可靠性工学的基础
可靠性工学的基础 1. 绪论 1. 可靠性工学的历史 可靠性即针对“物”的不容易损坏这一问题，是从古至今存在的并被考虑的问 题。人类制作石器，铁器时代以来，为提高可靠性而做出了大量辛苦的劳动。 但是，可靠性用概率这个数学方式来表示是最近的事情，作为美国宇宙开发的推进者， 至今仍活跃着的费*布朗博士小组，在德国开发VI火箭的时候，就传说他们算出了VI火箭 的可靠度是75%。 美国是进一步把可靠性作为工学，进行组织系统化的国家。直接的起因是在第2次世 界大战时，在对日战线中，发生了向前线输送的电子机器半数以上发生了故障，在实际 作战中，不耐用和惨痛经验。 根据那时候的统计，美军在向远东输送的兵器中，60%的航空机不能用，50%的电子兵 器在储藏中发生故障。还有，轰炸机的电子机器的寿命仅有20小时，海军用电子机器的 70%发生故障的悲惨状况。战后，立中于这些教训，在1952年8月设置了美国国防部的可 靠性咨询机关AGREE（Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment）。然后，在1957年提出了有名的AGREE报告（电子机器可靠 性咨询委员会报告书），在这个报告中，美军宣布把定量化的、可靠性作为兵器购入的 基本准则。 在这之后，在1962年左右，在这个报告书的基础上，又时MLL SPEC（美军规格书）进行追加，改订，完成了有关可靠性大系统的规格书。AGREE报告书 ，主要追求有关可靠性的提高，测定可靠度，这之后，维护性的研究和品质保证的研究 ，在阿波罗计划的成立（1961年）前后不断发展。那以后的研究，主要是在故障物理（ 故障的机理）的研究之前的探索性研究，这些研究的顶点就是人类借阿波罗卫星成功到 达月面。 另一方面，日本在1960年日本科学技术联盟（日科肢联），设立了可靠性研究委员会 ， 举行了会议，文献的翻译和出版活动。同年在电气通信学会（现在是电了情报通信学会 ）上成立了可靠性研究专门委员会，发后，举行发表会等活动。作为政府机关，举行了 在 1965年设置了电气试验所可靠性研究室，1968年设置了工业技术院可靠性技术开发室公 开的活动，还有在1973年作为民间团体，在200多家公司加入的基础上，设立了日本电子 零 部件可靠性中心。制定了有关可靠性的工业衡量标准，如JISC5003（故障率试验法，19 69 年),JISZ8115(可靠性用语，1970年)等等，这以后又制定了如JISC5700（可靠性保证电 子零部件通则，1970年）等等很多的规格。 1- 2可靠性技术的心要性 对可靠性技术为什么会成为必要这个问题?有以下几点考虑： 1. 系统和产品复杂化，组织复杂化的复杂程序的急速的增大，据说阿波罗卫星由710万个 零部件组成。 在如此巨大的系统中，必须充分确保每一个零部件和子系统的可靠性。 2. 由于故障造成的损害（金额）增大 随着系统的复杂化，高技能化，系统价格也在上升。因此，假使发生故障，就会成巨大 的损失。还有，现在同样的产品在全世界使用的情况很多，修复已出口产品的故障时需 花费很大的劳力。 3. 技术开的速度很快 最近的技校术开发日新月民，一旦产品到了市场以后，如果发生的故障和索赔反应迟缓 ， 就很难改变产生不良影响这样的事情。所发确保产品在出市场之前有分的可靠性，就变 得非常重要了。 4. 人和机械的问题 随着系统的复杂化，与此相关的对人类的可靠性也变行非常重要。因为人是最容犯错误 的，支除人易犯错误这一点的可靠性设计变得很有必要。 2. 可靠性和成本 “如果可靠性很高，制造成本必然也很高”这是不争的事实。 但是，如果无视可靠性，仅仅倾注全力去减低制造成本，生产的产品一到市场故障就 不断，产生巨大的维修费用。还有，因故障﹑欠陷，造成用户丧失对产品的信用而造成 的无形的费用，可靠度和成本的关系 如图1.1。 总费用 成 本 维修费 做到可靠性 所需费用 R=0 R=1 最适当的可靠性 图 1.1 可靠性和成本 图1.1中总费用值小的可靠度点是最适当的可靠度，实际由于这个曲线具体操起来 很少，求最适当可靠度很难。 由于可靠度达到100%是不可能的，当故障发生时，如短时间内不费成本进行修复变得很 重要。