第六節可靠性控制一可靠性概念(一) 產品的適用性與可靠性人們習慣將符合質量 (技術)特性要求的產品 ,視為質量好的產品 ,即合格品 .將不符合質量 (技術)特性要求的產品稱為次品或不合格品.實踐証明 ,符合質量 (技術 )特性要求的合格品 ,在使用一段時間后 ,還會出現這樣或那樣的質量問題,有時甚至無法使用 .為什麼合格的產品還會出現用戶不滿意的結果呢?這是由于 : 1. 設計水平不高或技術標準過低.在這種情況下 ,即使產品百分之百符合標準要求,用戶也不會滿意 . 2. 由于檢驗的局限性以及抽樣測量等誤差 ,經檢驗合格的產品並不能保証全部產品每一件都能滿足技術要求. 3. 大多數質量特性並非靜態的,往往隨著使用時間的增長,而下降以至失效 .而產品的環境條件 ,使用情況等其它因素也會對產品的質量特性產生影響. 所以對用戶來說 ,關心的不僅是產品指標的先進性和產品出廠時能否符合這些標準,而且更加關心產品在今后的使用中能否始終保持良好的工作狀態. 通常我們將產品是否符合質量(技術)特性要求 ,稱為產品的符合性質量,而將產品能否滿足使用要求 ,稱為產品的適用性質量 . 所謂產品的適用性 ,是指產品滿足使用要所具有的固有屬性.產品的固有屬性是產品本來的狀態的客觀反映,是固有的 ,是不受人們價值 觀或心理因素不同而變化的. 從注重產品的符合性質量到強調產品的適用性質量,是質量觀念上的一個重要轉變,也是質量管理現代化的一個重要標志. 產品的適用性 ,首先體現在高水平的設計上,而生產質量則是符合性質量和適用性質量的統一 .只有保証生產中質量符合設計要求,才能進而保証產品的適用性質量. 產品可靠性是產品適用性的一項重要指標.因為可靠性能有效地將產品質量特性的變化和失效率與產品的使用時間,使用環境等因素緊密地聯系起來,而這些特性正是產品適用性所要求的 . (二) 可靠性的定義可靠性問題是一含義十分廣泛的概念.它包括人們對產品 (系統 設備 零部件元器件等 )可靠而又有效工作的能力的認識.一般我們可以把可靠性問題的概念分為可靠性(Reliability) 維修性 (Maintainability) 和有效性 ( Availability) 三個基本方面 . 1.可靠性可靠性是指產品在規定條件下和規定時間內,完成規定功能的能力(見國家標準GB3178). “ 在規定條件下 ” ,是指產品工作時所處的全部環境條件,其中包括自然因素 (溫度濕度 气壓 風向 日照等 ); 機械負載 (振動 沖擊 加速度等 );輻射(核輻射 電磁輻射等 ); 使用因素 (工作時間 工作頻率 供電電壓 周波偏差等 ); 維護條件 (維護設施維護人員能力等 )等等.通常這些條件是在某個范圍內隨機變化的. “ 規定時間 ” 是產品可靠性的核心 ,它是指產品可以完成規定功能的工作時間內所預定的壽命 .隨著對產品種類和使用目的不同, “ 規定時間 ” 有很大區別 .火箭要求几秒或几分鐘內工作可靠,而海底電纜則要求几十年內不出故障.一般說 ,產品的可靠性隨使用時間的增加而逐漸降低.使用時間越長 ,可靠性越低 ,使用時間不同 ,可靠性也不相同. “ 規定的功能 ” , 一般指產品的性能指標 .如電視機的清晰度 音質選擇性 靈敏度等,它們從各個側面反映了電視機的質量性能.可靠性可以針對產品全部功能的綜合,也可以針對某一具體功能.產品如能完成規定功能,則產品可靠 ;產品喪失規定功能 ,稱產品發生“ 故障 ” 或 “ 失效” .在可靠性工程中 ,必須合理地 科學地給出失效判據或故障判據 . 可靠性一般是用概率表示的.當用概率作為特征量表征可靠性時,常稱可靠度 .所以產品的可靠性是產品長期試驗和統計推斷的結果.其數值系指一批產品的總體而言,而不是針對單個產品 . 產品的可靠性也可用“ 平均無故障時間 ” “ 平均壽命 ” “ 失效率 ” 等表示 .這些可靠性的數量指標與可靠度一樣,是一種“ 特征量 ” , 其真值是理論上的數據 ,實際上是難知的 . 