《安全系统工程》课件-109可靠性问题.ppt
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1、第第9章章 可靠性问题可靠性问题一个满意的顾客会告诉一个满意的顾客会告诉8个人,个人,一个不满意的顾客会告诉一个不满意的顾客会告诉20个人,个人,只有可靠的产品才能带来长期效益和忠诚的顾客!只有可靠的产品才能带来长期效益和忠诚的顾客!有组织地进行可靠性工程研究,是有组织地进行可靠性工程研究,是20世纪世纪50年代初年代初从美国对电子设备可靠性研究开始的。到了从美国对电子设备可靠性研究开始的。到了60年代年代才陆续由电子设备的可靠性技术推广到机械、建筑才陆续由电子设备的可靠性技术推广到机械、建筑等各个行业。后来,又相继发展了故障物理学、可等各个行业。后来,又相继发展了故障物理学、可靠性试验学、可
2、靠性管理学等分支,使可靠性工程靠性试验学、可靠性管理学等分支,使可靠性工程有了比较完善的理论基础。有了比较完善的理论基础。第一节第一节 概述概述 一、可靠性、安全性和风险性一、可靠性、安全性和风险性可靠性可靠性:系统、设备或元件等在规定的条件下,在规定的:系统、设备或元件等在规定的条件下,在规定的时间内,完成指定功能的能力。时间内,完成指定功能的能力。安全性安全性:不发生人员伤亡、设备和财产损失的可能性。:不发生人员伤亡、设备和财产损失的可能性。可靠性,指完成指定功能的能力;可靠性,指完成指定功能的能力;安全性,从对危险、危害角度而言的。安全性,从对危险、危害角度而言的。风险性风险性:危险、危
3、害事故发生的可能性与危险、危害事故:危险、危害事故发生的可能性与危险、危害事故严重程度的综合度量。其程度可用风险率来表示。严重程度的综合度量。其程度可用风险率来表示。风险率风险率=事故发生的概率事故发生的概率事故损失严重程度事故损失严重程度 R=P S 二、可靠度、维修度和有效度二、可靠度、维修度和有效度 可靠度:可靠度:是衡量可靠性的尺度,是指系统、设备或元是衡量可靠性的尺度,是指系统、设备或元件等在规定的条件下和预期的使用期内,完成其功能的概件等在规定的条件下和预期的使用期内,完成其功能的概率,也就是指产品不发生故障的概率。率,也就是指产品不发生故障的概率。维修度维修度:是表示维修难易程度
4、的指标。指在规定的条:是表示维修难易程度的指标。指在规定的条件下,在规定的时间内,对可修复的产品、系统或零件的件下,在规定的时间内,对可修复的产品、系统或零件的维修,能完成的概率。维修,能完成的概率。维修三要素维修三要素:(:(1)在设计时,做到产品发生故障时,)在设计时,做到产品发生故障时,易于发现或检查,且易于修理;(易于发现或检查,且易于修理;(2)维修人员要有熟练)维修人员要有熟练的技能;(的技能;(3)维修设备、后勤系统要优良。)维修设备、后勤系统要优良。有效度有效度:在某种使用条件下和规定的时间内,系统或:在某种使用条件下和规定的时间内,系统或产品保持正常使用状态的概率。产品保持正
5、常使用状态的概率。可靠度、维修度、有效度之间的关系:可靠度、维修度、有效度之间的关系:狭义可靠度:不发生故障的概率;狭义可靠度:不发生故障的概率;广义可靠度:包括(广义可靠度:包括(1)不发生故障的狭义可靠度,)不发生故障的狭义可靠度,(2)发生故障后进行修复的维修度。)发生故障后进行修复的维修度。例如:使用时间为例如:使用时间为t,维修所容许的时间为,可靠度为,维修所容许的时间为,可靠度为R(t),维修度为,维修度为M(),有效度,有效度A(t,),则它们之间的关系,则它们之间的关系为:为:A(t,)=R(t)+(1-R(t))M()要想有高的有效度,最好一开始就要有高的可靠度或要想有高的有
