1、质量工程,第8章 可靠性工程,开篇案例8.1 可靠性概述 8.2 可靠性模型 8.3 可靠性分析及设计 8.4 可靠性试验 8.5 可靠性管理本章要点,开篇案例,通用汽车的可靠性之路 【思考】 1.通用汽车的可靠性之路给我们什么启示？ 2.可靠性对产品质量具有什么样的重要意义？,可靠性是产品质量的一个重要指标产品质量包括性能、可靠性、可用性、外观等项内容。 8.1.1 可靠性的发展 可靠性在国内外的发展历程,8.1 可靠性概述,质量指标,技术性能指标,可靠性指标,8.1.2 可靠性的基本概念 1可靠性 美国电子设备可靠性咨询组：在规定的时间和给定的条件下，无故障完成规定功能的概率 我国军标GJ
2、B45190 ： 产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力 （1）产品的可靠性与规定的条件分不开 （2）产品的可靠性与规定的时间密切相关 （3）产品的可靠性还与规定的功能密切相关,8.1 可靠性概述,8.1.2 可靠性的发展 1可靠性,8.1 可靠性概述,可靠性（应用的角度）,固有可靠性,使用可靠性,可靠性（设计的角度）,基本可靠性,任务可靠性,8.1.2可靠性的发展 2维修性 产品在规定条件下和规定时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到规定状态的能力，简写为M。 常用的指标有：维修度M（t），平均修复时间MTTR（Mean Time to Repair）3保障性 指产品的
3、设计特性和计划的保障资源能满足使用要求的能力，简写为S。表征保障性的指标是平均延误时间MDT(Mean Delay Time)。,8.1 可靠性概述,8.1.2可靠性的发展 4.有效性 产品可靠性、维修性和保障性三种固有属性的综合反映，指产品处于可工作状态或可使用状态的能力。 有效性的概率表征称为有效度,8.1 可靠性概述,有效度,使用有效性 （Operational Availability），记为A0,固有可用性 （Inherent Availability），记为Ai,8.1.3 可靠性管理的重要意义与主要内容 1.重要意义 高可靠性产品才能满足现代技术和生产的需要 高可靠性产品可获得高
4、的经济效益 高可靠性产品，才有高的竞争能力2.主要内容 设计阶段 工程开发阶段 批量生产阶段 使用阶段,8.1 可靠性概述,8.2.1 可靠性指标产品可靠性特征量主要的四个： 1)可靠度R（t） 2)不可靠度（或称故障概率）F（t） 3)故障密度函数f（t） 4)故障率（t）此外还有：维修度、有效度、平均寿命、可靠寿命等。,8.2 可靠性模型,8.2.1 可靠性管理的重要意义与主要内容 1.可靠度R（t）产品在规定的条件下、规定的时间内，完成规定功能的概率,8.2 可靠性模型,近似表达式：,8.2.1 可靠性管理的重要意义与主要内容 2.不可靠度F（t）产品在规定条件下和规定时间内完不成规定功
5、能的概率或发生故障（失效）的概率,8.2 可靠性模型,F（t）与R（t）的关系：,8.2.1 可靠性管理的重要意义与主要内容 3.故障密度函数f（t）由概率论知，当分布函数连续可导时，其密度函数可由分布函数求导而得到。若故障分布函数F（t）连续可导，则故障密度函数f（t）为：,8.2 可靠性模型,由此可得,若F（t）不连续可导，即N为有限个产品时，,8.2.1 可靠性管理的重要意义与主要内容 4.故障率（t）某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生故障的概率，称为该产品在时刻t的故障率故障率（t）与可靠度F（t）及故障密度函数f（t）之间的关系：,8.2 可靠性模型,N有限时，近似表达式
6、为：,8.2.1 可靠性管理的重要意义与主要内容 5.故障率曲线故障率曲线形状很像浴盆，故常称之为“浴盆曲线”，浴盆曲线明显地分为三段：早期失效期偶然失效期损耗失效期,8.2 可靠性模型,8.2.1 可靠性管理的重要意义与主要内容 6. 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。 其他几个概念：维修密度函数m（t）、维修率（t） 平均修复时间,8.2 可靠性模型,8.2.1 可靠性管理的重要意义与主要内容 7.有效度A（t）表示产品在规定条件下保持规定功能的能力。平均寿命与可靠寿命 平均寿命是有关产品寿命的平均值 给定可靠度所对应的时间称可靠寿命,8.2 可靠性模型
