可靠性基礎(chǔ)知識(1)

1、可靠性工程基礎(chǔ)知識可靠性工程基礎(chǔ)知識東北大學(xué) 孫志禮可靠性工程基礎(chǔ)可靠性工程基礎(chǔ)n一 研究可靠性的重要意義n二 機械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史回顧n三 可靠性學(xué)科研究的范疇n四 可靠性定義及其特征量n五 可靠性中常用的概率分布 一 研究可靠性的重要意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量的含義也在不斷地擴充。 以前產(chǎn)品的質(zhì)量主要指產(chǎn)品的性能，即產(chǎn)品出廠時的質(zhì)量，而現(xiàn)在產(chǎn)品的質(zhì)量已不局限于產(chǎn)品性能這唯一的指標。 產(chǎn)品質(zhì)量的定義：滿足使用要求所具備的特性，滿足使用要求所具備的特性，即適用性。即適用性。 一 研究可靠性的重要意義 概括起來產(chǎn)品質(zhì)量特性包括：性能、可靠性、經(jīng)濟性和安全性四個方面。 產(chǎn)品的質(zhì)量首先是指

2、產(chǎn)品的某種特性，這種特性反映著用戶的需求。 一 研究可靠性的重要意義性能：性能：產(chǎn)品的技術(shù)指標，是出廠時（t=0）產(chǎn)品應(yīng)具有的質(zhì)量特性。顯然，能出廠的產(chǎn)品就應(yīng)滿足性能指標可靠性：可靠性：產(chǎn)品出廠后（t0）所表現(xiàn)出來的一種質(zhì)量特性，是產(chǎn)品性能的延伸和擴展經(jīng)濟性：經(jīng)濟性：在確定的性能和可靠性水平下的總成本，包括購置成本和使用成本兩部分安全性：安全性：產(chǎn)品在流通和使用過程中保證安全的程度一 研究可靠性的重要意義可靠性占主導(dǎo)地位： 性能差，產(chǎn)品實際上是廢品；性能好，也并不能保證產(chǎn)品的可靠性水平高 反之，可靠性水平高的產(chǎn)品在使用中不但能保證其性能的實現(xiàn)，而且故障發(fā)生的次數(shù)少、維修費用及因故障造成的損失也

3、少、安全性也提高 由此可見，產(chǎn)品的可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的核心，是生產(chǎn)廠家和用戶努力追求的目標一 研究可靠性的重要意義與國際接軌、參與國際市場的競爭，進入國際經(jīng)濟的大循環(huán)圈，這是經(jīng)濟發(fā)展的必然美國人曾預(yù)言：今后只有那些具有高可靠性指標的產(chǎn)品及其企業(yè)，才能在日益激烈的國際貿(mào)易競爭中幸存下來。而日本人則斷言：今后產(chǎn)品競爭的焦點是可靠性。因此，產(chǎn)品的質(zhì)量尤其是產(chǎn)品的動態(tài)質(zhì)量（可靠性）就顯得尤為重要。一 研究可靠性的重要意義 此外，研究產(chǎn)品可靠性的意義還在于產(chǎn)品責(zé)任法在美國等技術(shù)發(fā)達國家的產(chǎn)品責(zé)任法中規(guī)定：只要是只要是因產(chǎn)品缺陷、故障對用戶造成的損失，制造者要承擔(dān)因產(chǎn)品缺陷、故障對用戶造成的損失，制造者要承

4、擔(dān)法律和經(jīng)濟責(zé)任法律和經(jīng)濟責(zé)任 據(jù)1975年美國質(zhì)量進展雜志預(yù)測，由于產(chǎn)品責(zé)任問題，當(dāng)年請求賠償金額達500億美元在產(chǎn)品責(zé)任法中還規(guī)定：如果制造者能出示證明進行了可靠性設(shè)計和可靠性保證等活動的資料，可以排除責(zé)任。從這點也可看出研究產(chǎn)品可靠性的重要意義 二 機械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史回顧 形成這門學(xué)科的起源就是用傳統(tǒng)的質(zhì)量分析方法無法解釋實際中出現(xiàn)的失效問題 第二次世界大戰(zhàn)期間，美國空軍由于飛行故障而損失的飛機為21000架，比被擊落的多1.5倍；運往遠東的作戰(zhàn)飛機上的電子設(shè)備60在運輸中失效，在儲存期間有50發(fā)生失效；海軍艦艇上的電子設(shè)備70因“意外” 事故而失效。這些事實引起美國軍方的高度重視，

