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96页主讲:可靠性工程课件目录一、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 可靠性工程课件一、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)浴盆曲线可靠性工程课件一、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: ①调查研究阶段(1950~1957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门的可靠性组织可靠性工程课件一、可靠性工程概述 ②统计试验阶段(1957~1962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 ③可靠性物理研究阶段(1962~1968 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。
④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 可靠性工程课件一、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!1、概率论和数理统计学----可靠性研究的数学工具2、环境与寿命试验----------检查产品和验证薄弱环节的工具3、数理统计、推论分析----可靠性研究的依据4、应用管理科学-------------提高可靠性的工具可靠性工程课件一、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、保障性可靠性工程课件一、可靠性工程概述1、可靠性:可靠性: 产品在规定的条件下、在规定的时 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间内完成规定的功能的能力规定条件规定条件: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:规定时间:是可靠性区别于产品其他质量属性的重要特征,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: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) 可靠性工程课件一、可靠性工程概述2、失效(故障):产品或产品的一部分、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: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:耗损故障:是通过事前检测或监测可统计预测到的故障,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可靠性工程课件一、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、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序和方法进行维修时,保持或恢复执行规定状态的能力。
力可靠性工程课件一、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可靠性工程课件一、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 可靠性工程课件可靠度可靠度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λ,它也是时间t的函数,故也记为λ(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,也称为瞬时失效率可靠性工程课件一、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): λttIIIIII可靠性工程课件浴盆曲线,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(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; 可靠性工程课件浴盆曲线,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(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; 可靠性工程课件二、可靠性统计基础知识可靠性统计基础知识1.概率基础知识2.随机变量及其分布3.统计基础知识4.参数估计5.