可靠性工程.ppt
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1、可靠性工程,目录,一、可靠性工程概述二、可靠性统计基础知识三、系统的可靠性分析 四、系统的失效(故障)分析 五、可靠性设计 六、可靠性试验 七、可靠性管理,一、可靠性工程概述,可靠性概述(一)可靠性基本概念(二)可靠性的常用度量(三)浴盆曲线,一、可靠性工程概述,可靠性问题开始于第二次世界大战之中提出。当时,军事装备已大量采用电子产品,但由于产品不可靠,造成重大损失。因此,50年代初人们开始有组织地、系统地研究电子产品的可靠性问题。可靠性技术发展,大致可分为四个阶段:调查研究阶段(19501957年):这一阶段主要对以电子管为重点的电子元件、器件进行现场数据收集和分析;研究寿命试验方法并成立专
2、门的可靠性组织。,一、可靠性工程概述,统计试验阶段(19571962年):主要研制环境与可靠性试验设备;开展产品统计抽样寿命试验;制订电子产品可靠性标准和可靠性组织、管理规范;建立可靠性数据收集和交换系统。可靠性物理研究阶段(19621968 年):这一阶段主要分析元件、器件失效机理;加强可靠性设计与工艺研究,建立高可靠元件、器件生产线;研究加速寿命试验的方法。可靠性保证阶段(1968):这一阶段的特点是建立保证产品可靠性的管理制度,形成质量保证系统;建立电子元件、器件可靠性认证制度;发展可靠性试验技术和改进可靠性标准。,一、可靠性工程概述,可靠性技术是一门综合性的边缘学科,它是研究如何提高产
3、品可靠性的技术。可靠性技术是和数学、物理、化学、环境科学、人机工程、电子技术、机械技术、管理科学等多门学科密切相关的综合技术!、概率论和数理统计学-可靠性研究的数学工具、环境与寿命试验-检查产品和验证薄弱环节的工具、数理统计、推论分析-可靠性研究的依据、应用管理科学-提高可靠性的工具,一、可靠性工程概述,(一)概念介绍:1、可靠性 2、失效(故障)3、维修性 4、保障性,一、可靠性工程概述,、可靠性:产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力。规定条件:一般指的是环境条件,负荷条件和工作方式。包括温度、湿度、负荷电压、连续/间断方式等条件。规定时间:是可靠性区别于产品其他质量属性的
4、重要特征,可靠性是产品功能在时间上的稳定程度。因此以数学形式表示的可靠性各特征量,是时间的函数。这里的时间概念不限于一般的日、分、秒,也可是与时间成比例的次数、距离。如循环次数、汽车行驶里程。规定功能:指产品的技术指标,包括电气性能、机械性能及其他性能(如软件控制性能),一、可靠性工程概述,2、失效(故障):产品或产品的一部分丧失规定的功能,或不能、将不能完成预定功能的事件或状态。产品失效(故障)分类种类很多,按失效(故障)的规律分为偶然故障和耗损故障。偶然故障:是由于偶然因素引起的故障,其重复出现的风险可以忽略不计,只能通过概率统计方法来预测。耗损故障:是通过事前检测或监测可统计预测到的故障
5、,是由于产品的规定性能随时间增加而逐渐衰退引起的。耗损故障可以通过预防维修,防止故障的发生,延长产品的使用寿命。,一、可靠性工程概述,3、维修性:产品规定的条件和规定时间内,按规定程序和方法进行维修时,保持或恢复执行规定状态的能力。,一、可靠性工程概述,4、保障性:产品在某一规定的维修级别上的维修延误时间反映产品的,一、可靠性工程概述,(二)可靠性度量 1、可靠度 2、不可靠度 3、失效率,可靠度R(t):它是产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的概率。一批产品的数量为N,从t=0时开始使用,随着时间的推移,失效的产品件数逐渐增加,而正常工作的产品件数n(t)逐渐减少,用R(t)表示产品在任
