可靠性基本概念7478.docx
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1、可靠性设设计主要要符号表表符号含 义符号含 义义符号含 义a裂纹尺寸寸,威布布尔分布布的位置置参数A有效性,有有效度r应力比N失效循环环次数,疲疲劳循环环数Np裂纹扩展展寿命A(t)有效度t-1应力比为为-1的的剪切疲疲劳极限限KIC平面应变变断裂韧韧性尺寸系数数_x随机变量量X的子子样均值值P(A)事件A发发生的概概率失效率P(AIIB)在事件BB已经发发生的条条件下事事件A发发生的条条件概率率(u)标准正态态分布函函数母体均值值F(x)随机变量量X的累累积分布布函数(简称分分布函数数)C置信度,费费用(t)修复率Rv2可靠度的的双侧置置信区间间上限E(x)随机变量量X的均均值q敏性系数数j
2、(u)标准正态态分布的的概率密密度函数数R可靠性,可可靠度相关系数数f(x)随机变量量X的概概率密度度函数s应力,母母体标准准差s2子样方差差自由度,变变异系数数,泊松松比K应力强度度因子Kc断裂韧性性RL1(R)可靠度的的单侧置置信区间间下限表面加工工系数sa应力幅RL2可靠度的的双侧置置信区间间下限M维修性,维维修度sb抗拉强度度s-1应力比为为-1的的疲劳极极限s子样标准准差sm平均应力力b威布尔分分布的尺尺度参数数ne有效子样样容量t时间sr应力比为为r的疲疲劳极限限MTTRR平均修复复时间ss屈服点Rv1可靠度的的单侧置置信区间间上限Ks有效应力力集中系系数T转矩,扭扭矩m(t)维修
3、时间间的概率率密度函函数s母体标准准差估计计值t切应力MTBFF平均无故故障工作作时间up标准正态态偏量ta切应力幅幅MTTFF失效前平平均工作作时间V(x)随机变量量X的方方差tm平均切应应力k威布尔分分布的形形状参数数g风险,置置信度的的风险P概率n工作安全全系数,工工作循环环次数,子子样容量量n许用安全全系数F失效概率率z可靠度系系数,联联结系数数a风险,显显著性水水平c循环,次次数sx随机变量量X的子子样标准准差as理论应力力集中系系数M(t)维修度可靠性的的概念可靠性的的经典定定义:产产品在规规定条件件下和规规定时间间内,完完成规定定功能的的能力产产品:指指作为单单独研究究和分别别试
4、验对对象的任任何元件件、设备备或系统统,可以以是零件件、部件件,也可可以是由由它们装装配而成成的机器器,或由由许多机机器组成成的机组组和成套套设备,甚甚至还把把人的作作用也包包括在内内。在具具体使用用“产品品”这一一词时,其其确切含含义应加加以说明明。例如如汽车板板簧、汽汽车发动动机、汽汽车整车车等。规规定条件件:一般般指的是是使用条条件,环环境条件件。包括括应力温温度、湿湿度、尘尘砂、腐腐蚀等,也也包括操操作技术术、维修修方法等等条件。 规定定时间:是可靠靠性区别别于产品品其他质质量属性性的重要要特征,一一般也可可认为可可靠性是是产品功功能在时时间上的的稳定程程度。因因此以数数学形式式表示的
5、的可靠性性各特征征量都是是时间的的函数。这里的的时间概概念不限限于一般般的年、月、日日、分、秒,也也可以是是与时间间成比例例的次数数、距离离。例如如应力循循环次数数、汽车车行驶里里程。 规定功功能:道道德要明明确具体体产品的的功能是是什么,怎怎样才算算是完成成规定功功能。产产品丧失失规定功功能称为为失效,对对可修复复产品通通常也称称为故障障。怎样样才算是是失效或或故障,有有时很容容易判定定,但更更多情况况则很难难判定。当产品品指的是是某个螺螺丛,显显然螺栓栓断裂就就是失效效;当产产品指的的是某个个设备,对对某个零零件损坏坏而该设设备仍能能完成规规定功能能就不能能算失效效或故障障,有时时虽有某某
6、些零件件损坏或或松脱,但但在规定定的短时时间内可可容易地地修复也也可不算算是失效效或故障障。若产产品指的的是某个个具有性性能指标标要求的的机器,当当性能下下降到规规定的指指标后,虽虽然仍能能继续运运转,但但已应算算是失效效或故障障。究竟竟怎样算算是失效效或故障障,有时时要涉及及厂商与与用户不不同看法法的协商商,有时时要涉及及当时的的技术水水平和经经济政策策等而作作出合理理的规定定。 能能力:只只是定性性的理解解是比较较抽象的的,为了了衡量检检验,后后面将加加以定量量描述。产品的的失效或或故障均均具有偶偶然性,一一个产品品在某段段时间内内的工作作情况并并不很好好地反映映该产品品可靠性性的高低低,
