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可靠性基础知识
2.可靠性物理基本知识和基本概念
2.1可靠性的基本理论知识
2.1.1可靠性的概念
可靠性的概念，可以说，自古以来从人类开始使用工具起就已经存在。
然而可靠性理论作为一门独立的学科出现却是近几十年的事。
可靠性归根结底研究的还是产品的可靠性，而通常所说的“可靠性”指的是“可信赖的”或“可信任的”。
一台仪器设备，当人们要求它工作时，它就能工作，则说它是可靠的；而当人们要求它工作时，它有时工作，有时不工作，则称它是不可靠的。
最早的可靠性定义由美国AGREE在1957年的报告中提出，1966年美国的MIL－STD－721B又较正规地给出了传统的或经典的可靠性定义：
“产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力”。
它为世界各国的标准所引证，我国的GB318－82给出的可靠性定义也与此相同。
[3]赵海波。
这里的产品是泛指的，它可以是一个复杂的系统，也可以是一个零件。
出厂检验合格的产品，在使用寿命期内保持其产品质量指标的数值而不致失效，这就是可靠性问题。
因此，可靠性也是产品的一个质量指标，而且是与时间有关的参量。
只有在引进了可靠性指标后，才能和其它质量指标一起，对产品质量作全面的评定。
所谓产品是指作为单独研究和分别试验对象的任何元件、设备或系统，可以是零件也可以是由它们装配而成的机器，或由许多机器组成的机组和成套设备，甚至还把人的作用也包括在内。
在具体使用“产品”这一词时，其确切含义应加以说明。
例如汽车板簧、汽车发动机、汽车整车等。
从定义可以看出，产品的可靠性是与“规定的条件”分不开的。
这里所讲的规定条件包括产品使用时的应力条件（温度、压力、振动、冲击等载荷条件）、环境条件（地域、气候、介质等）和贮存条件等。
规定的条件不同，产品的可靠性是不同的。
产品的可靠性又与“规定的时间”密切相关。
一般说来，经过零件筛选、整机调试和跑合后，产品的可靠性水平会有一个较长的稳定使用或贮存阶段，以后随着时间的增长其可靠性水平逐渐降低。
产品的可靠性还和“规定的功能”有密切的联系。
一个产品往往具有若干项技术指标。
定义中所说的“规定功能”是指产品若干功能的全体，而不是其中的一部分。
在实际工作中，产品往往由于各种偶然因家而发生故障，如零件的突然失效，应力突然改变，维护或使用不当等。
由于这些原因都具有偶然性，所以对于一个具体产品来说，在规定的条件下和规定的时间内，能否完成规定的功能是无法事先知道的。
也就是说，这是一个随机事件。
但是，大量的随机事件中包含着一定的规律性，偶然事件中包含着必然性。
我们虽然不能知道发生故障的确切时刻，但是可以估计在某时间段内，产品完成规定功能的能力大小。
因此，应用概率论与数理统计方法对产品的可靠性进行定量计算是可靠性理论的基础。
包括下列四要素：
（1）规定条件：
一般指的是使用条件,环境条件。
包括应力温度、湿度、尘砂、腐蚀等，也包括操作技术、维修方法等条件。
对于汽车来说，主要有公路条件、气候条件和行使速度；对于显示器来说，环境条件、供电条件和工作条件，比如：
开机时间比、待机时间比、关机时间比等参数。
（2）规定时间：
是可靠性区别于产品其他质量属性的重要特征，一般也可认为可靠性是产品功能在时间上的稳定程度。
因此以数学形式表示的可靠性各特征量都是时间的函数。
这里的时间概念不限于一般的年、月、日、分、秒，也可以是与时间成比例的次数、距离。
例如应力循环次数、汽车行驶里程。
（3）规定功能：
要明确具体产品的功能是什么，怎样才算是完成规定功能。
产品丧失规定功能称为失效，对可修复产品通常也称为故障。
怎样才算是失效或故障，有时很容易判定，但更多情况则很难判定。
当产品指的是某个螺栓，显然螺栓断裂就是失效；当产品指的是某个设备，对某个零件损坏而该设备仍能完成规定功能就不能算失效或故障，有时虽有某些零件损坏或松脱，但在规定的短时间内可容易地修复也可不算是失效或故障。
若产品指的是某个具有性能指标要求的机器，当性能下降到规定的指标后，虽然仍能继续运转，但已应算是失效或故障。
究竟怎样算是失效或故障，有时要涉及厂商与用户不同看法的协商，有时要涉及当时的技术水平和经济政策等而作出合理的规定。
（4）能力：
只是定性的理解是比较抽象的，为了衡量检验，后面将加以定量描述。
产品的失效或故障均具有偶然性，一个产品在某段时间内的工作情况并不很好地反映该产品可靠性的高低，而应该观察大量该种产品的工作情况并进行合理的处理后才能正确的反映该产品的可靠性，因此对能力的定量需用概率和数理统计的方法
