可靠性工學(xué)的基礎(chǔ)
可靠性工學(xué)的基礎(chǔ) 1. 緒論 1. 可靠性工學(xué)的歷史 可靠性即針對(duì)“物”的不容易損壞這一問(wèn)題，是從古至今存在的并被考慮的問(wèn) 題。人類(lèi)制作石器，鐵器時(shí)代以來(lái)，為提高可靠性而做出了大量辛苦的勞動(dòng)。 但是，可靠性用概率這個(gè)數(shù)學(xué)方式來(lái)表示是最近的事情，作為美國(guó)宇宙開(kāi)發(fā)的推進(jìn)者， 至今仍活躍著的費(fèi)*布朗博士小組，在德國(guó)開(kāi)發(fā)VI火箭的時(shí)候，就傳說(shuō)他們算出了VI火箭 的可靠度是75%。 美國(guó)是進(jìn)一步把可靠性作為工學(xué)，進(jìn)行組織系統(tǒng)化的國(guó)家。直接的起因是在第2次世 界大戰(zhàn)時(shí)，在對(duì)日戰(zhàn)線中，發(fā)生了向前線輸送的電子機(jī)器半數(shù)以上發(fā)生了故障，在實(shí)際 作戰(zhàn)中，不耐用和慘痛經(jīng)驗(yàn)。 根據(jù)那時(shí)候的統(tǒng)計(jì)，美軍在向遠(yuǎn)東輸送的兵器中，60%的航空機(jī)不能用，50%的電子兵 器在儲(chǔ)藏中發(fā)生故障。還有，轟炸機(jī)的電子機(jī)器的壽命僅有20小時(shí)，海軍用電子機(jī)器的 70%發(fā)生故障的悲慘狀況。戰(zhàn)后，立中于這些教訓(xùn)，在1952年8月設(shè)置了美國(guó)國(guó)防部的可 靠性咨詢(xún)機(jī)關(guān)AGREE（Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment）。然后，在1957年提出了有名的AGREE報(bào)告（電子機(jī)器可靠 性咨詢(xún)委員會(huì)報(bào)告書(shū)），在這個(gè)報(bào)告中，美軍宣布把定量化的、可靠性作為兵器購(gòu)入的 基本準(zhǔn)則。 在這之后，在1962年左右，在這個(gè)報(bào)告書(shū)的基礎(chǔ)上，又時(shí)MLL SPEC（美軍規(guī)格書(shū)）進(jìn)行追加，改訂，完成了有關(guān)可靠性大系統(tǒng)的規(guī)格書(shū)。AGREE報(bào)告書(shū) ，主要追求有關(guān)可靠性的提高，測(cè)定可靠度，這之后，維護(hù)性的研究和品質(zhì)保證的研究 ，在阿波羅計(jì)劃的成立（1961年）前后不斷發(fā)展。那以后的研究，主要是在故障物理（ 故障的機(jī)理）的研究之前的探索性研究，這些研究的頂點(diǎn)就是人類(lèi)借阿波羅衛(wèi)星成功到 達(dá)月面。 另一方面，日本在1960年日本科學(xué)技術(shù)聯(lián)盟（日科肢聯(lián)），設(shè)立了可靠性研究委員會(huì) ， 舉行了會(huì)議，文獻(xiàn)的翻譯和出版活動(dòng)。同年在電氣通信學(xué)會(huì)（現(xiàn)在是電了情報(bào)通信學(xué)會(huì) ）上成立了可靠性研究專(zhuān)門(mén)委員會(huì)，發(fā)后，舉行發(fā)表會(huì)等活動(dòng)。作為政府機(jī)關(guān)，舉行了 在 1965年設(shè)置了電氣試驗(yàn)所可靠性研究室，1968年設(shè)置了工業(yè)技術(shù)院可靠性技術(shù)開(kāi)發(fā)室公 開(kāi)的活動(dòng)，還有在1973年作為民間團(tuán)體，在200多家公司加入的基礎(chǔ)上，設(shè)立了日本電子 零 部件可靠性中心。制定了有關(guān)可靠性的工業(yè)衡量標(biāo)準(zhǔn)，如JISC5003（故障率試驗(yàn)法，19 69 年),JISZ8115(可靠性用語(yǔ)，1970年)等等，這以后又制定了如JISC5700（可靠性保證電 子零部件通則，1970年）等等很多的規(guī)格。 1- 2可靠性技術(shù)的心要性 對(duì)可靠性技術(shù)為什么會(huì)成為必要這個(gè)問(wèn)題?有以下幾點(diǎn)考慮： 1. 系統(tǒng)和產(chǎn)品復(fù)雜化，組織復(fù)雜化的復(fù)雜程序的急速的增大，據(jù)說(shuō)阿波羅衛(wèi)星由710萬(wàn)個(gè) 零部件組成。 