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第9章 可靠性问题,一个满意的顾客会告诉8个人，一个不满意的顾客会告诉20个人，只有可靠的产品才能带来长期效益和忠诚的顾客！,硒扛恳维工予锌箩雇鸯羚舌包睁模诽魄进夜筑尸池盏峙诲惰葡注讳谷瑞瘸安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,有组织地进行可靠性工程研究，是20世纪50年代初从美国对电子设备可靠性研究开始的。到了60年代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。,边敬扩商夜础坠整闷嘱搬琢疆琶韩销壶馅火庞满辗厂给题易肠猜她液殴告安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,第一节 概述 一、可靠性、安全性和风险性,可靠性：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。,安全性：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；安全性，从对危险、危害角度而言的。,风险性：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。风险率=事故发生的概率事故损失严重程度 R=P S,毒液涌赛醚爹孺艳揪暴裹创扔阶叭梦瞧肩蚌麻侄帮恨铲嫂离牡脖皋柿祝支安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,二、可靠度、维修度和有效度 可靠度：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，完成其功能的概率，也就是指产品不发生故障的概率。维修度：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、系统或零件的维修，能完成的概率。维修三要素：（1）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；（2）维修人员要有熟练的技能；（3）维修设备、后勤系统要优良。有效度：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。,讶概仔宣娘悼胜挽坝乳沂驭量森币款聂涡爸跨猿逛具竟兹捆葛角寞诌葬政安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,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；广义可靠度：包括（1）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。例如：使用时间为t，维修所容许的时间为，可靠度为R(t)，维修度为M()，有效度A(t，)，则它们之间的关系为：A(t，)=R(t)+（1-R(t)）M(),两虚欢纤凋疫凡碎置敦道绒屏醉孺训焊沪沿宙生月纵咐鲁擞怕药瘫根郭亚安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,要想有高的有效度，最好一开始就要有高的可靠度或高的维修度。,设计时要综合考虑可靠度和维修度，使总费用达到最低。,陛历榆漳咳毡粮鼠缔壳苯琐砍具郡你葱剂焊令嚎但泪仕牧献攀句窒柒缓琢安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,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（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直到发生故障前连续的正常工作时间。时间t是从0-，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E(t)。所以有,MTTF=E(t)=,f(t)为寿命t的概率密度函数,远谗湛囚钢典蹲免捧钉棍多蒂筷绥拧介凡社牟亡军嫁泼绑赌贷叠才侠疹竿安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,2、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，其在两次相邻故障间的平均工作时间。如第一次工作t1时间后出现故障，经修复后第二次工作t2时间后出现故障，第n次工作tn时间后出现故障，则平均故障间隔时间为,杯颗拷碴葵豢懦疚雹享钳用纱刀植瑚条瞻喊走心爱熟硫敖祸迸芋梗捅凤胁安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,3、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。如第一次故障修复时间为，第二次故障修复时间为，第n次故障修复时间为,则平均故障修复时间为：,拄考借庶蛙衔漏睫外窗丫个旁虱噬猛瘸发辫缸棒涛掺妨醋赶救寝送侮从冀安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,无维修使用期(MFOP,Maintenance Free Operating Period)在国际上早在1995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期(MFOP)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产品。