假设检验可靠性工程课件1、概率基础知识随机事件及其概率随机事件及其概率 随机实验随机实验: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(Ω)=1 可靠性工程课件2、随机变量及其分布独立重复试验独立重复试验 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随机变量:设试验的样本空间为Ω,在,在Ω上定义一个单值上定义一个单值实函数实函数X=X(e),e∈∈Ω,对试验的每个结果对试验的每个结果e,X=XX=X(e)有确定有确定的值与之对应由于实验结果是随机的,那X=X(的值与之对应由于实验结果是随机的,那X=X(e))的取值也是随机的,我们便称此定义在样本空间的取值也是随机的,我们便称此定义在样本空间 上的单值上的单值实函数X=X(实函数X=X(e)为一个随机变量为一个随机变量 分布函数分布函数 :设:设X为随机变量,对任意实数为随机变量,对任意实数χ,则称函数,则称函数 F((χ))=P{X≤χ} 为随机变量为随机变量X的分布函数的分布函数随机变量分类:随机变量分类: 可靠性工程课件几个重要分布几个重要分布 正态分布(高斯分布)正态分布(高斯分布) 如果随机变量如果随机变量X的概率密度的概率密度 为其中为其中 为常数,则称为常数,则称X服从正态分布,记服从正态分布,记为为X~N 。
指数分布指数分布 如果随机变量如果随机变量X的概率密度的概率密度 为其中为其中 ,则称,则称X服从参数为服从参数为λ的指数分布,的指数分布,记为记为X~E(λ)可靠性工程课件名称记号概率分布及其定义域、参数条件均值E(X)方差D(X)图形威布尔分布(Ⅲ型 极值分布)W(k,a,b)威布尔分布可靠性工程课件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可靠性工程课件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可靠性工程课件样本与总体之间的关系样本与总体之间的关系设(x1,x2,……,xn)为一组样本观察值,函数f( x1,x2,……,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可靠性工程课件 数理统计问题:如何数理统计问题:如何选取样本选取样本来来对总体对总体的种种统计的种种统计特征特征作出判断作出判断。
参数估计问题:参数估计问题:知道知道随机变量(总体)的随机变量(总体)的分布类型分布类型,,但但确切的形式不知道,根据样本来估计总体的参数确切的形式不知道,根据样本来估计总体的参数,这,这类问题称为类问题称为参数估计参数估计((paramentric estimation)参数估计的类型参数估计的类型——点估计、区间估计点估计、区间估计 4、参数估计可靠性工程课件参数参数 的估计量的估计量 设总体的分布函数为设总体的分布函数为F(x, )(( 未知),未知),X1,,X2,,…,,Xn为样本,为样本,构造一个统计量构造一个统计量 来来估计估计参数参数 ,则称,则称 为为参数参数 的估计量的估计量将样本观测值将样本观测值 代入代入 ,,得到的值得到的值 称为称为参数参数 的估计值的估计值 可靠性工程课件点估计点估计((point estimation) :如果构造一个统计量:如果构造一个统计量 来作为参数来作为参数 的估计量,则称为的估计量,则称为参数参数 的点估计。
的点估计 区间估计区间估计((interval estimation)) :如果构造两个:如果构造两个统计量统计量而用而用 来作为参数来作为参数 可能取值范围的估计,称为可能取值范围的估计,称为参数参数 的区间估计的区间估计可靠性工程课件参数的点估计参数的点估计 点估计的方法点估计的方法:数字特征法、矩法、极大似然法数字特征法、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数字特征的估计量以样本均值以样本均值 作为总体均值作为总体均值 的点估计量,即的点估计量,即点估计值点估计值 点估计值点估计值 以样本方差以样本方差 作为总体方差作为总体方差 的点估计量,即的点估计量,即可靠性工程课件5、假设检验、假设检验 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决定假设是否成立 参参数数假假设设样样本本观观察察假假设设检检验验具具体体的的统统计计方方法法可靠性工程课件假设检验的概念假设检验的概念 假设基本形式假设基本形式 H H0 0: :原假设,原假设,H H1 1: :备择假设备择假设 假设检验:运用统计理论对上述假设进行检假设检验: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。