。
2.1.2造成故障的主要原因
下图为造成产品故障的主要原因。
由该图可知，造成故障的的主要原因为设计、制造和管理等因素，其它原因很少。
下图为造成产品故障的因素分布。
该图来自于美国RAC的可靠性数据库，由该图可知元器件故障不再是造成产品故障的主要原因。
2.1.3可靠性术语
可靠性reliability
产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。
维修性maintainability
在规定条件下使用的产品在规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能的能力。
有效性availability可以维修的产品在某时刻具有或维持规定功能的能力。
耐久性durability
产品在规定的使用和维修条件下，达到某种技术或经济指标极限时，完成规定功能的能力。
失效（故障）failure
产品丧失规定的功能。
对可修复产品通常也称故障。
失效模式failuremode
失效的表现形式。
]
失效机理failuremechanism引起失效的物理、化学变化等内在原因。
误用失效misusefailure
不按规定条件使用产品而引起的失效。
本质失效Inherentweaknessfailure
产品在规定的条件下使用，由于产品本身固有的弱点而引起的失效。
早期失效earlyfailure
产品由于设计制造上的缺陷等原因而发生的失效。
偶然失效randomfailure
产品由于偶然因素发生的失效。
耗损失效wearoutfailure
产品由个老化、磨损、损耗、疲劳等原因引起的失效。
维修maintenance
为保持或恢复产品能完成规定功能的能力而采取的技术管理措施。
维护preventlivemaintenance
为防止产品性能退化或降低产品失效的概率，按事前规定的计划或相应技术条件的规定进行的维修，也可称预防性维修。
修理correctivemaintenance
产品失效后，为使产品恢复到能完成规定功能而进行的维修。
可靠度reliability
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。
可靠度的观测值observedreliability
a．对于不可修复的产品，是指直到规定的时间区间终了为止，能完成规定功能的产品数与在该时间区间开始时刻投入工作的产品数之比。
b．对于可修复产品是指一个或多个产品的无故障工作时间达到或超过规定时间的次数与观察时间内无故障工作的总次数之比。
注：
在计算无故障工作总次数时，每个产品的最后一次无故障工作时间若不超过规定的时间则不予计人。
累积失效概率cumulativefailureprobability
产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率，其数值等于一减可靠度。
累积失效概率的观测值observedcumulativefailureprobability
对于不可修复和可修复的产品都等于一减可靠度的观测值。
平均寿命（平均无故障工作时间）meanlife（meantimebetweenfailures）
寿命（无故障工作时间）的平均值。
平均寿命（平均无故障工作时间）的观测值observedmeanlife（observedmeantimebetweenfailures）
a．对于不可修复的产品，当所有试验样品都观察到寿命终了的实际值时，是指它们的算术中均值；当不是所有试验样品都观测到寿命终了的截尾试验时是指受试样品的累积试验时间与失效数之比。
b．对可修复的产品，是指一个或多个产品在它的使用寿命期内的某个观察期间累积工作时间与故障次数之比。
失效率failurerate
工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。
失效率的观测值observedfailurerate
在某时刻后单位时间内失效的产品数与工作到该时刻尚未失效的产品数之比。
平均失效率的观测值observedmeanfailurerate
a．对于不可修复的产品是指在一个规定时期内失效数与累积工作时间之比。
b．对于可修复的产品是指它的使用寿命期内的某个观察期间一个或多个产品的故障发生次数与累积工作时间之比。
维修度maintainability
在规定条件下使用的产品，在规定时间内按照规定的程序和方法进行维修时，保持或恢到能完成规定功能状态的概率。
平均修复时间meanrepairtime
修复时间的平均值。