在如此巨大的系統(tǒng)中，必須充分確保每一個(gè)零部件和子系統(tǒng)的可靠性。 2. 由于故障造成的損害（金額）增大 隨著系統(tǒng)的復(fù)雜化，高技能化，系統(tǒng)價(jià)格也在上升。因此，假使發(fā)生故障，就會(huì)成巨大 的損失。還有，現(xiàn)在同樣的產(chǎn)品在全世界使用的情況很多，修復(fù)已出口產(chǎn)品的故障時(shí)需 花費(fèi)很大的勞力。 3. 技術(shù)開(kāi)的速度很快 最近的技校術(shù)開(kāi)發(fā)日新月民，一旦產(chǎn)品到了市場(chǎng)以后，如果發(fā)生的故障和索賠反應(yīng)遲緩 ， 就很難改變產(chǎn)生不良影響這樣的事情。所發(fā)確保產(chǎn)品在出市場(chǎng)之前有分的可靠性，就變 得非常重要了。 4. 人和機(jī)械的問(wèn)題 隨著系統(tǒng)的復(fù)雜化，與此相關(guān)的對(duì)人類(lèi)的可靠性也變行非常重要。因?yàn)槿耸亲钊莘稿e(cuò)誤 的，支除人易犯錯(cuò)誤這一點(diǎn)的可靠性設(shè)計(jì)變得很有必要。 2. 可靠性和成本 “如果可靠性很高，制造成本必然也很高”這是不爭(zhēng)的事實(shí)。 但是，如果無(wú)視可靠性，僅僅傾注全力去減低制造成本，生產(chǎn)的產(chǎn)品一到市場(chǎng)故障就 不斷，產(chǎn)生巨大的維修費(fèi)用。還有，因故障﹑欠陷，造成用戶(hù)喪失對(duì)產(chǎn)品的信用而造成 的無(wú)形的費(fèi)用，可靠度和成本的關(guān)系 如圖1.1。 總費(fèi)用 成 本 維修費(fèi) 做到可靠性 所需費(fèi)用 R=0 R=1 最適當(dāng)?shù)目煽啃?圖 1.1 可靠性和成本 圖1.1中總費(fèi)用值小的可靠度點(diǎn)是最適當(dāng)?shù)目煽慷?，?shí)際由于這個(gè)曲線具體操起來(lái) 很少，求最適當(dāng)可靠度很難。 由于可靠度達(dá)到100%是不可能的，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，如短時(shí)間內(nèi)不費(fèi)成本進(jìn)行修復(fù)變得很 重要。這就是維護(hù)性。如果能很好地調(diào)整可靠性和維護(hù)性，就越靠近產(chǎn)品的最適當(dāng)設(shè)計(jì) 。 還有，產(chǎn)品運(yùn)轉(zhuǎn)所需的費(fèi)用不產(chǎn)品的制作費(fèi)（購(gòu)入費(fèi)）、周轉(zhuǎn)費(fèi)，維護(hù)費(fèi)等，并且 產(chǎn)品在廢棄費(fèi)用也很費(fèi)錢(qián)。這個(gè)產(chǎn)品（生命周期）一生中的總費(fèi)用（全壽命費(fèi)用）是否 最小要看生命周期價(jià)格。 4. 可靠性的定義 可靠性和可靠度用英語(yǔ)表示都是同一個(gè)詞（reliability）,可靠性是講抽象的，定性 的表達(dá)方式，可靠度是指定量的表現(xiàn)。這些概念的嚴(yán)密定義將在第2章中闡述，一般所 說(shuō)的可靠性是表示“不容易損壞”的意思。 從廣義上說(shuō)，可靠性有2個(gè)要素構(gòu)成，這就是 1. 有發(fā)生故障 2. 即使發(fā)生故障，馬上可以修復(fù) 以上第1 點(diǎn)是狹義意義上的可靠性，可靠度；第2點(diǎn)是指維護(hù)性，維護(hù)度。這兩 素相加在一起，由可靠性+維護(hù)度構(gòu)成可靠性的指標(biāo)可動(dòng)率（availability:可動(dòng)率） 一發(fā)生故障立即能修復(fù)的產(chǎn)品在實(shí)際使用中可靠性就很就，這就是可動(dòng)率很高的表現(xiàn)。 為了便于便用可靠性概念，經(jīng)常在銷(xiāo)售時(shí)說(shuō)“本公司的第體可靠性是最高的”；這用可靠 度來(lái)表示是“本公司箱體的MTBF是8000小時(shí)，在客戶(hù)手里一年無(wú)故障的概率是37%， 這種說(shuō)法相當(dāng)澀。在這里如果用“本公司可靠性很高，有完整的維修制度，即使發(fā)生故障 也能馬上修復(fù)“來(lái)表達(dá)，說(shuō)明本公司產(chǎn)品的可動(dòng)率很高。 在可靠性的定義中加入時(shí)間概念已很普通，針對(duì)不同的場(chǎng)所，使用時(shí)間以外參數(shù)的方 法也有很好的一面。