7、,8.2.2 可靠性模型 1.串联模型,8.2 可靠性模型,数学模型,系统的故障率s,8.2.2 可靠性模型 1.串联模型 系统的平均无故障工作时间 MTBFs,8.2 可靠性模型,若各单元的寿命分布均为指数分布，系统的寿命也服从指数分布， 系统的故障率s：,系统的MTTFs,8.2.2 可靠性模型 1.串联模型 当各个单元的失效率均为时，,8.2 可靠性模型,系统的可靠度是各单元可靠度的乘积，单元越多，系统可靠度越小；串联系统的可靠度小于任意一个单元的可靠度；而系统的失效率大于任意一个单元的失效率。从设计方面考虑，为提高串联系统的可靠性，可从以下三方面考虑： （1）尽可能减少串联单元个数；
8、（2）提高单元可靠性，降低其故障率i（t）； （3）缩短工作时间t。,8.2.2 可靠性模型 2.并联模型 数学模型,8.2 可靠性模型,系统的故障率s,系统的平均无故障工作时间MTBFs,或,8.2.2 可靠性模型 2.并联模型 当系统各单元的寿命分布为指数分布时，对于最常用的两单元并联系统,8.2 可靠性模型,注意:尽管单元故障率1、1都是常数，但并联系统的故障率s不再是常数如图：,8.2.2 可靠性模型 3.混联模型 （1）串并联模型,8.2 可靠性模型,数学模型：,8.2.2 可靠性模型 3.混联模型 （1）并串联模型,8.2 可靠性模型,数学模型：,8.2.2 可靠性模型 3.混联模
9、型 （1）并、串联混合模型,8.2 可靠性模型,数学模型：,8.2.2 可靠性模型 4.表决结构系统的可靠性模型,8.2 可靠性模型,数学模型：,系统的可靠度为,8.2.2 可靠性模型 5.旁联系统可靠性模型,8.2 可靠性模型,当系统各单元的寿命服从指数分布,系统各单元都相同时,数学模型： a.假设转换装置的可靠度为1，系统的平均无故障工作时间MTBFs等于各单元的平均无故障工作时间之和,8.2.2 可靠性模型 5.旁联系统可靠性模型,8.2 可靠性模型,对于两个不同单元，其失效率分别为常数1、2，有,数学模型： b.假设转换装置的可靠度为常数RD，当两个单元相同，且寿命服从指数分布时，系统
10、的可靠度为：,8.3.1 故障模式影响及危害性分析 1.故障模式与影响分析（FMEA） FMEA是在产品设计过程中，通过对产品各个组成单元潜在的各种故障模式及其对产品功能的影响进行分析，提出可能采取的预防改进措施，以提高产品可靠性的一种设计分析方法。FMEA分析程序： 明确系统组成、任务、功能、工作过程和各种工作方法及其使用环境；明确系统可能失效的全部故障（失效）模式并对系统故障（失效）进行分类、分级。 画出可靠性结构框图 列出所有元器件以至接点、导线的各种失效形式(模式) 填写失效模式影响分析表,8.3 可靠性分析与设计,8.3.1 故障模式影响及危害性分析 1.故障模式与影响分析（FMEA
11、）故障模式及影响分析例表,8.3 可靠性分析与设计,8.3.1 故障模式影响及危害性分析 1.故障模式与影响分析（FMEA）严酷度类别一般分为四类： a.类（灾难的）这是一种会引起人员死亡或系统（设备）毁坏的故障； b.类（致命的）这种故障会引起人员的严重伤害、重大经济损失或导致任务失效的系统（设备）严重损坏； c.类（临界的）这种故障会引起人员的轻度损害、一定的经济损失或导致任务延迟或降级的系统（设备）轻度损坏； d.类（轻度的）这是种不足以导致人员伤害、定的经济损失或系统（产品）损坏的故障，但它会导致非计划性维修；,8.3 可靠性分析与设计,8.3.1 故障模式影响及危害性分析 2危害性分
