可靠性工程师手册（第二版） 笔记一

书籍： 可靠性工程师注册考试指定教材

第1章

1.1 可靠性工程的发展及其重要性

1.2 产品质量与可靠性关系

1.3 可靠性工程

1.4 可靠性定义及分类

1.5  故障（失效）及分类

故障模式是指故障的表现形式，如短路、开路、断裂、过度耗损、漏油等。故障机理是指引起故障的物理的、化学的和生物的或其他的过程，如轴的断裂是材料强度的物理特性不够所导致的。故障原因是指引起故障的设计、制造、使用和维修等有关的因素。

故障的分类有多种，不同的分类就是要从不同的方面来揭示故障的不同侧面的规律，以便为预防故障、发现故障、分析故障、纠正故障和评价产品可靠性提供支持。

单点故障是指会引起系统故障，而且没有冗余或替代的操作程序作为补救的产品故障。例如，一旦发动机发生故障，汽车就不能行驶了，因为它没有冗余，这就是单点故障，而飞机发动机有冗余，发生故障时就不能称为单点故障。这样说只是为了理解单点故障的含义，而绝不是说飞机发动机的可靠性不重要。

间歇故障是指产品发生故障后，不经修理而在有限时间内或适当条件下能够自行恢复功能的故障。

渐变故障是指产品性能随时间的推移逐渐变化而产生的故障。这种故障一般可以通过事前的检测或监控来预测，有时可通过预防性维修加以避免。机械产品的渐变故障有很多种，如磨损故障、腐蚀故障、疲劳断裂等。

独立故障与从属故障：独立故障是指不是由于另一产品故障引起的故障，亦称原发故障。从属故障是指由于另一产品故障引起的故障，亦称诱发故障。例如，自行车车轮的辐条断了是独立故障，而车轮因辐条断了而产生车圈变形，则车圈故障是从属故障。

系统性故障与偶然故障：系统性故障是指由某一固有因素引起、以特定形式出现的故障。它只能通过修改设计、制造工艺、操作程序或其他关联因素来消除。偶然故障是指产品由于偶然因素引起的故障，只能通过概率或统计方法来预测。

早期故障和耗损故障：早期故障是指产品在寿命的早期由于设计、制造、装配的缺陷等原因发生的故障，其故障率随着寿命单位数的增加而降低。耗损故障是指产品由于疲劳、磨损、老化等原因引起的故障，其故障率随寿命单位数的增加而增加。

关联故障与非关联故障：非关联故障是指已经证实未按规定条件使用而引起的故障，或已经证实仅属某项将不采用的设计所引起的故障，否则即称为关联故障。关联故障在可靠性试验与评价中经常用到，即关联故障才能作为评价产品可靠性的故障数。

责任故障与非责任故障：非责任故障是指非关联故障或事先已经规定不属于某个特定组织提供的产品的故障，否则称为责任故障。

灾难故障与严重故障：灾难故障是指导致人员伤亡、系统毁坏、重大财产损失的故障，亦称灾难性故障。严重故障是指导致产品不能完成规定任务使命的故障，亦称致命性故障。

1.6 可靠性和产品性能

1.7 可靠度、累计故障和故障密度分布函数

产品可靠度R(t)是产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率，

定义为R(t) = P(T > t)

其中T为产品发生故障的时间，t为规定时间。

累积故障分布函数F(t)是产品在规定条件下和规定时间内不能完成规定功能的概率，即不可靠度。

F(t) = P(T ≤ t)

由于可靠度和不可靠度是互补事件

所以R(t) + F(t) =1。

故障密度分布函数f(t)是累积故障分布函数F(t)F(t)的导数。它可以看成是在tt时刻后的一个单位时间内发生故障的概率，即

因此，累积故障分布函数F(t)、可靠度函数R(t)和故障密度分布函数f(t)三者之间的关系可表示为图1 – 4。 产品故障密度分布函数可以是指数分布、威布尔分布或对数正态分布等，但最简单的分布是指数分布。在可靠性工程中经常使用分布的概念，指的就是故障密度分布函数f(t)。

1.8 可靠性常用度量参数

1.可靠度

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R(t)表示。若产品的总数为N0,工作到t时刻产品发生故障数为人、r(t),则产品在t时刻的可靠度的观测值为:

例1-1 设t=0,投入工作的10 000只灯泡,以天作为度量时间的单位,在t=365天时,发现有300只灯泡坏了,求这时的工作可靠度。
解:已知No=10 000,r(t)=300,故

2. 故障率
工作到某时刻尚未发生故障(失效)的产品,在该时刻后单位时间内发生故障(失效)的概率,称为产品的故障(失效)率。故障率一般用入(t)表示。

在工程实践中,入(t)一般用下式进行计算:

式中,△r(t)为t时刻后△t时间内发生故障的产品数; △t为所取时间间隔;N,(t)为在t时刻没有发生故障的产品数。

对于低故障率的元器件,常以10-/h作为故障率的单位,称为菲特(Fit)。

当产品的故障服从指数分布时,故障率为常数,此时可靠度为:

例1-2 在上例中,若一年后的一天又有1只灯泡坏了,求故障率。
解:已知△t=1,△r(t)=1,N5(t)=9 700,则

3. 平均失效前时间
平均失效前时间(MTTF)是表示不可修复产品可靠性的一种基本参数。其度量方法为:在规定的条件下和规定的时间内产品寿命单位总数与失效产品总数之比。设No个不可修复的产品在同样条件下进行试验,测得其全部失效时间为t1,t2,…,tN,则其平均失效前时间(MTTF)为:

由于对不可修复的产品,失效时间就是产品的寿命,故MTTF即为产品平均寿命。

例1-3 设有5个不可修复产品进行寿命试验,它们失效的时间分别是1000h,1500h,2000h,2200h,2300h,求该产品的MTTF观测值。
解:MTTF=(1 000+1 500+2 000+2 200+2 300)/5=9 000/5=1 800h

4. 平均故障间隔时间
平均故障间隔时间(MTBF)是表示可修复产品可靠性的一种基本参数。其度量方法为:在规定的条件下和规定的时间内产品的寿命单位总数与故障次数之比。设一个可修复产品在使用过程中发生了N。次故障,每次故障修复后又重新投入使用,测得其每次工作持续时间为t1,t2,…,tn.,则其平均故障间隔时间

式中,T为产品总的工作时间;N0为故障总次数。
对于完全修复产品,因修复后的状态与新产品一样,一个产品发生了N。次故
障相当于No个新产品工作到首次故障。

当产品的寿命服从指数分布时,产品的故障率为常数入,则

例1-4 设某电子产品工作1万小时,共发生故障5次,求该产品的MTBF的观测值。
解:MTBF=10 000/5=2000h
例1-5 若某一产品寿命服从指数分布,其故障率入=0.001/h,求其MTBF

解:MTBF=1/入=1/0.001=1 000h

1.9.  产品故障率浴盆曲线