2.維修性維修性是指在規定條件下 ,使用的產品在規定的時間內,按規定的程序和方法進行維修時 ,保持或恢复到能完成規定功能的能力.它表示了可維修性產品可接受維修的能力.維修性包括維護和修理兩個方面. 維護是一種日常的可靠性控制過程,是為防止產品性能退化或降代產品故障,按事先規定的計划或相關技術條件的規定進行的工作,也可稱為預防性維修 .維護的目的是為了保持產品所具有的可靠性,維護的內容包括根據一定程序,有計划地進行預先檢查,也包括為防止使用中發生故障而進行的一切措施,如更換失效的零部件 元器件等 .在維護中 ,為了及時而準確地發現和更換那些按維護標準失效的元器件零部件 ,常常采用 “ 邊緣度驗技術 ” ,人為地制造一些比較惡劣的產品工作狀態,暫時改變工作條件 ,以考察其參數的變化 ,如進行電源電壓拉偏 超載 強化試驗環境等 . 修理是產品發生故障后 ,為使產品恢复到完成規定功能而進行的工作.其目的是將產品恢复投入使用時所具有的性能指標和可靠性指標水平. 由上可見 ,維修性不但反映了對一個產品投入使用階段以前的可靠性的控制成績,也反映著產品進行運行階段后對它的可靠性的控制活動.前者表現在產品自身所具有的某些因素上 ,這些因素是發現故障部件的難易,更換和拆裝元器件 零部件的操作是否簡便 ;獲得備件是否容易;修理的方工和輔助工具的質量,以及所要求的維修技術和維修管理水平等 .后者表現在產品使用的方式(如連續使用 間歇使用 頻繁起停使用等),產品所處的環境是否易于控制,維修組織的效能 ,維修人員的水平以及維修設備的技術先進程度等 .也就是說 ,維修性應考慮包括產品論証階段研制階段 生產階段使有階段和處理階段的全壽命過程的維修性要求. 維修性特征量有“ 平均修复時間 ” , “ 平均預防維修時間 ” “ 平均維護時間 ”“ 維修停機時間率 ” 等. 3.有效性 (可用性 ) 有效性是指可以維修的產品在某時刻,具有或維持規定功能的能力.有效性所表述的是關于產品可用能力的一般概念,它綜合地反映了產品可靠性和維修性所能達到的成績,即在某任意時刻使用產品時,該產品在此時刻的可用的能力. 有效性特征量有“ 瞬時有效度 ” “平均有效度 ” “ 極限有效度 ” 等. 可靠性 維修性和有效性從三個不同方面反映了產品的可靠性問題,它們之間存在著內在的聯系 ,這種聯系反映在它們的特征量間的關系中.廣義的可靠性包含可靠性維修性和有效性 . 二故障及其特征量(一) 故障及其表現在規定的環境條件和使用條件下,產品喪失或部分喪失規定功能的現象稱為故障. 故障的基本特征在規定的條件下可能發生,也可能不發生 .因此,故障對規定條件而言是個隨機事件 .如一台機床在使用時,並不能預先斷定故障是否發生.故障或正確工作只能是二者之一 ,即產品或者正確工作 ,或者發生故障 ,兩者是互逆事件 . 對于不可修复的產品 ,故障也可稱為失效 .如擊穿的電容 斷裂的彈簧 燒斷燈絲的燈泡等均為不可修复的產品,也可以稱之為失效產品 . 故障是產品所處狀態的一種表現.為了認識故障和尋找減少故障的途徑,必須了解並分析產品發生故障時的表現,以便查明發生故障的原因,采取措施 ,使產品可靠性得到保証 .故障表現可分為 : 1. 間歇故障和永久性故障間歇故障是指在某時間內呈現故障狀態,然后自然而然地恢复其功能,並且反复出現的一類故障 .處于這種故障的產品,其零部件沒有發生物理性損壞.這種故障可能是由于嚴重干擾引起的 ;或者是由于零部件之間定性不好,如其溫度 壓力 濕度的穩定性差;或者是由于零部件之間連接不好而造成的.如果仔細觀察這種故障往往是有規律的,可靠性的穩定性就主要是研究這種故障. 永久性故障是指由零部件發生理物性損壞而產生的故障,其原因可能是零部件的偶然失效或者意外損壞,對于后者主要是由于保管不佳和使用人員的操作錯誤而引起的.