可靠性设计培训教材二

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n
s t
e

i t
i 1
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串联模型
系统的失效率为各单元的失效率之和
n
s 1 2 3 n i
i 1
每一个单元的失效率为
i K i 1i1 K i 2i 2 K i 3i 3 K inin
3

可靠性设计是为了在设计过程中挖掘和确定隐患(和薄弱环节),并
采取设计预防和设计改进措施有效地消除隐患(和薄弱环节). 定量计算和定性分析(例如FMEA,FTA)等主要是评价产品现有的可靠 性水平或找出薄弱环节 而要提高产品的固有可靠性,只有通过各种具体的可靠性设计方法
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可靠性的设计方法 常用的可靠性设计方法：
可靠性预测 可靠性试验 可靠性分析 可靠性分配
可靠性评审或鉴定。
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可靠性大纲（可靠性工作计划）
可靠性大纲概念 可靠性大纲是为了保证产品满足规定的可靠性要求而制定的一 套文件。其中包括：可靠性工作项目、工作程序，组织机构、 职责以及资源等。 可靠性大纲的性质 可靠性大纲一般包括三个方面：管理、设计分析和试验任务， 各方面包含多项工作。 可靠性大纲是 可靠性方案 纲领性的文件(节目单) 产品质量保证的一部分 可靠性大纲的内容 所研制或改进产品的可靠性目标要求 实现可靠性要求所需的工作项目 实施可靠性工作的保证措施，包括组织机构及其职责等 实施可靠性工作所需的资源 2014-12-5 10 其它
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理解可靠性设计
可靠性设计是产品功能设计的一部分，因为可靠性不能离开功能独立 存在，在进行基本功能设计时应该考虑可靠性。 可靠性设计的业务范围不限于设计部门，其设计效果必须靠质量管理、 可靠性、生产工程、服务和用户部门共同配合才能达到。 可靠性设计的目的是以最少的费用达到所要求的可靠性目的。 一般新产品设计中，大约80%是沿用原有产品设计技术，对于这部分 设计的可靠性保证，主要依据原有产品的使用数据和失效改进经验。 而可靠性设计的重点是放在还没有使用经验的20%新开发部分。 可靠性设计不限于定量方法，定性的和原有的定值设计方法也包括在 内。 可靠性设计采用的方法，应根据产品特点，使用要求和技术、数据条 件等决定。
n
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表决模型
在r/n(G)模型中，当n为奇数（令为2k+1），且正常单元数 必须大于k+1时系统才正常，这样的系统称为多数表决模 型。多数表决模型是r/n(G)系统的一种特例。 三中取二（2/3）系统是常用的多数表决模型，其可靠性 框图如下
1 2 3
2/3(G)
1 1 2 (b)
2 3 3
1
2
3
n
串联系统可靠性框图
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串联模型
串联系统的数学模型
i ( t ) dt 0 Rs ( t ) Ri ( t ) e
i 1 i 1 n n
t
当各单元的寿命分布均为指数分布时，系统的 寿命也服从指数分布 n
Rs ( t ) e
i 1
1 2
M
n
并联系统可靠性框图
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并联模型
数学模型
RS ( t ) 1 1 Ri ( t )
i 1 n
对于最常用的两单元并联系统，有
1t 2 t
Rs ( t ) e e e 1e 1t 2e 2t 1 2 e 1 2 t s (t ) e 1t e 2t e 1 2 t 1 1 1 MTBFs Rs (t )dt 0 1 2 1 2
串联模型
在设计时，为提高串联系统的可靠性，可从 下列三方面考虑：
尽可能减少串联单元数目 提高单元可靠性，降低其故障率 缩短工作时间
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并联模型
组成系统的所有单元都发生故障时，系统才 发生故障的称为并联系统，是最简单的冗余 系统（有贮备模型）。
并联系统的RBD如图所示
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系统可靠性设计的具体项目
根据功能、成本和时间限制决定产品系统可靠性要求 确定系统的工作环境条件
制定系统可靠性规范
确定对产品包装、运输、使用、保管等方面可靠性要求 编制生产制造过程中可靠性控制计划 确定系统的维修难易程度及安全性等方面基本要求
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可靠性设计技术
（简介）
培训目的
• 了解可靠性设计目的
• 普及可靠性设计基本思路 • 理解可靠性设计原则和基本方法
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可靠性设计的内容
迭代
可靠性预计 和分配
故障模式分析
选择方案，预计系统的可靠性水平， 找出薄弱环节
采取各种设计方法
提高系统可靠性
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元器件是基础， 设计是关键， 环境是保证。
当各单元的可靠度是时间的函数，且寿命服从故障率为λ 的指数分布时，系统可靠度为： n i it Rs ( t ) Rm C n e (1 e t ) n i
i r
当表决器的可靠度为1时，系统的平均无故障间隔时间为：
TBFs
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0
1 Rs ( t )dt i r i
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可靠性建模
典型的可靠性模型分为有贮备与无贮备两种，有贮备可靠性模型 按贮备单元是否与工作单元同时工作而分为工作贮备模型与非工 作贮备模型。
典型可靠性模型 非贮备模型 有贮备模型
工作贮备模型 并联模型 表决模型 桥联模型
非工作贮备模型
串联模型
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旁联模型
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并联模型
与无贮备的单个单元相比，并联可明显提高系统可 靠性（特别是n=2时）。当并联过多时可靠性增加 减慢 。
1.0 0.8 Rs( t ) 0.6 0.4 0.2 n=5 n=4 n=3 n=2 n=1 t
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并联单元数与系统可靠度的关系
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表决模型
由n个单元和一个表决器组成的表决系统。当表决器 正常时，在系统的n个单元中，正常的单元数不小于r （1 ≤ r ≤ n ），系统就不会有故障，这样的系统称为 r/n(G)表决模型。它是并联模型的一种特例，属于工 作贮备模型。
2/3表 决器
(a)
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2/3(G)系统可靠性框图
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表决模型
当表决器可靠度为1，组成单元的故障率均 为常值λ，其可靠性数学模型为：
3 2 t 3 3 t t Rs ( t ) (1 e ) 2 e 3 e 3e 2 t 2e 3 t
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可靠性大纲的监督与控制
制定可靠性工作计划 根据可靠性大纲要求和型号研制进度情况，按年度/季度制定具体的可 靠性工作计划 型号中具体的可靠性工作；培训、评审 对供方的监督与控制 以甲方的身份对转承包商的可靠性工作提出要求 可靠性要求、可靠性大纲要求、验收交付要求 贯彻总体单位的规范要求等 按阶段监控、控制 可靠性(大纲)评审 组织内部/外部专家对可靠性工作的成果，进行阶段性/最终的审查、分 析、把关 建立FRACAS 建立故障报告、分析、纠正措施系统 建立故障审查委员会 承制（转承制）方在研制阶段建立的故障审查组织，对故障分析和纠正 活动进行监控，以保证故障分析的彻底性和纠正措施的正确性
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零部件设计 规定零部件可靠性要求 规定零部件技术性能指标 确定可靠性试验方法与要求 列出具有高可靠性及低可靠性的零部件清单 确定零部件失效率要求值 确定所选部件的寿命和非耐久性部件的检查及其互换标准 确定重要零部件的获得、使用和试验方法 设计零部件的安全系数 采用标准设计方式 进行安全设计 确定冲击、振动、缓冲框架、减震装置的寿命 预测可靠性和更改设计 分析典型部件的失效模式，明确其所引起的影响 审查零部件的可靠性 进行零部件的寿命试验和破坏性试验，并把各种试验结果和指标 相比较，进行必要的设计更改 对软件的可靠性进行设计、试验和审查
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可靠性设计的主要任务：通过可靠性预测、分析、试验和改进等
可靠性活动，把可靠性要求设计到产品文件与图纸中去行成产品 的内在可靠性。 可靠性设计是整个产品设计工作中的一个重要组成部分，它与功 能设计相辅相成，通过功能设计可初步确定产品的功能与结构， 运用可靠性设计，对产品的可靠性进行分析、评价和改进，使产 品功能设计更趋于完善。
RBD如下：
1
2 r/n(G)
M
n
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r/n(G)系统可靠性框图
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表决模型
数学模型 R (t )
S i Rm C n R( t ) i [1 R( t )]n i i r n
式中：RS(t)为系统的可靠度；R(t)为系统组成单元（各单元相同）的 可靠度；Rm 为表决器的可靠度。
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建模前的假设
系统及其组成单元只有故障与正常两种状态，不存在第三种状态； 用框图中一个方框表示的单元或功能发生故障就会造成整个系统 的故障（有替代工作方式的除外）； 就故障概率来说，用不同方框表示的不同功能或单元其故障概率 是相互独立的。 系统的所有输入在规定极限之内，即不考虑由于输入错误而引起 系统故障的情况； 当软件可靠性没有纳入系统可靠性模型时，应假设整个软件是完 全可靠的； 当人员可靠性没有纳入系统可靠性模型时，应假设人员是完全可 靠的，而且人员与系统之间没有相互作用问题。
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典型可靠性模型
串联模型 并联模型 表决模型（r/n(G)模型） 非工作贮备模型（旁联模型） 桥联模型
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串联模型
组成系统的所有单元中任一单元的故障都会导致整个系统故障的
称为串联系统。 串联模型是最常用和最简单的模型之一。
串联系统的RBD如下图所示：
系统的平均故障间隔时间：
TBFs
1
s