验,在原假设与备择假设中选择其一 可靠性工程课件 假设检验基本原理假设检验基本原理 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假设检验的基本依据—小概率原理小概率原理: :可靠性工程课件 假设检验基本原理假设检验基本原理 假设检验的基本思想假设检验的基本思想 前提:前提:承认承认原假设原假设小概率小概率事件发生事件发生大概率大概率事件发生事件发生拒绝拒绝原假设原假设接受接受原假设原假设进行一次实验进行一次实验可靠性工程课件 假设检验基本原理假设检验基本原理 显著水平与两类错误显著水平与两类错误 第一类错误:弃真(显著水平第一类错误:弃真(显著水平αα))第二类错误:取伪第二类错误:取伪显著显著水平水平与与两类两类错误错误可靠性工程课件 假设检验基本原理假设检验基本原理 对于一定的样本容量对于一定的样本容量n n ,不能同时做到两类,不能同时做到两类错误的概率都很小如果减小错误的概率都很小如果减小αα错误,就会错误,就会增大犯增大犯ββ错误的机会;若减小错误的机会;若减小ββ错误,也会错误,也会增大犯增大犯αα错误的机会。
错误的机会使使αα、、β β 同时变小的办法就是增同时变小的办法就是增大样本容量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,一般均首先控制犯的控制目标但在假设检验中,一般均首先控制犯αα错误概率错误概率两类两类错误错误关系关系可靠性工程课件 假设检验的步骤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: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(提出原假设(Null hypothesisNull hypothesis))与备择假设(与备择假设(Alternative hypothesisAlternative hypothesis))确定适当的检验统计量,确定适当的检验统计量,并计算检验统计量的值并计算检验统计量的值规定显著性水平规定显著性水平α α 作出统计决策作出统计决策 可靠性工程课件 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第一步:建立原假设第一步:建立原假设H H0 0和备择假设和备择假设H H1 1。
原假设应该原假设应该是希望犯第是希望犯第ΙΙ类错误概率小的假设类错误概率小的假设 常用的假设形式常用的假设形式 :: 正态总体参数的假设检验正态总体参数的假设检验可靠性工程课件 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第二步:选择检验用的统计量第二步:选择检验用的统计量u u 检验检验t t 检验检验F F检验检验 常用常用统计量统计量可靠性工程课件 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第三步:确定显著水平第三步:确定显著水平αα的值,查相应的分布表得的值,查相应的分布表得其临界值以及拒绝域其临界值以及拒绝域第四步:进行显著性判别第四步:进行显著性判别 可靠性工程课件 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可靠性工程课件 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可靠性工程课件 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可靠性工程课件三、可靠性分析 可靠性分析1.可靠性结构模式2.可靠性分配3.可靠性预计可靠性工程课件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 可靠性工程课件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: 变压器整流器件调整比较放大基准电源采样电路变压器整流滤波调整器件比较放大基准电源采样电路直流稳压电源的可靠性框图:可靠性工程课件滤油器的结构图:R1R2滤油器的滤网堵塞(失效)时的可靠性框图(串联模式)R1R2滤油器的滤网破损(失效)时的可靠性框图(并联模式)R1R2可靠性工程课件串联系统的可靠性计算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,串联系统是所有的分系统都能正常工作时,系统才能正常工作系统才能正常工作 则:则:Rs=∏ Ri 并联系统的可靠性计算的可靠性计算 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的可靠性计算可靠性工程课件2、系统的可靠性分配、系统的可靠性分配 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: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、重量的条件下,可使可靠性分配方案为较佳、最佳 可靠性工程课件可靠性分配方法: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: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/mi<0.01,这时分配的准确度高,可以应用。