12、析（CA）危害性分析是按每一故障模式的严酷度类别及故障模式的发生概率所产生的影响对其划等分类，以便全面地评价各种可能的故障模式的影响。危害性分析有定性分析和定量分析两种方法。定性分析是绘制危害性矩阵；定量分析是计算故障模式危害度Cm和产品危害度Cr，并填写危害性分析表。,8.3 可靠性分析与设计,8.3.1 故障模式影响及危害性分析 2危害性分析（CA） （1）定性分析方法 产品工作期间内某一故障模式的发生概率与产品在该期间内总的故障概率的比值K的大小来划分：A级是经常发生的，K20；B级是有时发生的，10K20；C级是偶然发生的，1K10；D级是很少发生的，0.1%K1；E级是极少发生的，K
13、0.1%。,8.3 可靠性分析与设计,8.3.1 故障模式影响及危害性分析 2危害性分析（CA） （2）定量分析方法 定量分析就是计算故障模式危害度Cm和产品危害度Cr及填写危害性分析表 产品危害度Cr是该产品在某一特定的严酷度类别和任务阶段，各种故障模式危害度Cmj，的总和,8.3 可靠性分析与设计,8.3.1 故障模式影响及危害性分析 2危害性分析（CA）,8.3 可靠性分析与设计,产品 危害度,8.3.1 故障模式影响及危害性分析 2危害性分析（CA）,8.3 可靠性分析与设计,产品 危害度,危害性分析表,案例,8.3.2 事故树分析 1事故树分析的含义 事故树分析法（Fault Tre
14、e Analysis）简称FTA法。故障树分析法把系统最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标，把选定的系统故障状态称为顶上事件。然后沿着这样的思路进行分析：首先，分析人员应提出并回答“有哪些直接的因素能造成顶上事件的出现？”然后找出这些因素中每一个因素又是由什么下一级因素引起的？按照这个线索步步深入，一直追溯到那些原始的、或其故障机理或概率分布都是己知的、因而不需继续分析的因素为止。,8.3 可靠性分析与设计,8.3.2 事故树分析 2事故树分析步骤选取顶上事件建立事故树事故树定性分析事故树的定量分析,8.3 可靠性分析与设计,8.3.2 事故树分析 2事故树分析步骤,8.3 可靠性分析与设
15、计,8.3.2 事故树分析 2事故树分析步骤事故树的割集：事故树中一些底事件的集合。当这些底事件同时发生时，顶事件必然发生。事故树的最小割集：指这样的割集，若将割集中所含的底事件任意去掉一个就不再成为割集了。这样的割集就是最小割集。事故树定性分析：所需找出的导致顶上事件发生的所有可能的故障模式就是求出事故树的所有最小割集。,8.3 可靠性分析与设计,8.3.2 事故树分析 2事故树分析步骤比较小概率失效元件组成的各种系统失效概率时，其事故树所含最小割集的最小阶数越小，系统的失效概率越高；在所含最小割集的最小阶数相同的情况下，该阶数的最小割集的个数越多，系统的失效概率越高。 比较同系统中各基本事
16、件的重要性时，按各基本事件在不同阶数的最小割集出现的次数来确定其重要件大小。所在最小割集的阶数越小，出现的次数越多、该基本事件的重要性越大。,8.3 可靠性分析与设计,8.3.2 事故树分析 2事故树分析步骤 由各单元的失效概率求系统的失效概率求各单元的重要度 a. 单元的结构重要度Isr（j）b.单元的概率重要度Ipr（j）C.单元的关键重要度Icr（j）,8.3 可靠性分析与设计,8.3.3 可靠性设计 1.可靠性设计的目的、任务及原则 可靠性设计的目的就是在综合考虑产品的性能、可靠性、费用和时间等因素的基础上，通过采用相应的可靠性设计技术，使产品在寿命周期内符合所规定的可靠性要求。 可靠
17、性设计的任务就是实现产品可靠性设计的目的，预测和预防产品所有可能发生的故障。也就是挖掘和确保产品潜在的隐患和薄弱环节，通过设计预防和设计改进，有效地消除隐患和薄弱环节，从而使产品符合所规定的可靠性要求。 可靠性设计的原则：(1) 可靠性设计应有明确的可靠性指标和可靠性评估方案； (2) 可靠性设计必须贯穿于功能设计的各个环节，在满足基本功能的同时，还应考虑影响可靠性的各种因素； (3) 应针对故障模式(即系统、部件、元器件故障或失效的表现形式)进行设计，最大限度地消除或控制产品在寿命周期内可能出现的故障(失效)模式。 (4) 在设计时，应在继承以往成功经验的基础上，积极采用先进的设计原理和可靠
