系统可靠性分析

一、基本概念1.可靠性、可靠度:R(t)可靠性是指系统、设备或元件等在规定的时间内和规定的条件下，完成其特定功能的能力；可靠度是指系统、设备或元件等在预期的使用周期（规定的时间）内和规定的条件下，完成其特定功能的概率；2.维修度:M(τ)是指系统发生故障后在维修容许时间内完成维修的概率3.有效度:A(t,τ)是指对于可修复系统在规定的使用条件和时间内能够保持正常使用状态的概率。提高可靠度的途径：提高系统的可靠度；提高系统的维修度二、可靠度、维修度、有效度的常用度量指标1.平均无故障时间（MTTF）是指系统由开始工作到发生故障前连续正常工作的平均时间……度量不可修复系统的可靠度；2.平均故障间隔时间（MTBF）是指可修复系统发生了故障后经修理后仍能正常工作，其在两次相邻故障间的平均工作时间；3.平均故障修复时间（MTTR）是指可修复系统出现故障到恢复正常工作平均所需的时间。三、可靠度函数与故障率在一定的使用条件下，可靠度是时间的函数；设可靠度为R(t)，不可靠度为F(t)，则：R(t)+F(t)=1故障概率密度函数：f(t)=dF(t)/dt故障率

元件寿命周期的故障率，与该元件所处的寿命阶段密切相关。如图所示，由于曲线形似浴盆，故俗称浴盆曲线。该曲线表明，在元件或系统的寿命周期初期，因系统需磨合，因此故障率较高；寿命周期的后期，则因系统部分元件的磨损使故障率也明显提高；而中期阶段则故障率较为稳定。早期失效期随机失效期损耗失效期调整期退役期四、系统可靠度计算系统的可靠度一方面取决于各子系统本身的可靠度，同时还取决于各子系统间的作用关系。1.串联系统是指系统中任何一个子系统发生故障，都会导致整个系统发生故障的系统。提高串联系统可靠度的途径

1）提高各子系统的可靠度；

2）减少串联级数；

3）缩短任务时间。为了提高系统的可靠性，通常需要使系统的部分子系统乃至全部子系统有一定数量贮备，利用贮备提高系统可靠性最常用的办法就是采用并联结构的系统。2.并联系统

1）热贮备系统（冗余系统）是指贮备的单元也参与工作，即参与工作的数量大于实际所必须的数量，这种系统又称冗余系统。冗余技术一般是采用降额等其他方法不能满意地解决系统安全问题，或当改进产品所需的费用比采用冗余单元更多时采用的方法。采用冗余设计是以增加费用为代价来提高系统的安全性和可靠性的。

设系统各个单元的可靠性是相互独立的，各单元的不可靠度分别为F1、F2、F3、……、Fn，根据概率乘法定理可得系统不可靠度:

123nBA系统可靠度：热贮备系统冗余系统设计时需注意的问题冗余度的选择；冗余级别的选择

2）冷贮备系统是指贮备的单元不参加工作，并且假定在贮备中不会出现失效，贮备时间的长短不影响以后使用的寿命。若所有部件的故障率均相等且为λ则系统的可靠度为:123N+1BA系统的平均寿命:冷贮备系统冷储备系统的平均寿命是各单元平均寿命的总和。3.复杂系统有一汽车的制动系统可靠性联接关系如图；组成系统各单元的可靠度分别为R(A1)=0.995；R(A2)=0.975；R(A3)=0.972；R(B1)=0.990；R(B2)=0.980；R(C1)=R(C2)=R(D1)=R(D2)=0.980；求系统的可靠度。D2C2D1C1A1B1A3A2B2A:液压系统D:液压系统C:液压系统B:手闸系统手控杆机械联动装置脚踏装置主控缸液压管路左前轮左后轮右前轮右后轮汽车制动系统可靠性联结框图五、人的工作可靠度预测1.人在工作中的差错很多，归纳起来不外乎以下五类：未履行职能；错误地履行职能；执行未赋予的分外职能；按错误程序执行职能；执行职能时间不对。2.人的差错概率人的工作可靠度与人的工作差错概率是互逆的，所以人的工作可靠度可用人的工作差错概率来计算：e、E获得途径：收集紧急状态时的全部运转记录；收集全部正常业务、保养、校正、定期检验、启动停止时人的差错记录；引起差错的具体条件；收集模拟的正常业务非正常业务方面的人的差错的潜在来源；专家的经验判断。

