产品可靠性基本原理

产品可靠性基本原理第1页/共33页一、可靠性的基本概念

1、可靠性的基本概念1）产品可靠性(Reliability)的定义：

产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。可靠性的概率度量----可靠度*产品：ISO9000中定义的硬件和流程性材料等有形产品以及软件等无形产品。*规定条件：使用时的环境条件和工作条件。*规定时间：产品的可靠性和时间呈递减函数关系。*规定功能：产品规格书给出的正常工作的性能指标。

第2页/共33页一、可靠性的基本概念2）产品可靠性的分类*产品可靠性一般可分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性：产品在设计、制造中赋予的，是产品固有的一种特性，也是产品的开发者可以控制的。使用可靠性：产品在实际使用过程中表现出的一种性能的保持能力的特性，它除了考虑固有可靠性的影响因素外，还要考虑产品安装、操作使用和维修保障等方面因素的影响。

第3页/共33页一、可靠性的基本概念2）产品可靠性的分类（续上页）*产品可靠性还可分为基本可靠性和任务可靠性。基本可靠性：产品在规定条件下，无故障工作的持续时间或其概率。任务可靠性：产品按规定的任务剖面完成规定功能的能力。任务剖面：产品在完成某特定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述，其中包括了任务成功或致命故障的判断准则。

第4页/共33页一、可靠性的基本概念2、故障及其分类1）故障：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。*故障也称为失效。如击穿的电容、断裂的弹簧等。2）故障的分类

2.1)按故障的规律可分为偶然故障和耗损故障*偶然故障:由于偶然因素引起的故障，只能通过概率统计来预测。*耗损故障：通过事前检测或监测可预测到的故障，是由于产品的规定的规定性能随时间增加而逐渐衰退引起的。耗损故障可以通过预防维修，防止故障的发生，延长产品的使用寿命。

第5页/共33页一、可靠性的基本概念2、故障及其分类2）故障的分类

2.2)按故障引起的后果可分为致命性故障和非致命性故障*致命性故障:会使产品不能完成规定任务或可能导致人或物的重大损失、最终使任务失败。*非致命性故障：虽不影响任务完成，但会导致非计划的维修。

2.3)按故障的统计特性可分为独立故障和从属故障*独立故障:不是由于另一个产品故障引起的。*从属故障:是由于另一个产品故障引起的。*在评价产品可靠性时只统计独立故障。

第6页/共33页一、可靠性的基本概念3、维修性的概念

1）维修性的定义产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复起规定状态的能力。

2）维修性是产品质量的一种特性，即由产品设计赋予的使起维修简便、迅速和经济的固有特性。

3）产品的可靠性和维修性密切相关，都是产品的重要设计特性，因此产品可靠性和维修性应从产品论证时开始，提出可靠性和维修性的要求，并在开发中开展可靠性和维修性设计、分析、试验、评定等活动，把维修性要求落实到产品的设计中。

第7页/共33页一、可靠性的基本概念4、可信性和可用性*可信性是一个集合性术语，用来表示可用性及其影响因素：可靠性、维修性、维修保障。可信性只用于非定量条款中的一般描述，可信性的定性和定量具体要求是通过可用性、可靠性、维修性、维修保障的定性和定量要求表达的

*可用性是在要求的外部资源得到保证的前提下，产品在规定的条件下和规定的时刻或时间区间内处于可执行规定功能状态的能力。它是产品可靠性、维修性、维修保障的综合反映。

第8页/共33页一、可靠性的基本概念5、可靠性与产品质量的关系

*产品质量是产品的一组固有特性满足顾客和其他相关要求的能力。*固有特性：性能特性、专门特性、时间性、适应性等。*专门特性：可靠性、维修性和保障性等，是顾客最关心，但也是顾客难于直观判断的。

*可靠性和性能的最大区别：性能是确定性的概念，“看得见，测得到”；而产品可靠性是不确定概念。

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二、可靠性维修性的常用度量

及浴盆曲线

1、可靠性维修性常用度量参数

1)可靠度及可靠度函数*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。*产品的可靠度是时间的函数，一般用R(t)表示。

