產品質量的可靠性分析1/8/20241編輯課件前言﹕20世紀60年代﹐從SQC時代進入TQM新時期的質量管理范疇﹒質量保証作為TQM的一環已占居重要的地位﹒而可靠性作為QA活動的一種手段在很多方面得到應用﹒在60年代後期,質量管理面臨著一個消費者主義及產品責任的新的時代動向,為順利地沿著這一方向向前發展,需將可靠性從設計階段全面導向無缺陷產品階段.1/8/20242編輯課件一.可靠性的概念

可靠性有廣義與狹義兩種解釋。廣義的可靠性是產品在其整個壽命期內完成規定功能的能力。這是一種定性的說法﹐它可以包括狹義的可靠性和維修性。而狹義的可靠性是指產品在規定條件下和規定時間內能完成規定功能的概率。1/8/20243編輯課件國家標準?可靠性名詞朮語及其定義?〔GB3187-82〕對可靠性的定議是﹕“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〞。產品喪失規定功能的情況稱作失效﹐對可修復產品通常也稱為故障。一.可靠性的概念

1/8/20244編輯課件如果產品一旦失效﹐由于產品不能修理或不值得修理﹐從而導致此產品不能再修復使用﹐則這種產品稱為不可修復產品。如照明燈管﹐齒輪﹐電容等﹒如果產品一旦失效﹐經過適當修理﹐此產品仍可繼續使用﹐則這種產品稱為可修復產品﹒如煤礦的采礦機﹐支架等﹒一.可靠性的概念

1/8/20245編輯課件二.可靠性的尺度〔一〕可靠性,維修性和有效性1.可靠性產品可靠性指標與性能指標相輔相成地保証了產品的使用要求﹐其特征量一般有可靠度﹐失效率〔或故障率〕平均壽命等。平均壽命通常有平均故障間隔時間和失效前平均工作時間﹐前者適用于可修復產品﹐后者適用于不可修復產品。1/8/20246編輯課件二.可靠性的尺度

〔一〕可靠性,維修性和有效性2.維修性對可修復產品而言﹐產品維修性表示產品可接受維修的能力﹐包括維護和修理兩個方面。維護是日常進行的工作﹐目的是保護產品的可靠性﹔修理是定期或故障后進行的工作﹐目的是恢復產品的性能及可靠性。1/8/20247編輯課件3.有效性產品有效性指產品在任意時刻能保持有效工作的能力。它是產品可靠性與維修性的綜合反映。產品的有效性指標為有效度A(t),是指可修復產品在某特定時刻能維持其功能的概率。設定產品因發生故障而停工的時間為D﹐產品能工作的時間為U﹐則有效度A(t)為U+DUA(t)=二.可靠性的尺度