7、而应应该观察察大量该该种产品品的工作作情况并并进行合合理的处处理后才才能正确确的反映映该产品品的可靠靠性,因因此对能能力的定定量需用用概率和和数理统统计的方方法。按按产品可可靠性的的形成,可可靠性可可分为固固有可靠靠性和使使用可靠靠性。固固有可靠靠性是通通过设计计、制造造赋予产产品的可可靠性;使用可可靠性既既受设计计、制造造的影响响,又受受使用条条件的影影响。一一般使用用可靠性性总低于于固有可可靠性。可靠度 可靠度度是产品品在规定定条件下下和规定定时间内内,完成成规定功功能的概概率,一一般记为为R。它它是时间间的函数数,故也也记为RR(t),称为可可靠度函函数。 图图1 图图2 如果用用随机变
8、变量T表表示产品品从开始始工作到到发生失失效或故故障的时时间,其其概率密密度为ff(t)如如上图所所示,若若用t表表示某一一指定时时刻,则则该产品品在该时时刻的可可靠度 图11对于不不可修复复的产品品,可靠靠度的观观测值是是指直到到规定的的时间区区间终了了为止,能能完成规规定功能能的产品品数与在在该区间间开始时时投入工工作产品品数之比比,即图图2式中中:N开始始投入工工作产品品数Na(t)到tt时刻完完成规定定功能产产品数,即即残存数数Nf(t)到tt时刻未未完成规规定功能能产品数数,即失失效数。可靠寿命命可靠寿命命:可靠靠寿命和和中位寿寿命 可可靠寿命命是给定定的可靠靠度所对对应的时时间,一
9、一般记为为t(RR)。如图1331-5所示示,一般般可靠度度随着工工作时间间t的增增大而下下降,对对给定的的不同RR,则有有不同的的t(RR),即即t(RR)=RR-1(RR)式中中R-1R的反反函数,即即由R(tt)=RR反求tt可靠寿寿命的观观测值是是能完成成规定功功能的产产品的比比例恰好好等于给给定可靠靠度时所所对应的的时间。累积失效效概率累积积失效概概率:累累积失效效概率是是产品在在规定条条件下和和规定时时间内未未完成规规定功能能(即发发生失效效)的概概率,也也称为不不可靠度度。一般般记为FF或F(tt)。 因为完完成规定定功能与与未完成成规定功功能是对对立事件件,按概概率互补补定理可
10、可得F(tt)=11-R(tt)对于于不可修修复产品品和可修修复产品品累积失失效概率率的观测测值都可可按概率率互补定定理,取取平均寿命命平均均寿命:平均寿寿命是寿寿命的平平均值,对对不可修修复产品品常用失失效前平平均时间间,一般般记为MMTTPP,对可可修复产产品则常常用平均均无故障障工作时时间,一一般记为为MTBBF。它它们都表表示无故故障工作作时间TT的期望望E(TT)或简简记为tt。如已知知T的概概率密度度函数ff(t),则则经经分部积积分后也也可求得得失效率和和失效率率曲线失效效率:失失效率是是工作到到某时刻刻尚未失失效的产产品,在在该时刻刻后单位位时间内内发生失失效的概概率。一一般记
11、为为,它它也是时时间t的的函数,故也记记为(t),称为失失效率函函数,有有时也称称为故障障率函数数或风险险函数. 按上上述定义义,失效效率是在在时刻tt尚未失失效产品品在t+t的的单位时时间内发发生失效效的条件件概率.即它反映映t时刻刻失效的的速率,也称为为瞬时失失效率.失失效率的的观测值值是在某某时刻后后单位时时间内失失效的产产品数与与工作到到该时刻刻尚未失失效的产产品数之之比,即即 失效率率曲线:典型的的失效率率曲线 失失效率(或或故障率率)曲线线反映产产品总体体个寿命命期失效效率的情情况。图图示133.1-8为失失效率曲曲线的典典型情况况,有时时形象地地称为浴浴盆曲线线。失效效率随时时间
