1、1制造系統與質量工程研究所西安交通大學2五、面向質量的設計可靠性設計最早的可靠性定義是由美國AGREE在1957年的報告中提出。1966年美國的MILSTD-721B又較正規的給出了傳統的或經典的可靠性定義：“產品在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的能力”。3五、面向質量的設計可靠性設計產品的可靠性一般可分為固有可靠性和使用可靠性。產品固有可靠性是產品在設計、制造中賦予的，是產品的一種固有特性，也是產品的開發者可以控制的；產品使用可靠性則是產品在實際使用過程中表現出的一種性能的保持能力的特性，它除了考慮固有可靠性的影響因素之外，還要考慮產品安裝、操作使用和維修保障等方面因素的影響。4五、

2、面向質量的設計可靠性設計系統的失效規律早期失效期。發生在產品使用的初期，特別是“磨合”階段。其特點是故障發生概率大，但失效率隨時間的增加而迅速下降。故障發生的原因是產品內部存在缺陷和工藝質量欠佳。設計的主要任務是找出原因，采取措施，使失效率盡快穩定下來。5五、面向質量的設計可靠性設計系統的失效規律偶然失效期是產品的正常工作時期，此時產品的失效是隨機的，失效率基本是一常數。這一階段的失效是不能預測的，事前更換元件也是無效的。6五、面向質量的設計可靠性設計系統的失效規律耗損失效期。耗損失效是由于系統老化、疲勞、耗損所造成的失效，出現在系統工作的后期，表現為失效率迅速上升，直至報廢。改善損耗失效的方

3、法在于不斷提高零部件的使用壽命，或及時更換即將失效的零部件，從而延長產品的使用壽命。7五、面向質量的設計可靠性設計系統可靠性設計目的就是在綜合考慮產品的性能、可靠性、費用和時間等因素的基礎上，通過采用相應的可靠性設計技術，使產品在壽命周期內符合所規定的可靠性要求。系統可靠性設計往往是從設計系統的可靠性邏輯框圖入手，建立組成系統的各單元間的可靠性數學模型，然后進行系統可靠性預測或通過可靠性分配確定每個功能單元的可靠性指標。在此過程中揭示系統的薄弱環節，運用可靠性設計技術提高系統的可靠性指標，保證系統的固有可靠性達到設計要求。8五、面向質量的設計可靠性設計系統可靠性主要特征量不可維修（失效后無法修

4、復或不修復，僅進行更換）產品可靠度、不可靠度、失效率、失效概率密度、平均壽命和可靠壽命可維修（發生故障后經修理或更換零件即恢復功能）產品維修度、維修率、維修密度、平均維修時間和可用度等。9五、面向質量的設計可靠性設計可靠度與不可靠度通常用R表示可靠度R(t)稱為可靠度函數，它表示在規定的使用條件下和規定的時間內，無故障地完成規定功能而工作的產品占全部工作產品的百分比，故其取值范圍為0，1。R(t)可靠度可以描述為產品正常工作時間的概率分布)()(tTPEptR t010五、面向質量的設計可靠性設計可靠度與不可靠度對于不可修復的產品，可靠度的觀測值是指直到規定的時間，能完成規定功能的產品數與在該

5、區間開始時刻投入工作的產品數之比。 N為開始時刻投入工作產品數；Ns(t)為到t時刻完成規定功能產品數；Nf(t)為到t時刻未完成規定功能產品數NtNNtNtRfs)(1)()(11五、面向質量的設計可靠性設計可靠度與不可靠度不可靠度F ，表示產品在規定的條件下和規定的時間內不能完成規定功能的概率，因此又稱為累積失效概率。累積失效概率F也是時間t的函數，故又稱為累積失效概率密度函數或不可靠度函數，記為F(t)。1)()(tFtR)()(1)(tTPtRtF12五、面向質量的設計可靠性設計失效概率密度函數失效概率密度函數f(t)是累積失效概率F(t)的導數ttRttFtfd)(dd)(d)( t

6、0 d)()(ttftF t t0 d)(d)(1)(1)(ttfttftFtR13五、面向質量的設計可靠性設計失效率失效率（又稱故障率，瞬時故障率）是指工作到某時刻t時尚未失效（發生故障）的產品，在該時刻t以后的下一個單位時間內發生失效（故障）的概率，其觀測值為“在某時刻t以后的下一個單位時間內失效的產品數與工作到該時刻尚未失效的產品數之比”。14五、面向質量的設計可靠性設計平均壽命產品的壽命則是產品無故障工作時間，而平均壽命則是產品壽命的平均值。對于不可修復產品，其壽命是指它失效前的工作時間。平均壽命就是指該產品從開始使用到失效前的工作時間（或工作次數）的平均值，或稱為失效前平均時間，記為