5、開始研究這些“意外”事故發(fā)生的規(guī)律，提出了可靠性的概念。二 機械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史回顧l1952年，美國軍事部門、工業(yè)部門和有關(guān)學(xué)術(shù)部門聯(lián)合成立了電子設(shè)備可靠性咨詢組（簡稱AGREE）l1957年，AGREE發(fā)表了著名的“軍用電子設(shè)備的可靠性”報告。提出在研制及生產(chǎn)過程中對產(chǎn)品的可靠性指標進行試驗、驗證和鑒定的方法；在生產(chǎn)、包裝、儲存和運輸?shù)确矫嬉⒁獾膯栴}及要求等。l這個報告被公認為是電子產(chǎn)品可靠性理論和方法的奠基性文件。從此，可靠性學(xué)科才逐漸發(fā)展成為一門獨立的學(xué)科 二 機械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史回顧機械可靠性是可靠性學(xué)科的一個重要組成部分對結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計理論和方法的研究可以追溯到四十年代。A.

6、M.Freudenthal教授是早期從事結(jié)構(gòu)可靠性研究的代表人物之一。在1947年提出了用于構(gòu)件靜強度可靠性設(shè)計的應(yīng)力-強度干涉模型在此之后的二十幾年中，他在結(jié)構(gòu)可靠性與風(fēng)險率的分析以及疲勞與斷裂的研究等方面一直處于領(lǐng)先地位，發(fā)表了很多具有代表性的論著二 機械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史回顧由于影響機械設(shè)備和系統(tǒng)可靠性的因素眾多，難以控制，而且產(chǎn)品批的數(shù)量較少，試驗費用較大，所以機械可靠性設(shè)計在五十六十年代沒能全面展開 盡管如此，從事可靠性研究的學(xué)者還是做了大量的工作 E.B.Haugen創(chuàng)造了統(tǒng)計代數(shù)運算，為可靠性設(shè)計的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)二 機械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史回顧 疲勞破壞是機械零件的主要失效形式

7、之一，據(jù)統(tǒng)計約有80的零件的失效都是疲勞破壞。因此受到廣泛的重視 從六十年代開始，F(xiàn).B.Stulen、D.Kececioglu和A.M.Freudenthal將應(yīng)力-強度干涉模型用于疲勞強度的可靠性設(shè)計中。 在七十年代前后，D.Kececioglu、E.B.Haugen等人提出了一整套基于干涉模型的疲勞強度可靠性設(shè)計方法，并在工程上得到廣泛的應(yīng)用。 1980年，E.B.Haugen出版了比較全面的概率機械設(shè)計專著 正象E.J.Henley、H.Kumamoto指出的那樣，在七十年代，除了計算機和環(huán)境科學(xué)之外，可靠性、安全性和風(fēng)險估計是發(fā)展較快的應(yīng)用科學(xué)之一。二 機械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史回顧美國

8、：美國： 七十年代將可靠性技術(shù)引入汽車、發(fā)電設(shè)備、拖拉機和發(fā)電機等機械產(chǎn)品中 八十年代，美國羅姆航空研究中心專門作了一次非電子設(shè)備可靠性應(yīng)用情況的調(diào)查分析，指出了非電子設(shè)備的可靠性設(shè)計非常困難 美國國防部可靠性分析中心（RAC）收集和出版了非電子零部件的可靠性數(shù)據(jù)手冊 二 機械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史回顧日本：日本： 以民用產(chǎn)品為主，大力推進機械可靠性的應(yīng)用研究 在日本科技聯(lián)盟中設(shè)有一個機械工業(yè)的可靠性分科會，由企業(yè)的可靠性推進人員和院校教授組成 日本可靠性的研究主要強調(diào)實用，這就大大地促進了日本的機電產(chǎn)品可靠性水平的提高 二 機械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史回顧前蘇聯(lián)：前蘇聯(lián)： 對機械可靠性的研究十分重視，

9、在其二十年的科技規(guī)劃中，將提高機械產(chǎn)品的可靠性和壽命作為重點任務(wù)之一 機器可靠性和機床精度可靠性為代表 前蘇聯(lián)制定了很多以機械產(chǎn)品為主的國家標準，用以推進可靠性技術(shù)的應(yīng)用 二 機械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史回顧中國：中國： 八十年代，我國開始重視機械可靠性的研究。從1986年起，原機電部已經(jīng)發(fā)布了六批限期考核的機電產(chǎn)品可靠性指標的清單，前后共有879種產(chǎn)品已經(jīng)進行了可靠性指標的考核。二 機械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史回顧 在進行機械零件的可靠性設(shè)計時，強度分布的確定是非常重要的。強度數(shù)據(jù)的獲得需要投入大量的人力、物力和財力，特別是疲勞強度的分布數(shù)據(jù)更是如此 對這項基礎(chǔ)性工作，各國都非常重視，我國投入了大量的人

