可靠性工程师培训ppt.ppt
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1、可靠性工程师培训讲义索引1可靠性基本概念2可靠性模型3可靠性设计4可靠性分配5FMEA/FTA6可靠性设计准则7电路容差分析8元器件降容设计9热设计10冗余容错设计11安全性设计与分析12机械可靠性概述13软件可靠性14环境应力筛选15可靠性鉴定验证试验一、可靠性基本概念(含维修性、测试性、可用性、保障性维修性、测试性、可用性、保障性)可靠性定义: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。可靠性的概率度量亦称可靠度。能的能力。可靠性的概率度量亦称可靠度。产品指的是新版产品指的是新版ISO9000ISO9000中定义的硬件和流程
2、性材料中定义的硬件和流程性材料等有形产品以及软件等无形产品。等有形产品以及软件等无形产品。“规定时间规定时间”和产品可靠性关系也极为密切。和产品可靠性关系也极为密切。“规定的功能规定的功能”指的是产品规格书中给出的正常工指的是产品规格书中给出的正常工作的性能指标。作的性能指标。1.可靠性 产品的可靠性一般可分为固有可靠性和使用可靠性。产品的可靠性一般可分为固有可靠性和使用可靠性。产品固有可靠性是产品在设计、制造中赋予的,是产产品固有可靠性是产品在设计、制造中赋予的,是产品的一种固有特性,也是产品的开发者可以控制的。而产品的一种固有特性,也是产品的开发者可以控制的。而产品使用可靠性则是产品在实际
3、使用过程中表现出的一种性品使用可靠性则是产品在实际使用过程中表现出的一种性能的保持能力的特性,它除了考虑固有可靠性的影响因素能的保持能力的特性,它除了考虑固有可靠性的影响因素之外,还要考虑产品安装、操作使用和维修保障等方面因之外,还要考虑产品安装、操作使用和维修保障等方面因素的影响。素的影响。产品可靠性还可分为基本可靠性和任务可靠性。产品可靠性还可分为基本可靠性和任务可靠性。基本可靠性是产品在规定条件下无故障的持续时间或基本可靠性是产品在规定条件下无故障的持续时间或概率,它反映产品对维修人力的要求。因此在评定产品基概率,它反映产品对维修人力的要求。因此在评定产品基本可靠性时应统计产品的所有寿命
4、单位和所有故障,而不本可靠性时应统计产品的所有寿命单位和所有故障,而不局限于发生在任务期间的故障,也不局限于是否危及任务局限于发生在任务期间的故障,也不局限于是否危及任务成功的故障。成功的故障。任务可靠性是产品在规定的任务剖面内完成规定功能任务可靠性是产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。评定产品任务可靠性时仅考虑在任务期间发生的的能力。评定产品任务可靠性时仅考虑在任务期间发生的影响完成任务的故障。影响完成任务的故障。可靠度函数、累积故障分布函数 如如前前所所述述,产产品品可可靠靠度度是是产产品品在在规规定定条条件件下下规规定定时时间间完完成成规规定定功功能能的的概概率率,描描述述的的是是
5、产产品品功功能能随随时时间间保保持持的的概概率率,即即产产品品可可靠靠度度是是时时间间的的函函数数,一一般般用用R R(t t)表表示示,产产品品的可靠度函数即:的可靠度函数即:R R(t t)=)=P P(T T t t)式中:式中:T T产品发生故障的时间;产品发生故障的时间;t t规定的时间。规定的时间。(100h)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 试验故障统计表时间时间(小时小时)故障数故障数(个个)累积故障数(个)累积故障数(个)时间(小时)时间(小时)故障数故障数(个个)累积故障数累积故障数(个个)0100 00500-600610100-20011600-70031320
6、0-30012700-800215300-40013800-900016400-50014900-1000016故障及其分类 产产品品或或产产品品的的一一部部分分不不能能或或将将不不能能完完成成预预定定功功能能的的事事件件或或状状态态称称为为故故障障。对对于于不不可可修修的的产产品品如如电电子子元元器器件件和和弹弹药药等等也也称称失失效效。故故障障也也可可以以简简单单地地定定义义为为丧丧失失了了规规定定的的功功能能。故故障障的的表表现现形形式式,如如三三极极管管的的短短路路或或开开路路、灯灯丝丝的的烧烧断断等等称称为为故故障障模模式式。引引起起产产品品故故障障的的物物理理、化化学或生物等变化的
