第一章可靠性與系統可靠性第一節可靠性與系統可靠性的概念第二節可靠性的發展概況第三節可靠性的特點

第四節可靠性與質量管理第五節研究系統可靠性的意義

第一章練習題更多內容請關注/study.asp?vip=83861262023/2/51中國礦業大學工業工程系第一節可靠性與系統可靠性的概念可靠性定義：三個“規定”

（1）可靠性:所謂可靠性就是產品在規定的條件下，在規定的時間內，能夠完成規定的功能的能力。

（2）產品:指可以單獨研究、分別試驗的任何部件、組件、設備或系統。

（3）規定的條件:指產品使用時的應力條件（載荷條件）、環境條件以及貯存條件等。

（4）規定的時間:指產品的工作時間

（5）規定的功能:指產品應具有的技術指標。二、可靠性分類1．狹義可靠性和廣義可靠性狹義可靠性:就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。它表示產品在某一規定時間內發生故障的難易程度。廣義可靠性:是從工程概念出發所論及的具有更廣泛意義的可靠性。國家標準將廣義可靠性定義為：產品整個壽命周期內完成規定功能的能力。它包括了狹義可靠性和維修性.廣義可靠性＝狹義可靠性＋維修性有效性（也稱有用性）：可以維修的產品在某時刻具有或維持規定功能的能力。廣義可靠性實質上就是產品的有效性注意：在一般場合，人們所說的可靠性是指廣義可靠性，而在專業場合及定量計算時，可靠性又多指狹義可靠性。2．固有可靠性和使用可靠性固有可靠性（inherentreliability），是指由設計決定、制造實現和保證的可靠性，記作RI。使用可靠性，是指產品在使用過程中，因受環境條件、維修方式及人為因素的影響所能達到的可靠性，記作RU。有人還將RI和RU綜合起來稱為工作可靠性，記作RO

3．硬件可靠性和軟件可靠性

所謂“硬件”:是指在傳統上被看作是從完全相同的器件總體中取出的若干部分的一種組合。所謂“軟件”:是指由書面的或可記錄的信息、概念、文件或程序組成的產品。軟件可靠性：在規定的條件下和規定的時間內，軟件成功地完成規定功能的能力（概率）或不引起系統故障的能力（概率）。在微軟遭逢美國司法部反托拉斯訴訟的期間，該公司1名主管的說詞曾透露Windows

NT

4.0有嚴重的可靠度問題。但近來，微軟的行銷陣營卻勇敢的宣稱Windows

2000擁有「5個9」(99.999％)的可靠度。微軟并非第一家低估其產品缺點的軟體公司；就像除了Sun以外，大家都知道Solaris

2.4是有史以來瑕疵最多的Unix，而同樣不完善的2.2

Linux

Kernel不是也曾宣稱會提供企業所需的一切嗎？在硬件一軟件系統中，有人提出系統的可靠性可表示為：

（1-1）式中——系統可靠性；——軟件可靠性；——硬件可靠性；——操作者誤差。三、系統可靠性系統:是為了完成某一特定功能，由若干個彼此有聯系的而且又能相互協調工作的部件所組成的綜合體。不可修復系統:是指系統或其組成部件一旦發生失效，不再修復，系統處于報廢狀態，這樣的系統稱為不可修復系統。

可修復系統:通過維修而恢復其功能的系統系統可靠性:表示系統在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的能力。系統在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的概率稱為系統可靠度。四、可靠性技術的基本內容1．可靠性基礎理論（l）可靠性數學。在數學領域已形成了一個獨立的學科分支。（2）可靠性物理。60年代發展起來的。60年代前后就產生了失效物理學。現階段已經發展到可靠性保證階段。（3）可靠性管理。可靠性管理是對可靠性工作的各個環節以及產品的全壽命周期的各項技術活動進行組織、協調和控制，以實現既定的可靠性指標的一種方法。2．可靠性專業技術

（1）可靠性設計。這項工作包括：建立可靠性模型，對產品進行可靠性預計和分配，進行故障或失效機理分析，在此基礎上進行可靠性設計。（2）可靠性試驗。可靠性試驗的目的是了解產品，驗證產品的可靠性水平，試驗—改進—再試驗，反復提高產品可靠性水平。（3）維修性設計。大多數的產品均為可修理產品。維修性設計的目的是為了縮短平均停機時間。