当ti/mi>0.01时分配的误差较大 可靠性工程课件钱祖权提出了《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.串联代数分配定理串联代数分配定理复杂度系数复杂度系数ki: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/N<1重要度系数重要度系数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可靠性工程课件加权因子分配方法加权因子分配方法 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可靠性工程课件3、系统的可靠性预计、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(λs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λs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 可靠性工程课件相似设备法相似设备法: 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λsp或MTBFs的预计值MTBFsp按下式计算: λsp=Nn/N0*λs0 或MTBFsp= N0/Nn*M0可靠性工程课件相似电路法: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数值;c.累加设计方案各电路的失效率,得可靠性预计值λsp: λsp=Σi=1kniλi 或MTBFsp=1/λsp 可靠性工程课件元器件计数法: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: λsp=ΣNi(λGπθ)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πθ,通用失效率λG可在我国军用标准GJB/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 可靠性工程课件元器件应力分析法元器件应力分析法: 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λb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),进而求出部件或单元的失效率,最后计算出系统(产品)的失效率。
元器件的工作失效率可用下式表示: λp=λb(πE πθ πA πs2 πr πc) =λbΣπi可靠性工程课件可靠性预计的一般程序可靠性预计的一般程序 a.划分可靠性预计单元并建立系统(或设备)的可靠性结构模式 先划分可靠性预计单元,建立系统的可靠性结构模式 b.计算各预计单元内元器件的工作失效率λp 对于采用元器件应力分析法进行可靠性预计,按GJB/Z299B-98《电子设备可靠性预计手册》中5.1提供的工作失效率模型计算其每一个元器件的工作失效率;c.计算单元的工作失效率Σλp 将预计单元内各种类元器件的工作失效率相加,由此得出预计单元的工作失效率d.计算系统的工作失效率λsp 将相关的单元进行串联/并联的计算,计算出λspe.对照系统的可靠性指标——设计任务书的MTBFs 将λsp与设计任务书中的可靠性指标MTBFs(或λs)相比较一般要求MTBFsp=(1.25~2) MTBFs 可靠性工程课件可靠性预计与可靠性分配之间关系可靠性预计与可靠性分配之间关系可靠性预计手册是产品可靠性预计的有力工具,也是世界各国可靠性工程技术时间的总结。