7、内在原因称为故障机理。学或生物等变化的内在原因称为故障机理。按故障的规律可分为偶然故障和耗损故障。偶然故按故障的规律可分为偶然故障和耗损故障。偶然故障是由于偶然因素引起的故障,其重复出现的风险可以障是由于偶然因素引起的故障,其重复出现的风险可以忽略不计,只能通过概率或统计方法来预测。耗损故障忽略不计,只能通过概率或统计方法来预测。耗损故障是通过事前检测或监测可预测到的故障,是由于产品的是通过事前检测或监测可预测到的故障,是由于产品的规定性能随时间增加而逐渐衰退引起的。耗损故障可以规定性能随时间增加而逐渐衰退引起的。耗损故障可以通过预防维修,防止故障的发生,延长产品的使用寿命。通过预防维修,防止
8、故障的发生,延长产品的使用寿命。按按故故障障引引起起的的后后果果可可分分为为致致命命性性故故障障和和非非致致命命性性故故障障。前前者者会会使使产产品品不不能能完完成成规规定定任任务务或或可可能能导导致致人人或或物物的的重重大大损损失失、最最终终使使任任务务失失败败,后后者者不不影影响响任任务务完完成成,但但会会导导致致非非计计划划的的维维修修。按按故故障障的的统统计计特特性性又又可可分分为为独独立立故故障障和和从从属属故故障障。前前者者是是指指不不是是由由于于另另一一个个产产品品故故障障引引起起的的故故障障,后后者者是是由由另另一一产产品品故故障障引引起起的的故故障障。在在评评价价产产品品可可
9、靠靠性时只统计独立故障。性时只统计独立故障。可靠性常用度量参数可靠性常用度量参数可靠度可靠度 产品在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功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称为可靠度,一般用能的概率称为可靠度,一般用 表示。若产品的总数为表示。若产品的总数为N N0 0,工作到工作到t t时刻产品发生的故障数为时刻产品发生的故障数为r r(t t),则产品在时,则产品在时刻的可靠度的观测值为:刻的可靠度的观测值为:故障率故障率 工工作作到到某某时时刻刻尚尚未未发发生生故故障障的的产产品品数数,在在该该时时刻刻后后单单位位时时间间内内发发生生故故障障的的概概率率,称称之之为为产
10、产品品的的故故障障率率。故故障障率一般用率一般用 表示。表示。一般情况下,一般情况下,可用下式进行工程计算:可用下式进行工程计算:平均故障前时间(平均故障前时间(MTTF)设设 个不可修复的产品在同样条件下进行试验,个不可修复的产品在同样条件下进行试验,测得其全部故障时间为测得其全部故障时间为 。其平均故障前时间。其平均故障前时间(MTTF)为:)为:当产品的寿命服从指数分布时,当产品的寿命服从指数分布时,平均故障间隔时间(MTBF)一一个个可可修修产产品品在在使使用用过过程程中中发发生生了了 次次故故障障,每每次次故故障障修修复复后后又又重重新新投投入入使使用用,测测得得其其每每次次工工作作
11、持持续续时时间间为为 。其平均故障间隔时间。其平均故障间隔时间MTBF为:为:贮存寿命贮存寿命 产产品品在在规规定定条条件件下下贮贮存存时时,仍仍能能满满足足规规定定质质量量要要求求的时间长度。的时间长度。产产品品出出厂厂后后,即即使使不不工工作作,在在规规定定的的条条件件下下贮贮存存,产产品品也也有有一一个个非非工工作作状状态态的的偶偶然然故故障障率率,非非工工作作的的偶偶然然故故障障率率比比工工作作故故障障率率小小得得多多,但但贮贮存存产产品品的的可可靠靠性性也也是是在在不不断断下下降降的的。因因此此,贮贮存存寿寿命命是是产产品品贮贮存存可可靠靠性性的的一一种度量参数。种度量参数。维修性定
12、义:产品在拟定的条件下和规定的时间内,按规定的程序和方法进行维修时,保持或恢复到规定状态的能力。概率表示为维修度Mv关注焦点:维修简便、快速、经济v维修性是对可靠性的重要补充v维修性是产品固有属性、是设计出来的v维修是一种活动,产品故障后为恢复其性能的活动2.维修性维修的种类维修的种类v预防化维修:通过系统维修检查、检测和消除产品的故障征兆,使其保持在规定状态进行的全部活动。包括预先维修,定时维修,视情维修和故障检查等v修复性维修:产品发生故障后,使其恢复到规定状态进行的全部活动。它可以包括下述一个或多个步骤:故障定位,故障隔离,分解、更换、组装、调校及检测等,也称修理。维修性定性定管要求维修
