可靠性--基础知识

1 2. 可靠性物理基本知识和基本概念 2.1 可靠性的基本理论知识 2.1.1 可靠性的概念 可靠性的概念，可以说，自古以来从人类开始使用工具起就已经存在。然而可靠性理论作为一门独立的学科出现却是近几十年的事。可靠性归根结底研究的还是产品的可靠性，而通常所说的“可靠性”指的是“可信赖的”或“可信任的”。 一台仪器设备，当人们要求它工作时，它就能工作，则说它是可靠的；而当人们要求它工作时，它有时工作，有时不工作，则称它是不可靠的。 最早的可靠性定义由美国AGREE在1957年的报告中提出，1966年美国的MIL－STD－721B又较正规地给出了传统的或经典的可靠性定义：“产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力”。它为世界各国的标准所引证，我国的GB318－82给出的可靠性定义也与此相同。 [3]赵海波。这里的产品是泛指的，它可以是一个复杂的系统，也可以是一个零件。 出厂检验合格的产品，在使用寿命期内保持其产品质量指标的数值而不致失效，这就是可靠性问题。因此，可靠性也是产品的一个质量指标，而且是与时间有关的参量。只有在引进了可靠性指标后，才能和其它质量指标一起，对产品质量作全面的评定。所谓产品是指作为单独研究和分别试验对象的任何元件、设备或系统，可以是零件也可以是由它们装配而成的机器，或由许多机器组成的机组和成套设备，甚至还把人的作用也包括在内。在具体使用“产品”这一词时，其确切含义应加以说明。例如汽车板簧、汽车发动机、汽车整车等。 从定义可以看出，产品的可靠性是与“规定的条件”分不开的。这里所讲的规定条件包括产品使用时的应力条件(温度、压力、振动、冲击等载荷条件)、环境条件(地域、气候、介质等)和贮存条件等。规定的条件不同，产品的可靠性是不同的。 产品的可靠性又与“规定的时间”密切相关。一般说来，经过零件筛选、整机调试和跑合后，产品的可靠性水平会有一个较长的稳定使用或贮存阶段，以后随着时间的增长其可靠性水平逐渐降低。 产品的可靠性还和“规定的功能”有密切的联系。一个产品往往具有若干项技术指标。定义中所说的“规定功能”是指产品若干功能的全体，而不是其中的 2

一部分。 在实际工作中，产品往往由于各种偶然因家而发生故障，如零件的突然失效，应力突然改变，维护或使用不当等。由于这些原因都具有偶然性，所以对于一个具体产品来说，在规定的条件下和规定的时间内，能否完成规定的功能是无法事先知道的。也就是说，这是一个随机事件。但是，大量的随机事件中包含着一定的规律性，偶然事件中包含着必然性。我们虽然不能知道发生故障的确切时刻，但是可以估计在某时间段内，产品完成规定功能的能力大小。因此，应用概率论与数理统计方法对产品的可靠性进行定量计算是可靠性理论的基础。包括下列四要素： （1）规定条件：一般指的是使用条件,环境条件。包括应力温度、湿度、尘砂、腐蚀等，也包括操作技术、维修方法等条件。对于汽车来说，主要有公路条件、气候条件和行使速度；对于显示器来说，环境条件、供电条件和工作条件，比如：开机时间比、待机时间比、关机时间比等参数。 （2）规定时间：是可靠性区别于产品其他质量属性的重要特征，一般也可认为可靠性是产品功能在时间上的稳定程度。因此以数学形式表示的可靠性各特征量都是时间的函数。这里的时间概念不限于一般的年、月、日、分、秒，也可以是与时间成比例的次数、距离。例如应力循环次数、汽车行驶里程。 （3）规定功能：要明确具体产品的功能是什么，怎样才算是完成规定功能。产品丧失规定功能称为失效，对可修复产品通常也称为故障。怎样才算是失效或故障，有时很容易判定，但更多情况则很难判定。当产品指的是某个螺栓，显然螺栓断裂就是失效；当产品指的是某个设备，对某个零件损坏而该设备仍能完成规定功能就不能算失效或故障，有时虽有某些零件损坏或松脱，但在规定的短时间内可容易地修复也可不算是失效或故障。若产品指的是某个具有性能指标要求的机器，当性能下降到规定的指标后，虽然仍能继续运转，但已应算是失效或故障。究竟怎样算是失效或故障，有时要涉及厂商与用户不同看法的协商，有时要涉及当时的技术水平和经济政策等而作出合理的规定。 （4）能力：只是定性的理解是比较抽象的，为了衡量检验，后面将加以定量描述。产品的失效或故障均具有偶然性，一个产品在某段时间内的工作情况并不很好地反映该产品可靠性的高低，而应该观察大量该种产品的工作情况并进行 3