R(t)=P(T>t)T---产品故障前工作的时间

t---规定的时间。

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二、可靠性维修性的常用度量

及浴盆曲线

1、可靠性维修性常用度量参数

2)累积故障分布函数*产品在规定的条件下和规定的时间内，丧失规定功能的概率称为累积故障概率（不可靠度）。*累积故障概率是时间的函数，一般用F(t)表示。

F(t)=P(T≤t)*由于产品故障和不故障是对立的，所以：

R(t)+F(t)=1

第11页/共33页二、可靠性维修性的常用度量

及浴盆曲线

1、可靠性维修性常用度量参数

3)故障密度函数*故障密度函数f(t)是累积故障分布函数的导数，它表示在时刻t后的一个单位时间内，产品的故障数与产品的总数之比，是时间的函数，即：

第12页/共33页二、可靠性维修性的常用度量

及浴盆曲线

1、可靠性维修性常用度量参数

4)故障率函数*工作到某时刻尚未发生故障的产品，在该时刻后单位时间内发生故障的概率。故障率一般用：

第13页/共33页二、可靠性维修性的常用度量

及浴盆曲线

1、可靠性维修性常用度量参数

5)平均故障前时间（MTTF）

6)平均故障间隔时间（MTBF）

7)贮存寿命

8)平均修复时间（MTTR）

第14页/共33页二、可靠性维修性的常用度量

及浴盆曲线

2、浴盆曲线大多数的产品的故障率随时间的变化曲线形似浴盆

第15页/共33页二、可靠性维修性的常用度量

及浴盆曲线

2、浴盆曲线

1)早期故障阶段*初期故障率较高，存在迅速下降的特征。

*故障主要是设计与制造中的缺陷，如设计不当、材料缺陷、加工缺陷、安装调整不当等所引起。可以通过加强质量管理及采用筛选等办法来减少甚至消灭早期故障。

2)偶然故障阶段*在产品投入使用一段时间后，产品的故障率可降到一个较低的水平，且基本处于平稳状态，可以近似认为故障率为常数，这一阶段就是偶然故障期。产品的故障主要是由偶然因素引起的。偶然故障阶段是产品的主要工作期间。第16页/共33页二、可靠性维修性的常用度量

及浴盆曲线

2、浴盆曲线

3)耗损故障阶段*产品的故障率迅速上升，很快出现产品故障大量增加或报废的现象。

*故障主要是由老化、疲劳、磨损、腐蚀等耗损因素引起的。

4）并非所有产品的故障曲线可以分出明显的三个阶段。

第17页/共33页三、基本的可靠性设计与分析技术1、可靠性设计

1)规定定性定量的可靠性要求（MTBF等）

2）建立可靠性模型

a、串联模型b、并联模型

3）可靠性分配

4）可靠性预计

5）可靠性设计准则

6）耐环境设计

7）元器件选用与控制

8）电磁兼容性设计

9）降额设计和热设计第18页/共33页三、基本的可靠性设计与分析技术2、可靠性分析

1)故障模式、影响及危害性分析（FMECA）*FMECA:对产品所有可能的故障，并根据对故障模式的分析，确定每种故障模式对产品的影响，找出单点故障，并按故障模式的严酷度及其发生概率确定其危害性。*FMECA包括故障模式及影响分析（FEMA）和危害性分析（CA）。*FEMA：在产品设计过程中，通过对产品各组成单元潜在的各种故障模式及其对产品功能的影响进行分析，提出可能采取的预防改进措施，以提高产品可靠性的一种设计分析方法。第19页/共33页三、基本的可靠性设计与分析技术2、可靠性分析

1)故障模式、影响及危害性分析（FMECA）*CA:把FEMA中确定的每一种故障模式按其严重程度类别及发生概率的综合影响加以分类，以便全面地评价各种可能出现的故障模式的影响。*CA是FEMA的继续，根据产品的结构和可靠性数据的获得情况，CA可以是定性分析或定量分析。*故障模式：指元器件或产品故障的一种表现形式。一般是能被观察到的一种故障现象。*故障影响：指该故障模式会造成对安全性、产品功能的影响。

故障影响分为：对局部、高一层次、最终影响三个等级。第20页/共33页三、基本的可靠性设计与分析技术2、可靠性分析

1)故障模式、影响及危害性分析（FMECA）*严酷度:是指某种故障模式影响的严酷程度。一般分为四类：Ⅰ类(灾害性故障)，造成人员死亡或系统毁坏的故障。Ⅱ类(致命性故障)，导致人员严重受伤，器材或系统严重损坏，从而使任务失败的故障。Ⅲ类(严重故障)，将使人员轻度受伤，器材或系统轻度损坏，从而导致任务推迟执行、任务降级、系统不能起作用。Ⅳ类(轻度故障)，这类故障的严重程度不足以造成人员受伤、器材或系统损坏，但需要非计划维修或修理。第21页/共33页三、基本的可靠性设计与分析技术2、可靠性分析

