[自然科学]轨道交通RAMS基本概念和参数体系

RAMS/LCC 培训教材：
二〇一一年二月
内容安排
1 2参数及指标
影响RAMS的因素
3铁路产品可靠性参数体系4铁路产品维修性参数体系
5 6铁路产品可用性参数体系铁路产品安全性参数体系
RAMS参数体系—①参数及指标
¾对于铁路产品的“系统要求”阶段，需要提出并确定系统RAMS技术要求，并形成文档，随后将系统要求分配到分系统和设备中去。

¾铁路产品各级产品的RAMS 活动都是围绕RAMS要求进行的，包括定义、分配、实现、评估和验证等活动。

¾RAMS要求分类：
¾定性要求－提出了应当开展的RAMS 工作项目和工作要求，通常采用评审的方法进行确认；
¾定量要求－是基于RAMS的技术参数提出的，一般通过评估和验证的方法进行确认。

RAMS参数体系—①参数及指标
¾RAMS 参数是产品RAMS定量化描述的数学属性，RAMS 参数体系是某种产品RAMS 的参数的集合；
¾RAMS指标是产品某一RAMS 参数的要求值，RAMS指标体系是所有RAMS 参数的要求值。

内容安排
1 2参数及指标
影响RAMS的因素
3铁路产品可靠性参数体系4铁路产品维修性参数体系
5 6铁路产品可用性参数体系铁路产品安全性参数体系
RAMS参数体系—②影响RAMS的因素
¾系统状态－System Conditions
在系统寿命的任何阶段在系统内部引入的故障源；
¾工作条件－Operating Condition
在运用中施加到系统上的故障源；
¾维修条件－Maintenance Condition
在维护活动中施加到系统上的故障源。

RAMS 参数体系—②影响RAMS 的因素
系统内故障的影响
铁路应用环境干扰威胁
反作用影响可靠性
反作用影响安全性
铁路系统
功能性状态
故障状态
安全相关的故障模式
RAMS参数体系—②影响RAMS的因素
环境越恶劣可靠性越差！
¾温度应力会提高产品的故障率
¾振动应力会加速产品的疲劳
¾湿度和化学应力会缩短产品的寿命
¾环境应力和可靠性一般是指数关系：
¾温度－Arrhenius
¾振动－Coffin-Manson
¾湿度和其他－Eyring
¾因此可以根据此特性有意施加恶劣的环境应力进行试验，用以高效地暴露产品缺陷。

内容安排
1 2参数及指标
影响RAMS的因素
3铁路产品可靠性参数体系4铁路产品维修性参数体系
5 6铁路产品可用性参数体系铁路产品安全性参数体系
RAMS 参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
当量纲取距离时，也可以用MDTF 表示
时间，距离，周期
MTTF 平均首次故障时间无量纲
R(t)
可靠度当量纲取距离时，也可以用MDBF 表示
当量纲取周期时，也可以用MCBF 表示
时间，距离，周期
MTBF 平均故障间隔时间
故障／时间，距离，周期λ
故障率
备注
量纲
参数
√√
√
RAMS参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
¾故障：
产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态。

¾故障的种类：
•功能丧失
•功能降低
•Surprise ！
性能界限
过应力
设计裕度
正常工作区破坏极限
工作极限
技术规范
RAMS 参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
λ（Failure Rate ）：故障率
指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。

\单位：一般为10-6/小时或10-9/小时（fit ）\计算：故障次数除以总工作时间\计算公式为：
\其中：
Δr （t ）指t 时刻后，Δt 时间内故障的产品数； Δt 指所取时间间隔；
Ns （t ）指残存产品数。

t
t N t r t s Δ⋅Δ=
)()
()(λ
RAMS 参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
举例1：
\10台电视机，每年应用360天，每天工作10小时，在使用的
5年中，有1台在使用1年后出现功能性故障，这批电视的故障率应如何计算？
\解：¾
FPMH (Failure Per Million hours) ：百万小时故障次数，
指在百万小时内内发生故障的概率。

¾
在技术协议中有时用此参数进行要求。

h /106.0410
36011103605916
−×=×××+×××=λ
RAMS 参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
举例2：
\
下表为某产品100个在18年内的故障数据，请以每年为单位对该产品故障
率进行计算。