第二節可靠性的發展概況

萌芽-創建-全面發展-深入發展階段可靠性的概念人們早就有了，作為可靠性科學或可靠性的定量指標的研究是從第二次世界大戰才迅速發展起來的。美國是可靠性技術的發源地，始于20世紀40年代美國對電子真空管的失效分析。它歷經四個發展階段，至今已成為一門內容豐富的工程技術學科。發展歷史古代的建筑家和雕塑家們，竭力希望他們設計的廟宇，教堂、宮殿、塑像、水利設施及橋梁，不僅要富麗堂皇，而且要保存千秋萬代。當代高層抗震建筑、電視塔、巨型單拱橋梁和水電站大壩的設計師們也很關心可靠性問題。

古代航海船隊力求達到的帆船高適航性，是依靠船體的外形輪廓和確定船的穩定性的全套索具，依靠挑選同船體、桅桿的強度和耐久性有關的特種木材，依靠創造的可迅速操縱風帆、迅速調整在風暴中長時間航行的航船載荷的良好指揮條件。當代的船舶建造者．正在解決無比復雜的遠洋船隊、破冰船隊以及核潛艇的可靠性、安全性和生存性問題。20世紀40年代是可靠性工程的萌芽階段。第二次世界大戰期間，美國的軍用電子設備在儲存期就有50%失效，機載電子管壽命連20h還不到。由此，迫使國防部開始探討可靠性問題，并于1943年成立了“真空管研究委員會”，專門研究電子管的可靠性問題。這標志著可靠性研究的起步。20世紀50年代是可靠性的創建階段。

阿波羅計劃朝鮮戰爭期間，武器系統因雷達常出故障，能工作的時間僅16%，艦船設備只有33%能圓滿工作，促使軍內外開始系統的可靠性研究。美國于1950年成立“電子設備可靠性專門委員會”，1952年國防部成立“電子設備可靠性顧問委員會”（AdvisoryGrouponReliabilityofElectronicEquipment，簡稱AGREE）。1957年AGREE發表的“軍用電子設備的可靠性”報告，明確產品的可靠性是可定量的、可分配的、可驗證的，從而建立了可靠性的框架，奠定了可靠性的基礎。前蘇聯從20世紀40年代后期，日本、原西德從50年代后期也開始了可靠性研究。20世紀60年代是可靠性全面發展階段。美國在該階段迅速發展了可靠性設計和試驗方法，并取得了重要成果，1965年頒布的MIL-STD-785軍用標準（1969年修訂為785A）是其中最顯著的成果。在此期間，世界各國也普遍成立了可靠性機構，推廣可靠性教育，建立可靠性管理制度，制訂可靠性標準。20世紀70年代以后是可靠性深入發展階段。

由于軍事裝備的使用觀念發生了戰略性轉變，從單純重視性能到重視效能，從單純要求高可靠性到要求可靠性、維修性等綜合指標，并將可靠性，維修性作為減少全壽命周期費用的工具。我國的可靠性工作從1956年成立“環境試驗所”開始，1965年在錢學森的建議下，原七機部五院成立了“可靠性質量管理研究所”（705所），進行了開拓性工作。但“十年動亂”，705所被迫解散，可靠性研究處于停頓狀態，直到1973年才又恢復可靠性研究工作。1978年提出并開展了“七專”（專人、專機、專料、專批、專檢、專技、專卡）活動，1979年中國電子學會成立“可靠性與質量管理專業學會”，1981年又成立“中國電子元器件質量認證委員會”，1982年國家標準局成立“全國電工電子產品可靠性與維修性標準化技術委員會”，使我國的可靠性研究得以蓬勃開展，并制定了一系列的國家標準。第三節可靠性的特點

一、規定條件下的可比性一個產品的可靠性受三個“規定”的限制。

（1）第一個“規定”是指因使用條件和環境條件的不同，可靠性水平有很大差異。（2）第二個“規定”是指規定時間的長短不同，其可靠性也不同。（3）第三個“規定”是指因規定的產品功能判據不同，將得到不同的可靠性評定結果。二、時間質量指標三、強調可用性

提高可用性可以從兩個方面入手：（l）是保證產品在規定的使用時間內不出故障，少出故障；（2）是出了故障能迅速修復，目的都是使設備不可利用的時間降到最低程度，為此需提高產品的無故障性或維修性。可用性＝可用時間/（可用時間＋因故障維修等不可用時間）×100%。四、統計、抽樣特性