中国有GJB/Z299B-98可靠性预计手册,美国有MIL-HDBK-217F可靠性预计手册另外,还有日本的、法国的、英国等国家的可靠性预计手册,可供参考系统或设备的可靠性是比较复杂的,涉及性能、环境条件、工作时间、成本、体积等诸多因素,因此系统的可靠性指标的预计和分配,往往不是一次成功,而是经过多次反复,最后才确定下来可靠性工程课件四、失效模式及分析失效模式及分析1.潜在失效模式及后果分析(FMEA)2.故障树分析(FTA)可靠性工程课件四、失效模式及分析潜在失效模式及后果分析(FMEA)按照《GB7826-1987失效模式和后果分析程序》规定:1、定义系统及其功能和要求2、拟定功能和工艺流程图3、确定分析的基本原则4、找出失效模式、原因及后果5、找出失效的监测、纠正措施6、找出设计和工作中的预防措施7、确定事件的危害度8、估计失效概率9、相关失效分析10、建议措施失效模式参见《GJB/Z299B-电子设备可靠性预计手册》可靠性工程课件四、失效模式及分析潜在失效模式潜在失效后果严重度S级别潜在失效起因/机理频度O现行控制探测度DRPN建议措施责任及目标完成日期措施结果预防探测采取的措施S O D RPN功能、特性或要求是什么?会是什么问题?-无功能-部分功能/功能过强/功能降级-功能间歇-非预期功能后果是什么?有多糟糕?起因是什么?发生的频率如何?怎样能得到 预防和探测?该方法在探测时有多好?能做些什么?-设计更改-过程更改-特殊控制-标准、程序或指南的更改可靠性工程课件四、失效模式及分析故障树分析(FTA) 故障树分析法由美国贝尔研究所的沃森(Watson)和默恩斯(Mearns)于1961年首次提出并应用于分析民兵式导弹发射控制系统的。
其后,波音公司的哈斯尔(Hasse)、舒劳德(Schroder)、杰克逊(Jackson)等人研制出故障树分析法计算程序 通过对可能造成产品故障的硬件、软件、环境、人为因素进行分析,从而确定产品的故障原因的各种可能的组合方式和(或)发生概率 FTA分析的4个主要步骤 1、建立故障树;2、故障树的规范化、简化和模块分解;3、故障树的定性分析;4、故障树的定量分析 具体参见《 GB_7829-1987_故障树分析程序》可靠性工程课件四、失效模式及分析故障树分析(FTA)故障树符号的意义①事件符号: 顶上事件、中间事件符号,需要进一步往下分析的事件 基本事件符号,不能再往下分析的事件 正常事件符号,正常情况下存在的事件 省略事件,不能或不需要向下分析的事件②逻辑门符号: 或门,表示B1或B2任一事件单独发生(输入)时,A事件都可以发生(输出) 与门,表示B1、B2两事件同时发生(输入)时,A事件才发生(输出) 条件或门,表示B1或B2任一事件单独发生(输入)时,还必须满足条件a,A事件才发生(输出)。
条件与门,表示B1、B2两事件同时发生(输入)时,还必须满足条件a,A事件才发生(输出) 限制门,表示B事件发生(输入)且满足条件a时,A事件才发生(输出) 转入符号,表示在别处的部分树,由该处转入(在三角形内标出从何处转入) 转出符号,表示这部分树由该处转移至其他处,由该处转入(在三角形内标出向何处转移) 可靠性工程课件五、可靠性设计可靠性设计 1、可靠性设计的指导思想 2、简化设计 3、降额设计 4、热设计 5、电磁兼容设计 6、耐环境设计 7、冗余设计 8、容差与漂移设计可靠性工程课件1、可靠性设计的指导思想可靠性设计的指导思想 可靠性设计技术是在产品研制和设计中采取相应的措施,使产品的可靠性提高并达到可靠性指标的一门技术它是一项工程技术,要结合工程实际应用多项统计技术,但他绝不是一些数学公式的推导正确的可靠性设计指导思想有以下方面: 正确转化顾客要求;--QFD—质量屋 充分利用过去的产品故障模式及影响分析资料; 技术性能设计与可靠性设计相融合; 设计还应满足工艺制造和检测的要求; 重视和加强设计阶段的可靠性管理;可靠性设计的内容包括: 简化设计、降额设计、容差和漂移设计、电磁兼容性设计、耐环境设计、冗余设计等。
可靠性工程课件2、简化设计、简化设计简化设计可以提高产品的固有可靠性产品愈复杂,组成的单元越多,则产品的可靠度就越低采用简化设计方法,可在保证满足性能要求前提下,减少产品组成单元数,从而提高其可靠性实现简化设计应注意以下基本原则:1.尽可能减少产品组成部分的数量及其相互间的联接;;2.尽可能实现零、组、部件的标准化、系列化与通用化,控制非标准零、组、部件的比率尽可能减少标准件的规格、品种争取用较少零、组、部件实现多种功能;3.尽可能采用经过考验的可靠性有保证的零、组、部,即采用成熟的老技术;4.尽可能用集成电路取代分立元器件,减少元器件数目5.要综合应用软件功能与硬件功能,并尽可能用软件补偿或代替部分硬件功能 可靠性工程课件3、降额设计、降额设计降额设计就是使元器件或产品工作时承受的工作应力适当低于元器件或产品规定的额定值,从而达到降低基本失效率(故障率),提高使用可靠性的目的可靠性工程课件3、降额设计、降额设计降额等级在最佳降额范围内一般分为3个降额等级:a.Ⅰ级是最大的降额,适用于设备故障将会危及安全,导致任务失败和造成严重经济损失情况时的降额设计它是保证设备可靠性所必须的最大降额。