3.计算人的工作可靠度的差错概率法—概率树图程序：明确系统故障的判定标准；进行作业分析，评价基本动作间的相互关系；估计人的差错概率；求系统故障率，评价人的差错对系统故障的影响；重复以上步骤改进人机系统的特征值，直到达到可允许的范围。第五节、预先危险性分析（PHA）预先危险性分析是指在一个系统或子系统（包括设计、施工、生产）运转活动之前，对系统存在的危险类别、出现条件及可能造成的结果，进行宏观概略分析的一种方法。预先危险性分析的重点应放在系统的主要危险源上，并提出控制这些危险源的措施。预先危险性分析的结果，可作为对新系统综合评价的依据，还可作为系统安全要求、操作规程和设计说明书的主要内容，同时预先危险性分析为以后要进行的其他危险分析打下基础。1.预先危险性分析的内容（1）识别危险的设备、零部件，并分析其发生的可能性条件；（2）分析系统中各子系统、各元件的交接面及其相互关系与影响；（3）分析原材料、产品、特别是有害物质的性能及贮运；（4）分析工艺过程及其工艺参数或状态参数；（5）人、机关系（操作、维修等）；（6）环境条件；（7）用于保证安全的设备、防护装置等。2.预先危险性分析的步骤（1）调查、了解和收集过去的经验和同类生产中发生的事故情况。（2）确定危险源，并分类制成表格。危险源的确定可通过经验判断、技术判断或安全检查表等方法进行。（3）识别危险转化技术条件。研究危险因素转化为事故状态的触发条件。（4）进行危险分级。目的是确定危险程度，提出应重点控制的危险源。（5）制定危险预防措施。预先危险分析程序熟悉系统调查收集资料系统功能分解分析辨识危险源确定危险等级制定措施措施落施分析触发事件危险等级参考等级等级说明1安全的不会造成人员伤亡或系统破坏。2临界的处于事故的边缘状态，暂时还不至于造成人员伤亡、系统破坏或降低系统性能，但应予以排除或采取控制措施。3危险的会造成人员伤亡或系统破坏，要立即采取防范对策措施。4灾难性的造成人员重大伤亡及系统严重破坏的灾难性事故，必须予以果断排除并进行重点防范。3.危险性控制危险性识别和等级划分后，就可采取相应的预防措施，避免它发展成为事故。采取预防措施的原则：先采取直接措施，即从危险源（起因）着手。其次是间接措施，如隔离、个人防护等。事故一旦发生，应马上采取措施，抑制事态发展，减轻危害的严重性。防止人的失误。4.危险性预先分析的特点：1）分析工作在活动之前，避免由于考虑不周造成的损失。2）对系统开发、初步设计、制造、安装、检修等做的分析步骤，可以提供注意事项及指导方针。3）分析结果可为制定标准、规范和技术文献提供必要的资料。4）根据分析结果可以编制安全检查表以保证实施安全、并可作为安全教育的材料。123456789

子系统运行形式故障模式概率估计危害状况影响危险等级预防方法确认预先危险性分析表格形式第六节故障类型影响分析（FMEA）故障类型影响分析采取系统分割的概念，根据实际需要分析的水平，把系统分割成子系统或进一步分割成元件。然后逐个分析元件可能的故障和故障呈现的状态（即故障类型），进一步分析故障类型对子系统的影响，最后采取措施解决。此方法能够查明元件发生各种故障时带来的危险性；即可用于定性分析，又可以用于定量分析（FMECA）。一、基本原理系统、子系统或元件在运行过程中，由于性能低劣，不能完成规定的功能时，则称为故障发生。系统或元件发生故障的机理十分复杂，故障类型是由不同故障机理显现出来的各种故障现象的表现形式。一个系统或一个元件往往有多种故障类型。对产品、设备、元件的故障类型、产生原因及其影响及时了解和掌握，才能正确地采取相应措施。掌握产品、设备、元件的故障类型需要积累大量的实际工作经验，特别是通过FMEA来积累经验。二、故障类型影响分析程序1.掌握和了解对象系统：分析之前必须掌握被分析对象的有关资料，以确定分析的详细程度，确定对象系统的边界条件；了解作为分析对象的系统；确定分析系统的物理边界；确定系统分析的边界；收集元素的最新资料。2.对系统元素的故障类型进行分析找出所有的故障类型，尽可能找出每种故障类型的所有原因，然后确定系统元素的故障类型。若分析对象是已有元素，则可以根据以往运行经验或试验情况确定元素的故障类型；若分析对象是设计中的新元素，则可以参考其它类似元素的故障类型，或者对元素进行可靠性分析来确定元素的故障类型。一个元素至少有4种可能的故障类型意外运行；运行不准时；停止不及时；运行期间故障。根据故障原因分析，最后确定元素的故障类型。元素功能、丧失功能元素故障类型把元素按组成分解外部原因内部原因各部分故障类型元素的一部分确定元素故障类型程序框图3.故障类型的影响故障类型的影响分析是指在系统正常运行的状态下，详细地分析一个元素各种故障类型对系统的影响。分析故障类型的影响，通过研究系统主要的参数及其变化、故障后果的物理模型或经验来确定故障类型对系统功能的影响。故障类型的影响可以从下面3种情况来分析：

