昆明理工大学机电工程学院
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第3部分：可靠性设计
第二章 产品可靠性及其度量指标
二、产品质量与可靠性 产品质量是产品满足使用要求所具备的固有属性， 产品质量是产品满足使用要求所具备的固有属性，其中 是产品满足使用要求所具备的固有属性 既包括功能指标 也包括可靠性指标 功能指标， 可靠性指标。 既包括功能指标，也包括可靠性指标。 产品的可靠性指产品在规定的条件下、规定的时间 产品的可靠性指产品在规定的条件下、 指产品在规定的条件下 内完成规定功能的能力。 内完成规定功能的能力。 “规定功能 ” 是要明确具体产品的功能是什么 ， “规定的时间 ” 是可靠性区别于产品其他质量属 规定功能” 规定的时间” 规定功能 不同 规定的时间 是要明确具体产品的功能是什么， 在讨论产品的可靠性时，还应该注意产品的可靠性 在讨论产品的可靠性时， 规定的条件不同，产品的可靠性将不同。如，同 规定的条件不同， 产品的可靠性将不同。 条件 与成本和利润三者之间的关系。 以及怎样才算是完成规定功能。 性的重要特征， 一台设备在室内、野外（寒带或热带、 与成本和利润三者之间的关系。 以及怎样才算是完成规定功能。 性的重要特征，产品的可靠性水平会随着使用或贮 一台设备在室内、野外（寒带或热带、干燥地区或 潮湿地区） 海上、空中等不同的环境条件下工作， 存时间的增加而降低。因此，以数学形式表示的可 产品丧失规定功能称为失效 失效， 潮湿地区）、海上、空中等不同的环境条件下工作， 存时间的增加而降低。因此，，对可修复产品通常 、 产品丧失规定功能称为失效 产品可靠性设计是指在产品的开发设计阶段将载荷、 产品可靠性设计是指在产品的开发设计阶段将载荷 在满足使用要求的前提下，尽可能保持质量、 在满足使用要求的前提下，尽可能保持质量、效 也称为故障 靠性特征量是时间的函数。 其可靠性是不同的。 故障。 也称为故障。 靠性特征量是时间的函数。 其可靠性是不同的。 强度等有关设计量及其影响因素作为随机变量对待， 随机变量对待 强度等有关设计量及其影响因素作为。 率与费用这三个基本目标间的平衡。 率与费用这三个基本目标间的平衡 随机变量对待， 这里的时间概念不限于一般的时间概念， 这里的时间概念不限于一般的时间概念，也可以 应用可靠性数学理论与方法 可靠性数学理论与方法， 应用可靠性数学理论与方法，使所设计的产品满足预 是产品操作次数、载荷作用次数、运行距离等。 是产品操作次数、载荷作用次数、运行距离等。 期的可靠性要求。还包括预测设计对象的可靠度、 期的可靠性要求。还包括预测设计对象的可靠度、找 出并消除薄弱环节、不同设计方案间靠性指标比较等。 出并消除薄弱环节、不同设计方案间靠性指标比较等。
R(t) = ∫ f (t)dt
t ∞
(t ≥ 0, 0 ≤ R(t) ≤ 1)
t是产品寿命 是产品寿命， 为概率密度 是产品寿命 产品的失效概率定义为： 产品的失效概率定义为： ，f(t)为概率密度 失效概率定义为
F(t) = ∫ f (t)dt
0 t
R(t)+ F(t)＝1 ＝
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第二章 产品可靠性及其度量指标
一、产品设计中的可靠性问题及可靠性基本概念 第一章所提出的可靠性定义只是一个一般的定性定义， 定性定义 第一章所提出的可靠性定义只是一个一般的定性定义， 并没有给出任何数量的表示，而在产品可靠性的设计、 并没有给出任何数量的表示，而在产品可靠性的设计、 制造、实验和管理等多个阶段中都需要“ 的概念。 制造、实验和管理等多个阶段中都需要“量”的概念。 只有将其量化，才能对各种产品的可靠性提出明 只有将其量化， 确的要求，即产品的各类可靠性指标 可靠性指标。 确的要求，即产品的各类可靠性指标。 根据可靠性指标，就可以在产品规划、设计和制 根据可靠性指标，就可以在产品规划、 造产品时根据可靠性理论， 造产品时根据可靠性理论，预测和分配它们的可靠 在产品研制出来后， 性，在产品研制出来后，才可按一定的可靠性试验 方法鉴定它们的可靠性或者比较各种产品的可靠性。 方法鉴定它们的可靠性或者比较各种产品的可靠性。 度量、评定可靠性的常用指标有可靠度、累计失效概率、 度量、评定可靠性的常用指标有可靠度、累计失效概率、 常用指标有可靠度 失效率、平均寿命、可靠寿命、维修度和有效度等。 失效率、平均寿命、可靠寿命、维修度和有效度等。
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第二章 产品可靠性及其度量指标