18、性设计技术。但在采用新技术、新型元器件、新工艺、新材料之前，必须经过试验，并严格论证其对可靠件的影响： (5) 在进行产品可靠性的设计时，应对产品的性能、可靠性、费用、时间等各方面因素进行权衡，以便做出最佳设计方案。,8.3 可靠性分析与设计,8.3.3 可靠性设计 2.可靠性设计的流程 建立系统的初步方案，确定构成系统的各因素间关系，并进行初步定性分析和判断。 在满足各种限制条件下对各种初步设计方案比较。 )将选定的初步考虑方案进行定量预计，经预计系统能满足系统各项要求的方案作为要实现的方案。 方案具体实现，即开始系统、子系统、设备、部件、零件的设计、制造、试验等。 系统最后评价 3.可靠性
19、设计常用方法 预防故障设计法 储备设计 减荷设计 耐环境设计法 人机工程设计法 安全性设计法,8.3 可靠性分析与设计,8.4.1 概述 1可靠性试验的目的 a)在研制阶段使产品达到预定的可靠性指标 b)在产品研制定型时进行可靠性鉴定 c)在生产过程中控制产品的质量 d)对产品进行筛选，以提高整批产品的可靠性水平 e)研究产品的故障机理 2.可靠性试验的分类 按照试验环境分类可分为实验室和使用现场可靠性试验两大类 按照试验目的分类可靠性工程试验和可靠性统计试验两大类,8.4 可靠性试验,8.4.2 可靠性工程试验 1环境应力筛选试验环境应力筛选可用于产品的研制、生产和使用各阶段,8.4 可靠性
20、试验,8.4.2 可靠性工程试验 1环境应力筛选试验典型筛选应力,8.4 可靠性试验,8.4.3 可靠性增长试验 可靠性增长就是一个逐步改正产品设计和制造中的缺陷，不断提高产品可靠性的过程，它贯穿于产品的寿命周期内。常见的可靠性增长有： 一般性的可靠性增长 可靠性增长管理 可靠性增长试验,8.4 可靠性试验,8.4.3 可靠性增长试验 1可靠性增长试验 基本方法试验、分析与纠正试验 （TAAF） 在可靠性增长试验中，TAAF试验以纠正故障为目标，工作步骤如下： 借助模拟实际使用条件的试验诱发放障，充分暴露产品的问题和缺陷 对故障定位，进行故障分析及找出故障记录； 根据故障分析结果，设计并制定改
21、正产品设计和制造过程中缺陷的纠正措施； 制造新设计的有关硬件； 对新硬件继续试验，一方面暴露产品的新问题和缺陷，一方面验证纠正措施的有效性。2计划、跟踪与控制,8.4 可靠性试验,8.4.3 可靠性增长试验 3故障分类从系统性与偶然性划分，可分为：系统性故障 残余性故障也称偶然性故障从采取或不采取纠正措施划分，可分为：B类故障予以纠正故障 A类故障不予纠正故障,8.4 可靠性试验,8.4.3 可靠性增长试验 4增长模型增长模型描述了产品在可靠性增长试验过程中可靠性增长的规律，它是制定可靠性计划增长曲线的依据。Duane模型：产品的平均故障间隔时间MTBF的变化与试验时间具有如下的规律：,8.4
22、 可靠性试验,8.4.4 可靠性验证试验 1.可靠性验证试验的分类（1）按产品寿命特点分 成败型试验方案 连续型试验方案（2）按试验的截尾方式分 定时截尾试验方案 序贯截尾试验方案 定数截尾试验方案,8.4 可靠性试验,8.4.4 可靠性验证试验 2.选择试验方案的原则（1）如果必须通过试验对MTBF的真值进行估计或需要预先确定试验总时问和费用，宜选用定时截尾试验方案。所以一般可靠性鉴定试验较多选用此种方案； （2）如仅需以预定的判决风验率，对假设的MTBF值0(合格判定值)，1 (极限值)作判决，不需要事先确定试验的总时间时，则可选用序贯试验方案。因此一般可靠性验收试验选用此种方案； （3）
23、如果由于试验时间(或经费)限制，且生产方和使用方都愿意接受较高的风险率，可采用高风险定时截尾或序贯截尾试验方案； （4）当必须对每台产品进行判决时，可采用全数试验方案；对以可靠度或成功率，合格品率为指标的产品，可采用成功率试验方案。该方案不受产品寿命分布的限制。,8.4 可靠性试验,8.5.1 可靠性控制计划 可靠性控制计划是产品研制生产计划的一部分，应该纳入计划评审（PERT）网络图，统一计划调度。制订可靠性控制计划时需要考虑的一般因素有：(1)所要求的系统可靠性水平高低。要求愈高者，工作安排愈细；(2)在系统寿命周期内所处的阶段；(3)技术类别和同类产品的可靠件状况。不同类型产品的具体要求