7、MTTF（Mean Time To Failure）NiitN11MTTFN為測試產品總數；ti為第i個產品失效前的工作時間15五、面向質量的設計可靠性設計平均壽命對于可修復產品，其壽命是指相鄰兩次故障間的工作時間，則其平均壽命即為平均無故障工作時間或稱為平均故障間隔，記為MTBF（Mean Time Between Failures）NinjijNiiitn1111MTBFN為測試的產品總數；ni為第i個測試產品的故障數；tij為第i個產品從第j-1次故障到第j次故障的工作時間。16五、面向質量的設計可靠性設計產品可靠性指標之間的關系17五、面向質量的設計可靠性設計常用失效分布函數指數分布。

8、在可靠性理論中，指數分布是最基本、最常用的分布類型指數分布有一個重要特性，即產品工作了t0時間后，它再工作t小時的可靠度與已工作過的時間t0無關，而只與時間t長短有關。18五、面向質量的設計可靠性設計常用失效分布函數正態分布。正態分布常用于描述材料的強度、疲勞和機器的磨損等。由概率論知，只要某個隨機變量由大量相互獨立、微小的隨機因素的總和所構成，而且每一個隨機因素對總和的影響都很微小，那么，就可斷定這個隨機變量近似服從正態分布。19五、面向質量的設計可靠性設計常用失效分布函數對數正態分布。對數正態分布用于由裂痕擴展而引起的失效分布，如疲勞、腐蝕失效等。此外，也用于恒應力加速壽命試驗后對樣品失效

9、時間進行的統計分析。20五、面向質量的設計可靠性設計常用失效分布函數威布爾分布。威布爾分布在可靠性理論中是適用范圍鉸廣的一種分布，當它的參數不同時，可以蛻化為指數分布、瑞利分布或正態分布。實踐表明，金屬材料的疲勞壽命都服從威布爾分布。21五、面向質量的設計可靠性設計系統可靠性模型的建立系統的可靠性模型是指系統的可靠性結構模型（也稱為可靠性框圖）及其數學模型。它是從可靠性角度表示系統各單元、元件之間的邏輯關系的“概念”模型。通常將可靠性分為基本可靠性與任務可靠性。基本可靠性定義為產品在規定的條件下無故障的工作時間或概率?；究煽啃阅Ｐ陀脕砉烙嫯a品及其組成單元所需要的維修及保障要求。任務可靠性則定

10、義為產品在規定的任務內，完成規定功能的能力。任務可靠性模型則是用來估計產品在執行任務過程中完成規定功能的概率，描述完成任務過程中產品各單元的預定作用，用以度量工作有效性的一種模型。22五、面向質量的設計可靠性設計系統可靠性框圖對于復雜產品的一個或一個以上的功能模式，用方框表示的各組成都分的故障或它們的組合如何導致產品故障的邏輯圖，稱為可靠性框圖（Reliability Block Diagram，RBD）系統的工程結構圖是表示組成系統的單元之間的物理關系和工作關系，而可靠性框圖則是表示系統的功能與組成系統的單元之間的可靠性功能關系?？煽啃钥驁D與工程結構圖并不完全等價。23五、面向質量的設計可靠

11、性設計典型系統可靠性模型典型系統的可靠性模型有串聯系統、并聯系統、串并混合系統、表決系統及復雜系統等多種類型。串聯系統是指系統中只要有一個單元失效就會導致整個系統失效的系統，或者說只有當系統中所有單元都正常工作時，系統才能正常工作的系統。獨立串聯系統的可靠度等于各單元可靠度的乘積，系統的失效率等于各單元失效率之和。串聯系統的單元越多，系統購可靠性就越低24五、面向質量的設計可靠性設計典型系統可靠性模型并聯系統。對于n個相互獨立的單元組成的并聯系統中，只要有一個單元正常工作，系統就能正常運行；反之，只有當系統的n個單元全部失效，系統才失效。并聯系統的不可靠度等于各單元不可靠度的連乘積。25五、面

12、向質量的設計可靠性設計典型系統可靠性模型串并聯系統由于串并聯模型中具有功能冗余單元，因此其系統可靠性比單純串聯系統可靠性高，但其系統成本也較高。26五、面向質量的設計可靠性設計典型系統可靠性模型并串聯系統并串聯系統的可靠性高于任一子系統的可靠性，其原因是使用了功能冗余單元。27五、面向質量的設計可靠性設計典型系統可靠性模型表決系統。在組成系統的n個單元中，如果至少有k個單元失效，則系統失效，這樣的系統稱為表決系統或k/n系統。當k=1時，得到串聯模型：而當k=n時，得到并聯模型。28五、面向質量的設計可靠性設計29五、面向質量的設計可靠性設計系統可靠性預計系統可靠性預計是為了估計產品在給定工作

