系統(tǒng)可靠性

分析與設計主講周春華基本內容系統(tǒng)可靠性的基本知識、基本理論可靠性設計可靠性分析可靠性試驗可靠性使用與管理第一章緒論一、可靠性問題的提出首先是從軍用航空電子設備開始的，第二次世界大戰(zhàn)末期，美國對日作戰(zhàn)中使用的電子設備，經(jīng)過運輸、儲備到達戰(zhàn)場的設備一半不能正常工作，致使作戰(zhàn)受到嚴重影響。戰(zhàn)后，美國率先把可靠性作為一門學種加以系統(tǒng)研究。52年，美國國防部成產(chǎn)了著名的“電子可靠性顧問團”（AGREE：AdvisoryGrouponReliabilityofElectronicEquipment）

該機構對電子產(chǎn)品的設計、試制、生產(chǎn)、試驗、儲存、輸送、管理、使用等各方面的可靠性問題，作了全面的調查研究。并于1957年寫出了《電子設備可靠性報告》，該報告比較完整地闡述了可靠性的理論甚礎與研究方法，60年代以后，可靠性研究逐步完善的發(fā)展，并從電子產(chǎn)品擴展到機械產(chǎn)品，各國也越來越重視可靠性工作。

二、系統(tǒng)可靠性研究的內容三、系統(tǒng)可靠性設計的主要內容1、把系統(tǒng)的目標可靠性合理分配到各子系統(tǒng)。2、進行失效模式，影響和致命度分析（FMECA）。3、擬定設計變量、擬定尺寸、參數(shù)等設計變量。4、確定每種失效模式的判據(jù)。5、確定每種失效模式的應力分布和強度分布。6、進行失效模式的相關分析。7、計算失效模式可靠性。8、確定零件及系統(tǒng)的可靠性，若子系統(tǒng)可靠度計算結果與目標可靠性相差較遠，則迭代，重新確定尺寸參數(shù)。9、計算系統(tǒng)的可靠性，若與目標可靠性不符，則迭代之討論：可靠性設計與傳統(tǒng)的安全系數(shù)法

四、可靠性研究的必要性設備的復雜程度增加。設備日益復雜，零部件數(shù)量相應增多，設備的可靠性也會相應降低。提高經(jīng)濟效益，占領市場，減輕損失?？梢哉f產(chǎn)品競爭的焦點就是可靠性，日本的汽車、彩電、照相機、攝像機等）能暢銷全球，質量高、可靠性高。從使用角度，可靠性低輕則造成損失，重則機毀人亡，造成巨大的經(jīng)濟損失。例：86年1月28日，美國“挑戰(zhàn)者”號航天飛機在發(fā)射后進入軌道前，因助推火箭燃料箱密封裝置在低溫下失效，使燃料溢出而引起爆炸。參考資料：1、《系統(tǒng)可靠性設計與分析教程》，北京航空航天大學出版社，2006年2、《工程機械可靠性》，人民交通出版社，2004年第二章可靠性指標

注意：失效率和失效概率（頻率）密度的不同意義？

有何相互聯(lián)系？

R(t)的計算公式

此階段一般在出廠前完成!

結論：查明原因、及時排除，盡快渡過早期失效期；精心維護，延長有效壽命；進入耗損期之前，盡快更換已磨損、老化的零件，大大降低失效率，延長使用壽命。6、平均壽命該機構對電子產(chǎn)品的設計、試制、生產(chǎn)、試駐、儲存、輸送、管理、使用等各方面的可靠性問題，作了全面的調查研究。并于1957年寫出了《電子設備可靠性報告》，該報告比較完整地闡述了可靠性的理論甚礎與研究方法，60年代以后，可靠性研究逐步完善的發(fā)展，并從電子產(chǎn)品擴展到機械產(chǎn)品，各國也越來越重視可靠性工作。7、可靠壽命

8、維修度

9、維修率

nn10、平均修復時間

由維修率公式u(t)=m(t)/(1-M(t))得：u(t)=u=常數(shù)

討論

該機構對電子產(chǎn)品的設計、該機構對電子產(chǎn)品的設計、11

、有效度該機構對電子產(chǎn)品的設計、該機構對電子產(chǎn)品的設計、該機構對電子產(chǎn)品的設計、該機構對電子產(chǎn)品的設計、課外思考題：