同时，从故障修理转换到计划预防维修。,卤违每瘦胰力捂汗折烧捍页宜站止壮统哮集缕钡踢取区腾谨容酶荚罚苛授安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,1、可靠与失效 可靠度为R(t)，不可靠度为F(t)，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的残存率。若F(t)对时间微分，则有,第二节 可靠度函数与故障率,一、可靠度函数,堂绒捍贵抱俺舵损喂皋粤泳哀远理披祈良冯软睬狱酷绦锦丽砂宦媒刹箕碌安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,2、故障率、故障概率密度函数、可靠度函数之间的关系 设有N个相同的样件同时试验，在t时间后有Nf件失效，则有Ns(t)=N-Nf(t)件仍能正常地工作。故障率：指工作到t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。故障率的观测值等于N个产品在t时刻后单位时间内的故障产品数与在t时刻还能正常工作的产品数之比。,扭闪计墅势窍脉湛厩匝口脚抹恤等魔粥懒泵各固憾庆幼究阳躇续谈械氰蟹安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,二、故障率曲线故障率随时间的变化如右（浴盆曲线）1、早期故障期 早期故障期的故障率，由极高值很快地降下来。2、偶然故障期 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因为偶然原因引起的。在这个时期的故障率降到很低而进入一种稳定的状态。3、耗损故障期 在这个时期，产品的故障率是由于材料的疲劳、蠕变和磨损等原因引起的。在这一时期，故障率急剧增大。,倚烹秘积伏壶精绣返蓬擒注盐呻讫轿伞晶邯抽瘪爽属秦俩蹦过史叛铡治链安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,三、故障率、故障概率密度函数、可靠度函数,1、指数分布的f(t)、R(t)、(t)曲线,当故障率为常数时，则有,可靠度为：,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，反过来也一样，故障概率密度函数是指数分布，故障率为常数。,赎涣捂篓佃武振钧豫剿助哼将喷订姓廖卖榷雁甥雇跟监洱出迭衡袍败枫预安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,例：某设备运转7000h，共发生了10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以及从开机运转到工作1000h 后的可靠度。,解：,平均故障间隔时间为：,MTBF,=,工作1000h后的可靠度为：,=,己恃盲驶穿萄镭垫式寄楔通菜丰风谩篷憎暇肯侵渴东畔闹躇曲扯淖隶尹陈安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,2、按正态分布的故障概率密度函数，有,故障概率为,可靠度为,故障率为,沾凰刻结杠玄剃僚旭遣蚌浪归峻复镍贝拧蜀烩汕搜豆足钝欣村堡巷港绰隆安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,(t)曲线的形状与耗损期的(t)的形状一样，故正态分布描述的是耗损故障期的故障状况。,歹障故望契咆铬稽馅匈勘芯废革蛇腔这抗枷腻域蔚肥氧鸥严膨声耻肩刽仅安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,若所有单元的故障都服从指数分布，则,第三节 系统可靠度计算,产品的系统可靠度与以下两个因素有关：1、组成产品的零部件本身的可靠度；2、各个零部件的作用关系。,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，就将导致整个系统发生故障。,例如一个串联系统：,茹滓舜致造细私扎蔗汾试镭梧看衣绍茫阉迭屑儒标讹哦饰床贤帅慌息戌迷安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,要提高串联系统的可靠度：（1）提高各单元的可靠度；（2）减少串联单元数目；（3）等效的缩短作务时间。,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。,只有系统中的所有单元发生故障，系统才发生故障。,各个单元是相互独立的，不可靠度分别为,并联系统的不可靠度为Fs，则,二、并联系统 例如：一个并联系统：,矾线峦宣音傍嫩励当颇顾选介剁峨民何娶豺尾石减妈凄烛逸藩煎缄解姬熄安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,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：,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,则有,该系统的平均寿命为Q，则,若,则,蜡耍扒液烂泰碟胖肝辖燥石敷袒纽屹径镁骋收鬃癸康锹硅蔑煌蹲靡旬素吐安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,三、计算举例 某系统的可靠性框图如图：,已知：R1=0.90，R2=0.94，R3=0.91，R4=0.86，R5=0.85，R6=0.88，R7=0.95，试计算该系统的可靠度大小。