〔一〕可靠性,維修性和有效性1/8/20248編輯課件二.可靠性的尺度可靠性的特征量1.可靠度R(t)與不可靠度F(t)將一批產品同時投入試驗,則隨時間t的延續,產品將逐一發生故障(或失效).如果發生故障就停止試驗,記錄每個產品發生故障的時間ti,將數據處理一下,可作出故障頻率直方圖.如圖8-1所示.當試驗總數N,時間間隔t0時以上故障頻率直方圖將給出一個光滑的理論外形曲線,稱為故障密度曲線,如圖8-2所示.1/8/20249編輯課件故障密度曲線有指數型,威布爾型,正態型,對數正態型等.圖8-2所示為最常見的威布爾型曲線.由圖可見∫∞f(t)dt=1,代表所有產品都發生故障的概率,即全概率為1.由可靠度R(t)與不可靠度F(t)的定義知R(t)=∫∞f(t)dtF(t)=∫1f(t)dt顯然R(t)+F(t)=1,如圖8-3所示將上述兩積分式還原成微分式,則f(t)與F(t),R(t)的關系為:R(t)與F(t)的變化曲如圖8-4所示.f(t)=dF(t)dt=dR(t)dt二.可靠性的尺度可靠性的特征量1001/8/202410編輯課件可靠性的特征量包括可靠度,故障率,平均壽命等.故障率(也稱瞬時故障率)是指產品工作t時刻後的一個單位時間發生故障的概率,等于產品在t時刻後的一個單位時間(t,t+1)內故障數與在時刻t尚在工作的產品數的比.故障率是標志產品可靠性的常用數量特征之一.故障率越低,則可靠性越高,常用的單位是10-5/小時,即0/00/千小時.對高可靠性的產品有時也用10-9/小時作單位,稱為1個非特(FIT)(即FIT=1/MTBF*103)這里要強調一點﹐因為故障率所表示的是每一時刻t殘存的產品在其后緊接的一個單位時間內的故障數對t時刻的殘存產品數的比﹐因此更直觀地反映了每一時刻的故障情況﹒正因為這樣﹐有人把故障率稱為故障強度或失效強度﹒二.可靠性的尺度可靠性的特征量1/8/202411編輯課件1﹒對于簡單的零件﹐元件﹐器件和材料的故障發生形式﹐其故障率的形態一般為以下圖中之一故障類型1/8/202412編輯課件1﹒第一種形式〔圖8-5a〕﹕故障發生是隨機的﹐故障率入(t)為一常數﹒此種故障率呈指數分布﹐在任何時間的故障發生率都一樣﹐不能預測﹐那么即使更換零件﹐故障仍是按同樣的概率發生﹐事前更換是無效的﹒2﹒第二種形式〔圖8-5b〕﹕故障率入(t)隨時間的增加而減少﹐特點是開始使用時容易發生故障﹐越到后來﹐故障就越不容易發生﹐這可以用于經老化選出優質產品的類型﹒3﹒第三種形式〔圖8-5c〕﹕其f(t)的分布接近于正態分布﹒如果能用數字方法的正態分布表現其壽命形態﹐則故障集中在平均值+/-3?的時間內發生﹒故障類型解讀﹕1/8/202413編輯課件2﹒復雜系統是由多個零件〔元件﹐器件〕構成的設備﹐其故障率的曲線如下圖所示﹒它的形狀近似浴盆﹐稱為“浴盆曲線“﹕故障類型1/8/202414編輯課件(1)平均壽命產品的平均壽命需對可修復產品與不可修復產品分開討論.1.對于可修復產品,平均壽命是指相鄰兩次故障期的工作時間的平均值,即平均故障間隔時間,記為MTBF.2.對于不可修復產品,發生故障即為失效,平均壽命就是指產品失效前的工作時間的平均值,即平均失效前工作時間或耐用時間,記為MTTF.這兩種平均壽命通常用來描述設備或自動化裝置的可靠性.例如:國外工業控制用的小型計算機的MTBF約為10000小時,大中型計算機的MTBF大于或等于1000小時可靠性壽命特性1/8/202415編輯課件由圖8-4可知可靠度R(t)是時間的非增值函數,在t=0時,R=1,隨著t的增加,R(t)逐漸下降.可靠度函數就可以求得任意時間的可靠度;反之,給定一個R(0<=R<=1),也可求得產品可靠度降到R時的工作時間.使可靠度等于給定值R的時間t稱為可靠壽命,記為tR,其中R稱為可靠水平.根據其定義得:R(tR)=R或者用不可靠度F(t)表示則:F(tR)=1-R對于類似產品系統偶發故障期的情況,其故障率為常數λ(t)=λ.則R(tR)=exp(-λ0tR)=R所以tR=-1nR=-2.302lgR(2)可靠壽命λ0

λ0

利用對數表,即可求得指數分布在任意可靠水平下的可靠壽命表8-1是幾種可靠水平以下以平均壽命Θ=為單位的指數分布的可靠壽命1λ0

1/8/202416編輯課件可靠壽命表RtRRtR0.99990.9990.990.90.80.70.60.00010.00100.01000.1050.2230.3570.5110.50.40.30.20.10.050.010.6930.9161.2041.6092.3023.0004.605R=0.5時的可靠壽命t0.5=-In0.5=0.693=0.693Θλ0

λ0

1/8/202417編輯課件R=e-t/u=e-tλ

產品的可靠度的計算:產品的可靠度(R)可用下面的公式計算R=產品可靠度t=在使用和運用期內的故障時間U=平均故障間隔時間(MTBF)λ=U的倒數1/8/202418編輯課件R=e-t/u=e-24/8760=0.99726

例:某產品平均故障間隔時間是一年(8760小時),可能發生使用故障的時間是24小時,那麼這個產品的可靠度是多少?說明該產品有99.726%的可靠度1/8/202419編輯課件產品的可靠度與產品使用平均故障間隔時間存在指數關系,下表是MTBF與可靠度的關系表.在t=1時,不同MTB與可靠度的關系:從表中可以看出,故障時間一定的情況下,MTBF時間越長,產品可靠度越大,Sigma值也越大.二.產品的平均故障間隔時間(MTBF)與可靠度關系表MTBF與可靠度關系表平均故障間隔時間需要的可靠度Sigma100.90483742.81000.99004983.810000.99900054.6100000.99990005.21000000.99999005.810000000.99999906.31/8/202420編輯課件二.系統可靠度的計算(一)串聯系統的可靠度所為串聯系統,是指組成系統的任一要素(元器件)發生故障,整個系統就會發生故障的系統.(二)並聯系統的可靠度構成系統的元器件,除非全部發生故障,整個系統才會出現故障,這種系統為並聯系統.如果產品的模型是串聯的,或者取近似值後可以假設變串聯的,則可以把元器件故障率相加,直接求出的故障率λ產品λ產品.=ΣNi(λGi.πQi)式中Ni-----第i類零件的數量;λGi.-----第i類零件的失效率;πQi-----第i類零件的質量系數;n-------零件類別數.ni=1故障率計算1/8/202421編輯課件MTBFPREDICTIONREPORT