这就是维护性。如果能很好地调整可靠性和维护性，就越靠近产品的最适当设计 。 还有，产品运转所需的费用不产品的制作费（购入费）、周转费，维护费等，并且 产品在废弃费用也很费钱。这个产品（生命周期）一生中的总费用（全寿命费用）是否 最小要看生命周期价格。 4. 可靠性的定义 可靠性和可靠度用英语表示都是同一个词（reliability）,可靠性是讲抽象的，定性 的表达方式，可靠度是指定量的表现。这些概念的严密定义将在第2章中阐述，一般所 说的可靠性是表示“不容易损坏”的意思。 从广义上说，可靠性有2个要素构成，这就是 1. 有发生故障 2. 即使发生故障，马上可以修复 以上第1 点是狭义意义上的可靠性，可靠度；第2点是指维护性，维护度。这两 素相加在一起，由可靠性+维护度构成可靠性的指标可动率（availability:可动率） 一发生故障立即能修复的产品在实际使用中可靠性就很就，这就是可动率很高的表现。 为了便于便用可靠性概念，经常在销售时说“本公司的第体可靠性是最高的”；这用可靠 度来表示是“本公司箱体的MTBF是8000小时，在客户手里一年无故障的概率是37%， 这种说法相当涩。在这里如果用“本公司可靠性很高，有完整的维修制度，即使发生故障 也能马上修复“来表达，说明本公司产品的可动率很高。 在可靠性的定义中加入时间概念已很普通，针对不同的场所，使用时间以外参数的方 法也有很好的一面。例如，继电电流连续流通期间故障很少，往往由于开关动作次数多 少而变为问题，针对开关回数，把导通不良率 说成PPM。还有汽车的轮胎等等，行车距离比 使用时间更成为问题。像这样，可靠性的定义由于对像不同而发生变化。 1-5 可靠性的衡量标准 可靠性的高低程度如果不用数量表示的话，就无法明确。还有如果各公司，各国使用 了随便下定义的数值，会招致很多混乱。因此，对可靠性的衡量标准而言，必须定出世 界通用的定义，现在有很多已被定义了。 这样的分类有以下几大类： 1. 可靠度 2. 维护度 3. 可动率 这样不论对哪个概率有相对应的定义。可动率 就像前述的一样，包含可靠度和 维护度。 3. 以时间为衡量标准 1) MTBF(mean time between failures) 2) MTTF(mean time to failure) 3) MTTR(mean time to repaer) 4) MDT(mean down time) 虽说可靠性是仅仅对时间品质而言的，但衡量标准也有很多。MTBF是平均故障间隔 ，MTTR是平均修 理时间，MDT是平均故障时间，这些衡量标准适用于像箱体这样的反复修理仍在使用的产 品。 MTTF是适用于在平均寿命上像 电亲一样不能时行修理的零部件的衡量标准。 4. 以率为衔衡量标准 1. 不良率 2. 成功率 3. 故障率，事故率 这是指像产品的成品率一样的一种QC的衡量标准。 2. 可靠性工学用语定义与使用 可靠性用语有很多，但并不都有明确的定义。在这里，对用JIS来定义的用语，发此 为中民时行解说（“内是依据JIS对定义进行说明”） 1. 可靠性 · 可靠性（reliability） “系统，机器，零部件等的，表示功能在使用时间上能安定发挥的程度和性质。” 对不易引起故障的物品，我们说它可靠性很高。系统，机器，零部件等等归拢到一起称 为item(项目)的场合很多。 · 可靠度（reliability） “系统，机器，零部件等，在规定的条件下，在期望期间中，完成规定功能的概率。” 为了用数值对可靠度进行定量的表示，明确规定了条件。据说阿罗的可靠度是99.99999 99% （也就是9.9），这是从地面发射再回到地面期间的可靠度。 · 故障（failure） “系统，机器，零部件等等，失去了规定的功能 这里重要的是，故障是指失去了规定的功能，仅外观受了点伤，不能称为故障。电阻和 电等，如果不明确其数值变化了多少才发生故障，对可靠性试验的结果就不能正确评价 。 · 初期故障（initial failure,early failure） “ 使用开始后，在较早期由于设计，制造上的欠缺而发生和使用环境不适当的故障” 如交货时有合格之类的故障。