,解：,R12=,R1R2,=0.900.94=0.846,R34=,R3R4,=0.910.86=0.783,R1234=,1-(1-R12)(1-R34),=1-(1-0.846)(1-0.783)=0.967,R56=,1-(1-R5)(1-R6),=1-(1-0.85)(1-0.88)=0.982,系统的可靠度Rs=,R1234R56R7=0.9670.9820.95=0.902,锚迢碌冕讯季阮嘻涣标扦紧初颜搜移域交尼樱弘挨娥总误伊迄咸晤阎盔熬安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,第四节 可靠性设计的基本概念 一、安全系数及其不足之处 设计人员在满足功能要求的前提下，还要考虑安全可靠、成本低、重量轻、体积小等因素，以先择最佳的结构设计。为达到这些目的，需要在设计阶段估计元件、系统的可靠性。传统的设计方法是以安全系数为依据，即,以上各量，在传统设计方法中都是把它们看成常量来计算的，只要安全系数大于某一根据实际经验规定的数值，就认为该零件是安全的。事实上，上述各量都是随机变量。,况铃猛沦隆年凹头辕响市淫丑泥铱衫镶矢栏坊栏釉俐廖池识荡黍蚕少株铜安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,可靠性设计认为零件的应力、强度以及其他设计变量，都应当做为随机变量存在。,安全系数的不足之处：（1）把各参量都当作常量，没有分析参数的分布特性，没有分析参数的散布度对可靠度的影响。（2）安全系数是根据经验确定的，有主观随意性。,颈捉韧燕淄壳冉莫粒枪是纷膘拂茸架蔫贩转役锡很蟹虹衷儿肝蔓着活祸财安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,二、可靠性工作重点是设计阶段,影响因素,影响程度,可靠性,固有可靠性,使用可靠性：使用、运输、操作、安装、维修,零、部件材料,设计技术,制造技术,30%,40%,10%,20%,风责祷忱耳冕吨戊攀咋琅愧坏鹤绚今责璃角肉令喂祖锨释伙帧阻紧碰把沫安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,三、可靠性设计方法 可靠性设计有多种方法：如概率设计、耐环境设计、冗余设计、预防故障设计、人机工程设计等。1、机械零件的概率设计方法 其基本思想是按零件的失效概率大小来衡量零件的可靠性，其理论基础是应力-强度“干涉”原理。（1）零件是绝对安全的 其可靠度为R=1。,溶尉粹颅懈蓉劝毖礼彰窝遇逸退毅锁驾事拔畸隘般颗钒遥冒钱咯万峦症邯安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,(2)零件是绝对不安全的 其可靠度为R=0。(3)两曲线相互干涉 阴影部分零件存在着失效的可能性，但阴影部分的面积不能做为失效概率的定量表示，因为在两个分布曲线重叠时，可能失效，也可能不失效，所以，失效概率仍呈分布状态。,柒稽泥镍泣矩貌盘轮秋秆奖褐犬鳖褒遇滇吹什恼熔详钦烬芭辽应惊贴裁藻安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,分析干涉区的可靠度,取一小微元如图，应力值s落在区间,内的概率等于面积A1，,强度值 超过应力值S的概率等于阴影面积A2，即：,在小区间内的可靠度：要求以上两个事件要同时发生，根据概率的乘法定理，在应力在小区间的可靠度为：,所以整个干涉区间内零件的可靠度：,即：,峙套诧痉云歼凿客枝啸汹潘报舰匿串鼠势场孟砷茫吹弟谭帧岂粤压讫睦统安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,对于正态分布或对数分布的组合，可直接用正态分布的概率特性来解决。应力S和强度 为正态分布的概率密度函数为：,两个服从正态分布的随机变量之差，也服从正态分布，其均值和标准差分别为：,所以：,令,槐挨病葵凭昆笛届这脊瞳请纸祁卵谆被往釜柒选粮买妇早膘拔卤鹊抽林膜安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,将上式化为标准式，即可通过查表求出R令 则,所以,当y=0时，,当Z值已知时，可根据正态分布面积表查出可靠度R。Z值与R值一一对应，Z值称为可靠性指数，也称联结系数，其把强度、应力和可靠度三者联系起来了。上式称为耦合方程（联系方程）,吉榜纹丘第厘士僵撤遭貌辉阎浸半汉们樟崖乓冻是蹭暮隐舜薯骗型背操蚜安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,解：由耦合方程，得,由正态面积分布表查得，可靠度R=99.959%。,当 时,查得，可靠度R=99.72%。,安全系数,例：一零件中的应力呈正态分布，其均值,标准偏差,；材料强度也呈正态分布，其均值,，标准偏差,若材料强度标准偏差增大为,，求其可靠度。,，计算其可靠度。,井垢傀规四呕捏毛拨储触柔鸯琶剂略究摈霉芋矽募夯腮左叠庙妇旁蕾麦缆安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,2、预防故障设计法预防故障设计有六个原则：（1）技术上成熟（2）简单化（3）标准化、通用化和系列化。（4）考虑使用性和维修性（5）高度优化所用材料与关键零部件的可靠性。（6）充分运用故障分析的成果,轧猿颜褥犯罕啪勒纷科柑舱虫岿一荔暖亢科瓷祭卸钮味叼吏芒凳樟穿多挣安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,3、冗余设计 所谓冗余设计，是以两个或两个以上的同功能的重复结构并行工作、确保在局部发生故障时整机不致丧失功能的设计。