/
/
100
18
14238λ（t ）%/年1716151413121110t/年9998979490826852r （t ）/个1113481416Δr(t)/个15
37
9
1013767634513412311210100λ（t ）%/年
Δr(t)/个
r （t ）/个
t/年每年故障数量
累计故障数量
RAMS 参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
举例2：
\解:
[][][]年
年：第年
年：第年
年：第/%12.31
)4100(3
)(100)t (r 5/%01.11
)1100(1
)(100)t (r 2/%11)0100(1)(100)
t (r 1552211=×−=Δ×−Δ==×−=Δ×−Δ==×−=Δ×−Δ=t t r t t r t t r λλλ……
……
RAMS 参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
举例2：
\
解：
/
/
100
18
18.181423823.81
11.496.453.121.031.021.0110λ（t ）%/年
1716151413121110t/年9998979490826852r （t ）/个1113481416Δr(t)/个15
379
100.001013750.0067633.3334550.0013440.0012344.4411243.7510133.3300λ（t ）%/年
Δr(t)/个
r （t ）/个
t/年
RAMS 参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
R （t ）（Reliability ）：可靠度
指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。

()dt
t t
i e
t R ∫
=−0
)(λ()
)
()(t R t dR t −
=λ
RAMS参数体系—③铁路产品可靠性参数体系 F（t）：不可靠度
指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。

()()t
=
F−
t R
1
RAMS 参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
T B
=
交付时间点
偶然失效区
耗损失效区
T w
T B
制造缺陷工艺缺陷元件缺陷
固有缺陷
耗损故障
时间
失效率
浴盆曲线
早期失效区
T W
= 耗损时间点
RAMS 参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
可靠性预计和验证
耗损机理分析
制造和筛选
时间
瞬时故障率
早期故障随机故障耗损故障
增加检查点
改善抗恶劣环境设计老化试验
环境应力筛选试验
可靠性评估可靠性预计可靠性增长试验高加速寿命试验
材料特性
使用数据积累和分析加速寿命试验系统寿命模型
RAMS 参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
举例3：
\
某产品70个、工作100h 的故障统计结果如下表所列，试求其可靠度R （t ）、故障率λ（t ），画出曲线，并根据故障率λ（t ）曲线说明该产品处于哪种故障期。

\
解:
1
6
14
20
16
11
2
故障数Δr(ti)/个
9080706050403020100工作时间ti/h
RAMS 参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
举例3：
\
解:
当运行时间为40h 时，该产品已明显进入了耗损失效区。

0.0000
0.20000.40000.60000.80001.00001.20000
20
40
60
80
100
0.0000
0.02000.04000.06000.08000.10000.1200可靠度R 故障率λ
RAMS 参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
¾
MTTF (Mean Time To Failures) ：平均首次故障时间，
是关键可靠性参数之一，适用于不可修复产品的可靠性分析。

为累积工作时间除以累积故障次数。

¾
计算公式如下：
MTTF= ，式中：
n –产品总数
tci －第i 个产品的工作时间ra －累积故障次数
a
n
i ci r t ∑=1
()∫∞
=0
dt
t R MTTF
RAMS 参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
¾
MTBF (Mean Time Between Failures) ：平均故障间隔时间，
是铁路产品主要的可靠性参数，适用于铁路产品的整车系统及下属各级产品，为累积工作时间除以累积故障次数。

¾
计算公式如下：
MTBF= ，式中：
n –产品总数
tci －第i 个产品的工作时间ra －累积故障次数a
n
i ci r t ∑=1
当产品修旧如新时：
MTBF=MTTF
RAMS 参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
MTBF不是寿命！
¾寿命:产品能有价值存活的时间长度，是时间特性。