10、力和經(jīng)費，花費了幾年的時間，獲得了一批非常珍貴的疲勞試驗數(shù)據(jù)，并經(jīng)統(tǒng)計處理后給出了分布的統(tǒng)計參數(shù)供設(shè)計時使用二 機械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史回顧美國：美國： D.Kececioglu等學(xué)者給出了指定應(yīng)力下疲勞壽命的分布，并做了大量的材料試驗日本：日本： 日本材料學(xué)會1984年出版了可靠性論文集，其中大部分都是報導(dǎo)關(guān)于金屬材料及粉末冶金等材料的疲勞和斷裂試驗數(shù)據(jù)及統(tǒng)計處理結(jié)果 三 可靠性學(xué)科研究的范疇 可靠性學(xué)科就是定量的研究產(chǎn)品動態(tài)質(zhì)量問題的一個學(xué)科。它對推動產(chǎn)品的設(shè)計、分析的現(xiàn)代化提供了必要的理論基礎(chǔ)和分析方法 可靠性學(xué)科所包含的內(nèi)容相當(dāng)廣泛，大致可包含三個方面：可靠性數(shù)學(xué)基礎(chǔ)可靠性物理（失效分析

11、）可靠性工程 三 可靠性學(xué)科研究的范疇 （1）可靠性數(shù)學(xué) 可靠性數(shù)學(xué)主要是研究解決各種可靠性問題的數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)方法，它屬于應(yīng)用數(shù)學(xué)的研究范疇。涉及的面非常廣，主要內(nèi)容是概率論和數(shù)理統(tǒng)計、隨機過程、運籌學(xué)、模糊數(shù)學(xué)等。需要說明的是隨著可靠性學(xué)科的發(fā)展，可靠性數(shù)學(xué)已不是簡單地應(yīng)用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)知識，而是在此基礎(chǔ)上有了更廣、更深入的研究，已經(jīng)形成為一門相對獨立的數(shù)學(xué) 三 可靠性學(xué)科研究的范疇 （2）可靠性物理（失效分析） 可靠性物理（失效分析）是研究失效現(xiàn)象及其機理和檢測方法的學(xué)科。美國Rome航空發(fā)展中心（RADC）于六十年代初首先進行失效物理的研究，發(fā)展失效分析方法和技術(shù)，研究各種元器件的失效機理

12、及失效模式，建立各種器件及材料失效的數(shù)學(xué)及物理模型 三 可靠性學(xué)科研究的范疇（3）可靠性工程 可靠性工程是對產(chǎn)品（零件、部件、設(shè)備或系統(tǒng)）的失效現(xiàn)象及發(fā)生概率進行分析、預(yù)測、試驗、評定和控制的邊緣性工程學(xué)科。它的發(fā)展與概率論和數(shù)理統(tǒng)計、運籌學(xué)、系統(tǒng)工程、環(huán)境工程、價值工程、人機工程、計算機技術(shù)、失效物理學(xué)、機械學(xué)、電子學(xué)等學(xué)科有著密切的聯(lián)系。三 可靠性學(xué)科研究的范疇 需強調(diào)指出的是可靠性工程不僅重視技術(shù)，也非常重視管理?？煽啃怨芾戆ㄔO(shè)計、生產(chǎn)和使用過程的管理，即全過程、全壽命期的管理 具體的可靠性管理包括制定可靠性計劃，組織可靠性設(shè)計評審，進行可靠性認證，制定可靠性標準，確定可靠性指標等三

13、可靠性學(xué)科研究的范疇 可靠性工程研究的對象包括電子和電氣的、機械和結(jié)構(gòu)的、零件和系統(tǒng)的、硬件和軟件的可靠性設(shè)計、試驗和驗證。廣義的可靠性包括維修性和有效性（可用性） 四 可靠性定義及其特征量可靠性的定義： 產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間區(qū)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。理解這一定義應(yīng)注意下列幾個要點：產(chǎn)品規(guī)定的條件規(guī)定的時間區(qū)間規(guī)定功能能力四 可靠性定義及其特征量“產(chǎn)品”指作為單獨研究和分別試驗對象的任何元件、零件、部件、設(shè)備、機組等，甚至還可以把人的因素也包括在內(nèi)。在具體使用“產(chǎn)品”這一詞時，必須明確其確切含義 “規(guī)定的條件”一般指的是使用條件，維護條件，環(huán)境條件，操作技術(shù)。如載荷、溫度、壓力、濕

