1、主讲：,Reliability of Instruments,1.1 引言1.2 可靠性的基本概念1.3 可靠性的主要指标1.4 可靠性寿命特性1.5 其它可靠性指标1.6 常见的失效分布,第一章主要内容,1.1 引言,可靠性工程的发展可靠性的重要意义可靠性的研究内容和范围课程简介参考书目,可靠性工程的发展,二战期间，美飞机因故障坠落是被击落的1.5倍，而许多舰艇和飞机上的电子仪器设备有近一半在运输与储存中出现故障而失效1986年美“挑战者”号航天飞机因燃料系统密封圈失效而爆炸，2003年哥伦比亚号航天飞机因燃料箱外泡沫材料脱落而解体1952美国防部成立AGREE(电子设备可靠性顾问团)，19
2、57出版的研究报告奠定了可靠性工程发展的基础。1961年，前苏联在发射第一艘宇宙飞船时，提出了可靠度达到0.999的定量要求；1958年，日本科学技术联盟专门成立了“可靠性研究委员会”；我国1980s开始形成了一批可靠性研究和管理的队伍，制定了GJB299-87“电子设备可靠性设计手册”等一系列标准，有力地推动了可靠性的规范化工作。,可靠性的重要意义,与国民经济、生产、人身安全息息相关；在产品质量的四个方面（性能、可靠性、经济性和安全性）中，可靠性占有主导地位；对国防军工装备、核动力装备、过程装备、石化设备、航天器等，可靠性更有特殊的意义；美国人曾预言：今后只有那些具有高可靠性指标的产品和企业
3、才能在日益激烈的国际贸易竞争中幸存下来；日本人则断言：今后产品竞争的焦点是可靠性。,可靠性的研究内容和范围,主要包括：可靠性工程(工程可靠性)：分析、设计、评价、使用可靠性物理学(故障物理学)：失效机理可靠性数学：数学方法、数学模型、定量规律，涉及概率论、数理统计、随机过程、运筹学、拓朴学等众多应用数学可靠性工程是一门新兴的涉及面广且有相当深度的工程学科，是研究产品全寿命过程中故障发生的原因、发展规律，达到预防故障、降低故障率、提高产品质量之目的的工程技术。,课程简介,课程性质：测控技术与仪器专业的一门专业方向必修课。教学目的与任务：让学生理解可靠性的基本概念、理论和设计方法，掌握仪表一般的可
4、靠性设计原则，可靠性评定的基本方法，学会查阅有关技术文件资料的能力，了解可靠性研究的新发展。考核方法：平时成绩+期末测试,课程简介(续),课程主要内容：以可靠性基本理论为主干，结合在仪器仪表中的实际应用，从仪表的可靠性技术指标和失效分布入手，逐步深入地讨论仪表系统的可靠性模型、可靠性预计与分配、可靠性设计技术、失效分析、可靠性试验与评定、可靠性管理等主要内容。课程重点：可靠性、可靠度、寿命、失效率等基本概念，可靠性预计、分配、试验、评估等基本理论及其实际应用。,参考书目,唐月英等. 仪表可靠性基础. 北京:机械工业出版社,1992孙新利等. 工程可靠性教程. 北京:国防工业出版社, 2005姜
5、兴渭等. 可靠性工程技术. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2005刘建侯等. 仪表可靠性工程和环境适应技术.北京:机械工业出版社,2003,1.2 可靠性的基本概念,可靠性是产品在整个生命周期中，保证完成规定功能的能力，是产品好坏的一项重要指标，是产品生命的一部分。可靠性是表征产品（系统、原件、器件等）无故障工作能力的指标，是产品的重要内在属性，是衡量产品质量的重要指标之一。GB3187-1982(可靠性基本名词及定义)中的定义：产品（对本课程而言也即仪表）在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。,定义说明(1),产品：指广义的对象，可以是单元、系统、部件等。规定条件主要包括：环境条件