¾
MTBF:它体现了在寿命期内的发生故障的强度，是概率特性。

39年
（71,74）年
人
16000 h 30 years 某机车变流柜
12 million 3 million 按钮55,000 次15,000 次继电器典型MTBF 典型设计寿命产品≠≠≠≠
RAMS 参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
当故障率λ为常数时，可得到以下结论：
()t
dt
t e
e
t R t
i ⋅−−=∫
=λλ0
)(()∫∫∞
⋅−∞=
===0
1
λ
λdt e
dt t R MTTF
MTBF t
()MTBF
t t
e
e
t R −
⋅−==λ
RAMS 参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
当故障率λ为常数时，可得到以下结论：
3.72×10-44
100 x MTBF
4.54×10-510 x MTBF 0.0184 x MTBF 0.3681 x MTBF 0.6070.5 x MTBF 0.9050.1 x MTBF 0.9900.01 x MTBF 1.0000
R t
1.000
0.368
t
t =
M T B F t =
00.018
0.607R
¾当故障率λ为常数时，可靠度随时间呈指数规律变化。

RAMS参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
故障率λ何时为常数？
①.产品具有恒定故障率；
②.无余度复杂系统；
③.在耗损故障前进行定时维修的产品。

RAMS 参数体系—③铁路产品可靠性参数体系
常用的产品的寿命分布类型有：
指数分布、正态分布、对数正态分布和威布尔分布
f(t)
t
正态分布寿命分布图
0.02
0.040.060.080.10.120.140
2
4
6
8
10
12
14
16
18
t
f (t )
内容安排
1 2参数及指标
影响RAMS的因素
3铁路产品可靠性参数体系4铁路产品维修性参数体系
5 6铁路产品可用性参数体系铁路产品安全性参数体系
RAMS 参数体系—④铁路产品维修性参数体系
当量纲取距离时，也可以用MDBM 表示
当量纲取周期时，也可以用MCBM 表示
当表示平均预防性维修间隔时间时，用MTBMp 表示
时间，距离，周期
MTBM
平均维修间隔时间
当表示平均预防性维修时间时，用MTTMp 表示
时间
MTTM
平均维修时间
当量纲取距离时，也可以用MDTR 表示
当量纲取周期时，也可以用MCTR 表示
时间
MTTR
平均修复时间
备注
量纲
参数
√
RAMS参数体系—④铁路产品维修性参数体系¾MTTR（Mean Time To Restore），平均修复时间
表示针对发生故障的产品，平均恢复产品功能所需的时间。

¾MTTR 是一个时间参数，需要考虑各个维修活动所占用的时间
¾MTTR 是铁路产品主要的维修性参数，通常情况下，也是唯一的维修性参数。

MTTR 可以分类计算，一般按维修级别（现场级、车间级等）进行分类。

RAMS 参数体系—④铁路产品维修性参数体系
维修活动
准备时间故障鉴别时 间获得定位时 间获得零件时 间检验时间
基本作业
排除故障时 间故障实际修复时间
故障管理时 间
故障修复时 间
系统修复时 间
系统停机时 间
总的系统停机时间
系统后勤供应时间
初始延误时 间
最后测试时 间
系 统 时 间
故 障 时 间
MTTR 整个维修活动的时间
RAMS 参数体系—④铁路产品维修性参数体系
¾
MTBM (Mean Time Between Maintenance) ：平均维修间隔时间，指
平均维修（含预防维修和故障维修）的间隔时间，与MTTR 不同，它包含了预防性维修，因此严格地说MTBM 并不是纯粹的维修性参数。

¾
MTBM 的计算公式如下：
p
MTBM MTBF MTBM 1
11
+
=
平均故障间隔时间
平均预防性维修间隔时间
RAMS 参数体系—④铁路产品维修性参数体系
¾
MTTM （Mean Time To Maintain ）：平均维修时间表示预防性维修和修复性维修活动的平均时间。

¾
MTTM 的计算公式如下：
平均维修间
隔时间
平均预防性维修间隔时间
⎟
⎟⎠⎞
⎜⎜
⎝
⎛+=p P MTBM MTTM MTBF MTTR *MTBM MTTM 平均修复时间
平均故障间隔时间
平均预防性维修时间
内容安排
1 2参数及指标
影响RAMS的因素
3铁路产品可靠性参数体系4铁路产品维修性参数体系
5 6铁路产品可用性参数体系铁路产品安全性参数体系
RAMS 参数体系—⑤铁路产品可用性参数体系
无Aa 可达可用度无
Ao
运行可用度
无
Ai 固有可用度无
A
可用度
备注
量纲
参数
√
RAMS 参数体系—⑤铁路产品可用性参数体系
¾
A （Availability ）:可用度
可用度为在任意随机时刻，产品处于可运行状态的概率。