平均修复时间的观测值observedmeanrepairtime
修复时间的总和与修理次数之比。
修复率repairrate
修理时间已达到某个时刻但尚未修复的产品，在该时刻后的单位时间内完成修理的概率。
平均修复率的观测值observedmeanrepairtime
在某观察期内完成修理的概率。
维修度maintainability
在规定条件下使用的产品，在规定时间内按照规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能状态的概率。
平均修复时间meanrepairtime
修复时间的平均值。
平均修复时间的观测值observedmeanrepairtime
修复时间的总和与修理次数之比。
修复率repairrate
修理时间已达到某个时刻但尚未修复的产品，在该时刻后的单位时间内完成修理的概率。
平均修复率的观测值observedmeanrepairtime
在某观察期内完成修理的概率。
耐久性试验endurancetest
为考察产品的性能与所加的应力条件的影响关系而在一定时间内所进行的试验。
寿命试验lifetest
为评价分析产品的寿命特征量而进行的试验。
可靠性验证试验reliabilitycompliancetest
为确定产品的可靠性特征量是否达到所要求的水中而进行的试验。
可靠性测定试验reliabilitydeterminationtest
为确定产品的可靠性特征量的数值而进行的试验。
实验室可靠性试验laboratoryreliabilitytest
在规定的可控条件下进行的可靠性验证或测定试验。
试验条件可以模拟现场条件，也可与现场条件不同。
现场可靠性试验fieldreliabilitytest
在现场使用条件下进行的可靠性验证或测定试验。
筛选试验screeningtest
为选择具有一定特性的产品或剔除早期失效而进行的试验。
恒定应力试验constantstresstest
应力保持不变的试验。
步进应力试验stepstresstest
随时间分阶段逐步增大应力的试验。
序进应力试验progressivestresstest
随时间等速增大应力的试验。
加速试验acceleratedtest
为缩短试验时间，在不改变失效机理的条件下，用加大应力的方法进行的试验。
冗余redundancy
产品所包含的为完成规定功能所必不可少的组成部分元件的成分（包括硬件或软件）。
当冗余为硬件时也称贮备。
串联series
组成系统的所有单元中任一单元的失效就会导致整个系统失效的逻辑关系。
串联系统seriessystem
组成系统的所有单元中任一单元的失效就会导致整个系统失效的系统。
并联parallel
组成系统的所有单元都失效时才失效的逻辑关系。
并联系统parallelsystem
组成系统的所有单元都失效时才失效的系统。
表决系统K－out－of－nsystem（votingsystem）
组成系统的n个单元中，不失效的单元数不少于k（k介于1和n之间的某个数），系统就不会失效的系统，又称k/n系统。
旁联系统standbysystem
组成系统的n个单元中只有一个单元工作，当工作单元失效时通过失效监测装置及转换装置接到另一个单元进行工作的系统。
失效模式、效应及后果分析failuremodeeffectandcriticalityanalysis
在系统设计过程中，通过对系统各组成单元潜在的各种失效模式及其对系统功能的影响，与产生后果的严重程度进行分析，提出可能采取的预防改进措施，以提高产品可靠性的一种设计分析方法。
失效树分析failttreeanalysis
在系统设计过程中，通过对可能造成系统失效的各种因素（包括硬件、软件、环境、人均因素）进行分析，画出逻辑框图（即失效树），从而确定系统失效原因的各种可能组合方式或及其发生概率，以计算系统失效概率，采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性的一种设计分析方法。
安全性failsafe
在设计时为使产品失效不致引起人身物质等重大损失而采取的预防措施。
可靠性计划reliabilityprogramm
产品的研制、生产、使用计划的一个重要组成部分，它包括为使产品达到预定的可靠性指标，在研制、生产、使用各阶段的任务内容、进度要求、保障条件及为实施计划的组织、技术措施等。
可靠性增长reliabilitygrowth
随着产品设计、研制、生产各阶段工作的逐渐进行，产品的可靠性特征量逐步提高的过程。
可靠性认证reliabilitycertification