6、：气候、生化、机械、电磁、沙尘等使用条件：负载情况和工作情况（连续、断续、周期）维护条件；操作条件。,定义说明(2),规定时间：时间指的是广义的时间，有时可定义为使用次数、运行距离、运行周期、循环次数等。规定功能：泛指仪表应当具有的技术性能指标和使用要求，如准确度及其它静态、动态指标等。这是在产品设计时就已确定，正常工作时应得到保证的。完成规定功能的能力：就是产品可靠性的直接反映，只是定性的概念。,可靠性工作项目应用时机,1.3 可靠性的主要指标,可靠度R(t)故障概率分布F(t)故障概率密度f(t)故障率(t),定义：在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。,1. 可靠度R(t),式
7、中，T为产品的寿命（或无故障工作时间），通常是一非负随机变量；t即定义中的规定时间；Tt为一随机事件，表示在规定条件下产品寿命超过规定时间。,t时刻失效数,开始投入工作的产品数,估计值：,2. 故障概率分布F(t),定义：在规定条件下和规定时间内丧失规定功能的概率。也称为累积失效概率分布、不可靠度。,由前面的可靠度定义，显然有：,F (t)具有以下性质： 0 F (t) 1，且为增函数。,F(t)的估计值,估计值：,【例1】不可维修产品红外灯管100只，工作到1000h失效52只，工作到2000h又失效28只。求t1000h和t2000h的可靠度。【解】,3. 故障概率密度f(t),定义：,估
8、计值：,显然有：,也称为失效密度。,4. 故障率(t),Failure Rate定义：工作到某时刻t时尚未发生故障的产品，在该时刻后的单位时间内发生故障的概率。也称为(瞬时)失效率。,故障率的单位,故障率的单位是Fit（费特），是失效率的基本单位。1Fit = 10-9 / h ，即相当于100000件产品，工作100000h只失效1件。广义的单位概念，可以是次数、周期等。,(t)的估计值与平均值,估计值：,【例2】有100件电子产品进行寿命试验，在100h前有2件失效，在100105h时间内有1件失效，到1000h前有51件失效,在10001005h时间内有1件失效。试求100h与1000h
9、的故障概率密度与失效率。,举例,【解】,由题意，当,而当,失效率变化曲线,由于设计和制造工艺上的缺陷而产生的故障，可以通过质量管理、可靠性筛选试验等办法淘汰故障产品,浴盆曲线,故障大多出于偶然因素，如突然过载、碰撞等。主要工作阶段，尽可能处长,主要由于老化、疲劳耗损引起，可通过维修使故障率下降,各指标间的变换关系,1.4 可靠性寿命特性,寿命是可靠性的又一种表示，产品的寿命是产品具有可靠性要求条件下的时间表示，是反映产品可靠性的时间指标。常用的可靠性寿命特征量有：平均寿命(Mean Life)可靠寿命(Reliable Life)更换寿命(Replacement Life),1. 平均寿命,定
10、义：,平均寿命标志产品平均工作时间有多长，是重要的可靠性指标，能较直观地反映产品的可靠性水平，且便于产品间的可靠性水平比较，因此应用广泛。,不可维修产品的平均寿命是指一批同类产品从开始使用直到失效前的工作时间的平均值，也称为平均故障前时间，表示为 MTTF (Mean Time To Failure)。,不可维修产品的平均寿命,式中：N 测试的产品总数； ti 第 i 个产品失效前的工作时间,可维修产品的平均寿命,可维修产品的平均寿命是指一次故障发生后到下一次故障发生之前的无故障工作时间的平均值，也称为平均无故障工作时间或平均故障间隔，表示为 MTBF (Mean Time Between F
11、ailure)。,式中：N 测试产品的故障次数； ti 第 i 次故障前的工作时间,2. 可靠寿命,可靠寿命即产品可靠度对应的时间，当给定可靠度R时，由R(t)=R解出t 值即为可靠寿命，记为tR。当R=0.5时，t0.5称为中位寿命。当R=e-1时， te-1称为特征寿命。,3. 更换寿命,如果对产品预先给定允许的失效率0，则满足,举例,【例3】某产品的失效率为(t) = 0.2510-4/h，求中位寿命、特征寿命和可靠度为99%的可靠寿命。,【解】,易求得此产品的可靠度函数为：,所以，,中位寿命：,特征寿命：,可靠寿命：,1.5 其它可靠性指标,维修度M(t)修复率(t)平均维修时间MTT