¾
用以下公式计算：
MDT
MUT MDT
1MDT MUT MUT ＋－
＝））＋不可工作时间（可工作时间（）
可工作时间（=
A
RAMS 参数体系—⑤铁路产品可用性参数体系
¾
Ai （inherent Availability ）:固有可用度
指只考虑到故障修复情况，不进行预防性维修（保养），没有资源延迟，也没有管理延迟。

¾
Ai 的计算方法为：MTTR
MTBF MTBF
A i +=
RAMS 参数体系—⑤铁路产品可用性参数体系
¾
Aa （Achieved Availability ）:可达可用度
考虑到故障修复和预防性情况，没有考虑备件和管理延迟。

¾
Aa 的计算方法为：MTTM
MTBM MTBM
A a +=
RAMS 参数体系—⑤铁路产品可用性参数体系
Ao （operational Availability ）：运行可用度
考虑到故障修复和预防性情况，并考虑到保障延迟。

¾
Ao 的计算方法为：MDT
MTBM MTBM
A o +=
RAMS参数体系—⑤铁路产品可用性参数体系
故障修复预防性修复备件和管理延迟
固有可用性
可达可用性
运行可用性
RAMS参数体系—⑤铁路产品可用性参数体系
系统效能
性能运行可用性
设备能力人员能力维修性保障性
可靠性
系统效能
RAMS 参数体系—⑤铁路产品可用性参数体系
运行可用度
)
(MLDT MTTR MTBF MTBF
Ao ++=
可靠性MTBF
维修性MTTR
保障性
MADT
MWT MLDT +=保障系统效能
MWT
保障组织效能
MADT
Mean Time Between Failures
Mean Time To Repair
Mean Logistic Delay Time
Mean Waiting Time
Mean Administrative Delay Time
通常使用时不考虑预防性维修，用MTBF 代替MTBM
RAMS参数体系—⑤铁路产品可用性参数体系
可用度计算示例：
某型号铁路产品每120天保养一次，平均每次保养时间为3天。

该产品的故障率为2次/年，故障的平均修复时间为4小时，备件供给延迟和管理延迟的累积时间为1.5 天。

试计算可用度。

RAMS 参数体系—⑤铁路产品可用性参数体系
可用度计算示例思路：
MTTR
MTBF MTBF
A i +=
固有可用度MTTM
MTBM MTBM
A a +=
可达可用度MDT
MTBM MTBM
A o +=
运行可用度MTBF MTTR MTBM MTTM
MDT
MTTM 延误时间
RAMS 参数体系—⑤铁路产品可用性参数体系
可用度计算示例：
按每年360天运营计算，已知参数和中间参数如下：
MTBF
天
天
次年次1800055
.01
1
/0055.0/2=====λλMTBF MTTR
天
小时167.04==MTTR
RAMS参数体系—⑤铁路产品可用性参数体系
可用度计算示例：
按每年360天运营计算，已知参数和中间参数如下：
MTBM MTTM
天
天
72
120
1
180
1
1
1
1
1
120
=
+
=
+
=
=
P
P
MTBM
MTBF
MTBM
MTBM
天
天
87
.1
)
120
3
180
167
.0
(
72
*
MTBM
MTTM
3
MTTM
P
=
+
×
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
=
=
p
P
MTBM
MTTM
MTBF
MTTR
RAMS 参数体系—⑤铁路产品可用性参数体系
可用度计算示例：
按每年360天运营计算，已知参数和中间参数如下：%
91.99167
.0180180
=+=＋＝MTTR MTBF MTBF A i MDT
备件延迟(SDT)＋管理延迟(ADT)＝1.5天MDT ＝1.5+1.87=3.37天
固有可用度Ai 可达可用度Aa %47.9787
.17272=+=+=
MTTM
MTBM MTBM A a 运行可用度Ao
%
53.9537
.37272
=+=+=MDT MTBM MTBM A o
内容安排
1 2参数及指标
影响RAMS的因素
3铁路产品可靠性参数体系4铁路产品维修性参数体系
5 6铁路产品可用性参数体系铁路产品安全性参数体系。