有可靠性要求的产品的质量认证的一个组成部分。
它是由生产方和使用方以外的第三方，通过对生产方的可靠性组织及其管理和产品的技术文件进行审查，对产品进行可靠性试验，以确定产品是否达到所要求的可靠性水平
2.2可靠性参数体系
可靠性参数用于定量地描述产品的可靠性水平和故障强度,可靠性参数体系完整地表达了产品的可靠性特征。
可靠性工程中使用的可靠性参数多达数十个，参数的使用随着工程对象或者装备类型的不同而变化，在同一种装备中还可能随着产品层次的不同而不同。
系统级的可靠性参数一般以可靠度为主；设备级的可靠性参数一般以MTBF为主。
在实际应用中人们逐步感到了传统的可靠性定义的局限性，因为它只反映了任务成功的能力。
在进行可靠性设计时需要综合权衡完成规定功能和减少用户费用两个方面的需求，于是美国于1980年颁发的MIL－STD－785B按照DODD5000.40指令（国防重要武器系统采办指令）将可靠性分为基本可靠性和任务可靠性。
把可靠性概念分为两种不同用途的可靠性概念，是美国国防部对可靠性工作实践经验总结和对这一问题认识的深化。
这无疑是一个新的重要发展。
我国1988年颁布的军标GJB450－88就引用这两种新的可靠性定义。
基本可靠性的定义：
“产品在规定条件下，无故障的持续时间或概率”。
它包括了全寿命单位的全部故障，它能反映产品对维修人力和后勤保障资源的需求。
确定基本可靠性指标时应同几产品的所有寿命单位和所有的故障。
例加MTBF（平均无故障间隔时间），MCBF（平均故障间的使用次数），MTBM（MeanTimeBetweenMaintenance，平均维修间隔时间，一种与维修方针有关的可靠性参数，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该产品计划和非计划维修时间总数之比）。
任务可靠性的定义：
“产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力”。
它反映了产品的执行任务成功的概率，它只统计危及任务成功的致命故障。
常见的任务可靠性参数有任务可靠性，MCSP（MissionCompletionSuccessProbability，完成任务的成功概率，其度量方法为：
在规定的条件下和规定的时间内系统完成规定任务的概率），MTBCF（MissionTimeBetweenCriticalFailure，致命故障间的任务时间，其度量方法为：
在规定的一系列任务剖面中，产品任务总时间与致命性故障数之比）等。
可靠性参数还可分为使用参数和合同参数。
使用可靠性参数及指标反映了系统及其保障因素在计划的使用和照章环境中的可靠性要求，它是从最终用户的角度来评价产品的可靠性水平的，如MCSP，MTBM等。
合同可靠性参数及其指标反映了合同中使用的易于考核度量的可靠性要求，它更多的是从产品制造方的角度来评价产品的可靠性水平，如MTBF，MTBCF等。
一般合同可靠性参数采用固有可靠性值。
固有可靠性是指产品从设计到制造整个过程中所确定了的内在可靠性。
一般使用可靠性指标都采用使用可靠性值。
使用可靠性在固有可靠性的基础上还考虑了使用、维护对产品可靠性的影响，包括使用维护方法和程序，以及操作人员的技术熟练程度等。
可靠性参数体系要完整全面，例如洗衣机产品的可靠性参数体系要包括：
MTBF（小时）和MTBF（次）。
可靠性指标是规定要达到的可靠性参数值，例如要求洗衣机达到MTBF为5000小时，则5000小时为该洗衣机的MTBF指标；可靠性指标分为目标值和最低可接受值两类。
2.3常用可靠性参数
产品一般都有多个可靠性参数描述。
衡量产品可靠性水平有好几种标准，有定量的，也有定性的，有时要用几种标准（指标）去度量一种产品的可靠性，下面根据GB3187-82和有关IEC标准,介绍最基本、最常用的几个可靠性特征量。
2.3.1寿命剖面、任务剖面与故障判据
寿命剖面的定义为：
产品从制造到寿命终结或退出使用这段时间内所经历的全部事件和环境的时序描述。
寿命剖面说明了产品在整个寿命期所经历的事件（如装卸、运输、贮存、检测、维修、部署、执行任务等）以及每个事件的顺序、持续时间、环境和工作方式。
它包含一个或多个任务剖面。
任务剖面的定义：
产品在完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述。
对于完成一种或多种任务的产品都应制定一种或多种任务剖面。
任务剖面一般应包括：
（1）产品的工作状态；
（2）维修方案；（3）产品工作的时间与顺序；（4）产品所处环境的时间与顺序；（5）任务成功或致命故障的定义。
寿命剖面和任务剖面在产品指标论证时就应提出。