12、变化化可分为为三段时时期: (1)早期失失效期,失失效率曲曲线为递递减型。产品投投稿使用用的早期期,失效效率较高高而下降降很快。主要由由于设计计、制造造、贮存存、运输输等形成成的缺陷陷,以及及调试、跑合、起动不不当等人人为因素素所造成成的。当当这些所所谓先天天不良的的失效后后且运转转也逐渐渐正常,则则失效率率就趋于于稳定,到到t0时失效效率曲线线已开始始变平。t0以前称称为早期期失效期期。针对对早期失失效期的的失效原原因,应应该尽量量设法避避免,争争取失效效率低且且t0短。 (2)偶偶然失效效期,失失效率曲曲线为恒恒定型,即即t0到ti间的失失效率近近似为常常数。失失效主要要由非预预期的过过载
13、、误误操作、意外的的天灾以以及一些些尚不清清楚的偶偶然因素素所造成成。由于于失效原原因多属属偶然,故故称为偶偶然失效效期。偶偶然失效效期是能能有效工工作的时时期,这这段时间间称为有有效寿命命。为降降低偶然然失效期期的失效效率而增增长有效效寿命,应应注意提提高产品品的质量量,精心心使用维维护。加加大零件件截面尺尺寸可使使抗非预预期过戴戴的能力力增大,从从而使失失效率显显著下降降,然而而过份地地加大,将将使产品品笨重,不不以济,往往往也不不允许。 (33)耗损损失效期期,失效效率是递递增型。在t11以后失失效率上上升较快快,这是是由于产产品已经经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等等所谓有有耗损的的原因
14、所所引起的的,故称称为耗损损失效期期。针对对耗损失失效的原原因,应应该注意意检查、监控、预测耗耗损开始始的时间间,提前前维修,使使失效率率仍不上上升,如如图133.1-8中虚虚线所示示,以延延长寿命命不多。当然,修修复若需需花很大大费用而而延长寿寿命不多多,则不不如报废废更为经经济。失效率的概略略值零部件名名称失效效数/(1066h)零部件名名称最上限平均最下限机床铸件件(基础础铸件) 0.70.17750.0115一般轴承承1.00.50.022球轴承(高速、重载)3.5331.80.0775球轴承(低速、低载)1.7220.87750.0335轴套或轴轴承1.00.50.022滚子轴承承0
15、.00040.00020.022凸轮1.10.40.0001离合器0.9330.60.066电磁离合合器1.34480.68870.455弹性联轴轴器0.04490.02250.0227液压缸0.1220.00080.0001气压缸0.01130.00040.0005带传动1.53.87750.0002O型密封封圈0.0880.0220.1442橡胶密封封圈0.0330.0220.0111压力表7.84.00.1335齿轮0.2000.1220.01118齿轮箱(运输用用)0.3660.2000.111扇形齿轮轮1.80.91120.0551箱体2.0551.10.0551电动机0.5880.
16、30.111液压马达达7.1554.31.455转动密封封1.1220.70.255滑动密封封0.9220.30.111轴0.6220.3550.155弹簧0.22210.111250.0004弹簧(校校准用)0.4220.2220.0009弹簧(恢恢复力用用)0.02220.01120.0001阀门85.12.0可靠性特特征量间间的关系系 可靠性性特征量量中可靠靠度R(tt),累累积失效效率(也也叫不可可靠度)F(tt)、概概率密度度f(tt)和失失效率(t)是是四个基基本函数数,只要要知道其其中一个个,则所所有变量量均可求求得.基基本函数数间的关关系见下下表。可靠性特特征量R(t)F(t)
17、f(t)(t)R(t)(可靠靠度)-1-F(t)F(t)(累积积失效率率)1-R(t)-f(t)(概率率密度)-(t)(失效效率)-各类产品品常用的的可靠性性指标使用条件件连续使用用一次使用用可否修复复可修复不可修复复可修复不可修复复维修种类类预防维修修事后维修修用到耗损损期一定时间间后报废废预防维修修 产品示例例电子系统统、计算算机、通通信机、雷达、飞机、生产设设备家用电器器、机械械装置电子元器器件、机机械零件件、一般般消费品品实行预防防维修的的零部件件、广播播设备用用电子管管武器、过过载荷继继电器、救生器器具保险丝、闪光灯灯雷管常用指示示可靠度、有效度度、平均均无故障障工作时时间、平平均修
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