例如，繼電電流連續(xù)流通期間故障很少，往往由于開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)多 少而變?yōu)閱?wèn)題，針對(duì)開(kāi)關(guān)回?cái)?shù)，把導(dǎo)通不良率 說(shuō)成PPM。還有汽車(chē)的輪胎等等，行車(chē)距離比 使用時(shí)間更成為問(wèn)題。像這樣，可靠性的定義由于對(duì)像不同而發(fā)生變化。 1-5 可靠性的衡量標(biāo)準(zhǔn) 可靠性的高低程度如果不用數(shù)量表示的話，就無(wú)法明確。還有如果各公司，各國(guó)使用 了隨便下定義的數(shù)值，會(huì)招致很多混亂。因此，對(duì)可靠性的衡量標(biāo)準(zhǔn)而言，必須定出世 界通用的定義，現(xiàn)在有很多已被定義了。 這樣的分類(lèi)有以下幾大類(lèi)： 1. 可靠度 2. 維護(hù)度 3. 可動(dòng)率 這樣不論對(duì)哪個(gè)概率有相對(duì)應(yīng)的定義。可動(dòng)率 就像前述的一樣，包含可靠度和 維護(hù)度。 3. 以時(shí)間為衡量標(biāo)準(zhǔn) 1) MTBF(mean time between failures) 2) MTTF(mean time to failure) 3) MTTR(mean time to repaer) 4) MDT(mean down time) 雖說(shuō)可靠性是僅僅對(duì)時(shí)間品質(zhì)而言的，但衡量標(biāo)準(zhǔn)也有很多。MTBF是平均故障間隔 ，MTTR是平均修 理時(shí)間，MDT是平均故障時(shí)間，這些衡量標(biāo)準(zhǔn)適用于像箱體這樣的反復(fù)修理仍在使用的產(chǎn) 品。 MTTF是適用于在平均壽命上像 電親一樣不能時(shí)行修理的零部件的衡量標(biāo)準(zhǔn)。 4. 以率為銜衡量標(biāo)準(zhǔn) 1. 不良率 2. 成功率 3. 故障率，事故率 這是指像產(chǎn)品的成品率一樣的一種QC的衡量標(biāo)準(zhǔn)。 2. 可靠性工學(xué)用語(yǔ)定義與使用 可靠性用語(yǔ)有很多，但并不都有明確的定義。在這里，對(duì)用JIS來(lái)定義的用語(yǔ)，發(fā)此 為中民時(shí)行解說(shuō)（“內(nèi)是依據(jù)JIS對(duì)定義進(jìn)行說(shuō)明”） 1. 可靠性 · 可靠性（reliability） “系統(tǒng)，機(jī)器，零部件等的，表示功能在使用時(shí)間上能安定發(fā)揮的程度和性質(zhì)?！?對(duì)不易引起故障的物品，我們說(shuō)它可靠性很高。系統(tǒng)，機(jī)器，零部件等等歸攏到一起稱(chēng) 為item(項(xiàng)目)的場(chǎng)合很多。 · 可靠度（reliability） “系統(tǒng)，機(jī)器，零部件等，在規(guī)定的條件下，在期望期間中，完成規(guī)定功能的概率?！?為了用數(shù)值對(duì)可靠度進(jìn)行定量的表示，明確規(guī)定了條件。據(jù)說(shuō)阿羅的可靠度是99.99999 99% （也就是9.9），這是從地面發(fā)射再回到地面期間的可靠度。 · 故障（failure） “系統(tǒng)，機(jī)器，零部件等等，失去了規(guī)定的功能 這里重要的是，故障是指失去了規(guī)定的功能，僅外觀受了點(diǎn)傷，不能稱(chēng)為故障。電阻和 電等，如果不明確其數(shù)值變化了多少才發(fā)生故障，對(duì)可靠性試驗(yàn)的結(jié)果就不能正確評(píng)價(jià) 。 · 初期故障（initial failure,early failure） “ 使用開(kāi)始后，在較早期由于設(shè)計(jì)，制造上的欠缺而發(fā)生和使用環(huán)境不適當(dāng)?shù)墓收稀?如交貨時(shí)有合格之類(lèi)的故障。初期故障的時(shí)間是多少，因產(chǎn)品，零部件的種類(lèi)不同而各 不相同，對(duì)塔巴依愛(ài)期佩克的恒溫恒濕箱來(lái)說(shuō)，推定大約為1000小時(shí)程度。 · 偶發(fā)故障（random failure,chance failure） “已經(jīng)過(guò)了初期故障期，中磨損故障期到來(lái)之前這段期間內(nèi)偶爾發(fā)生的故障” · 摩損故障（wear out failure） “由于疲勞，摩損，老化現(xiàn)象，隨著時(shí)間增長(zhǎng)故障率不斷增加這個(gè)時(shí)期的故障”是 產(chǎn)品和零部件的壽命。主要在送風(fēng)機(jī)的軸承、壓縮機(jī)等的機(jī)械部分發(fā)生。 · 突變故障（catastrophic failure） “突發(fā)的，開(kāi)且全失去功能的故障” · 衰變故障（degradation failure） “特性逐漸劣化產(chǎn)生故障 鋁屯解屯容器，出于屯解質(zhì)的蒸發(fā)，逐漸產(chǎn)生容量消失，這就是所謂的衰變故障。 · 波及故障，二次故障（secondary failure） “由其他部分的故障原因，產(chǎn)生的故障 · 間歇故障（intermittent failuer） “ 在一定的時(shí)間里呈故障狀態(tài)，然后又回復(fù)到對(duì)的有功能 ，如此重復(fù)的故障” 這對(duì)維修業(yè)說(shuō)是最關(guān)痛的故障。 · 故障類(lèi)型（failure mode） 故障的狀態(tài)的形式分類(lèi)。例如斷線，短路，折損，特性的衰退等等?！?· 故障判定基準(zhǔn)（failure criterion） “判定是否為故障的基準(zhǔn)功能的極限值?！?如果產(chǎn)品完本不能工作，是故障就很明顯了，因溫度下降，速度誚慢的情況下，就很 難確定故障判定基準(zhǔn)。 · 故障率（failure rate） “到某一時(shí)點(diǎn)為止，工作著的系統(tǒng)，機(jī)器、零部件等等，在隨后的一定單位期間內(nèi)發(fā)生故 障的比例。 一般，故障率包瞬間故障率和平均，但是稱(chēng)故障率指前者。這個(gè)JIS的定義也是瞬間故障 率。 平均故障率 平均故障率=（這個(gè)期間中的）總故障、總工作時(shí)間 因此，產(chǎn)品在購(gòu)入后5年間（總工作時(shí)間20000小時(shí)），發(fā)生10次故障，平均是1/20000 小時(shí)（hr-1）。 這個(gè)（瞬間）故障率隨時(shí)間變化，由于這個(gè)縱斷面很像洋式的浴盆的開(kāi)頭，所以被 叫做浴盆曲線（bath-tub curve）.在偶發(fā)故障期間率是一定的，由于知道了可靠度函數(shù)隨指數(shù)進(jìn)行分布，用簡(jiǎn)單 的計(jì)算可以求出MTBFT 和故障率。 沒(méi)維護(hù)的系統(tǒng)、機(jī)器、零部件等的典型的故障率λ（t），就如下面的圖，隨 著時(shí)間的推移而前進(jìn)，分成初期故障、偶發(fā)故障、摩損個(gè)期間。故障率的單位有（1/hr ），[%100hr]，[fit ]等。Fit [failure unit ]=10-9/hr。 耐用壽命 故 障 率 λ 規(guī)定的故障率 （t） 時(shí)間t 初期故障 偶發(fā)故障期間 磨損故障 期間 期間 浴盆曲線 o MTBF、平均故障間隔（mean time between failures） “反復(fù)修理的系統(tǒng)、機(jī)器、零部件等的相鄰故障期間的工作時(shí)間的平均值?！?注：故障間隔在依據(jù)指數(shù)分布的情況下，在什么期間發(fā)生故障率是一定的，MTBF 是故障率的倒數(shù)。 MTBF 是總工作時(shí)間除以那個(gè)其間中總得到的值。 o 故障率水準(zhǔn)（failure rate level） “故障率分為幾個(gè)群，也就是區(qū)分水準(zhǔn)，注上記號(hào)，方便的區(qū)分。例如故障率1%103 時(shí)間稱(chēng)為M水準(zhǔn)（JJS C5003 參照）?！案鶕?jù)JIS C5003，故障水準(zhǔn)如下所示。 | 記號(hào) |故障率（%103h又是10-6/ |記號(hào) |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、至發(fā)生故障為止的平均時(shí)間（mean time to failure） 不修理的系統(tǒng)、機(jī)器、零部件等等至發(fā)生故障為止的工作時(shí)間的平均值。“適用于像密 閉型壓縮機(jī)一樣，在發(fā)生故...
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