6、效度,最好一开始就要有高的可靠度或高的维修度。高的维修度。设计时要综合考虑可靠度和维修度,使总费用达到最低。设计时要综合考虑可靠度和维修度,使总费用达到最低。三、用时间计量可靠度、维修度和有效度三、用时间计量可靠度、维修度和有效度1、故障前平均工作时间(、故障前平均工作时间(MTTF,Mean Time to Failure)故障前平均工作时间是指某一产品或零件从开始工作故障前平均工作时间是指某一产品或零件从开始工作直到发生故障前连续的正常工作时间。时间直到发生故障前连续的正常工作时间。时间t是从是从0-,故,故障前平均工作时间为它们连续正常工作时间的数学期望障前平均工作时间为它们连续正常工作
7、时间的数学期望E(t)。所以有。所以有MTTF=E(t)=f(t)为寿命为寿命t的概率密度函数的概率密度函数 2、平均故障间隔时间(、平均故障间隔时间(MTBF,Mean Time Between Failure)指产品发生了故障后经修理或更换零件仍能正常工作,指产品发生了故障后经修理或更换零件仍能正常工作,其在两次相邻故障间的平均工作时间。如第一次工作其在两次相邻故障间的平均工作时间。如第一次工作t1时间时间后出现故障,经修复后第二次工作后出现故障,经修复后第二次工作t2时间后出现故障,第时间后出现故障,第n次工作次工作tn时间后出现故障,则平均故障间隔时间为时间后出现故障,则平均故障间隔时
8、间为 3、平均故障修复时间(、平均故障修复时间(MTTR,Mean Time to Repair)指产品出现故障后到恢复正常工作时所需要的时间。如指产品出现故障后到恢复正常工作时所需要的时间。如第一次故障修复时间为第一次故障修复时间为 ,第二次故障修复时间为,第二次故障修复时间为 ,第,第n次故障修复时间为次故障修复时间为 ,则平均故障修复时间为:则平均故障修复时间为:n 无维修使用期无维修使用期(MFOP,Maintenance Free Operating Period)n在国际上早在在国际上早在1995年对传统的可靠性定义提出了质疑,年对传统的可靠性定义提出了质疑,在欧洲开始用无维修使用
9、期在欧洲开始用无维修使用期(MFOP)取代原先的取代原先的MTBF,摒弃随机失效无法避免的旧观念,故障率浴盆曲线分布摒弃随机失效无法避免的旧观念,故障率浴盆曲线分布规律也就被打破。当前国际上兴起在可靠工程中推行失规律也就被打破。当前国际上兴起在可靠工程中推行失效物理方法的新潮流,目的是设计出不存在随机失效的效物理方法的新潮流,目的是设计出不存在随机失效的产品。同时,从故障修理转换到计划预防维修。产品。同时,从故障修理转换到计划预防维修。1、可靠与失效、可靠与失效 可靠度为可靠度为R(t),不可靠度为,不可靠度为F(t),则,则 R(t)+F(t)=1 当样本很多时,可靠度可理解为对规定样本获得
10、的残存率。当样本很多时,可靠度可理解为对规定样本获得的残存率。若若F(t)对时间微分,则有对时间微分,则有 第二节第二节 可靠度函数与故障率可靠度函数与故障率一、可靠度函数一、可靠度函数 2、故障率、故障概率密度函数、可靠度函数之间的关、故障率、故障概率密度函数、可靠度函数之间的关系系 设有设有N个相同的样件同时试验,在个相同的样件同时试验,在t时间后有时间后有Nf件失效,件失效,则有则有Ns(t)=N-Nf(t)件仍能正常地工作。件仍能正常地工作。故障率故障率:指工作到:指工作到t时刻尚未发生故障的产品,在该时时刻尚未发生故障的产品,在该时刻后,单位时间内发生故障的概率。刻后,单位时间内发生
11、故障的概率。故障率的观测值等于故障率的观测值等于N个产品在个产品在t时刻后单位时间内的时刻后单位时间内的故障产品数与在故障产品数与在t时刻还能正常工作的产品数之比。时刻还能正常工作的产品数之比。二、故障率曲线二、故障率曲线故障率随时间的变化如右(浴盆曲线)故障率随时间的变化如右(浴盆曲线)1、早期故障期、早期故障期 早期故障期的故障率,由极早期故障期的故障率,由极高值很快地降下来。高值很快地降下来。2、偶然故障期、偶然故障期 这个时期是零件的正常使用这个时期是零件的正常使用期。在这个时期中发生的故障都是期。在这个时期中发生的故障都是因为偶然原因引起的。在这个时期因为偶然原因引起的。在这个时期的