1.推導失效率和可靠度的相互關系。

2.根據(jù)浴盆曲線，說明廠家減小早期失效率的方法，用戶如何避免遭遇早期失效。

3.說明可靠度與有效度評價產(chǎn)品可靠性中的意義和作用。

4.你認為評價產(chǎn)品的可靠性用哪些指標更有說服力？12、可修復產(chǎn)品的馬爾科夫過程

1、馬爾科夫轉移矩陣該機構對電子產(chǎn)品的設計、2、狀態(tài)向量該機構對電子產(chǎn)品的設計、該機構對電子產(chǎn)品的設計、該機構對電子產(chǎn)品的設計、

3、特征向量該機構對電子產(chǎn)品的設計、如何證明？

該機構對電子產(chǎn)品的設計、4、可修復系統(tǒng)的轉移矩陣和特征向量該機構對電子產(chǎn)品的設計、該機構對電子產(chǎn)品的設計、

討論：

1、x1表示系統(tǒng)維持正常工作的概率，即有效度

2、上面可修復系統(tǒng)的極限狀態(tài)矩陣如何求？

第三章可靠性數(shù)學基礎一、常用概率分布該機構對電子產(chǎn)品的設計、該機構對電子產(chǎn)品的設計、服從正態(tài)分布的常用參數(shù)該機構對電子產(chǎn)品的設計、該機構對電子產(chǎn)品的設計、該機構對電子產(chǎn)品的設計、該機構對電子產(chǎn)品的設計、該機構對電子產(chǎn)品的設計、該機構對電子產(chǎn)品的設計、該機構對電子產(chǎn)品的設計、該機構對電子產(chǎn)品的設計、該機構對電子產(chǎn)品的設計、

二、數(shù)理統(tǒng)計基礎

1、子樣統(tǒng)計量2、置信度該機構對電子產(chǎn)品的設計、該機構對電子產(chǎn)品的設計、3、該機構對電子產(chǎn)品的設計、該機構對電子產(chǎn)品的設計、4、數(shù)據(jù)分級

以下是60個數(shù)據(jù)，如何分級（分組）？

直方圖如下：5、隨機變量的代數(shù)運算

該機構對電子產(chǎn)品的設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計第四章可靠性設計

一、可靠性設計的基本程序

該機構對電子產(chǎn)品的設計表4.1發(fā)達國家產(chǎn)品平均失效率

該機構對電子產(chǎn)品的設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計二、系統(tǒng)可靠性計算

一）系統(tǒng)的結構分類系統(tǒng)：由若干個零、部件（子系統(tǒng)），相互有機的組合在一起為完成某一功能的綜合體。系統(tǒng)的可靠性取決于：零、部件的可靠性組合方式1、串聯(lián)系統(tǒng)：任一零件（部件）發(fā)生故障，均引起系統(tǒng)失效。2、并聯(lián)系統(tǒng)：并聯(lián)系統(tǒng)，并聯(lián)冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)為完成某一功能其所需要的零部件中有一定的冗余（貯備）。①工作貯備系統(tǒng)（純并聯(lián)最常用）每個零部件都處于工作狀態(tài)的并聯(lián)系統(tǒng)。純并聯(lián)：零（部）件全部失效時，系統(tǒng)才失效?；蛞粋€部（零）件正常工作時，系統(tǒng)就正常工作。表決系統(tǒng)：兩個或兩個以上零件正常工作時，系統(tǒng)才正常工作。稱r-out-of-n系統(tǒng)②非工作貯備系統(tǒng)系統(tǒng)中零（部）件的某一個或多個處于工作狀態(tài)，其它則處于“待命狀態(tài)”，當前者的某一零（部）件出現(xiàn)故障時，處于“待命狀態(tài)”的部分立即轉入“工作狀態(tài)”。待命轉換到工作的可靠性問題 理想開關非理想開關

二）、系統(tǒng)的可靠性模型與可靠度計算

1、串聯(lián)系統(tǒng)結論：①為↑系統(tǒng)R，單元數(shù)變少②↑關鍵（單元）R

該機構對電子產(chǎn)品的設計2、純并聯(lián)系統(tǒng)舉例：R＝0.9R2＝0.8R3＝0.9R4＝0.8

串聯(lián)：Rs＝0.52Rs≤min[Ri]

并聯(lián)：Rs＝0.9996Rs≥max[Ri]