(WithMIL-HDBK-217FPartCountMethod)

Gf表示在地面環境下Section表示章節1/8/202422編輯課件確定最正確包修期

包修期不僅直接影響用戶的收益,而且影響著企業的信譽和經濟效益.因此研究合理的經濟包修期是很重要的.包修期的長短由產品的可靠性及故障率來決定﹒一般電子產品都有平均故障間隔值(MTBF)為其可靠性主要評價指標之一1/8/202423編輯課件

例:某種型號的彩色電視機的MTBF10000小時,即平均10000小時發生一次故障.假定電視機平均每天工作4小時,那麼首次出現故障的時間平均為:10000365*4=MTBF365*4=6.8(年)

即這種彩電的最短包修期可訂為6年,因為在6年之內發生故障的可能性是很小的﹒1/8/202424編輯課件思考:實際訂為6.8年也可,但6年更有保障,從浴盆曲線來看,最正確包修期通常應確定在產品進入故障衰耗期稍前一段的時間上.為什麼最短包修期訂為6年而不訂為6.8年?1/8/202425編輯課件可靠性試驗可靠性試驗是一個總的概念,它統指在系統的設計,製造,運行,維護保養全過程中為確認可靠性而進行的各種試驗.根據試驗目的的不同,可分為壽命試驗,故障率試驗,環境適應試驗,全數檢查試驗,限界試驗,過嚴試驗等.試驗的對象可以是整機,部件及元器件等.可靠性試驗是可靠性工程的最根本環節之一.1.可靠性壽命試驗通常采用的是破壞性壽命試驗.其任務是在規定的條件下,抽取一定數量的樣品做壽命試驗,記錄每個元器件失效時間,進行全部數據的統計分析,求出元器件的可靠性指標,用以評價產品的可靠水平,並進一步分析產品失效的原因,提出提高可靠性的措施.1/8/202426編輯課件可靠性試驗2.環境試驗定義:將產品暴露在自然環境(含現場和天然暴露試驗)或人工模擬環境中,從而對他們實際上遇到的儲存,運輸和使用中條件下的性能作出評價.環境試驗的目的:研究各種環境條件對元器件的影響,如溫度,濕度,振動,沖擊,失重,鹽霧,宇宙線幅射,核幅射,霉菌等等,因此就有相應的環境試驗項目.1/8/202427編輯課件環境試驗1.1環境試驗意義:提供產品設計質量和產品使用質量信息;驗證產品的環境適應性是否滿足合同要求;是產品質量保證的重要試驗手段1.2使用範圍:工業,農業和國防等各行各業,一般用于:產品研究性試驗產品驗收試驗產品定型試驗產品平安性試驗產品檢查試驗產品可靠性試驗1.3產品質量不好,會發生總是嚴重問題舉例:1992.07.31南京機場飛機失事;1996.05包頭地震,測震儀損壞1990年“挑戰者號〞失事;2000.2.12日本“MS〞火箭發射失敗1/8/202428編輯課件1.2環境試驗方法分類1.2.1按環境試驗形式分類現場試驗:在使用現場進行的試驗天然暴露試驗:將樣品長期暴露在天然環境中進行的試驗;人工模擬試驗:將樣品放在人工模擬環境中進行的試驗1.2.2按環境試驗各類分類氣候環境因素:溫度,濕度,氣壓,沙塵,雨,太陽輻射……生物及化學環境因素:長霉,鹽霧,二氧化硫,硫化氫……力學環境試驗“振動,沖擊,踫撞,跌落,搖擺……綜合環境試驗:溫度/濕度/氣壓,溫度/振動,溫度/濕度/振動……組合環境試驗;在一臺試驗箱里能連續進行不同試驗條件的各類環境試驗環境試驗方法1/8/202429編輯課件可靠性試驗3.可靠性篩選試驗可靠性篩選試驗的目的是從一批元器件中選出高可靠性元器件.它並不是提高單人元器件的可靠性,而是提高整批元器件的可靠性.這是對合格產品進行全數檢查,淘汰潛在的早期失效元器件,選出高可靠性元器件以及一般要求的中等可靠性的元器件.可靠性篩選試驗是提高產品可靠性的行之有效的基礎工作.1/8/202430編輯課件可靠性試驗:4.整機的可靠性試驗(1)整機可靠性鑒定試驗.安排于新產品試制成功以後,目的是為了驗證設備設計能否在規定的環境條件下滿足規定性能及可靠性要求.這種試驗是以壽命試驗的方式進行的,最後要求對設備的平均壽命作出定量的鑒定.(2