初期故障的时间是多少，因产品，零部件的种类不同而各 不相同，对塔巴依爱期佩克的恒温恒湿箱来说，推定大约为1000小时程度。 · 偶发故障（random failure,chance failure） “已经过了初期故障期，中磨损故障期到来之前这段期间内偶尔发生的故障” · 摩损故障（wear out failure） “由于疲劳，摩损，老化现象，随着时间增长故障率不断增加这个时期的故障”是 产品和零部件的寿命。主要在送风机的轴承、压缩机等的机械部分发生。 · 突变故障（catastrophic failure） “突发的，开且全失去功能的故障” · 衰变故障（degradation failure） “特性逐渐劣化产生故障 铝屯解屯容器，出于屯解质的蒸发，逐渐产生容量消失，这就是所谓的衰变故障。 · 波及故障，二次故障（secondary failure） “由其他部分的故障原因，产生的故障 · 间歇故障（intermittent failuer） “ 在一定的时间里呈故障状态，然后又回复到对的有功能 ，如此重复的故障” 这对维修业说是最关痛的故障。 · 故障类型（failure mode） 故障的状态的形式分类。例如断线，短路，折损，特性的衰退等等。” · 故障判定基准（failure criterion） “判定是否为故障的基准功能的极限值。” 如果产品完本不能工作，是故障就很明显了，因温度下降，速度诮慢的情况下，就很 难确定故障判定基准。 · 故障率（failure rate） “到某一时点为止，工作着的系统，机器、零部件等等，在随后的一定单位期间内发生故 障的比例。 一般，故障率包瞬间故障率和平均，但是称故障率指前者。这个JIS的定义也是瞬间故障 率。 平均故障率 平均故障率=（这个期间中的）总故障、总工作时间 因此，产品在购入后5年间（总工作时间20000小时），发生10次故障，平均是1/20000 小时（hr-1）。 这个（瞬间）故障率随时间变化，由于这个纵断面很像洋式的浴盆的开头，所以被 叫做浴盆曲线（bath-tub curve）.在偶发故障期间率是一定的，由于知道了可靠度函数随指数进行分布，用简单 的计算可以求出MTBFT 和故障率。 没维护的系统、机器、零部件等的典型的故障率λ（t），就如下面的图，随 着时间的推移而前进，分成初期故障、偶发故障、摩损个期间。故障率的单位有（1/hr ），[%100hr]，[fit ]等。Fit [failure unit ]=10-9/hr。 耐用寿命 故 障 率 λ 规定的故障率 （t） 时间t 初期故障 偶发故障期间 磨损故障 期间 期间 浴盆曲线 o MTBF、平均故障间隔（mean time between failures） “反复修理的系统、机器、零部件等的相邻故障期间的工作时间的平均值。“ 注：故障间隔在依据指数分布的情况下，在什么期间发生故障率是一定的，MTBF 是故障率的倒数。 MTBF 是总工作时间除以那个其间中总得到的值。 o 故障率水准（failure rate level） “故障率分为几个群，也就是区分水准，注上记号，方便的区分。例如故障率1%103 时间称为M水准（JJS C5003 参照）。“根据JIS C5003，故障水准如下所示。 | 记号 |故障率（%103h又是10-6/ |记号 |故障（%在103h又是1| | |回） | |0-6/回） | |L |5 |R |0.01 | | | | | | |M |1 |E |0.005 | | | | | | |N |0.5 |S |0.001 | | | | | | |P |0.1 |H |0.0005 | | | | | | |Q |0.05 |T | | | | | |0.0001 | o MTBF、至发生故障为止的平均时间（mean time to failure） 不修理的系统、机器、零部件等等至发生故障为止的工作时间的平均值。“适用于像密 闭型压缩机一样，在发生故...
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