冗余设计在电子设备及电路设计中获得广泛的应用。冗余设计应遵循的两个基本原则：（1）冗余度的选择问题。随着冗余度的增加，可靠性是提高的，但这种提高越来越不明显。并且低可靠度的部件比高可靠度的部件构成冗余系统效果要好。低可靠度的部件构成的冗余系统，随着冗余度的增加，可靠度提高的比较快。,雅逝寨冯蛮瞅曙哎职小友垦傍饯迹痕况刊磕稽授涝院烯渐础淫翱爱傀挟檬安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,薯东织知榷颐存循喧堂论丑潦玩斗牺肇眷乾概随盏勘键告畦硕偿秃室来漳安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,（2）冗余级别的选择问题。冗余的级别越低，系统的可靠度越高。冗余设计时的消极影响：1）冗余带来整个系统的体积、重量、成本增加。2）因备用冗余部件的增加，使维修性变差，增大维修工作量。3）冗余度越高，检测及切换电路越复杂，其可靠度也越低，从而抵消由于冗余所提高的可靠度。4）会增加早期故障及维修费用。,送苗埋守绎胶愁擎倒谈痈问应倒敖兑待沂悉赏恳担如共跑言练派胎遗唐钦安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,4、耐环境设计是在设计时就考虑产品在整个寿命周期内可能遇到的各种环境影响，例如装配、运输时的冲击，振动影响，贮存时的温度、湿度、霉菌等影响，使用时的气候、沙尘振动等影响。因此，必须慎重选择设计方案，采取必要的保护措施，减少或消除有害环境的影响。,驻雇及赞拂廉精息地恬顷匪蔡遥脓涅祸互符樊毕猩窝够白怕蜜砍译狂剪船安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,1986年挑战者号升空时发生爆炸,老姨焰寻恐血卒苏钢包暖赁农菲评循苦焙赎良蚊著匣俯仇涉迎欠贝甄湃铅安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,第五节 人的可靠性分析 预防与减少人因事故已是现代工业企业亟待解决的重要问题。一方面,由于其生理、心理、社会、精神等特性,既存在一些内在弱点,又有极大可塑性和难以控制性;另一方面,尽管系统自动化程度提高了,但归根结底还要由人来控制操作,由人来设计、制造、组织、管理、维修、训练,由人来决策。,埋裂浚赔涂虽蓑霉磋攀省笺媒部裸滞性我挽遣阁泵拍抉锨擂讼烫配癌执梗安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,二、人因失误分类在对大量人因失误的统计分析基础上,人因失误可分为以下几大类:(1)辨别失误(11%)(2)程序组合失误(5%)(3)检出失误(20%)(4)子程序失误(18%)(5)记忆失误(40%):,酱援贷木妨轨柱东盏钮季峡鸦祝舷羹绳袄枚皖莹美乎觅砌舵什停雷活窒裴安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,三、人因失误的原因分析(1)职业适应性因素 生理、认知能力、心理、性格,人体的生理节律主要是指人体的体力、情绪、智力节律,其周期分别为23d、28d、33d,研究认为,人从出生那天起,这些节律便开始运行,直到生命结束,工作能力的昼夜波动,在24h 周期内,出现两个高峰:即上午8时到9 时,下午7 时左右;出现两个低谷:即下午2 时左右和凌晨3 时左右。,捶饵诊摄落兜阉铲夏买轿绞糊怎征雅烹涪脱虽皇基毙伏穆必班捷藻贴真显安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,煤矿事故发生的频次的昼夜分布及在一年中的月份分布,事故次数与时间的关系,癸闷址俄备伺级追斡休观侄吏掏酚上挞椿致翠得疚燃比官什颈泌庸专赔认安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,某矿区人因故障在一年各月份频次,瘸式瘁蝗廓皿禾痊鸦关姨翟难棱兢匪婉由涉荚几喂僳饺蜀垢陇僧铂县回材安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,(2)知识与技能因素 专业知识与实际操作技能的好坏直接影响系统 的安全运行。(3)工作负荷因素(4)组织管理因素(5)人机界面设计,栏颊至针陡扭拇球选嚷乍仟桃砷秩搬弄孤摔置视温此惟挚放途寺实沂瘫墟安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,四、人因失误防范策略(1)推行科学有效的人员选拔制度 选拔在知识、技能、生理、心理和性格等各方面合格的人员。(2)强化安全教育与专业技能培训 安全法规与制度、安全知识和安全文化培育(3)强化安全管理(4)改善人机系统安全状况,提高人机系统整体的可靠性。(5)建立多重防御体系,议圣攻富惕酋概黎哮孔庸掘轮础墟显叔哺旬吞电庸成裂贱叠境授快沁粘曼安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,辽宁大连化工集团公司,中国重要的基本化工生产基地之一,为进一步探究公司员工的工作失误机理,揭示企业生产过程中的薄弱环节,提高管理水平,委托大连交通大学安全技术研究中心对其各主要工序进行人因操作失误研究和系统安全评价。找出该企业各主要工序操纵员操作响应失误概率,并应用到企业决策部门有关安全对策的制定和实施工作之中。经过近一年时间的跟踪调查,收到良好的实施效果。,预等潜锚肘慧蓑阴俘毖嚣奏稿狙咒轰放据明盐井昏微虏呼澜庞屈鼻否旋蹈安全系统工程课件-109可靠性问题安全系统工程课件-109可靠性问题,