13、性定性定管要求定性要求:定性要求:v 良好可达性v 高的标准化和互换性v 完善的防差错措施及识别标识v 良好的测试性v 保障维修安全v 符合维修的人工程要求定量要求定量要求v 平均修复时间MTTRv 最大维修时间M maxct 给定维修度的最大维修时间M一般0.9-0.95 M maxct约等于2-3MTTRv 修复时间中值M ct M(t)=0.5的维修时间 又叫中位修复时间 可用性:可用性:产品在任意时刻需要和开始执行任务时,处于可工作或可使用的程度。概率度量为可用度v 开则能动,召之即来v 固有可用度Ai:仅与工作时间和修复性时间有关的一种可用性。是设计特性 MTBF Ai=MTBF+M
14、TTR3.可用性v 可达可用性:可达可用性:仅与工作时间和修复性和预防化维修时间有关 MTBMA Aa=_ MTBMA+MMT MMBMA-MMBMA-平均维修活动间隔时间平均维修活动间隔时间 MMT-MMT-平均维修时间平均维修时间v使用可用性:使用可用性:与能工作时间和不能工作时间有关的一种可用性 MTBMAAo=_ MTBMA+MDTMDT-MDT-平均停机时间平均停机时间 系统效能:系统在规定条件和规定时间内满足一组特定任务要求和程度。E=A D Cv人的效能=健康可干(A)*干而无病(D)*能力(C)v系统效能=召之即来*来之能战*战之能胜4.系统效能 测试性:产品能及时并准确地确定
15、其状态(可工作、不可工作或性能下降)并隔离其内部故障的能力。故障检测率:产品在规定时间内,在规定的条件下,用规定的方法能够准确检测出的故障数(No)与所发生故障总数(Nt)之比:rFD=No/Nt*100%5.测试性v故障隔离率:rFI:用规定的方法将检测到的故障正确隔离到不大于规定模糊度的故障数CNl与检测到故障总数Nd rFI=-*100%NlNdv虚警率:在规定的时间内发生的虚警率数(NFA)与同一时期内故障总数NF之比 rFA=_*100%NF+NFA NFA 系统产品的设计特性和计划的保障资源满足平时和战时使用要求的能力称为保障性。保障性也是产品的一种重要的固有属性。它包含两方面含义
16、,即与产品保障有关的设计特性和保障资源的充足和适用程度。6.保障性 设计特性是指与保障有关的设计特性,如与可靠性和维修性有关的,以及保障资源要求产品所具有的设计特性。这些设计特性可以通过设计直接影响产品的硬件和软件。如使设计的产品便于操作、检测、维修、装卸、运输、消耗品(油、水、气、弹)补给等设计特性。从保障性角度看,良好的保障设计特性是使产品具有可保障特性或者说所设计的产品是可保障的。保障资源是保证产品完成平时和战时使用的人力和物力。从保障性的角度看,充足的并与产品匹配完善的保障资源说明产品是能得到保障的。产品具有可保障的特性和能保障的特性才是具有完整保障性的产品。二、可靠性建模二、可靠性建
17、模2.1、目的 -用于可靠性定量分配、预计和评价2.2、可靠性模型v可靠性框图模型v可靠性数字模型2.32.3串联系统可靠性模型串联系统可靠性模型串联系统:系统的所有组成单元中任一单元的故障都会导致整个系统的故障可靠性框图:可靠性数学模型:若单元的寿命分布为指数分布,则:1n22.42.4串联系统可靠性模型串联系统可靠性模型 若每个单元工作时间与系统时间相同,且单元也服从指数分布,则系统平均故障间隔时间MTBF 若由10个都等于0.9的单元组成串联系统,则s=0.348v并联系统:组成系统的所有子系统都发生失效系统才发生故障v框图:v可靠性数学模型12n并联系统框图并联系统框图当系统各单元的寿
18、命分布为指数分布时,对n个相同单元的并联系统,有:2.52.5工程应用要点工程应用要点系统越复杂,产品可靠性越底因此简化设计是提高产品可靠性最有效的途径采用并联的系统,可靠性明显提高,尤其当n=2时,提高更明显,当并联过多,可靠度提高大为减慢并联系统提高的是任务可靠性,但并联会使产品变得复杂,而产品基本可靠性会降低,同时并联会使体积、重量、成本增加因此,是否采用并联要综合权衡一般在涉及安全性和关键任务可靠性要求时采用三、可靠性预计三、可靠性预计3.13.1目的目的v大致估计整机可能的可靠性v发现潜在薄弱环节3.23.2可靠性预计可靠性预计-方法方法1 1方法方法v元器件计数法vNi 第 i 种
19、元器件数量vb 第 i 种元器件基本失效率(1/h)vQ 第 i 种元器件通用质量系数vn 整机所用元器件的种类数3.3 3.3 可靠性预计可靠性预计-方法方法2 2v应力分析法:如普通二极管工作失效率预计模型vp=b EQAC RS2vp 工作失效率vb 基本失效率vE 环境系数vQ 质量系数:考虑不同组件的质量水平vA 应用系数:考虑对电路功能影响vC 结构系数:考虑封装影响v R 额定功率或电流系数,与最大功率或电流额定值之比vS2 电压应力系数3.4可靠性预计-方法3,4v方法方法 相似产品预计法v方法方法 专家评分法3.53.5可靠性预计工程要点可靠性预计工程要点1.预计的绝对值意义