13、條件下的可靠性而進行的工作，它運用以往的工程經驗、故障數據、當前的技術水平，尤其是以元器件、零部件的失效率為依據，預報產品（零部件、子系統或系統）實際可能達到的可靠度。這是一個由局部到整體、由小到大、由下到上的過程，是一個綜合的過程。30五、面向質量的設計可靠性設計系統可靠性預計系統的可靠性預計，通常分為早期預計和后期預計。早期預計用于方案論證等初始設計階段，有元件計數法、上下限法、相似設備法、相似功能法等；后期預計用于具體設計階段，有數學模型法、應力分析法、布爾真值法、蒙特卡洛法等。31五、面向質量的設計可靠性設計系統可靠性預計數學模型法就是根據組成系統的各單元間的可靠性數學模型，按概率運算

14、法則，預測系統的可靠度的方法，它是一種經典的方法。性能參數法。該方法的特點是統計了大量相似系統的性能參數與可靠性的關系，在此基礎上進行回歸分析，得出一些經驗公式及系數，以便在方案論證及初步設計階段，能根據初步確定的系統性能及結構參數預計系統可靠性。相似產品類比論證法。其基本思想是根據仿制或改型的類似國內和國外產品已知的失效率，分析兩者在組成結構、使用環境、原材料、元器件水平、制造工藝水平等方面的差異，通過專家評分給出各修正系數，綜合權衡后得出一個失效率綜合修正因子32五、面向質量的設計可靠性設計系統可靠性分配系統可靠性指標分配是在要求時間、有限的性能和成本等條件下，根據產品的可靠性指標，制訂出

15、組成該產品的元器件、零部件、組件、部件的可靠性指標的工作過程，即將產品可靠性質量要求分配到規定的產品層次，從而將整個系統的可靠性要求轉換為每一個分系統或單元的可靠性要求，使之協調一致。33五、面向質量的設計可靠性設計系統可靠性分配原則對于復雜度高的分系統、設備等，應分配較低的可靠性指標對于技術上不成熟的產品，分配較低的可靠性指標對于處于惡劣環境條件下工作的產品，應分配較低的可靠性指標對于需要長期工作的產品，分配較低的可靠性指標對于重要度高的產品，應分配較高的可靠性指標34五、面向質量的設計可靠性設計無約束條件的系統可靠性分配方法AGREE分配法。該方法是以分系統、單元對系統的重要性和分系統、單

16、元的相對復雜性為基礎來進行可靠性指標分配的。所謂重要度是指某個單元發生故障時對系統可靠性的影響程度所謂復雜度是指某個單元的元器件數與系統總元器件數之比35五、面向質量的設計可靠性設計無約束條件的系統可靠性分配方法評分分配法。當缺乏有關產品的可靠性數據時，可按照幾種因素進行評分，這種評分可以由有經驗的工程師用投票的方法給出。系統可靠性的再分配法。所設計的系統不能滿足規定的可靠度指標的要求，那么就需要進一步改進原設計以提高其可靠度，也就是要對各分系統的可靠性指標進行再分配。可靠度的再分配就是用來解決這個問題的。“可靠度再分配法”的基本思想是：把原來可靠性較低的分系統的可靠度全部提高到某個值，而對原

17、來可靠度較高的分系統的可靠度仍保持不變。36五、面向質量的設計可靠性設計（1）系統可靠性分配應在研制階段早期即開始進行，這樣可以使設計人員盡早明確其設計要求，研究實現這個要求的可能性；同時為外購件及外協件提出可靠性指標提供初步依據以及根據所分配的可靠性要求估算所需人力和資源等管理信息。（2）系統可靠性分配應反復多次進行。在方案論證和初步設計工作中，分配是較粗略的，經粗略分析后，應與經驗數據進行比較、權衡；也可和不依賴于最初分配的可靠性預計結果相比較，來確定分配的合理性，并根據需要重新進行分配；隨著設計工作的不斷深入，可靠性模型逐步細化，可靠性分配亦須隨之反復進行。（3）為了盡量減少可靠性分配的

18、反復次數，在規定的可靠性指標的基礎上，可考慮留出一定的余量。這種做法為在設計過程中增加新的功能元件留下了考慮的余地，因而可以避免為適應附加的設計而必須進行的反復分配。（4）可靠性分配的主要目的是使各級設計人員明確其可靠性設計目標，因此，必須按成熟期規定值（或目標值）進行分配。37五、面向質量的設計故障模式影響分析故障模式及影響分析故障模式及影響分析（Failure Mode Effect Analysis，FMEA），是在產品設計過程中，通過對產品各組成單元潛在的各種故障模式及其對產品功能的影響進行分析，并把每一個潛在故障模式按它的嚴酷程度予以分類，提出可以采取的預防改進措施，以提高產品可靠性