五、可靠性指標的體系一般地說，一個產品的可靠性可由多種指標形式表示。因為可靠性是個綜合特性，它綜合表現了產品的耐久性、無故障性、維修性、可用性和經濟性，可分別用各種定量指標表示，形成一個指標體系。具體一個產品采用什么樣的指標要根據產品的復雜程度和使用特點而定

第四節可靠性與質量管理

可靠性是時間的質量產品質量是指能滿足用戶要求的一種屬性，它由功能指標決定；產品的質量主要包括性能、壽命、可靠性、安全性和經濟性，有時還有可維修性、人性化要求及表面狀況等。產品的性能指標是指技術指標，例如電子計算機的字長、容量、指令數和速度等。我們常見的各類產品技術指標都是性能指標。質量管理:以生產過程為中心，控制產品的性能特性參數不要超出管理工程的界限，并且以出廠合格率等指標進行評定。可靠性管理:通過試驗和現場使用信息的反饋，以設計預測的事前分析技術為中心，預防故障的發生，保證可靠性目標的實現。

可靠性是對t＞0的質量的管理目前日本的可靠性和質量管理體制的兩種形式:（l）將可靠性作為質量保證功能的擴充方式引入（2）可靠性和質量保證兩種體制并存但是在美國一般把質量管理和可靠性分開，分別設有質量管理工程師和可靠性工程師的專業職稱。前者主要服務于制造部門，后者主要服務于技術管理部門，而且隨著可靠性工作內容的增多，還分為維修性設計工程師和可靠性設計工程師等職稱。我國推行的是全面質量管理（TQC）體制，這種體制應是強調可靠性目標的全過程管理，按理說和可靠性是不矛盾的，只是目前在行業中實施的TQC制度還不太完善：偏重于生產過程的質量管理，強調產品性能參數的抽檢合格率，對于設計過程和售后階段的管理還很薄弱。對于可靠性，這兩個階段的管理十分重要，因此可以在現有管理體制內引入可靠性，加強設計和信息反饋的管理，完善全過程的管理循環。第五節研究系統可靠性的意義

一、研究系統可靠性的意義

1．可靠性是產品質量的一項重要指標2．產品日趨復雜化，可靠性成為日益突出的問題美國登月火箭發射計劃稱為-阿波羅計劃，當時在宇宙開發領域內，最初美國失敗多次，是落后于蘇聯的。可是由于引進了可靠性技術，阿波羅計劃終于在六十年代取得了完全的成功，人類首次實現了了去月球旅行的夢想。因此，阿波羅計劃被稱為是可靠性的充分體現。盡管阿波羅計劃的種種技術，現在為世界的各種產品所應用，但是可靠性技術是主要的。

1975年發射的先鋒號衛星，由于一個價值2美元的零件失效，造成發射失敗，損失220萬美元。1986年1月28日導致穿梭機“挑戰者”號爆炸的竟是一個助推器的密封圈失效，助推器由許多節連接在一起組成，節間加以密封，如果一個連接點的密封失效，則將引起火箭助推器外殼破裂，從而引起外燃料罐爆炸。最后導致造價12億美元的“挑戰者”號爆炸，七名宇航員全都遇難的重大事故。日本開始于阿波羅計劃影響的背景下，即六十年代后期，主要用在國家鐵路新干線及電器公司的自動交換機等設備上。如新干線，至1980年已經連續出色地運行了五億五千萬公里，可為世界稱贊的驚人的奇跡．相當于繞地球13700周。表1-1復雜性對系統可靠性的影響組成系統的部件個數單個部件可靠性99.999%99.99%99.9%99.0%系統可靠性10100250500100010000100000100000099.99%99.90%99.75%99.50%99.01%90.48%36.79%＜0.1%99.90%99.01%97.53%95.12%90.48%36.79%＜0.1%＜0.1%99.00%90.48%77.87%60.64%36.77%＜0.1%＜0.1%＜0.1%90.44%36.60%8.11%0.66%＜0.1%＜0.1%＜0.1%＜0.1%表1-2不同年代生產的農用拖拉機的復雜性及可靠性水平拖拉機生產年份每臺的部件數整機可靠性（假定部件平均可靠性99.99%）每年每1000臺拖拉機故障臺數193519601970198019901200225024002600290088.7%79.9%78.7%77.1%74.8%1132012132292523．產品使用環境的嚴酷化，對可靠性提出更高的要求4．產品全壽命周期費用的增長，要求提高可靠性