12、故障率降到很低而进入一种稳定的故障率降到很低而进入一种稳定的状态。的状态。3、耗损故障期、耗损故障期 在这个时期,产品的故障率在这个时期,产品的故障率是由于材料的疲劳、蠕变和磨损等是由于材料的疲劳、蠕变和磨损等原因引起的。在这一时期,故障率原因引起的。在这一时期,故障率急剧增大。急剧增大。三、故障率、故障概率密度函数、可靠度函数三、故障率、故障概率密度函数、可靠度函数1、指数分布的、指数分布的f(t)、R(t)、(t)曲线曲线当故障率为常数时,则有当故障率为常数时,则有可靠度为:可靠度为:故障概率密度函数为:故障概率密度函数为:故障率为常数时,故障概率密度函数是指数分布,反过故障率为常数时,故
13、障概率密度函数是指数分布,反过来也一样,故障概率密度函数是指数分布,故障率为常数。来也一样,故障概率密度函数是指数分布,故障率为常数。例:某设备运转例:某设备运转7000h,共发生了,共发生了10次故障。若故障概率密次故障。若故障概率密度函数服从指数分布,试计算该设备的平均故障间隔时间度函数服从指数分布,试计算该设备的平均故障间隔时间以及从开机运转到工作以及从开机运转到工作1000h 后的可靠度。后的可靠度。解:解:平均故障间隔时间为:平均故障间隔时间为:MTBF=工作工作1000h后的可靠度为:后的可靠度为:=2、按正态分布的故障概率密度函数,有、按正态分布的故障概率密度函数,有故障概率为故
14、障概率为可靠度为可靠度为 故障率为故障率为 (t)曲线的形状与耗损期的曲线的形状与耗损期的 (t)的形状一样,故正态的形状一样,故正态分布描述的是耗损故障期的故障状况。分布描述的是耗损故障期的故障状况。若所有单元的故障都服从指数分布,则若所有单元的故障都服从指数分布,则 第三节第三节 系统可靠度计算系统可靠度计算产品的系统可靠度与以下两个因素有关:产品的系统可靠度与以下两个因素有关:1、组成产品的、组成产品的零部件本身的可靠度;零部件本身的可靠度;2、各个零部件的作用关系。、各个零部件的作用关系。一、串联系统一、串联系统串联系统是指系统中的任何一个单元发生故障,就将导致整串联系统是指系统中的任
15、何一个单元发生故障,就将导致整个系统发生故障。个系统发生故障。例如一个串联系统:例如一个串联系统:要提高串联系统的可靠度:(要提高串联系统的可靠度:(1)提高各单元的可靠度;)提高各单元的可靠度;(2)减少串联单元数目;()减少串联单元数目;(3)等效的缩短作务时间。)等效的缩短作务时间。所以并联系统的可靠度为:所以并联系统的可靠度为:从上式可看出,并联系统可靠度大于或等于单元可靠度的最大值。从上式可看出,并联系统可靠度大于或等于单元可靠度的最大值。只有系统中的所有单元发生故障,系统只有系统中的所有单元发生故障,系统才发生故障。才发生故障。各个单元是相互独立的,不可靠度分别为各个单元是相互独立
16、的,不可靠度分别为并联系统的不可靠度为并联系统的不可靠度为Fs,则,则二、并联系统二、并联系统 例如:一个并联系统:例如:一个并联系统:若所有单元的故障都服从指数分布,则若所有单元的故障都服从指数分布,则对于两个单元并联的系统,系统的可靠度:对于两个单元并联的系统,系统的可靠度:若两个单元的可靠度是时间的函数并且服从指数分布,其故若两个单元的可靠度是时间的函数并且服从指数分布,其故障率分别为障率分别为则有则有该系统的平均寿命为该系统的平均寿命为Q,则,则若若则则 三、计算举例三、计算举例 某系统的可靠性框图如图:某系统的可靠性框图如图:1234567 已知:已知:R1=0.90,R2=0.94
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