該機構對電子產(chǎn)品的設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計結論：

該機構對電子產(chǎn)品的設計3、表決系統(tǒng)

n個單元中，至少要r個單元可靠時系統(tǒng)才可靠。系統(tǒng)R如何求？

n個單元中i個可靠，n-i個失效，組合方式的種類為:每種組合方式發(fā)生的概率為：n個單元中i個可靠，n-i個失效的概率：系統(tǒng)可靠度討論：①r＝1純并聯(lián)系統(tǒng)②r＝n串聯(lián)系統(tǒng)③Rs串聯(lián)＜Rs表決＜Rs純并聯(lián)

4、理想開關系統(tǒng)

理想開關系統(tǒng)：開關可靠度100％（監(jiān)測和轉換裝置）

n個單元中只有k個單元工作，當工作單元失效時，通過失效監(jiān)測和轉換裝置找到另一個單元進行工作。當每個單元的失效率為時，數(shù)學模型如下：

5、混聯(lián)系統(tǒng)

Rs1=R1R2Rs2=1-(1-Rs1)(1-R3)

Rs=Rs2R4對于復雜混聯(lián)系統(tǒng)，采用全概率公式或窮舉法

解：取事件A表示單元1正常若A（單元）可靠，則2或4或2、4同時可靠使系統(tǒng)可靠，則A可靠時系統(tǒng)可靠的條件是單元2.4并聯(lián)，P（S/A）即代表并聯(lián)單元2.4可靠的概率。A可靠的概率：P（A）＝RA可靠而系統(tǒng)可靠的概率：P（S/A）＝1－（1－R2）（1－R4）

若A失效，則系統(tǒng)可靠的條件是3、4同時可靠。

A失效的概率：A失效而系統(tǒng)可靠的概率：

系統(tǒng)的可靠度：

三、系統(tǒng)可靠性分配

一）可靠性分配原則1、對技術成熟的單元，分配較高的可靠度。2、對復雜程度低的單元，分配較高的可靠度（故障零件少，易組裝）。3、對重要單元分配較高的可靠。4、對難以保證高可靠度的單元，則分配較低的可靠性。二）可靠性分配方法

對串聯(lián)系統(tǒng)

4、花費最小分配法

K值的確定：

由于結論：

四、零件可靠性設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

該機構對電子產(chǎn)品的設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

該機構對電子產(chǎn)品的設計

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該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

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該機構對電子產(chǎn)品的設計五、典型構件及零件的可靠性計算

該機構對電子產(chǎn)品的設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

該機構對電子產(chǎn)品的設計

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該機構對電子產(chǎn)品的設計六、可靠性設計中的安全系數(shù)

該機構對電子產(chǎn)品的設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計

2、概率安全系數(shù)

三、系統(tǒng)可靠性分配

該機構對電子產(chǎn)品的設計結論：

為什么？三、系統(tǒng)可靠性分配

該機構對電子產(chǎn)品的設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計第五章可靠性試驗與統(tǒng)計分析

該機構對電子產(chǎn)品的設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

該機構對電子產(chǎn)品的設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計

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該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

該機構對電子產(chǎn)品的設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

該機構對電子產(chǎn)品的設計

該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

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該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

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該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

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該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

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該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

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該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

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該機構對電子產(chǎn)品的設計三、系統(tǒng)可靠性分配

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試證明：三、系統(tǒng)可靠性分配

該機構對電子產(chǎn)品的設計

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該機構對電子產(chǎn)品的設計

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該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

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該機構對

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該機構對

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該機構對

該機構對

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該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對2、回歸預測法

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對3、概率預測法

該機構對

該機構對6.6工程機械發(fā)動機的技術診斷分析

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對

該機構對第七章系統(tǒng)失效分析

系統(tǒng)失效分析的主要過程是確定故障模式、研究失效機理，提出處理預防措施。系統(tǒng)失效分析常用的方法有FTA、FMECA兩種方法。7.1基本術語一、故障樹：表示系統(tǒng)失效的因果關系的樹狀邏輯圖

該機構對二、故障樹分析：以故障樹為模型分析系統(tǒng)可靠性的一種方法（找最小割集，求可靠度等）。三、故障等級：故障重要程度的量度，反映了故障對系統(tǒng)功能的影響，發(fā)生的程度等。四、致命度：故障后果嚴重程度的量度0.0～5.0。

注意：致命度與故障等級并不一定相關。機床電器故障，故障等級高，致命度低。工程機械中液壓系統(tǒng)故障，故障等級高，致命度低。機床主軸變形故障，故障等級低，致命度高。7.2失效模式、影響及致使度分析（FMECA）

