利于节约社会资源，设备的可靠性提高后，一台设备可以抵上几台的作用和功效，这样在成本投资相近、资源消耗相同的情况下，发挥几倍的效益。

美国通用电器公司（GE）发表的《改进电站可靠性和可用性所获效益》的研究报告中指出，如果美国燃煤和核能电站的可用率提高5%，其效益为①每年节省84亿美元的开支；②相当于多装机3400万Kw；③年节省发电耗油90万桶。为此，GE公司作过分析认为，设备可靠性提高1%，即使成本提高10%也是合算的。

（2）财政意义

从国家财政收入的价值构成来看，主要的财政收入来自于新创造的归社会支配的产品剩余价值。

以一个功率为300万Kw的发电机组为例，日发电量为0.72亿度，如果可靠性提高1%，就意味着每年多发电2.628亿度。假设每度电仅给电厂带来0.05元利润，电厂本身就创利0.1314亿元。对于用电部门，按我国现在的平均水平，每度电带来产值4.9元，假设其中利润为0.49元，税收为0.7l元，则用电部门就能增