14、度、振動、噪聲、磨損、腐蝕等。這些條件必須在使用說明書中加以規(guī)定，這是判斷發(fā)生故障時有關(guān)責(zé)任方的關(guān)鍵 四 可靠性定義及其特征量“規(guī)定的時間區(qū)間”，可靠度是隨著時間而降低，產(chǎn)品只能在一定的時間區(qū)間內(nèi)才能達到目標可靠度。因此，對時間的規(guī)定一定要明確。需要指出的是這里所說的時間，不僅僅指的是日歷時間，根據(jù)產(chǎn)品的不同，還可能是與時間成比例的次數(shù)、距離等。如應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、汽車的行駛里程等 四 可靠性定義及其特征量“規(guī)定的功能”，首先要明確具體產(chǎn)品的功能是什么，怎樣才算是完成規(guī)定的功能。產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能稱為失效，對可修復(fù)產(chǎn)品也稱為故障。怎樣才算是失效或故障，有時是很容易判定的，但更多的情況是很難判定的。

15、例如，對于某個齒輪，輪齒的折斷顯然就是失效；但當(dāng)齒面發(fā)生了某種程度的磨損，對某些精密或重要的機械來說該齒輪就是失效，而對某些機械并不影響正常運轉(zhuǎn)，因此就不能算失效。對一些大型設(shè)備來說更是如此。因此，必須明確地規(guī)定產(chǎn)品的功能 四 可靠性定義及其特征量“能力”只是定性的理解是不夠的，應(yīng)該加以定量的描述。產(chǎn)品的失效或故障具有偶然性，一個確定的產(chǎn)品在某段時間的工作情況并不能很好地反映該種產(chǎn)品可靠性的高低，應(yīng)該觀察大量該種產(chǎn)品的運轉(zhuǎn)情況并進行合理的處理后才能正確的反映該種產(chǎn)品的可靠性。因此，這里所說的能力具有統(tǒng)計學(xué)的意義，需要用概率論和數(shù)理統(tǒng)計的方法來處理 四 可靠性定義及其特征量可靠性的特征量：可靠性

16、的特征量： 表示產(chǎn)品總體可靠性水平高低的各種可靠性指標 可靠性特征量的真值是理論上的數(shù)值，實際中是不知道的。根據(jù)樣本觀測值經(jīng)一定的統(tǒng)計分析可得到特征量的真值的估計值。估計值可以是點估計，也可以是區(qū)間估計。按一定的標準給出具體定義而計算出來的特征量的估計值稱為特征量的觀測值。 常用的可靠性特征量有可靠度、累積失效概率（或不可靠度）、平均壽命、可靠壽命、失效率等。四 可靠性定義及其特征量 可靠度是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間區(qū)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。一般記為R，由于它是時間的函數(shù)，故也記為R(t)，稱為可靠度函數(shù)。 如果用隨機變量T表示產(chǎn)品從開始工作到發(fā)生失效或故障的時間，概率密度為f(t)，

17、則該產(chǎn)品在某已指定時刻t的可靠度tttftTPtRd)()()(可靠度可靠度:四 可靠性定義及其特征量 上述可靠度公式中的時間是從零算起的，實際使用中常需知道工作過程中某一段執(zhí)行任務(wù)時間的可靠度，即需要知道已經(jīng)工作t1后再繼續(xù)工作時間t2的可靠度。 從時間t1工作到t1+ t2的條件可靠度稱為任務(wù)可靠度 )()()()(121121121tRttRtTttTPtttR四 可靠性定義及其特征量 累積失效概率是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間區(qū)間內(nèi)未完成規(guī)定功能（即發(fā)生失效）的概率，也稱為不可靠度。一般記為F或F(t)。因為完成規(guī)定功能與未完成規(guī)定功能是對立事件，按概率互補定理 tttftTPtRt

