可靠性工程基础培训课程

故障率曲线分析
(b)正常工作期：在此期间产品故障率低而且 稳定，是设备工作的最好时期。在这期间内产 品发生故障大多出于偶然因素，如突然过载、 碰撞等，因此这个时期又叫偶然失效期。
可靠性研究的重点，在于延长正常工作期 的长度。
故障率曲线分析
(c)损耗时期：零件磨损、陈旧，引起设备故障 率升高。如能预知耗损开始的时间，通过加强 维修，在此时间开始之前就及时将陈旧损坏的 零件更换下来，可使故障率下降，也就是说可 延长可维修的设备与系统的有效寿命。
前提下，产品在规定的条件下 和规定的时间内可以完成规 定
▪ 功能的能力 外部资源（不含维修资源）不影响固有可用 性，使用可用性则受外部资源的影响
可用性（续）
可用性综合反映了产品可靠性、
维修性和保障性所达到的水平可靠
性、维修性和可用性是可靠性的三
个基本方面，简称为RAM问题/技术
可靠性特征量
定义：对可靠性的相应能力作出定量描述 的量，称之为可靠性特征量。
可靠性工程的重要意义
我国可靠性工作起步也比较早，50年代 就建立了温热带环境暴露试验机构。
1972年在这个基础上组建了我国唯一的 电子产品可靠性与环境试验研究所，着 手可靠性与环境试验、失效分析、数据 处理等研究工作。
70年代中期我国电子、机械、仪表、邮电、航 天、航空、电力、三军等系统陆续开展了可靠 性工作。一般都是从调查研究、可靠性教育入 手，接着是建立可靠性管理、研究、试验、数 据、情报等工作机构，制订可靠性标准，对产 品提出指令性的可靠性指标，进行可靠性考核 与可靠性试验，对试验中发生的失效进行失效 模式与机理的分析研究，提出纠正措施。
)
e
t
0
(t
) dt
exp[
t (t)dt]
0
(7-8)
失效率曲线
λ(t) 失效率
使用寿命 A
偶然失效期 早期失效期
B 规定的失效率
t时间 耗损失效期
故障率曲线分析
“浴盆曲线”。 (a)早期故障期：产品早期故障反映了
设计、制造、加工、装配等质量薄弱环 节。早期故障期又称调整期或锻炼期， 此种故障可用厂内试验的办法来消除。
维修策略等因素，用于描述产品在计划 的环境中使用的可靠性水平。
可靠性—从设计的角度出发
基本可靠性 —考虑要求保障的所有故障的影响，用于度量 产品无须保障的工作能力，包括与维修与供应 有关的可靠性，用平均故障间隔时间MTBF （Mean Time Between Failure）来度量；
任务可靠性 —仅考虑造成任务失败的故障影响。用于描述产
维修性（续一）
▪维修性包括两个方面 • 维护 也叫预防性维修，是一种日
常的可靠性控制过程，表现为预先 检查和采用“边缘试验技术”
• 修理 产品发生故障后，使其恢复
完成规定功能的工作
维修性（续二）
维修性反映了可维修产品
可以接受维修的能力，在产品
的论证阶段、研制阶段、使用
阶段和处理阶段的全寿命过程，
都应重视维修性要求。
保障性
▪ 产品的设计特性和计划的保障资
源等是 完成规定功能的能力
▪ 保障性包括两个方面 • 与保障有关的设计特性 • 保障资源的充足和适用性
保障性（续）
▪ 产品同时具有可保障的特性和能保障
的特性，才是具有完整保障性的产品
可用性（Availability）
▪ 固有可用性 在要求的外部资源得到满足的
故障率、故障密度及可靠度之间的关系
当N0→∞时
(t)
1
dN f (t)
dN f (t)
f (t)
N0 N f (t) dt dtN0 (1 N f (t) / N0 R(t)
故障率、故障密度及可靠度之间的关系
根据R (t)，F (t)，f (t),λ(t)的定义，还可以推导 出：
R(t
故障率的单位一般采用10-5小时或10-9小时 (称10-9小时为1fit)。
故障率也可用工作次数、转速、距离等。
可靠性特征量—平均寿命
平均寿命 平均寿命是指产品从投入运行到发生故障的平
均工作时间。对于不维修产品又称失效前平均 时间MTTF(Mean time to failure)，根据数学期 望的定义，可得