24、不同。(4)对系统研制计划的其他约束条件，如进度和资金等。 8.5.2 可靠性保障体系 1.可靠性专业单位的职责 (1)负责组织制订产品生产的可靠性控制计划，作为其研制计划的一部分； (2)协助和指导可靠性设计，包括解释可靠性要求，指出设计上所应考虑的问题，推荐元器件供设计人员选用，编制元器件应用指南，协助和指导设计人员进行FMEA和FTA等分析工作，向设计人员提供可靠性反馈信息并提出建议等； (3)负责完成定量的可靠性分析，评定当前的可靠性水平，发现潜在的问题；,8.5 可靠性试验,8.5.2 可靠性保障体系 1.可靠性专业单位的职责 （4）参加设计评审，报告当前可靠性状况和存在的问题，并提
25、出建议供讨论和决策； （5）监视失效反馈，分析与改正系统的工作，检查失效趋势和存在问题，提出改正措施等； （6）对图样所用的元器件和技术条件进行检查确保所用元器件能合乎标准工作； （7）检查制造部门的质量控制程序； （8）检查试验计划，了解试验情况，协助进行试验结果的分析和试验报告的编写； 2.设计单位在可靠性方面的职责 （1）在可靠性专业单位的支持下负责可靠性设计； （2）向可靠性专业单位提供详细的设计资料以供评审和分析； （3）负责进行FMEA和FTA分析等工作； （4）进行应力分析，性能分析等工作；,8.5 可靠性试验,8.5.2 可靠性保障体系 3.领导层在可靠性方面的职责（1）产品负
26、责人在可靠性方面的职责主要包括掌握与控制产品可靠性计划；主持和参加设计评审；主持讨论和解决各种可靠性问题；协调各种矛盾因素并权衡轻重做出决策等。（2）企业领导干部在可靠性方面的职责主要包括尊重科学，带头学习和运用可靠性管理知识；明确分工，建立可靠性保障体系和工作制度并监督其实施，为可靠性保障工作配备必要的资源等。,8.5 可靠性试验,8.5.3 过程可靠性管理 1生产阶段的可靠性管理 （1）加强生产过程的质量控制。制定严格的质量控制要求，检验和测试程序，以及数据的收集、分析和纠正要求等。 （2）根据产品的特点，制定生产过程中不同工序间必要的筛选试验程序，加强潜在故障的暴露。 （3）优化工艺设计
27、及生产技术、生产设备，严格操作规程。 （4）加强生产人员的培训，提高其技术水平，创造优良的生产条件。 （5）选择高质量的货源，加强进厂入库前的检验工作。 （6）建立有效的故障报告、分折和纠正措施系统。发现问题，及时报告并采取改进措施，使产品的固有设计可靠性得以保持。,8.5 可靠性试验,8.5.3 过程可靠性管理 1使用、维修阶段的可靠性管理（1）跟踪产品在现场的可靠性状况；（2）对出现的故障或问题进行分析，为改进产品可靠性提供依据；（3）评价改进措施的有效性；（4）验证产品设计、生产过程中所采取的可靠性措施的正确性和合理性；环境应力筛选和可靠性增长试验的效果以及厂内可靠性鉴定试验的正确性。,
28、8.5 可靠性试验,1. 产品的可靠性是指产品在规定的时间和规定的条件下，完成规定功能的能力。可靠性管理是产品质量管理的重要内容之一。 2. 产品可靠性的度量指标主要有可靠度、不可靠度、故障密度函数和故障率等。可靠度是产品在规定的时间与规定的条件下，完成规定功能的概率。不可靠度互补于可靠度。故障率反映了单位时间内有多少产品发生故障的可靠性特征量。 3. 可靠性模型是依据系统的不同构成，研究和分析系统可靠性的数学模型。常见的系统构成有串联系统、并联系统、并串联和串并联系统。 4. 故障模式影响及危害性分析是一种用来确定潜在失效模式及其原因的可靠性分析方法。通过实行FMEACA分析，可在产品设计或生产工艺真正实现之前发现产品的弱点，可在大批量生产之前确定产品缺陷。 5. 事故树分析是一种演绎的可靠性分析方法。它是从要分析的特定故障开始，层层分析其发生原因，直到找出事故的基本原因为止。通过定性与定量分析故障发生原因（底事件）的重要度，从而确定系统控制的要点。 6. 常用的可靠性设计方法有预防故障设计法、储备设计、减荷设计、耐环境设计、人机工程设计以及安全性设计等。 7. 可靠性试验对产品的可靠性进行调查、分析和评价的一种手段，也是提供或保证产品可靠性的重要环节。,本章小结,