精确地和比较完整地确定产品的任务事件和预期的使用环境，实际进行正确的系统可靠性设计分析的基础。
故障判据：
判别是否发生故障的依据。
故障判据应该分级：
1）从安全性考虑—不导致危险；2）从基本功能考虑—保持基本功能；3）从附加功能考虑—保持附加功能。
任何产品只要有可靠性要求就必须有故障判据。
故障判据需要根据下面的依据进行确定。
1）研制任务书；2）技术要求说明书；3）由可靠性人员制定。
2.3.2可靠度
可靠度就是在规定的时间内和规定的条件下系统完成规定功能的成功概率。
一般记为R。
它是时间的函数，故也记为R（t），称为可靠性函数。
如果用随机变量T表示产品从开始工作到发生失效或故障的时间，其概率密度为f（t）如上图所示，若用t表示某一指定时刻，则该产品在该时刻的可靠性。
对于不可修复的产品，可靠性的观测值是指直到规定的时间区间终了为止，能完成规定功能的产品数与在该区间开始时投入工作产品数之比，即
式中：
N——开始投入工作产品数；Ns（t）——到t时刻完成规定功能产品数，即残存数；Nf（t）——到t时刻未完成规定功能产品数，即失效数。
对于可修复的产品，仍可以用上面这个公式来描述。
举例：
某型号的10000手机在一年共有10部次发生了功能性故障（不能正常使用部），该型号手机在一年内的可靠度为：
R
（1）＝（10000-10）/10000=0.999。
伴随可靠度的还有可用度，可用度的概念是－A（t），在规定时间t内的任意随机时刻,产品处于可用状态的概率。
用下式表示：
2.3.3失效率（故障率）及浴盆曲线
通俗的讲，失效率是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。
失效率为系统运行到t时刻后单位时间内，发生故障的系统数与时刻t时完好系统数之比。
失效率有时也称为瞬时失效率或简单地称为故障率。
一般记为λ,它也是时间t的函数,故也记为λ（t）,称为失效率函数，有时也称为故障率函数或风险函数。
按上述定义，失效率是在时刻t尚未失效产品在t+△t的单位时间内发生失效的条件概率。
即：
它反映t时刻失效的速率，也称为瞬时失效率。
失效率的观测值是在某时刻后单位时间内失效的产品数与工作到该时刻尚未失效的产品数之比，即
式中：
Δr（t）—t时刻后，Δt时间内故障的产品数；Δt—所取时间间隔；Ns（t）—残存产品数。
通常：
故障次数除以总工作时间；单位一般为10-6/小时或10-9/小时（fit）。
失效率（或故障率）曲线反映产品总体个寿命期失效率的情况。
图示2-4-5为失效率曲线的典型情况，大多数产品的故障率随时间的变化曲线形似浴盆，故称之为浴盆曲线形象地称为浴盆曲线。
失效率随时间变化可分为三段时期：
图2-4-5失效率典型曲线（浴盆曲线）
①早期失效期（InfantMortality），失效率曲线为递减型。
产品投入使用的早期，失效率较高而下降很快。
主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、跑合、起动不当等人为因素所造成的。
当这些所谓先天不良的失效后且运转也逐渐正常，则失效率就趋于稳定，到t0时失效率曲线已开始变平。
t0以前称为早期失效期。
针对早期失效期的失效原因，应该尽量设法避免，争取失效率低且t0短。
②偶然失效期，也称随机失效期（RandomFailures）。
失效率曲线为恒定型，即t0到ti间的失效率近似为常数。
失效主要由非预期的过载、误操作、意外的天灾以及一些尚不清楚的偶然因素所造成。
由于失效原因多属偶然，故称为偶然失效期。
偶然失效期是能有效工作的时期，这段时间称为有效寿命。
为降低偶然失效期的失效率而增长有效寿命，应注意提高产品的质量，精心使用维护。
加大零件截面尺寸可使抗非预期过戴的能力增大，从而使失效率显著下降，然而过份地加大，将使产品笨重，不以济，往往也不允许。
③耗损失效期（Wearout），失效率是递增型。
在t1以后失效率上升较快，这是由于产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失效期。
针对耗损失效的原因，应该注意检查、监控、预测耗损开始的时间，提前维修，使失效率仍不上升，如图4-3-1中虚线所示，以延长寿命不多。
当然，修复若需花很大费用而延长寿命不多，则不如报废更为经济。
【5】王小栋
2.3.4平均寿命
平均寿命是寿命的平均值，对不可修复产品常用失效前平均时间，也叫平均首次故障时间，一般
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