19、的一種設計分析方法。38五、面向質量的設計故障模式影響分析故障模式影響分析（1）能幫助設計者和決策者從各種方案中選擇滿足可靠性要求的最佳方案；（2）保證所有元器件的各種故障模式及影響都經過周密考慮；（3）能找出對系統故障有重大影響的元器件和故障模式并分析其影響程度；（4）有助于在設計審議中對有關措施（如冗余措施）、檢測設備等做出客觀的評價；（5）能為進一步定量分析提供基礎；（6）能為進一步更改產品設計提供資料。39五、面向質量的設計故障模式影響分析故障模式及影響分析FMEA有兩種基本方法：（1）硬件法根據產品的功能對每個故障模式進行評價，并對可能發生的故障模式及其影響進行分析。當產品可按設計圖

20、紙及其他工程設計資料明確確定時，一般采用硬件法。（2）功能法認為每個產品可以完成若干功能，而功能可以按輸出分類。當產品構成不能明確確定時（如在產品研制初期，各個部件的設計上未完成，得不到詳細的部件清單、產品原理圖及產品裝配圖），或當產品的復雜程度要求從自上而下分析時，一般采用功能法。40五、面向質量的設計故障模式影響分析故障模式及影響分析典型的FMEA表：41五、面向質量的設計故障模式影響分析FMEA的列表分析法步驟：（1）明確系統組成、任務、功能、工作過程和各種工作方法及其使用環境；明確系統可能失效的全部故障（失效）模式，并對系統故障（失效）進行分類、分級。（2）畫出可靠性結構框圖。這種框圖

21、自系統、子系統一直往下面，逐級細分。（3）列出所有元器件、零部件的各種失效形式（模式）。（4）填寫失效模式影響分析表。42五、面向質量的設計故障模式影響分析設計FMEA設計FMEA是在最初生產階段之前，確定產品潛在的或已知的故障模式。設計FMEA關注的是由于設計缺陷產生的故障模式。設計FMEA通常通過部件、分系統、系統等一系列步驟來完成。設計FMEA是一種動態的演繹過程，應用各種方法和技術來產生有效的設計輸出，其結果將作為過程或組件以及服務FMEA的輸入。關心的問題：盡量降低設計故障影響目的：盡量提高設計質量、可靠性、價值和維修性43五、面向質量的設計故障模式影響分析44五、面向質量的設計故障

22、模式影響分析45五、面向質量的設計故障模式影響分析過程FMEA在生產和組裝的過程中進行分析。過程FMEA關注的是由于生產或者組裝缺陷而產生的故障模式。過程FMEA通常通過人、機料、法、環考慮一系列步驟來完成。關心的問題：在所有過程中，使過程故障的數量達到最小。目的：盡量提高過程質量、可靠性、價值、維修性和生產效率。46五、面向質量的設計故障模式影響分析47五、面向質量的設計故障模式影響分析過程FMEA系統FMEA的故障模式為設計FMEA和過程FMEA提供了所有的基本信息。系統FMEA的故障原因會轉變為設計FMEA的故障模式，而設計FMEA中的故障模式相應的故障原因最終轉變為過程FMEA中的故障

23、模式48五、面向質量的設計故障模式影響分析過程FMEA在過程FMEA中，通常需要迭代確定原因49五、面向質量的設計故障模式影響分析危害性分析危害性分析（Critically Analysis，以下簡稱CA）是按每一故障模式的嚴酷度類別及故障模式的發生概率所產生的影響對其劃等分類，以便全面地評價各種可能的故障模式的影響。危害性分析有定性分析和定量分析兩種方法。定性分析是繪制危害性矩陣；定量分析是計算故障模式危害度Cm和產品危害度Cr，并填寫危害性分析表。50五、面向質量的設計故障模式影響分析危害性分析定性分析方法。在得不到產品技術狀態數據或故障率數據的情況下，可以按故障模式發生的概率來評價FME

24、A中確定的故障模式，將各故障模式的發生概率按規定分成不同的等級。所謂危害性矩陣，就是橫坐標為嚴酷度類別，縱坐標為故障模式發生概率等級或危害度的矩陣圖。通過繪制危害性矩陣，可以確定和比較每一種故障模式的危害程度，進而為確定改進措施的先后順序提供依據。定量分析方法。在具備產品的技術狀態數據和故障數據的情況下，采用定量的方法，可以得到更為有效的分析結果。51五、面向質量的設計故障模式影響分析危害性分析危害性分析表tCjjpmjnjjjpnjmjrtCC1152五、面向質量的設計故障模式影響分析FMEA和QFD關系QFD和FMEA有很多相同點，它們的目標都在于持續的改進，它們關注的焦點都在于消除故障；它們都是為了提高用戶的滿意程度而努力。QFD必須在FMEA之前進行，FMEA則在QFD工作輸出基礎上展開。53五、面向質量的設計故障模式影響分析故障樹分析(FTA)故障樹分析是19