20世紀60年代末，美軍用電子設備每年的保障費用等于當年的采購費，而到1977年，保障費是采購費的1.5倍；飛機電子設備每10年的年平均費用增長9倍。我國某型殲擊機的維修費與采購費之比為8：2。

上海某公司生產的黑白電視機,1978年平均失效間隔工作時為500h,開箱不良率為23.6％,一個月的早期返修率為20.8％,一年平均返修率為86.92％,安全性差,事故屢有發生,經濟效益也非常低,每臺成本351.35元,每臺平均虧損34.92元,年產量26.8萬臺,總虧損就達936萬元.在抓可靠性以后的5年內,從設計制造試驗認定管理各方面采取了很多措施,終于使電視機的可靠性提高了一個數量級,平均失效間隔工作時間達到5000h以上。開箱不良率降低到2％以下,早期返修率降低到2％以下,一年平均返修率下降為13.28％,接近IEC65標準,經濟效益大幅度提高,成本下降為247.56元,每臺盈利52.86元,全年產量上升到126.37萬臺,全年盈利6680萬元.原平均每臺維修費高于8元,現降為2元,以500萬臺計算,每五年可減少社會維修費1.5億.由于質量好,每臺售價高于國內平均30元以上,每年產140萬臺,僅此一項增加利潤4200萬元.開箱不良率降低到2％以下,早期返修率降低到2％以下,一年平均返修率下降為13.28％,接近IEC65標準,經濟效益大幅度提高,成本下降為247.56元,每臺盈利52.86元,全年產量上升到126.37萬臺,全年盈利6680萬元.原平均每臺維修費高于8元,現降為2元,以500萬臺計算,每五年可減少社會維修費1.5億.由于質量好,每臺售價高于國內平均30元以上,每年產140萬臺,僅此一項增加利潤4200萬元.5．可靠性問題涉及國家和企業的經濟利益，影響國家的安全和聲譽本世紀30~40年代，出現了大量的橋梁倒塌、船舶沉沒等事故。如美國在第二次世界大戰后期．約共計2500艘自由型萬噸貨輪．在服役期間有145艘斷成兩截．700艘左右受到嚴重損環。

在50年代，隨著空間技術的發展，又出現了不少飛機．火箭、導彈墜毀爆炸的災難性事故。如l960年美國北極星導彈固體燃料發動機的壓力殼，按傳統理論設計、制造，檢驗均合格，可是在水壓試驗時，突然發生低應力脆斷事故，這震驚了世界上整個工程技術界。1965年美國又發生一件著名的z60Sl-1固體火箭發動機壓力殼爆炸的典型脆斷事故。

我國的某型戰機在“七五”期間，因不重視可靠性，發生較多的質量問題，造成多起機毀人亡的I、Ⅱ級飛行事故，直接經濟損失2000多萬元，給部隊訓練和戰斗力造成嚴重影響。1992年3月22日我國用“長Ⅱ捆”火箭為澳大利亞發射衛星因發生極小概率的故障而招致失敗，影響了國家的聲譽。二、可靠性與安全生產

據統計，美國每年為此受傷者達2000萬人。1967～1973年間的統計，產品責任事故中有37%是產品不合格，其余如安裝不符合規范、試驗檢查不夠、說明書指導書錯誤等等。這些都是廠家的責任。

一個世紀以來的十大事故：1.1907年魁北克大橋墜垮使19000t鋼材和86名工人墜入水中。2.1912年英國提坦號客輪遇難導致1513人喪生。3.1937年德國興登堡氣球爆炸。4.1963年美國“長尾鯊”號核潛艇遇難。5.1963年意大利維昂特水壩沖毀，造成4000人喪生。6.1974年土耳其的DC-10飛機失事，造成355名乘客和11名機組人員喪生。7.1979年美國賓夕法尼亞反應堆事故。8.1981年美國堪薩斯城飯店倒塌造成113人喪生，200人受重傷9.1984年12月印度博帕爾農藥廠中毒事件約有3000人喪生，10萬人不同程度中毒。10.到1986年前蘇聯切爾諾貝利核電站事故