若采用比他还大的降额,不但设备的可靠性不会再增长多少,而且设计上是难以接受的b.Ⅱ级降额是中等降额,适用于设备故障将会使工作任务降级和发生不合理的维修费情况的设备设计这级降额仍在降低工作应力可对设备可靠性增长有明显作用的范围内,它比Ⅰ级降额易于实现c.Ⅲ级降额是最小的降额,适用于设备故障只对任务完成有小的影响和可经济的修复设备的情况这级降额可靠性增度效果最大,设计上也不会有什么困难可靠性工程课件降额准则:各类元器件的详细降额准则及应用指南按国家各类元器件的详细降额准则及应用指南按国家军用标准军用标准GJB/Z35《《元器件降额准则元器件降额准则》》执行 降额设计的要点:a.降低元器件在电路中所承受的应力,可以提高元器件的可靠性,但降额要适当,过低的应力有时会引起新的失效降低应力可以提高可靠性,但会增加重量、体积、费用等因素,这都与设计参数有关,因而需要综合权衡降额不仅考虑电路的稳态工作情况,还要考虑到电路中可能出现的暂态过载及动态电应力b.电阻器和电位器的降额主要是功率降额对于承受高压的情况还需电压降额c.电容器的降额主要是电压和功耗的降额,有时工作频率也要降额d.数字集成电路不但对其负载降额,对其频率也要降额。
e.线性与混合集成电路的降额主要是工作电流或工作电压d.微波集成电路的降额主要是功率和频率的降额e.晶体管的降额主要是工作电流、工作电压和功耗的降额,频率的降额也应考虑可靠性工程课件4、热设计、热设计 热设计是讨论温度对产品影响的设计问题在产品设计中利用热传递技术,降低发热元器件和部件本身的温度,使整机内部温升降低到所要求的范围,以提高设备抗温度应力的能力热设计的目的热设计的目的:a.保证电气性能稳定,避免或减小电参数的温度漂移;b.降低元器件的基本失效率,提高设备的平均无故障工作时间;c.减缓机械零部件氧化、老化、疲劳以及磨损等进程,从而延长整机的使用寿命具体参见具体参见GJB/Z 27-92 电子设备可靠性热设计手册电子设备可靠性热设计手册 可靠性工程课件热设计热设计元器件的热设计元器件的热设计:元器件的热可靠性设计的主要内容是减小元器件的发热量,合理地散发元器件的热量,避免热量蓄积和过热,降低元器件的温升电子设备热设计要点电子设备热设计要点:a.确定环境温度;b.确定设备的热特性;c.选择好冷却方式;d.确定机内散热途径;e.元器件安装和排列的原则可靠性工程课件5、电磁兼容性设计、电磁兼容性设计 电磁兼容性,简称EMC,是指电子设备在一定的电磁环境中,保有其固有性能和完成规定功能的一种能力。
其具体含义包括两个方面: 第一,是指电子系统与其它周围的电子系统(元器件、电路、设备及汽车点火系统等)之间,在电磁环境中互相兼顾而相容的能力 第二,是指电子系统在自然界的电磁环境(指雷电等)中按照设计要求而工作的能力例如:当电视机和其他电源插座、电动机及其开关促成一个电子系统相融在一起时,则在插拔电源插头、开闭电动机开关过程中,可能通过电和磁的作用对电视机进行干扰,或当卓伟存在雷电,处于雷电的磁环境中时,电视机仍能正常工作这种性能就成为电视机的电磁兼容性可靠性工程课件电磁兼容性是电子系统的重要性能之一为了使电子产品在电磁环境中能达到电磁兼容性指标要求而进行的这种设计叫做电磁兼容性设计一个系统的电磁兼容性指标将直接影响产品工作的可靠性具体参见GB 6833系列标准系列标准-电子测量仪器电磁兼容性试验电子测量仪器电磁兼容性试验规范规范; 和《GB3907工业无线电干扰基本测试方法》、《GJB1389-92系统电磁兼容性要求》《GJB/Z17-91军用装备电磁兼容性管理指南》及其他电磁兼容性标准EMC总的设计内容有三个方面:总的设计内容有三个方面:a.切断电磁辐射进入产品(系统)内部产生互相干扰的通路;b.提高器件的质量,即对电磁效应敏感的器件的质量,如微电子器件和集成电路;c.采取对最敏感器件和部位的屏蔽保护,使其能达到不影响系统正常工作又不影响周围设备正常运行的要求。
可靠性工程课件电磁兼容设计的要点电磁兼容设计的要点:a.电子组合尽可能采用金属外壳屏蔽,以防产品内部各组合间的辐射耦合;b.屏蔽罩金属接缝要焊接,必须开口的孔洞要尽可能小;c.在底盘、导线管、屏蔽罩、连接器、结构件与壳件之间用焊接法结合,以保证良好的电接触,防止射频干扰d.接插件是可能造成漏泄的部分,它的外壳应有电导防护层,不要影响屏蔽的防护层e.射频信号、视频信号和中频信号的传输应采用同轴电缆连接,屏蔽层两端均应接地,所有射频导电衬垫必须压紧可靠性工程课件6、耐环境设计、耐环境设计 为了提高产品的可靠性,必须在设计阶段就考虑产品的环境防护环境防护的第一步是确定产品的工作环境,第二步是确定在这种环境条件下所有元器件及材料的性能若是这种性能不能满足产品的可靠性要求或处于临界状态时,就要采取环境防护措施;并且选择耐环境的元器件和材料等几种环境保护措施:1.防潮湿设计;2.防盐雾和腐蚀设计;3.防菌酶设计;4.抗冲击、振动、和噪声的设计;5.电子产品抗辐射设计具体环境要求参见具体环境要求参见GJB/Z299B的指南可靠性工程课件7、冗余设计、冗余设计 冗余设计:在可靠性较低的元器件或部件两端,附加一个或几个相同元器件或部件,以保持产品正常工作,只有当附加的元器件都发生失效后,产品才发生故障,这样的系统称为储备系统。