12、R有效度A(t)重要度w,1. 维修度M(t),式中，为维修时间，是一个非负随机变量。,用来衡量产品发生故障后能尽快修复到正常状态的能力（即维修性）。Maintainability定义：在规定条件下使用的产品，在规定的时间内，按照规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能状态的概率。,估计值：,2. 修复率,定义：维修时间已达到某一时刻但尚未修复的产品在该时刻后的单位时间内完成修理的概率。可表示为：,估计值：,3. 平均维修时间MTTR,平均维修时间MTTR(Mean Time to Repair)为维修时间的数学期望，即：,估计值：,4. 有效度,也称可用度(Availabili
13、ty)，由可靠性和维修性两部分组成，是指可维修的产品在规定条件下使用时，在某时刻具有或维持其功能的概率。对于可维修的产品，当发生故障时，只要在允许的时间内修复后又能正常工作，则其有效度与单一可靠度相比，是增加了正常工作的概率。对于不可维修的产品，有效度等于可靠度。,有效度的几种形式,瞬时有效度A(t)：在某一特定时刻t，可维修产品保持正常工作使用状态或功能的概率。常用于理论分析。稳态有效度A=A()=MTBF/(MTBF+MTTR)工作有效度Ao=工作时间/(工作时间+总不能工作时间),可靠性指标的选用,1.6 常见的失效分布,指数分布：普遍用来描述电子元器件偶然失效期的寿命分布。正态分布：可
14、用来近似描述产品损耗失效期的寿命分布。威布尔分布：适用范围较广的一种分布，可用来描述失效率浴盆曲线的各个阶段。凡是因某一局部失效引起的全局停止运行的元器件、设备、系统等的寿命服从威布尔分布，尤其是金属材料的疲劳寿命。,1.指数分布,指数分布在可靠性领域里应用最多，由于它的特殊性，以及在数学上易处理成较直观的曲线，故在许多领域中首先把指数分布讨论清楚。若产品的寿命或某一特征值t的故障密度为 则称t服从参数为的指数分布。,指数分布例题,例4：一元件寿命服从指数分布，其平均寿命()为2000小时，求故障率及求可靠度R(100)=? R(1000)=? 解：,指数分布性质,指数分布的一个重要性质是无记
15、忆性。无记忆性是产品在经过一段时间t0工作之后的剩余寿命仍然具有原来工作寿命相同的分布，而与t无关。这个性质说明，寿命分布为指数分布的产品，过去工作了多久对现在和将来的寿命分布不发生影响。在“浴盆曲线”中，它属于偶然失效期这一时段。,2.正态分布,正态分布在机械可靠性设计中大量应用，如材料强度、磨损寿命、齿轮轮齿弯曲、疲劳强度以及难以判断其分布的场合。 若产品寿命或某特征值有故障密度 (t0,0,0) 则称t服从正态分布。,正态分布,则有： 不可靠度 可靠度 故障率 正态分布计算可用数学代换把上式变换成标准正态分布，查表简单计算,得出各参数值。,3.威布尔分布,威布尔分布应用比较广泛，常用来描
16、述材料疲劳失效、轴承失效等寿命分布的。威布尔分布是用三个参数来描述，这三个参数分别是尺度参数，形状参数、位置参数，其概率密度函数为： (t，0，0),不同 值的威布尔分布 （ =1，=0）,不同 值的威布尔分布 （ =1， =2）,威布尔分布,则有： 不可靠度 可靠度 故障率 ,威布尔分布特点,当和不变，威布尔分布曲线的形状不变。随着的减小，曲线由同一原点向右扩展，最大值减小。 当和不变，变化时，曲线形状随而变化。当值约为3.5时，威布尔分布接近正态分布。当和不变时，威布尔分布曲线的形状和尺度都不变，它的位置随的增加而向右移动。威布尔分布其它一些特点，1时，表示磨损失效；=1时，表示恒定的随机失效，这时为常数；1时，表示早期失效。当=1，=0时， ，为指数分布，式中 为平均寿命。 ,谢谢！,