6、意时刻t的可靠度。不可靠度F(t):产品在规定时间内和规定的条件下,丧失规定功能的概率。也称为累积故障概率。失效率:失效率是工作到某时刻尚未失效的产品,在该时刻后单位时间内发生失效的概率。一般记为,它也是时间t的函数,故也记为(t),称为失效率函数,有时也称为故障率函数或风险函数;它反映t时刻失效的速率,也称为瞬时失效率。,一、可靠性工程概述,(三)浴盆曲线 对某一类产品而言,产品在不同的时刻有不同的失效率(也就是失效率是时间的函数),对电子产品而言,其失效率符合浴盆曲线分布(如下图):,浴盆曲线,分三部份(I、II、III三部份):第I部份是早期失效阶段。这段时间内,从外形上看,在失效率从一
7、个很高的指标迅速下降;从物理意义上理解,由于少数产品在制作后,存在一些制程、运输、调试等问题,产品有比较明显的缺陷,在投入使用的最初期,这缺陷很快就显露出来,随着时间的增长,这些明显的缺陷越来越少,也就形成了“失效率迅速下降”的现象;第II部份是中期稳定阶段。这段时间内,产品的失效率稳定在一个较低水平;从物理意义上理解,当少数产品的明显缺陷显露出来后,剩下的就是正常的产品,这部份产品可以较稳定、持久地工作,所以失效率也稳定在一个较低水平;第III部份是后期失效阶段;这段时间内,产品的失效率迅速上升;从物理意义上理解,到了后期,产品经过长时间的工作、磨损、老化,慢慢接近寿命终点,随着时间的增加(
8、Tmax以内),到达寿命终点的产品越来越多,失效率也就随之上升;,二、可靠性统计基础知识,可靠性统计基础知识概率基础知识随机变量及其分布统计基础知识参数估计假设检验,1、概率基础知识,随机事件及其概率 随机实验:满足下列三个条件的试验称为随机试验;(1)试验可在相同条件下重复进行;(2)试验的可能结果不止一个,且所有可能结果是已知的;(3)每次试验哪个结果出现是未知的;随机试验以后简称为试验,并常记为E。随机事件:在试验中可能出现也可能不出现的事情称为随机事件:常记为 A,B,C 概率的定义 所谓事件A的概率是指事件A发生可能性程度的数值度量,记为P(A)。规定P(A)0,P()=1。,2、随
9、机变量及其分布,独立重复试验 在相同条件下,将某试验重复进行n 次,且每次试验中任何一事件的概率不受其它次试验结果的影响,此种试验称为n次独立重复试验。随机变量:设试验的样本空间为,在上定义一个单值实函数X=X(e),e,对试验的每个结果e,(e)有确定的值与之对应。由于实验结果是随机的,那(e)的取值也是随机的,我们便称此定义在样本空间 上的单值实函数(e)为一个随机变量。分布函数:设X为随机变量,对任意实数,则称函数 F()=PX 为随机变量X的分布函数。随机变量分类:,几个重要分布 正态分布(高斯分布)如果随机变量X的概率密度 为其中 为常数,则称X服从正态分布,记为XN。指数分布 如果
10、随机变量X的概率密度 为其中,则称X服从参数为的指数分布,记为XE(),威布尔分布,3、统计基础知识,研究对象的全体称为总体或母体,组成总体的每个基本单位称为个体。(1)按组成总体个体的多寡分为:有限总体和无限总体;(2)总体具有同质性:每个个体具有共同的观察特征,而 与其它总体相区别;(3)度量同一对象得到的数据也构成总体,数据之间的差 异是绝对的,因为存在不可消除的随机测量误差;(4)个体表现为某个数值是随机的,但是,它们取得某个 数值的机会是不同的,即它们按一定的规律取值,即 它们的取值与确定的概率相对应。,总体就是一个随机变量,所谓样本就是n个(样本容量n)相互独立且与总体有相同分布的