这种设计方法称为储备设计,又成为冗余设计例如:对继电器常闭触点的串联,对常开触点的并联及航天飞机轨道飞行器采用主发动机,只要两台正常工作就能正常飞行等都是采用冗余设计冗余设计是提高元器件或产品可靠性的一种有效方法其缺点是元器件数增加,使产品的复杂性增加,同时还相应增加了产品的重量、体积、功率消耗和成本因此,采用冗余设计并不是最好的设计方法,要视具体情况进行综合平衡 可靠性工程课件贮备设计方法分类:采用贮备设计方法非工作贮备工作贮备多重混联贮备设计方法分类:采用贮备设计方法非工作贮备工作贮备多重混联贮备混合并联贮备表决贮备热贮备(运转状态)态)冷贮备(非运转贮备混合并联贮备表决贮备热贮备(运转状态)态)冷贮备(非运转状态)简单并连贮备状态)简单并连贮备贮备设计方法繁多种类各异,大体上可分为工作和非工作贮备两大类常用贮备设计方法如图:多重混联贮备混合并联贮备表决贮备热贮备(运转状态)冷贮备(非运转状态)简单并连贮备采用贮备设计方法非工作贮备工作贮备可靠性工程课件8、容差与漂移设计、容差与漂移设计 一个系统或设备,由许多元器件和单元部件组成一般来说在产品设计是不能要求其组成的单元、元器件的参数只有一个数值,而是其组成的单元、元器件有一个参数的取值范围,如一个电阻10kΏ±1%.在已确定产品的技术性能、可靠性等指标的情况下,合理选取和确定各元器件、电路、单元设计参数的精度,使设计达到系统或设备的各项指标要求的容差能力,称为容差设计容差设计。
为了使产品在整个寿命期内和规定的环境条件下处于正常状态,设计上采取了适应元器件、单元部件参数漂移的措施,即容许设计参数在一定范围漂移的措施,称为漂移设计漂移设计 可靠性工程课件容差与漂移设计容差与漂移设计解决容差与漂移设计有多种方法,日本质量专家田口玄一的三次设计,即:系统设计、参数设计、容差设计是解决容差与漂移设计的好方法之一田口首先强调参数设计,他认为在诸因素(X1,X2,…,Xn)已定的条件下,容差分析能起的作用是有限的,而应该在系统设计之后,首先要搞好参数设计,选择系统中各元器件的参数值,寻求最佳的参数组合,使产品性能及能达到目标值,又能在内、外干扰下波动小,设计出高质量的产品这样,在参数设计好的基础上再进行容差设计,这种容差设计比没有参数设计的产品的容差设计更好 可靠性工程课件六、可靠性试验可靠性试验1.环境应力筛选试验2.可靠性增长试验3.加速寿命试验4.可靠性测定试验5.可靠性鉴定试验6.可靠性验收试验可靠性工程课件可靠性试验概述可靠性试验是对产品的可靠性进行调查、分析和评价的一种手段可靠性试验可以是实验室的试验,也可以是现场试验 可靠性试验分为: 1、工程试验:环境应力筛选试验和可靠性增长试验; 2、统计试验:可靠性鉴定试验、可靠性测定试验和可靠性验收试验。
可靠性工程课件1、环境应力筛选试验环境应力筛选试验是通过在产品上施加一定的环境应力,以剔除由不良元器件、零部件或工艺缺陷引起的产品早期故障的一种工序或方法 环境应力筛选实验不能提高产品的固有可能性,但通过改进设计和工艺等可以提高产品的可靠性水平具体参见《GJB 1032-1990电子产品环境应力筛选方法》可靠性工程课件2、可靠性增长试验可靠性增长试验是一个在规定的环境应力下,为暴露产品薄弱环节,并证明改进措施能防止薄弱环节再现而进行的试验 规定的环境应力可以是产品工作的实际环境应力、模拟环境应力或加速变化的环境应力 可靠性增长试验是通过发现故障、分析和纠正故障、以及对纠正措施的有效性而进行验证以提高产品可靠性水平的过程 具体参见GB/T 15174:1994《可靠性增长大纲》、GJB 1407《可靠性增长试验》 可靠性工程课件3、加速寿命试验加速寿命试验 :在不改变产品的失效机理的条件下,通过提高工作环境的应力水平来加速产品的失败,尽快地暴露产品设计过程中的缺陷,发现故障模式试验方法加速寿命试验的常见实验类型: (1)恒定应力加速寿命试验; (2)步进应力加速寿命试验; (3)序进应力加速寿命试验。
可靠性工程课件4、可靠性测定试验 可靠性测定试验的目的是通过试验测定产品的可靠性水平 电子产品的寿命多为指数分布,其测定试验是从t=0时刻起投入若干产品进行寿命试验 一种是试验时累计试验到规定的时间T*停止试验;叫定时截尾试验 一种是试验中出现的故障数到规定的r个故障数时停止试验,叫定数截尾试验具体参见GB5080系列-可靠性试验可靠性工程课件5、可靠性鉴定试验为了验证开发的产品的可靠性是否与规定的可靠性要求一致,用具有代表性的产品在规定条件下所作的试验叫可靠性鉴定试验,并以此作为是否满足要求的依据可靠性鉴定试验是一种验证试验 验证试验就其方法而言是一种抽样检验程序,与其他抽样验收的区别在于,他考虑的是与时间有关的产品质量特性具体参见《GJB899-1990可靠性鉴定和验收试验 》可靠性工程课件6、可靠性验收试验 用已交付或可交付的产品在规定条件下做实验,以验证产品的可靠性不随生产期间工艺、工装、工作流程、零部件质量的变化而降低,其目的是确定产品是否符合规定的可靠性要求称为可靠性验收试验 验收试验也是一种统计试验,可采用序贯试验方案、定时或定数截尾试验方案。