20、不大不同方案间预计的相对值更有意义,可比较方案的可靠性好坏2.预计时,一定要找出值相对较高的组件,并对其采取措施加以预防3.预计值必须大于规定的可靠性要求4.系统可靠性预计时要注意各单元的运行比影响5.任务可靠性模型只能用于任务可靠性预计,不能用于基本可靠性预计6.基本可靠性预计是基于全串联系统的可靠性预计7.预计应与功能设计同步进行,功能设计改变,必须再次进行预计四、可靠性分配四、可靠性分配4.14.1可靠性分配目的可靠性分配目的v将整机可靠性要求分配到各组成单元v明确设计时对各组成单元控制的重点4.24.2可靠性分配方法可靠性分配方法 评分分配法:由专家根据各组成单元影响可靠性的各种因素的
21、水平进行打分,通过计算加以分配因素复杂程度。最复杂10分,最简单分因素技术成熟度。最不成熟10分,最成熟分因素工作时间。最长10分,最短分因素环境条件。最恶劣10分,最不恶劣分设整机可靠性指标MTBF,则整机故障率s为:第i个单元的故障率为i,则:iCi s Ci=wi/ww整机评分数wi第i个单元评分数rij 第i个单元第j个因素评分数 评分分配法步骤:v确定待分配的可靠性指标,确定评分因素v聘请尽可能多的熟悉产品的有经验的专家,至少名义上v设计人员向专家介绍产品v个专家独立评分v经评分处理,给出各组成单元的指标单元名单元名称称复杂复杂程度程度r ri1i1技术技术水平水平r ri2i2工作
22、工作时间时间r ri3i3环境因环境因素素r ri4i4各单元评各单元评分数分数r ri5i5各单元评各单元评分系数分系数C Ci i分配的分配的故障率故障率A A8 84 410104 4128012800.440.44B B8 81 110108 86406400.220.22C C3 32 28 84 41921920.0660.066D D5 52 210108 88008000.270.27总计总计291229124.3 4.3 可靠性分配工程应用要点可靠性分配工程应用要点v用于可靠性分配的整机可靠性指标应大于规定的值,留有余量,充分考虑没有列入考虑的因素和其它的系统组成单元v通过各
23、单元的专家评分,如简化设计,促进技术的成熟,采取措施减轻环境的影响等v对评分高的单元采取有针对性的控制措施五、潜在故障模式影响分析五、潜在故障模式影响分析(FMEAFMEA)和故障树分析()和故障树分析(FTAFTA)FMEA可以描述为一组系统化的活动,其目的是:(a)发现和评价产品/过程中的潜在的失效及其失效后果;(b)找到能够避免或减少这些潜在失效发生的措施;(c)将上述整个过程文件化。FMEA FMEA是对设计过程的更完善化,以明确必须做什是对设计过程的更完善化,以明确必须做什么样的设计和过程才能满足顾客的需要。所有的么样的设计和过程才能满足顾客的需要。所有的FMEAFMEA的重的重点在
24、于设计,无论是用在设计产品或工艺制造过程。点在于设计,无论是用在设计产品或工艺制造过程。适时性是成功实施FMEA的最重要因素之一,它是一个事发前的行为,而不是“后见之明”的行动。为了达到最佳效果。FMEA必须在设计或过程失效模式被无意纳入产品或过程之前进行。事前花时间适当完成FMEA能够更容易低成本地对产品/过程进行修改,从而减轻事后修改的危机。FMEA小组应有充分的沟通和整合。FMEA是国际上公认的有效的可靠性设计分析技术,在工程实际中得到广泛应用。目前典型的FMEA方法有两种:一种是美国军标MIL-STD-1629和我国军标GJB1391/z故障模式、影响与危害度分析;另一种是美国QS-9
25、000潜在失效模式及影响分析。前一种方法在全国质量专业技术人员职业资格考试用书(中级)已有介绍。下面仅对QS-9000的FMEA作简要说明,在QS-9000中,把FMEA分为设计的FMEA(简称DFMEA)和过程工艺的FMEA(简称PFMEA)。下面仅对设计的FMEA作介绍。设计FMEA主要是负责设计的工程师/小组采用的一种分析技术,用于保证在可能范围内已充分考虑到,并指明各种潜在的失效模式及其相关的起因/机理。应评估最终产品以及每个与之相关的系统、子系统和零部件。FMEA以其严密的形式总结了设计一个零部件、子系统或系统时,一个工程师和设计小组的设计思想(包括:根据以往的经验和教训,对可能出现
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