一、产品设计中的可靠性问题及可靠性基本概念 从全寿命周期角度考查产品可靠性问题，其基本特征为： 从全寿命周期角度考查产品可靠性问题，其基本特征为： 失效主要是由人(设计者、供应者、装配者、用 失效主要是由人(设计者、供应者、装配者、 维护者) 户、维护者)造成的 因此，可靠性的保证基本上是一项管理任务， 因此，可靠性的保证基本上是一项管理任务，为 防止产生失效，应保证选用合适的人、技能、团队 防止产生失效，应保证选用合适的人、技能、 和其他资源。 和其他资源。 可靠性(以及质量 以及质量)不是通过彼此独立的几个专家 可靠性 以及质量 不是通过彼此独立的几个专家 就能有效地保证的。 就能有效地保证的。防止失效是全体人员共同有效 工作的成果。 工作的成果。 对于防止失效的程度而言，不存在极限。 对于防止失效的程度而言，不存在极限。人们可 以设计并且制造出可靠性越来越高的产品。 以设计并且制造出可靠性越来越高的产品。
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三、可靠性问题的统计描述和表达 3. 可靠度 由于在t＝ 时还 由于在 ＝0时还 从统计意义上讨论可靠度在应用中更有意义： 从统计意义上讨论可靠度在应用中更有意义： 没有失效出现， 没有失效出现， 可靠度R(t)始终 可靠度 始终 设有n个同一型号的产品 工作到时刻t时有 个 时有n(t)个 设有 个同一型号的产品 ，工作到时刻 时有 ＝ 失效，其余n－ 个仍正常工作 个仍正常工作， 失效，其余 －n(t)个仍正常工作，则 从R(t)＝100% 开始。然后， n(t) 开始。然后，函 n − n(t) F(t) ≈ R(t) ≈ R(t)单调下降 单调下降， 数R(t)单调下降， n n 当所有单元都失 失效函数F(t)对时间 微分，得失效密度函数 终止于 对时间t微分 失效函数 对时间 微分， 失效密度函数f(t)。 效时， 效时， 。 dF(t) dR(t) R(t)＝0。 ＝ 。 f (t) = =−
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第二章 产品可靠性及其度量指标
三、可靠性问题的统计描述和表达 1. 直方图和密度函数
用经验密度函f*(t)取代直方图描述失效特征 如右图)。 各区间中的样本数(失效数 用不同高度的柱状图形来 用经验密度函 各区间中的样本数 失效数)用不同高度的柱状图形来 取代直方图描述失效特征(如右图 。 取代直方图描述失效特征 如右图 失效数 表示，柱的高度或纵坐标值可以是绝对频度(区间中的 表示，柱的高度或纵坐标值可以是绝对频度 区间中的 做法是把直方图中柱状图形的中点用直线连接起来表示 样本数)或常用的相对频度 区间中的样本数/总样本数 失效频度与失效时间之间的关系。 或常用的相对频度(区间中的样本数 总样本数)。 样本数 或常用的相对频度 区间中的样本数 总样本数 。 失效频度与失效时间之间的关系。 如果试验零件的数量不断增加，就可以得到真正的密 如果试验零件的数量不断增加， 度函数f(t) 。直方图的轮廓逼近于一条光滑连续曲线。 直方图的轮廓逼近于一条光滑连续曲线。 度函数
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第二章 产品可靠性及其度量指标
主要内容： 主要内容：
产品设计中的可靠性问题及可靠性基本概念 产品质量与可靠性 可靠性问题的统计描述和表达 统计学参数 产品可靠性指标及可靠性程序设计
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Байду номын сангаас
三、可靠性问题的统计描述和表达 2. 分布函数和失效概率 如果将试件数量不断增加，区间选得愈来愈小。 如果将试件数量不断增加，区间选得愈来愈小。在 一般将分布函数F(t)称为 一般将分布函数 称为 极限n→∞情况下， →∞情况下 极限 →∞情况下，累积频度直方图的轮廓逼近于一条 “ 。 光滑曲线，成为真正的分布函数 失效概率” 分布函数F(t)。 光滑曲线，成为真正的分布函数 失效概率 ” ， 因为函 描述了到某一时刻 分布函数总是从F(t)＝0开始，并单调增加。当所有 开始， 单调增加。 分布函数总是从 ＝ 开始 数F(t)描述了到某一时刻 发生失效的概率。 发生失效的概率。 零件都失效时，分布函数终止于F(t)＝l。 零件都失效时，分布函数终止于 ＝。 分布函数与 密度函数的 关系为： 关系为：
一、产品设计中的可靠性问题及可靠性基本概念 从可靠性的角度，机械设计所涉及的产品可分为三类： 从可靠性的角度，机械设计所涉及的产品可分为三类： 本质上可靠的零件 本质上可靠的零件 可靠 在强度和应力之间的裕度很高， 在强度和应力之间的裕度很高，且在实际的寿命 期内不耗损的零件。 几乎全部电子器件、 期内不耗损的零件。如：几乎全部电子器件、不运 动的机械零部件和正确的软件。 动的机械零部件和正确的软件。 本质上不可靠 不可靠的零件 本质上不可靠的零件 设计裕量低或者不断耗损的零件。如：齿轮、轴 设计裕量低或者不断耗损的零件。 齿轮、 等易损件。 承等易损件。 由很多零件和界面组成的系统 由很多零件和界面组成的系统 像汽车、飞机等，存在很多失效的可能性 像汽车、飞机等，