11、随机变量X1,Xn。每一次具体抽样所得的数据,就是n元随机变量的一个观察值,记为(X1,Xn)。通过总体的分布可以把总体和样本连接起来。所谓分布,它是从全局而言的。通俗地说,分布就是某个对象在什么地方,堆积了多少。任何一个随机变量都有自己的分布,这个什么地方就是在数轴上取什么值,堆积多少就是在那里占有的比例是多少或者概率有多大。总体可以表示为随机变量,并具有自身的分布。样本则是相互独立与总体具有相同分布的n元随机变量。因此,总体分布是总体和样本的连接点。从而,可以通过对样本特征的研究达到对总体进行研究的目的。因为它们具有相同的分布。,设(x1,x2,xn)为一组样本观察值,函数f(x1,x2,
12、xn)若不含有未知参数,则称为统计量。统计量一般是连续函数。由于样本是随机变量,因而它的函数也是随机变量,所以,统计量也是随机变量。统计量一般用它来提取或压榨由样本带来的总体信息。,样本与总体之间的关系,样本是总体的一部分,是对总体随机抽样后得到的集合。对观察者而言,总体是不了解的,了解的只是样本的具体情况。我们所要做的就是通过对这些具体样本的情况的研究,来推知整个总体的情况。,数理统计问题:如何选取样本来对总体的种种统计特征作出判断。,参数估计问题:知道随机变量(总体)的分布类型,但确切的形式不知道,根据样本来估计总体的参数,这类问题称为参数估计(paramentric estimation
13、)。,参数估计的类型点估计、区间估计,4、参数估计,参数的估计量,设总体的分布函数为F(x,)(未知),X1,X2,Xn为样本,构造一个统计量 来估计参数,则称 为参数的估计量。,将样本观测值 代入,得到的值 称为参数的估计值。,参数的点估计,点估计的方法:数字特征法、矩法、极大似然法。,样本的数字特征法:以样本的数字特征作为相应总体数字特征的估计量。,以样本均值 作为总体均值 的点估计量,即,点估计值,点估计值,以样本方差 作为总体方差 的点估计量,即,5、假设检验,假设检验 是推断性统计学中的一项重要内容,它是先对研究总体的参数作出某种假设,然后通过样本的观察来决定假设是否成立,参数假设,
14、样本观察,假设检验,具体的统计方法,假设检验的概念,假设基本形式 H0:原假设,H1:备择假设,假设检验:运用统计理论对上述假设进行检验,在原假设与备择假设中选择其一。,假设检验基本原理,小概率事件在一次试验中几乎不可能发生。,假设检验的基本依据小概率原理:,假设检验基本原理,假设检验的基本思想,前提:承认原假设,小概率事件发生,大概率事件发生,拒绝原假设,接受原假设,进行一次实验,假设检验基本原理,显著水平与两类错误,第一类错误:弃真(显著水平),第二类错误:取伪,显著水平与两类错误,假设检验基本原理,对于一定的样本容量n,不能同时做到两类错误的概率都很小。如果减小错误,就会增大犯错误的机会
15、;若减小错误,也会增大犯错误的机会。,使、同时变小的办法就是增大样本容量。,一般地说,哪一类错误所带来的后果越严重,危害越大,在假设检验中就应当把哪一类错误作为首要的控制目标。但在假设检验中,一般均首先控制犯错误概率。,两类错误关系,假设检验的步骤,一个完整的假设检验过程,通常包括以下四个步骤:,提出原假设(Null hypothesis)与备择假设(Alternative hypothesis),确定适当的检验统计量,并计算检验统计量的值,规定显著性水平,作出统计决策,正态总体参数假设检验的步骤,第一步:建立原假设H0和备择假设H1。原假设应该是希望犯第类错误概率小的假设。常用的假设形式:,