即使是屬于偶然失誤,如果成為規律性的 ,總是在某一固定的零部件上經常發生,也應當檢查設計是否合理 ,零部件的選用是否適當等. 2. 獨立故障和從屬故障若一個零部件 (元器件 )發生故障 ,只是由于自身原因所引起的,並且當它發生故障后,又不能成為其他零部件(元器件 )發生故障的原因 ,則這種故障稱為獨立故障.若一個零部件 (元器件 )是由于其他零部件 (元器件 )發生故障受到損害而發生故障,稱為從屬故障.所謂從屬故障 ,是指產品中其他故障引起的相關故障. 3.局部故障和整體故障產品中某些局部發生故障后,系統停止完成某一個(或几個 )功能 ,而產品仍可繼續完成其他功能者稱為局部故障.當某些局部發生故障后,使產品喪失全部功能者稱為整體故障 ,單從是否發生故障這種簡單概念來看,它們都是一樣的 ,然而區分這兩種故障對于制定維修規則 組織維修工作和確定維修方式都是必要的. 4.意外故障意外故障包括未按規定使用條件運行而引起的誤用故障,違反操作規程而引起的事故故障 ;由于對產品性能不充分理解,或所的數據有錯誤而錯誤地作出“ 有故障 ” 的判定的誤判故障 ;自然的和人為的災害所造成的災害性故障等. 這一類故障主要主要是人為的,並不取決于產品所具有的特性,因此,在估計產品的可靠性時 ,一般都不予考慮 .然而這並不說明與產品設計無關,如產品操作順序 操作條件合理 ,就可以減少某些操作錯誤而造成的故障. 5. 突然故障和退化故障產品突然發生的故障稱為突然故障,它通常使產品完全喪失規定的功能.由于零部件(元器件 )的原材料老化致使其參數逐漸變化,稱為退化故障 .它通常使產品的輸出特性變壞 ,而實際上退化故障突然故障的情況也不少,這是因為一些零部件(元器件 )的特性變壞常引起其他零部件(元器件 )運行條件的變化 ,其結果就改變了它們發生突然失效的的概率 . 在可靠性理論中 ,把故障划分突然故障和退化故障是十分重要,我們可以根據故障的性質來選擇計算可靠性的方法及找出故障位置的方法. 產品的某些故障 ,如設備中某些元件無效,並不總引起設備的不可靠.對于一個复雜的產品而言 ,總存在一些零部件 (元器件 )它們的故障或失效並不會使系統或設備的基本特性超出容許極限之外,例如指示燈 監測產品運行的儀表等 .在討論可靠性時 ,這些部件 (元器件 )是不予考慮的 . (二) 故障的特征量對于整個故障的概念不可能用一個數值來表達,然而可以用概率和統計的方法,對其某些特征作出數量上的描述,這些數量描述故障的特征量.當然,每個特征量均不能作為故障的定義 ,即不能作為故障的定義 ;也不能表達故障的全部意義. 1.故障概率的分布函數對故障描述時 ,常常首先提出這樣一個問題,產品在 t=0 時開始工作 ,于某一指定時間 t 內,發生故障的可能性有多大?下面我們就來分析這個問題. 在一類產品中 ,任意一個產品實際上能夠正確工作的時間T 是不確定的 ,或者說發現故障的時間是不確定的,T 是一個隨機變量 ,如有的可能是5000 小時,有的可能是1200小時,有的可能是 9000小時等等 .這表明隨機變量 T可以取 t 的某一范圍內的各個值,于是所提問題的實質是一類產品中,任意一個產品工作在某一指定的時間t 內概率 ,或者說隨機變量 T 落在指定的時間t 內的概率 P(Tt).顯然,P是時間 t 的函數 ,即隨著t 取值不同 P 亦隨之改變 ,記作: F (t) = P (Tt) 在工作之前 ,產品應當是完好無故在障的, 即F(t) =0 (t0) 或者說這里的討論是以完好的產品進行工作,工作開始時刻為起始點t=0 時,隨著工作時間的增加 ,發生故障的可能性必然越來越大,于是,當工作時間為 tm時, 0F (t) F(tm ) (當 0ttm時) 當工作時間相當長時 ,產品總是要損壞的 ,即發生故障 ,或者說 t 的范圍包括了 T 的所有可能取值時 .因而有 : F(t) =1 (當 t時) 從而可知 , 0F (t)