1)元件故障类型对相邻元素的影响。该元素可能是其他元素故障的原因；

2)元素故障类型对整个系统的影响。该元素可能是导致或事故的原因；

3)元素故障类型对子系统及周围环境的影响。4.列出故障类型影响分析表根据故障类型和影响分析表，系统、全面和有序地进行分析。三、FMEA分析方法的特点：（1）通过原因来分析系统的故障（结果），即用系统工程的方法，从元件的故障开始，从下向上逐次分析其可能的问题，预测整个系统的故障，利用表格形式，找出不希望发生的初始原因事件。（2）以功能为中心，以逻辑推理为重点，侧重于建立上级与下级的逻辑关系的分析方法。（3）该方法适用于产品设计、工艺设计、装备设计和预防等环节。四、FMEA的目的和要求搞清楚系统或产品的所有故障模式及其对系统或产品功能以及对人、环境的影响；对有可能发生的故障模式，提出可行的控制方法和手段；在系统或产品设计审查时，找出系统或产品的薄弱环节和潜在缺陷，并提出改进设计意见。或定出应加强研究的项目，以提高设计质量，降低失效率，或减少损失；必要时对产品供应列入特殊要求，包括设计、性能、可靠性、安全性或质量保证的要求；明确提出在何处应制定特殊的规程和安全措施，或设置保护性设备、监测装置或报警系统；为系统分析、预防维修提供有用是资料。五、说明目的：辨识每个故障造成的事故后果适用范围：用于设备和机器故障分析，也可用于连续生产工艺使用方法：将系统分解，求出零部件发生各种故障类型时，对系统或子系统产生的影响资料准备：系统、装置、设备表、说明书人力、时间：熟悉设备故障类型者2－3人，每人每小时可分析2－4项效果：定性并可进一步定量，找出故障类型对系统的影响六、致命度分析1.定义：对系统进行初步分析后，其中后果特别严重，甚至造成死亡或重大财物损失的故障类型可以单独拿出来进行详细分析，这种分析的方法叫做致命度分析。2.目的：尽量消除致命度高的故障模式；当无法消除时，应尽量从设计、制造、使用和维修方面降低其致命度的减少其发生的概率；根据故障模式不同的致命度，对其零部件或产品提出不同度量要求，以提高其可靠性和安全性。根据不同情况可采取对产品或部件的有关部位增设保护装置、监测预报系统等措施。致命度等级与内容等级内容ⅠⅡⅢⅣ有可能丧失生命的危险有可能使系统损害的危险涉及运行推迟和损失的危险造成计划外维修的可能致命度分析的正确性取决于：分析者的水平可利用的信息七、其它分析法（1）因果分析（Cause-ConsequenceAnalysis）；（2）危险性和可操作性研究（Hazardand

OperabilityAnalysis）；（3）管理疏忽和风险树（MORT）

；（4）。（5）因果分析法因果分析法：把系统中产生事故的原因及造成的结果所构成错综复杂的因果关系，采用简明的线条加以全面表示的方法。因果分析图的绘制方法因果（鱼刺）图是由原因和后果两部分组成。一般情况下，可从人的不安全行为和物质条件构成