1

i 1
n
i
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串联模型
[例]某系统是由六种元器件构成的串联结构，其元器件的数量及其 失效率如下表所示。求系统失效率和MTBF。
项目
集成电路 晶体管 电阻、电容 厚膜电路 接插件
元器件
3.7×10-7 10-7 10-8 2.4×10-8 10-8
数量
3600 3500 7750 50 10000
总失效率
1.33×10-3 3.5×10-4 0.78×10-4 1.2×10-6 1.0×10-4
焊接点
10-8
83000
0.83×10-4
TBFs
104 514.88h s 19.422 1
MTBF实测值为500h
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20Байду номын сангаас4-12-5
可靠性工作计划
概念 为落实可靠性大纲中规定的目标和任务而制定的具体实施计划。 要点 所要完成的可靠性工作项目 完成各项目的进度、工作量、具体措施以及工作进度和质量的控制方法 开展各工作项目的责任单位、人员分工及职责 协调与其它专业工作(可靠性、人机工程、支援分析等)的关系 须引用的有关文件和资料 可靠性工作报告制度 可靠性信息收集、传递的内容和程序 可靠性工作计划与可靠性大纲关系 大纲是研制过程中全部可靠性工作的总规划，是一个纲领性文件 可靠性工作计划是为落实可靠性目标和任务而制订的具体实施计划 如大纲是节目单，则计划是每一个节目的具体安排。对于不太复杂的对象， 两者可合并；对于复杂的、研制周期长的，应将两者分开 可靠性工作计划可分阶段制订
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( 1 2 ) t
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并联模型
即使单元故障率都是常数，而并联系统的故障 率不再是常数 λ λ
λ
1
λ
λ1=λ2
λ
2
λ2 λs(t) t λs(t) t λs(t)
λ1
t
当系统各单元的寿命分布为指数分布时，对于n 个相同单元的并联系统，有
Rs ( t ) 1 (1 e t ) n 1 1 1 MTBF s Rs ( t )dt 0 2 n