t
m(t) (t)e 0 (t)dt
平均修复时间(MTTR—Mean time to Repair) 应理解为产品修复时间的数学期望。有：
MTTR 0 [1 M (t)]dt
当μ(t)=常数时， MTTR 1
对可修复系统，当考虑到可靠性和维修性
时，综合评价的尺度就是有效度A(t)，它表示
可靠性发展的动力--续
产品或设备的故障都会影响生产和造成巨大经济损失。 特别是大型流程企业，有时因一台关键设备的故障导致 工厂停产，其损失都是每天几十万元甚至几百万元。因 此，从经济效益的来看，研究可靠性是很有意义的。
研究与提高产品的可靠性是要付出一定代价的。从生 产角度看，要增加产品的研制和生产的成本。但是，从 使用角度看，由于产品可靠性提高了，就大大减少了使 用费和维修费，同时还减少了产品寿命周期的成本。所 以，从总体上看，研究可靠性是有经济效益的。
故障率λ(t)
故障率λ(t)是衡量可靠性的一个重要指标，
其含义是产品工作到t时刻后的单位时间内发生 故障的概率，即产品工作到t时刻后，在单位时 间内发生故障的产品数与在时刻t时仍在正常工
作的产品数之比。λ(t)可由下式表示。
(t) 1 dN f (t)
N s (t) dt
式中dNf (t)为d t时间内的故障产品数。
可靠性发展的动力--续
从政治方面考虑，无论哪个国家，产品的先进 性和可靠性对提高这个国家的国际地位、国际 声誉及促进国际贸易发展都起很大的作用。
可靠性—从应用的角度出发
固有可靠性 —仅考虑承制方在设计和生产中能控制 的故障时间，用于描述产品设计和制造 的可靠性；
使用可靠性 —综合考虑产品设计、制造、安装环境、
可靠性工程的发展
总的来看，可靠性工程的发展可以粗略 地划分为四个阶段：
1. 第一阶段，调查准备阶段 2. 第二阶段，统计试验阶段 3. 第三阶段，可靠性物理阶段 4. 第四阶段，可靠性保证阶段
可靠性工程的发展：第一阶段
第一阶段，是调查准备阶段，主要特点 是提出可靠性问题，进行基础理论研究， 提出工程技术与管理方面的要求。
品完成任务的能力，用任务可靠度MR （Mission Reliability）和致命性故障间隔任务 时间MTBCF（Mission Time Between Critical Failure）来度量。
维修性（Maintainability）
可维修产品在规定条件和规
定时间内，按规定程序和方法 进行维修时，保持或恢复到规 定状态的能力。
R(t)
N s (t)
N s (t) N0 N f (t)
N s (t) N f (t) N0
N0
可靠性特征量—失效分布
如果仍假定t为规定的工作时间，T为产品故障前 的时间，则产品在规定的条件下，在规定的时间 内丧失规定的功能(即失效)的概率定义为不可靠 度，用F(t)表示： F (t) = P (T≤t)
称为可靠度函数。
0≤R (t)＜1
可靠性特征量—故障密度
故障密度函数f (t) 如果N0是产品试验总数，△N f是时刻t→t+△t
时间间隔内产生的故障产品数，△N f (t)／ (N0△t)称为t→t+△t时间间隔内的平均失效(故 障)密度，表示这段时间内平均单位时间的故障 频率，若N0→∞，△t→0，则频率→概率。
有效度 对于可修复产品，只考虑其发生故障的概率
显然是不合适的，还应考虑被修复的可能性， 衡量修复可能性的指标为维修度，用M(t)表示。
维修度M(t)——产品在规定条件下进行修理 时，在规定时间内完成修复的概率。
在维修性工程中，还有维修密度函数m(t)、 维修率μ(t)，其相互关系有：
t
M (t) 1 e 0 (t)dt
可靠性工程基础
可靠性基本概念
什么是可靠性
可靠性是指产品在规定的条件和规定的时间 内，完成规定的功能的能力。简写为R
可靠性基本概念
产品的可靠性与规定的条件分不开 产品的可靠性与规定的时间密切相关 产品的可靠性与规定的功能密切相关
可靠性工程的重要意义