1944年l0月20日，美國俄亥俄州克利夫蘭市發生了一起液化天然氣貯罐爆炸并引起大火的重大惡性事故。建于1942年的一臺圓筒形貯罐(直徑21．3m，高126m)．在運行中突然發生脆性斷裂．并產生許多碎片。大量的可燃性氣體夾著液滴．成霧狀向四周擴散。附近的工廠、商店、住宅等先后發生氣體爆炸和火災．周圍的市區被火焰包圍，形成一片火海．20分鐘后．與圓筒形貯罐相鄰的3號球罐(直徑17．4m)，由于支柱被火燒彎而倒塌，整個球罐在火焰烘烤下發生強烈的蒸氣爆炸，噴射的火焰高達300m。這場由于壓力容器破裂而引起連鎖反應的災難性事故，使70棟住宅．219輛汽車和2座工廠全部燒毀．另外還有13座工廠和35棟住宅遭到部分破壞，死亡133人．經濟損失達6802萬美元。

佛山九江大橋坍塌事故現場當年橋面合龍時有約10厘米的誤差，是被硬壓到橋墩上強迫合龍的，所以九江大橋稍稍有點“扭曲”。黎寶松說，10厘米對這樣一座跨徑160米的橋來說，已是個不該被忽略的大誤差了

當年橋面合龍時有約10厘米的誤差，是被硬壓到橋墩上強迫合龍的，所以九江大橋稍稍有點“扭曲”。黎寶松說，10厘米對這樣一座跨徑160米的橋來說，已是個不該被忽略的大誤差了。黎寶松直言：“這樣的橋不知道怎么還會評上國家獎。”廣東省高速公路公司認為，九江大橋開通19年，坍塌的一個因素是橋梁老化。對此，黎寶松覺得好笑：“搞橋梁是百年工程，工程設計沒有六七十年，就不該通過。”

可靠性問題還非常尖銳地擺在聯合采煤機設計師的面前，也擺在人造心臟設計師們的而前。實際上．可靠性不成為頭號問題的技術部門是不存在的。特別是高風險性的行業：航空、空間技術、原子能、轉基因產品等。

黎寶松認為，挖沙、江水沖刷也可能威脅九江大橋。“橋梁建設本身會改變河流形態，九江大橋幾座橋扎堆建在一起，橋墩、承臺、基礎樁密密麻麻，阻水、沖刷嚴重”。黎寶松認為，上述問題即使設計施工中估計不足，后期養護時也應有一整套監測參數。九江大橋之前是如何“體檢”的，是否包含了這些項目，目前不得而知。

，三、可靠性與經濟效益

1．可靠性微觀經濟分析2．可靠性宏觀經濟分析（1）資源意義（2）財政意義（3）公益意義（4）市場意義

1．可靠性微觀經濟分析

在20世紀60年代，所謂世界最大的美國卡特匹勒公司和三菱公司合營后，壟斷了日本工程機械的進出口貿易。在此沖擊下，小松瀕于倒閉。為了迎接競爭挑戰，以“產品可靠性超過卡特匹勒”為戰略目標，由經理親自領導全公司展開了可靠性活動，最后使推土機的可用度提高了4～8%，平均無故障工作時間（MTBF）提高了三倍，維修費用降低了2/3，出口率從不足20%上升到40～50%。數年來，不但守住日本國內市場，而且擴大了出口額。

2．可靠性宏觀經濟分析

（1）資源意義可靠性有利于節約社會資源，設備的可靠性提高后，一臺設備可以抵上幾臺的作用和功效，這樣在成本投資相近、資源消耗相同的情況下，發揮幾倍的效益。

美國通用電器公司（GE）發表的《改進電站可靠性和可用性所獲效益》的研究報告中指出，如果美國燃煤和核能電站的可用率提高5%，其效益為①每年節省84億美元的開支；②相當于多裝機3400萬Kw；③年節省發電耗油90萬桶。為此，GE公司作過分析認為，設備可靠性提高1%，即使成本提高10%也是合算的。

（2）財政意義

從國家財政收入的價值構成來看，主要的財政收入來自于新創造的歸社會支配的產品剩余價值。

以一個功率為300萬Kw的發電機組為例，日發電量為0.72億度，如果可靠性提高1%，就意味著每年多發電2.628億度。假設每度電僅給電廠帶來0.05元利潤，電廠本身就創利0.1314億元。對于用電部門，按我國現在的平均水平，每度電帶來產值4.9元，假設其中利潤為0.49元，稅收為0.7l元，則用電部門就能增