16、正态总体参数的假设检验,正态总体参数假设检验的步骤,第二步:选择检验用的统计量。,u 检验,t 检验,F检验,常用统计量,正态总体参数假设检验的步骤,第三步:确定显著水平的值,查相应的分布表得其临界值以及拒绝域。第四步:进行显著性判别。,正态总体参数假设检验的步骤,正态总体参数假设检验的步骤,正态总体参数假设检验的步骤,三、可靠性分析,可靠性分析可靠性结构模式可靠性分配可靠性预计,1、可靠性结构模式,系统的可靠性与可靠性结构模式a.系统指能够完成某项工作任务的分系统、技术人员的组合。按一般现代化复杂产品来说,一个系统除了硬件之外,还有软件。如小型计算机,大型发电站等。b.系统的可靠性模式系统是
17、由各分系统组成的,系统的可靠性不仅和分系统的可靠性有关,而且,与系统的结构形式有十分密切的关系。所谓可靠性结构模式就是从可靠性角度用方框图来描述系统与分系统之间的逻辑关系。通常又称可靠性框图。可靠性结构模式由串联型、并联型、混联型及网络形四种。可靠性框图与系统的电路图或机械结构图式不同的。,现已直流稳压电源和滤油器的结构图为例说明它们的不同。直流稳压电源的电路框图:,直流稳压电源的可靠性框图:,滤油器的结构图:,R1,R2,滤油器的滤网堵塞(失效)时的可靠性框图(串联模式),滤油器的滤网破损(失效)时的可靠性框图(并联模式),串联系统的可靠性计算 串联系统是所有的分系统都能正常工作时,系统才能
18、正常工作。则:Rs=Ri 并联系统的可靠性计算 分系统S1,S2,S3只要有一个分系统正常工作,系统就能正常工作,或者说,只有当全部分系统失效时,系统才失效。则Rs=1-(1-Ri)混联系统的可靠性计算,2、系统的可靠性分配,可靠性分配:将产品的可靠性指标,按照产品的可靠性结构模式,应用数学方法分配给每一个分系统和每一个零部件的过程。可靠性分配应考虑的问题:a.分系统的复杂程度,数量越多则越复杂;b.分系统的重要程度或关键程度,取决于分系统对系统失败的影响程度;c.分系统的工作时间,它们之间可能不同,工作时间长的可靠度越低;d.各分系统所在处的工作环境越恶劣可靠度越低;e.在满足成本、体积、重
19、量的条件下,可使可靠性分配方案为较佳、最佳。,可靠性分配方法:等分配法、等比例分配法、代数分配法、加权因子分配法等。代数分配法:由美国电子设备可靠性顾问组提出来的,又称AGREE法。它适用于指数分布的串联系统的可靠性分配,在分配法的计算公式引入了复杂度系数K(各单元的元器件数目ni与系统单元总元器件数N之比);重要度系数Wi(权重),公式如下:Wi=N*Wi*ti/ni(-Rs)AGREE法要求ti/mi0.01,这时分配的准确度高,可以应用。当ti/mi0.01时分配的误差较大。,钱祖权提出了可靠性代数分配定理,在AGREE法的基础上作了修改,现介绍如下:a.串联代数分配定理复杂度系数ki:
20、设系统由K个分系统,其中第i个分系统有n个单元,则:Ki=第i个分系统的单元数/系统的单元总数=ni/N1重要度系数Wi:Wi=由第i个分系统的故障引起系统的故障数/第i个分系统的故障总数 1串联代数分配公式:Rs=(K/W)I*Rs/ki=1 K/W)Ib.并联代数分配定理若系统由K个分系统并联组成,则各分系统按复杂程度和重要程度分配的不可靠度可用下式表示:(K/W)i Fi=Fs1/K K(K/W)i 1/K,加权因子分配方法 可靠性指标应考虑的因素:可靠性指标分配是根据顾客的需求,转化为规格化的可靠性指标,即系统的可靠度Rs或系统的平均无故障工作时间MTBFs.它是自上而下按一定的分配原