验收试验所采用的试验条件要与可靠性鉴定试验中使用的综合环境相同所用的试验样品要能代表生产批,同时应定已批量的大小所有抽样的产品应通过产品技术规范中规定的试验和预处理 具体参见《GJB899-1990可靠性鉴定和验收试验 》可靠性工程课件七、可靠性管理可靠性管理1.可靠性管理的组织2.可靠性计划3.3.可靠性设计评审可靠性设计评审4.4.元器件的质量控制元器件的质量控制5.5.信息管理和改进措施信息管理和改进措施6.6.可靠性教育可靠性教育可靠性工程课件可靠性管理产品的可靠性管理是企业建立质量管理体系中实施质量管理和质量控制的一项重要内容 产品设计阶段的可靠性管理是企业整体可靠性管理的一部分,也是最关键的一部分,因为它在一定程度上决定产品的质量水平,是“优生”的重要条件要搞好可靠性管理,要做好设计阶段的可靠性管理、生产阶段的可靠性管理和使用阶段的可靠性管理,使企业的产品质量水平(包括可靠性)螺旋式上升,不断的满足顾客需要和期望,并取得良好经济效益和社会效益可靠性工程课件1、可靠性管理组织、可靠性管理组织 要搞好产品的可靠性,必须是组织落实,即规定可靠性管理机构的结构形式,并明确与企业最高领导层中哪一位领导来主管此项工作;明确各机构的职责、权限以及它们之间的协调关系。
明确顾客需求,包括定单、技术协议,以什么方式通知,哪些机构需要了解及执行工作明确可靠性的信息,包括产品的论证、研制、生产和使用的各种可靠性数据,资料及文件如何收集、传递、反馈、分析、处理等,以及明确如何进行可靠性改进,使产品的可靠性进一步提高,增加企业的效益和效率GJB450《装备研制与生产的可靠性通用大纲》 可靠性工程课件2、可靠性计划、可靠性计划 可靠性计划是“质量计划”中的一种,可靠性计划一般可分为: 产品(或合同)的可靠性计划; 管理项目的可靠性计划可靠性计划一般可以和“产品实现的策划”结合起来,特别要重视过程的识别和确定,过程的顺序及过程的支持和协调,过程的增值和有效,过程应当形成文件等有力措施,确保产品实现(包括产品的可靠性)和支持过程以及相关过程网络有效和高效运作可靠性工程课件产品实现的策划,应该包括以下方面的适当内容:a.产品的质量目标和要求 产品的性能、可靠性、维修性、有效性、安全性、经济性等b.针对产品确定过程、文件和资源的需求 识别和确定所需过程,确定过程的顺序和相互协调及支持,使过程有效和增值并使网络化的过程高效运作。
过程应形成文件确定所需的资源确定过程相关部门的职责和权利APQP第一阶段“1.8可靠性和质量目标 ”建立要求可靠性工程课件3、可靠性设计评审、可靠性设计评审 为保证设计符合可靠性要求,由设计、工艺、生产、销售、质检、质保等部门的代表组成的评审小组,对产品的设计方案、技术图纸、样机,从可靠性的角度,按照事前制定的设计评审文件要求进行评审,叫做“可靠性设计评审”当然,可靠性设计评审可以和技术性能、安全性、成本、进度等要求一起进行设计评审的主要目的: 及时发现潜在设计缺陷,检查产品的可靠性是否得到满足,尽量减小设计更改所造成的损失,降低决策风险 可靠性工程课件4、元器件的质量控制、元器件的质量控制 元器件的质量控制包括三项内容:a.外购元器件、外协零部件的质量控制 按供方的产品性能、可靠性进行评价并选择供方,必要时派企业的可靠性工程师和内审员对供方进行第二方审核和评定,或聘请权威的第三方进行质量审核b.元器件的老炼筛选 由工艺技术部门根据设计要求,制定《元器件老炼筛选》规程 由生产部门根据《元器件老炼筛选》规程,以及生产进度要求,对关键元器件、外协件进行老炼化筛选,质检部门负责最后检验和测量。
c.编制元器件优选手册 可靠性工程课件5、信息管理和改进措施、信息管理和改进措施 不断改进闭环管理是可靠性工作的一项基本原则闭环”需要产品的质量(包括可靠性)信息的收集、传递、分析、反馈和处理故障报告、故障分析、纠正措施和预防措施应形成文件化程序,由各责任部门去实施,最后由管理部门统一管理,使实施的纠正措施和预防措施有效,防止故障在先,以改善产品的可靠性和维修性现代化企业最好建立计算机信息网络,并建立专门的可靠性数据库 可靠性工程课件6、可靠性教育、可靠性教育 可靠性教育应分层、分批进行,由浅入深可靠性教育可分为:a.可靠性概论和可靠性管理(对象:企业领导、中层领导);b.产品可靠性设计(设计、工艺、检验和质量工程师);c.质量功能展开QFD、FMEA(设计、工艺、检验和质量工程师);d.元器件、外协件优选手册的编制(标准化、质管和采购员);e.元器件老炼化与筛选(工艺、操作人员、质检人员、检验工程师);f.整机的可靠性试验(设计、工艺、质检、质管和实验室操作人员);g.可靠性增长管理可靠性增长管理的目的: 在预定时间内达到预定的产品可靠性水平可靠性工程课件谢谢!!!工作愉快!万事如意!可靠性工程课件。

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