在系統(tǒng)設計過程中，通過對系統(tǒng)各組成單元潛在的各種失效模式及其對系統(tǒng)功能的影響，與產(chǎn)生后果的嚴重程度進行分析，提出可能采取的預算改進措施，以提高產(chǎn)品可靠性的一種方法。

基本步驟如下：一、準備工作1、充分熟悉產(chǎn)品的功能，構成與工作原理及有關的技術資料。2、明確產(chǎn)品的使用環(huán)境條件。3、明確產(chǎn)品的可靠性要求。4、掌握產(chǎn)品各種失效模式的產(chǎn)品原因、影響和后果。二、填寫FMECA表格

最重要的工作：故障模式、原因分析系統(tǒng)：

分析者：

FMECA子系統(tǒng)：

審核者：

編號名稱功能故障模式原因影響故障等級致命度備注系統(tǒng)子系統(tǒng)模式1模式2…….

三、填寫關鍵項目表：把所有Ⅰ、Ⅱ級故障模式和致命度高的故障模式集中列入表中。

格式關鍵項目表系統(tǒng)：

子系統(tǒng)：

編

號名

稱故障模式影

響致命度四、根據(jù)關鍵項目表，進行主要故障與影響分析，提出改進（主要在設計部門進行）或預防（主要在使用部門進行）措施。7.3故障樹分析(FTA)

特點：

1、圖文并茂、表達清晰，可讀性好。

2、便于分析故障原因

3、了解失效模式之間的相互關系（邏輯關系）

4、運用靈活方便，對象可大可小。（二）故障樹符號

該機構對

（三）故障樹建立步驟故障樹是可靠性的基礎，故障樹建立的正確與否決定分析的正確性。1、熟悉系統(tǒng)：結構、原理、資料。2、明確故障判據(jù)。3、確定頂事件，系統(tǒng)不希望發(fā)生的失效事件。由分析目的要求選定頂事件數(shù)可＞1。4、確定邊界條件：環(huán)境、狀態(tài)作出合理的假設。5、發(fā)展故障樹。

舉例：洗衣機為例說明故障樹的建立洗衣機不希望發(fā)生的事情：波輪不轉、振動過大、噪音過大邊景條件：電流可靠，結構完好

二、故障樹的定性分析

要使A發(fā)生，基本事件有多種組點。割集：凡是能導致頂事件發(fā)生的基本事件的集合。最小割集：割集是導致頂事件發(fā)生的充分必要條件。特點：①全部最小割集，頂事件發(fā)生的可能原因；②系統(tǒng)發(fā)生了故障，必有一最小割集發(fā)生。意義：保證系統(tǒng)安全，必須防止最小割集發(fā)生。

討論：基本事件不獨立或故障數(shù)有相同的基本事件時，如何計算頂事件的發(fā)生概率？

是否還有其他方法？第八章高可靠性系統(tǒng)設計方法

2、改善制造與安裝工藝，提高制造可靠性。如電氣系統(tǒng)接線端的螺絲松動往往是造成故障的主要原因之一，改用壓線式或焊接式可大大防止接觸不良造成的故障。又如缸蓋或車輛上使用的螺栓，采用氣動板手、液壓板手或扭矩板手比手工擰緊，其可靠性大大提高。如中碳鋼的焊接，母材加溫，可減少焊接應力。

3、采用抗振設計和抗疲勞設計，提高使用可靠性。如焊在電路板上電子器件，當受到振動和沖擊時為防止自重引起導線疲勞斷裂，可使用固定支架，電氣系統(tǒng)組裝時，電線捆在一起后重量增加，為防止振動和沖擊的影響，用線槽或捆梆固定。

4、采用先進的技術，提高系統(tǒng)的可靠性。如采用先進的設計方法，先進的現(xiàn)代集成電路，計算機控制等，均可提高系統(tǒng)的可靠性。PLC無觸點控制，提高可靠性。二、設計目標：功能不中斷或短時中斷1、采用冗余設計，提高可靠性冗余設計是大大提高可靠性，保證系統(tǒng)功能不中斷（中斷往往造成致命故障）的最有效的措施。冗余有工作冗余，備用（待用）冗余如客廳吊頂燈照明系統(tǒng)，屬工作冗余。故障后備用系統(tǒng)快速響應立刻啟動，屬備用冗余。如飛機發(fā)動機2個或4個。（冗余設備會提高成本）2、采用功能快速恢復裝置或措施，提高可靠性。系統(tǒng)發(fā)生故障，如能快速修復，不會造成不良后果，如果要求絕對不發(fā)生故障，成本可能會提高不少