合理的处理后才能正确的反映该产品的可靠性，因此对能力的定量需用概率和数理统计的方法[2]。 2.1.2 造成故障的主要原因 下图为造成产品故障的主要原因。由该图可知，造成故障的的主要原因为设计、制造和管理等因素，其它原因很少。

下图为造成产品故障的因素分布。 该图来自于美国RAC的可靠性数据库，由该图可知元器件故障不再是造

产品的故障 设计 69％

制造 10％ 管理 13％

其它 7 ％ 4

成产品故障的主要原因。 2.1.3 可靠性术语 可靠性 reliability 产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。 维修性 maintainability 在规定条件下使用的产品在规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能的能力。 有效性 availability 可以维修的产品在某时刻具有或维持规定功能的能力。 耐久性 durability 产品在规定的使用和维修条件下，达到某种技术或经济指标极限时，完成规定功能的能力。 失效（故障） failure 产品丧失规定的功能。对可修复产品通常也称故障。 失效模式 failure mode 失效的表现形式。 ] 失效机理 failure mechanism 引起失效的物理、化学变化等内在原因。 误用失效 misuse failure 不按规定条件使用产品而引起的失效。 本质失效 Inherent weakness failure 产品在规定的条件下使用，由于产品本身固有的弱点而引起的失效。 早期失效 early failure 产品由于设计制造上的缺陷等原因而发生的失效。 偶然失效 random failure 产品由于偶然因素发生的失效。 耗损失效 wear out failure 产品由个老化、磨损、损耗、疲劳等原因引起的失效。 维修 maintenance 5

为保持或恢复产品能完成规定功能的能力而采取的技术管理措施。 维护 preventlive maintenance 为防止产品性能退化或降低产品失效的概率，按事前规定的计划或相应技术条件的规定进行的维修，也可称预防性维修。 修理 corrective maintenance 产品失效后，为使产品恢复到能完成规定功能而进行的维修。 可靠度 reliability 产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。 可靠度的观测值 observed reliability a．对于不可修复的产品，是指直到规定的时间区间终了为止，能完成规定功能的产品数与在该时间区间开始时刻投入工作的产品数之比。 b．对于可修复产品是指一个或多个产品的无故障工作时间达到或超过规定时间的次数与观察时间内无故障工作的总次数之比。 注：在计算无故障工作总次数时，每个产品的最后一次无故障工作时间若不超过规定的时间则不予计人。 累积失效概率 cumulative failure probability 产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率，其数值等于一减可靠度。 累积失效概率的观测值 observed cumulative failure probability 对于不可修复和可修复的产品都等于一减可靠度的观测值。 平均寿命（平均无故障工作时间） mean life（mean time between failures） 寿命（无故障工作时间）的平均值。 平均寿命（平均无故障工作时间）的观测值 observed mean life（observed mean time between failures） a．对于不可修复的产品，当所有试验样品都观察到寿命终了的实际值时，是指它们的算术中均值；当不是所有试验样品都观测到寿命终了的截尾试验时是指受试样品的累积试验时间与失效数之比。 b．对可修复的产品，是指一个或多个产品在它的使用寿命期内的某个观察期间累积工作时间与故障次数之比。 6

失效率 failure rate 工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。 失效率的观测值 observed failure rate 在某时刻后单位时间内失效的产品数与工作到该时刻尚未失效的产品数之比。 平均失效率的观测值 observed mean failure rate a．对于不可修复的产品是指在一个规定时期内失效数与累积工作时间之比。 b．对于可修复的产品是指它的使用寿命期内的某个观察期间一个或多个产品的故障发生次数与累积工作时间之比。 维修度 maintainability 在规定条件下使用的产品，在规定时间内按照规定的程序和方法进行维修时，保持或恢到能完成规定功能状态的概率。 平均修复时间 mean repair time 修复时间的平均值。 平均修复时间的观测值 observed mean repair time 修复时间的总和与修理次数之比。 修复率 repair rate 修理时间已达到某个时刻但尚未修复的产品，在该时刻后的单位时间内完成修理的概率。 平均修复率的观测值 observed mean repair time 在某观察期内完成修理的概率。 维修度 maintainability 在规定条件下使用的产品，在规定时间内按照规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能状态的概率。 平均修复时间 mean repair time 修复时间的平均值。 平均修复时间的观测值 observed mean repair time