3)FMECA实施步骤

(1)掌握产品结构和功能的有关资料

(2)掌握产品启动、运行、操作、维修资料。

(3)掌握产品所处环境条件的资料。

(4)定义产品及其最低功能和最低工作要求

(5)按照产品功能方框图画出其可靠性方框图

(6)根据所需要的结构和现有资料的多少来确定分析级别

(7)找出故障模式，分析其原因及影响

(8)找出故障的检测方法

(9)找出设计时可能的预防措施，以防止特别不希望发生的事件第22页/共33页三、基本的可靠性设计与分析技术2、可靠性分析

3)FMECA实施步骤

(10)确定各种故障模式对产品危害的严酷度

(11)确定各种故障模式的故障概率等级。一般可分为以下等级：

A级（经常发生），产品在工作期间发生故障的概率很高，即一种故障模式发生的概率大于总故障率的0.2B级（很可能发生），产品在工作期间发生故障的概率为中等，即一种故障模式发生的概率为总故障率的0.1--0.2C级（偶然发生），产品在工作期间发生故障的概率是偶然的，即一种故障模式发生的概率为总故障率的0.01--0.1D级（很少发生），产品在工作期间发生故障的概率是很小的，即一种故障模式发生的概率为总故障率的0.001--0.01E级（极不可能发生），产品在工作期间发生故障的概率是接近于零，即一种故障模式发生的概率小于总故障率的0.001第23页/共33页三、基本的可靠性设计与分析技术2、可靠性分析

3)FMECA实施步骤

(12)填写FMEA表,并绘制危害性矩阵。*如果需要进行定量FMECA，则需填写CA表；如果仅进行FMEA，则第（11）步骤和绘制危害性矩阵不必进行。

第24页/共33页三、基本的可靠性设计与分析技术2、可靠性分析

4）危害性矩阵：用来确定每一种故障模式的危害度并与其他故障模式相比较，进而为确定补偿措施的先后顺序提供依据。第25页/共33页三、基本的可靠性设计与分析技术2、可靠性分析

5）影响FMECA工作效果的三个因素

a、FMECA需要有一定的实践经验，分析的正确性取决于分析者的水平。

b、分析取决于可利用信息的多少，信息的多少决定了分析的深度。

c、分析的时机很重要，FMECA通常在产品设计过程中进行。第26页/共33页四、可靠性试验1、可靠性试验的基本概念

1）可靠性试验的目的：通过对产品的可靠性试验发现产品设计、元器件、零部件、原材料和工艺方面的缺陷，以便采取有效的纠正措施，使产品可靠性增长。

2）可靠性试验可以是实验室的试验、也可以是现场试验

2、可靠性试验的分类

第27页/共33页四、可靠性试验2、可靠性试验的分类

1）环境应力筛选试验通过在产品上施加一定的环境应力，以剔除由不良元器件、零部件或工艺缺陷引起的产品早期故障的一种工序或方法。

2）可靠性增长试验在规定的环境应力下，为暴露产品薄弱环节，并证明改进措施能防止薄弱环节再现而进行的试验。

3）可靠性鉴定试验为了验证开发的产品的可靠性是否与规定的可靠性要求一致，用具有代表性的产品在规定条件下所作的试验，并以此作为是否满足要求的依据。可靠性鉴定试验是一种验证试验。如：MTBF4）可靠性验收试验用已交付或可交付的产品在规定条件下所作的试验，以验证产品的可靠性不随生产期间工艺、工装、工作流程、零部件质量的变化而降低，其目的是确定产品是否符合规定的可靠性要求。

第28页/共33页五、可靠性管理1、可靠性管理应遵循的基本原则

1）可靠性工作必须从头开始，从产品开发开始

2）可靠性工作必须统一纳入产品设计、研制、生产、试验、费用等计划，与其他工作密切协调进行

3）可靠性工作必须遵循预防为主

4）可靠性管理应重视和加强信