21、则,将系统的可靠性指标分配到分系统和最小单元。可靠性指标的分配,不能采取平均分配法,因为一般情况下个分系统的功能不同,复杂程度不同,因而应考虑下面各因素:重要性因素 复杂性因素 环境因素 标准化因素 维修性因素 元器件质量因素 在分配时,对于各因子K的取值方法是这样的:以某分系统为标准单元,其分配加权因子Kji=1,其他分系统与标准单元相比较,取其加权因子,一般按照历史资料和经验加以分配。加权因子分配法公式:对于指数分布串联结构模式的系统有:Rs=Rj j=1,2,N,3、系统的可靠性预计,a.可靠性预计也称可靠性预测,它是在产品研制的方案设计阶段和详细(技术)设计阶段中,根据设计方案、设计选
22、用的元器件、电路和组装工艺以及产品使用的环境条件来预测产品未来的可靠性(s或MTBFs)的一个过程.b.目的:在产品研制方案阶段,对产品的可靠性要量化,通过可靠性初步预计,估算s或MTBFs,可作为可靠性分配的依据;通过详细的可靠性预计,可发现分系统、单元、元器件的薄弱环节和易出故障的问题,以便采取有效的补救措施,提高分系统和系统的可靠性;从可靠性角度优选设计方案,以利提高产品水平。c.常用的可靠性预计方法有:相似设备法、相似电路法、元器件计数法、元器件应力分析法等。,相似设备法:是从过去研制和生产的类似产品上获得的失效率数据和特定经验,进行快速可靠性预计的方法,此方法应用在方案设计阶段。系统
23、或设备的设计方案复杂性,是用他们具有的有源器件数来描述的。有源器件是指晶体管、集成电路等半导体材料组成的器件。一般情况下,电阻器、电容器等无源件暂不考虑。设计方案的失效率预计值sp或MTBFs的预计值MTBFsp按下式计算:sp=Nn/N0*s0 或MTBFsp=N0/Nn*M0,相似电路法:是利用已了解的电路的可靠性数据来推断新设计方案产品的可靠性方法。此种方法应用在方案设计阶段。具体步骤如下:a.确定设计方案包括的典型电路的种类数和各自的数量。若方案共有k中典型电路,而每种电路数量为:n1,n2,nk.例音频电压放大器3个,音频功率放大器1个,音频发生器2个b.确定各典型电路的现场失效率的
24、数值;c.累加设计方案各电路的失效率,得可靠性预计值sp:sp=i=1knii 或MTBFsp=1/sp,元器件计数法:是在产品原理图基本形成,元器件清单初步确定的情况下应用。采用这种方法所需的信息是:所有元器件的种类以及数量;元器件数量等级;系统(或设备)的工作环境。对于可靠性结构模式为串联结构的系统或设备,其失效率的计算公式为:sp=Ni(G)i上述表达式适用于应用在同一环境类别的系统。如果系统所包含的n个单元是在不同环境中工作,则表达式就应该分别按不同环境考虑,将“环境单元”失效率相加,即为系统的总失效率。各种元器件的通用工作环境温度TA,通用质量系数,通用失效率G可在我国军用标准GJB
25、/Z299B-98电子设备可靠性预计手册中查到。我国把环境分为十七类;地面良好(GB),一般地面固定(GF1)平稳地面移动(GM1),舰船良好舱内(Ns1)见GJB/Z299B-98电子设备可靠性预计手册的第10-11页和209页。,元器件应力分析法:应用此法是在产品设计的后期(技术设计)阶段的可靠性预计。这时产品已有原理图、详细工作电路图、结构图、详细的元器件清单,以及产品的使用环境,元器件的质量等级和工作应力已确定的条件下,才能应用。此法以元器件的基本失效b为基础,根据元器件使用环境、质量等级、工作能力、工作方式以及对产品的制造工艺等项的不同,计算出元器件的工作失效率(使用失效率),进而求
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