第二次世界大战中，美国由于飞行事故 损失飞机21000架，比被击落的还要多1. 5倍。
产品在规定条件下保持规定功能的能力。
A(t) MTBF MTBF MTTR
MTBF——反映了可靠性的含义。
MTTR——反映维修活动的一种能力。
两者结合—固有有效度A(t)
当考虑后勤保障、服务质量时，就会在时
间序列上出现平均等待时间(MWT—Mean Wait time)。如果从实际出发，使用有效度A0应表示 为：
可靠性工程的发展：第四阶段
第四阶段，是可靠性保证阶段，主要特 点是开展系统的可靠性管理，对各个环 节以及全寿命周期进行控制，实现可靠 性保证。 这四个阶段，并不是截然分开 的，而是互相交叉、逐步地发展与完善。 即使进入了可靠性保证阶段，基础理论 研究、统计试验、失效分析等工作仍有 着重要作用，其本身也不断有新的发展。
f (t) lim 1 dN f N N0 0 dt
也可根据F(t)的定义，得到f (t)，即
F(t)
N f (t) N0
t 0
1 N0
dN
f
(t)
t1 0 N0
dN
f
(t) dt
dt
t 0
f (t)dt
(7-5)
F (t)具有以下性质：
0 ≤ F (t) ＜ 1，且为增函数。
可靠性特征量—故障率
x
MTTF 0 tf (t)dt
对于可维修产品而言，平均寿命指的是产品两 次相邻故障间的平均工作时间，称为平均故障 间隔时间MTBF(Mean time between failure)，和 MTTF有同样的数学表达式：
MTBF 0 R(t)dt
当λ(t) = 常数时， MTBF 1
可靠性特征量—有效度
主要有：可靠度、失效分布、失效率、故 障密度函数以及平均寿命等等。
可靠性特征量—可靠度
可靠度R (t) 把产品在规定的条件下和规定的时间内，完成
规定功能的概率定义为产品的“可靠度”。用R (t)表示：
R (t) = P (T＞t) 其中P (T＞t)就是产品使用时间T大于规定时间t
的概率。
若受试验的样品数是N0个，到t时刻未失效的 有N s (t)个；失效的有N f (t)个。则没有失效的概 率估计值，即可靠度的估计值为
可靠性工程的发展：第二阶段
第二阶段，统计试验阶段，主要特点是 对元器件及整机进行可靠性试验与环境 试验，对可靠性进行定量怦估与分析改 进；开展可靠性与维修性的工程理论研 究。
可百度文库性工程的发展：第三阶段
第三阶段，是可靠性物理阶段，主要特 点是对元器件、整机及系统进行定性与 定量的失效分析，从材料、设计和制造 等方面采取措施，预防失效。
可靠性发展的动力
1. 设备系统越来越复杂 2. 使用环境越来越恶劣 3. 产品生产周期越来越短
总之，无论是人民群众的生活，国 民经济建设的需要出发，还是从国防、 科研的需要出发，研究可靠性问题是具 有深远的现实意义。
可靠性发展的动力--续
现代科技迅速发展导致各个领域里的各种 设备和产品不断朝着高性能、高可靠性方向发 展，各种先进的设备和产品广泛应用于工农业、 交通运输、科研、文教卫生等各个行业，设备 的可靠性直接关系到人民群众的生活和国民经 济建设，所以，深入研究产品可靠性的意义是 非常重大的。
同样，不可靠度的估计值为：
F(t) N f (t) N f (t) N0 Ns (t)
Ns (t) N f (t) N0
N0
由于故障和不故障这两个事件是对立的，所以
R (t) + F (t) =1 当N0足够大时，就可以把频率作为概率的近
似值。同时可靠度是时间t的函数。因此R (t)亦
A0
1949年美国海军电子设备有70％失效， 每一个使用中的电子管，要有9个新电子 管作为备件。
可靠性工程的重要意义
美国的宇宙飞船阿波罗工程有700万只元器件 和零件，参加人数达42万人，参予制造的厂家 达1万5千多家，生产周期达数年之久。象这样 庞大的复杂系统，一旦某一个元件或某一个部 件出现故障，就会造成整个工程失败，造成巨 大损失。所以可靠性问题特别突出，不专门进 行可靠性研究是难于保证系统可靠性的。