18、Fd)()()(1)(不可靠度不可靠度:四 可靠性定義及其特征量 平均壽命是壽命的平均值。對不可修復(fù)產(chǎn)品指失效前的平均時間，一般記為MTTF；對可修復(fù)產(chǎn)品則指平均無故障工作時間，一般記為MTBF。它們都表示無故障工作時間T的數(shù)學(xué)期望E(T)或簡記為 若已知T的概率密度f(t)，則 0( )( )dtE Ttf ttt平均壽命平均壽命:四 可靠性定義及其特征量 可靠壽命是指定的可靠度所對應(yīng)的時間，一般記為t(R) 一般可靠度隨著工作時間t的增大而下降。給定不同的R，則有不同的t(R)，即)()(1RRRt式中 R-1R的反函數(shù)，即由R(t)=R反求t。 可靠壽命的觀測值是能完成規(guī)定功能的產(chǎn)品的比

19、例恰好等于給定可靠度R時所對應(yīng)的時間。 可靠壽命可靠壽命:四 可靠性定義及其特征量失效率和失效率曲線失效率和失效率曲線:a.失效率失效率是工作到某時刻尚未失效的產(chǎn)品，在該時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。一般記為，它也是時間t的函數(shù)，故也記為(t)，稱為失效率函數(shù)。按上述定義，失效率)(1lim)(0tTttTtPttt它反映了t時刻產(chǎn)品失效的速率，也稱為瞬時失效率 四 可靠性定義及其特征量b.失效率曲線 失效率曲線反映了產(chǎn)品總體整個壽命期失效率的情況。圖1-1為失效率曲線的典型情況，有時形象地稱為浴盆曲線。失效率隨時間的變化可分為三部分： 早期 失效 期 偶然失效期 耗損 失效 期 O t (

20、t) t1 t0 有效壽命 圖 1-1 典型失效率曲線 四 可靠性定義及其特征量 （1）早期失效期，失效率曲線為遞減型。產(chǎn)品投入使用的早期，失效率較高而下降很快。主要由于設(shè)計、制造、貯存、運輸?shù)刃纬傻娜毕?，以及調(diào)試、跑合、啟動不當(dāng)?shù)热藶橐蛩厮斐傻?。?dāng)這些所謂先天不良的失效后運轉(zhuǎn)也逐漸正常，失效率趨于穩(wěn)定。到t0時失效率曲線已開始變平。t0以前稱為早期失效期。針對早期失效期的失效原因，應(yīng)該盡量設(shè)法避免，爭取失效率低且t0短 四 可靠性定義及其特征量 （2）偶然失效期，失效率曲線為恒定型，即t0到t1間的失效率近似為常數(shù)。失效主要是由非預(yù)期的過載、誤操作、意外的天災(zāi)以及一些尚不清楚的偶然因素所造

21、成。由于失效原因多屬偶然，故稱為偶然失效期。偶然失效期是能有效工作的時間，這段時間稱為有效壽命 四 可靠性定義及其特征量 （3）耗損失效期，失效率是遞增型。在t1以后失效率上升很快，這是由于產(chǎn)品已經(jīng)老化、疲勞、磨損、蠕化、腐蝕等所謂耗損的原因所引起的，故稱為耗損失效期。針對耗損失效的原因，應(yīng)該注意檢查、監(jiān)控、預(yù)測耗損開始的時間，提前維修，使失效率仍不上升，如圖1-1中的虛線所示，以延長有效壽命。當(dāng)然，修復(fù)若需花很大的費用而延長壽命不多，則不如報廢更為經(jīng)濟 四 可靠性定義及其特征量可靠性特征量間的關(guān)系：可靠性特征量中R(t)、F(t)、f(t)和(t)是四個基本函數(shù)，只要知道其中的一個，則所有其

22、它的特征量均可求的。 四 可靠性定義及其特征量)(tR)(tF)(tf)(t)(tR)(1tFtttfd)(ttte0d)()(tF)(1tRtttf0d)(ttte0d)(1)(tfttRd)(dttFd)(dtttet0d)()()(t)(lnddtRtttFtFd)(d)(11tttftfd)()(基本函數(shù)五 可靠性中常用的概率分布 在可靠性設(shè)計中，主要的也是基礎(chǔ)的工作是對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，判定分布類型、估計分布參數(shù)，以獲得壽命、應(yīng)力、強度等分布，為產(chǎn)品可靠性的定量計算奠定基礎(chǔ)。可靠性中常用的概率分如下所示。其中常用的分布函數(shù)表（正態(tài)分布、2分布、t分布、F分布）和函數(shù)表可查相關(guān)表 五 可靠性中常用的概率分布均勻分布u(a,b)概率密度： bxaabxfu,1)(ab 均值E(X) ：2ba 方差D(X)： 12)(2ab五 可靠性中常用的概率分布