仪器与系统可靠性结课论文

电子信息与自动化学院仪器与系统可靠性课程结课论文姓班学专院名：级：业：系：电子信息与自动化学院2015年6月仪器系统可靠性原理及分析方法目录摘要 1一、可靠性设计基础 2（一）可靠性的基本概念 2（二）可靠性的发展过程 21. 过程系统趋向大型化、复杂化 32. 仪表使用环境条件日益严酷 33. 新材料、新工艺越来越多的采用 34. 经济效益要求 3（四）可靠性学科研究的基本内容与应用 3二、系统可靠性的分析方法 4（一）可靠度 4（二）故障率 51. 故障率概念 52. 故障率函数曲线 6（三）平均寿命 7（四）维修度 8（五）有效度 8（六）重要度 9结 论 9参考文献 9摘要 随着集成电路、微电子技术在各类仪器中的广泛运用，电子仪器的复杂程度 越来越高，传统的仪器只能完成测量、显示功能，而现代的智能仪器往往具有只能诊 断、智能学习能力。因此，在应用系统中，电子仪器起的作用也越来越大，电子仪器 能否可靠地完成其任务，也逐渐成为人们越来越关注的问题。可靠性设计在军事、航 空航天以及核工业等行业中尤为重要，在这些行业中使用的仪器，其可靠性设计必须 放在首位，否则会产生非常严重的后果。对于某些应用于军事方面的电子仪器，其可 靠性不仅会影响仪器的正常使用，而且有时会对战争的胜利起到关键作用；对于某些 应用于航空航天的电子仪器，其可靠性非常重要。本文就仪器系统可靠性原理以及分 析方法进行介绍说明。关键词 可靠性 仪器仪表 分析方法一、可靠性设计基础（一）可靠性的基本概念仪表是人们进行科学实验和实现生产过程参数自动检测和自动控制的重要技术 工具，因此对它的可靠性要求愈益显得重要。衡量产品的质量，通常包括两类性质的指标：一是产品的性能指标是否达到满足 功能要求；二是在工作中能否连续满足功能要求，即技术指标保持的程度和产品损坏 情况。前者是产品的性能问题，后者就是产品的可靠性问题。产品的技术性能与可靠性的关系是极为密切的，无数事例说明，如果产品不可靠， 它的技术指标再好，也难以发挥作用，譬如一台仪表，尽管其测量准确度、灵敏度等 指标都很高，但却常出故障（即产品容易丧失规定的功能），那么其测量值也就不可信 了，甚至不能被实际使用。因此，可以说产品的可靠性是产品质量的基础。没有可靠性这个基础，理论上再 先进、技术指标再高的产品也是没有多少使用价值的。（二）可靠性的发展过程可靠性是衡量机械产品质量的重要指标一之。20 世纪40 年代是可靠性萌芽时期， 1943 年美国成立了电子管研究委员会专门 研究电子管的可靠性问题；1951年ARINC开始了最早的一个可靠性改进计划；1952年美国国防部成立了电 子设备可靠性咨询组（AGREE）； 1955年AGREE开始实施从设计、试验、生产到交付、 储存和使用的全面的可靠性发展计划，并于1957年发表了军用电子设备可靠性 的研究报告，从9个方面阐述了可靠性设计、试验及管理的程序及方法，确定了美国 可靠性工程的发展方向，成为可靠性发展的奠基性文件，标志着可靠性已经成为一门 独立的学科，是可靠性工程发展的重要里程碑。20 世纪60 年代70 年代,是可靠性工程全面发展和步入成熟的阶段。美国在许多 武器装备中推行可靠性工程，美军形成了一系列较完善的标准20 世纪80 年代以来，可靠性向更广泛和更深入的方向发展，并以武器装备的效 能为目标，将可靠性、维修性和保障性有机的综合在一起，形成可靠性系统工程我国从20世纪80年代，才真正在武器装备中开展可靠性工程；21 世纪初，可靠性工程在我国全面深入的研究与应用（三）仪表可靠性研究的必要性1. 过程系统趋向大型化、复杂化随着生产过程自动化水平的提高，过程控制系统的规模越来越大，越来越复杂。 例如年产 30万吨乙烯的大型装置，检测点多达 2500个，调节回路有 460 多个，其中 除常规的 PID 调节外，尚有均匀、分程、串级、选择等复杂调节，整个系统使用仪表 数以千计。它们对生产过程起着监和控制作用，确保生产安全和高产优质。对于如此庞大的系统，假如每台仪表平均每年出现一次故障（即平均故障率约为 1千小时），那么，该系统每天将会出现数次故障；如果平均故障率为 10千 小时，则每天将出现数十次的故障，这无疑将影响生产的正常进行，甚至造成严重事 故。系统越复杂，出现故障的机会就越大，使系统的可靠性降低。因此，随着系统复杂程度的增加，对它的可靠性提出了更高的要求。2. 仪表使用环境条件日益严酷生产的发展和科学技术的进步，促使自动检测和自动控制的领域和对象逐渐扩 大，仪表的应用范围越来越广，从实验室到工厂、从室内到野外，从热带到寒带、从 山谷到高原，从地面到天空和海洋，各种仪表的使用环境条件日益严酷。例如在高温、 腐蚀性气氛、振动、辐射等恶劣环境下，仪表的故障率将会增加。为了使仪表能适应各种环境条件，也必须提高其可靠性。3. 新材料、新工艺越来越多的采用产品越先进，采用的新材料、新工艺也越来越普遍，而尚未注意到的地方、没有 研究开发的领域也增多。所有这些都是产生不可靠、不安全的因素。因此更需要加强 可靠性的研究。4. 经济效益要求产品设计既要保证质量、提高可靠性，同时又要降低成本，获得较大的经济效益。 由于现代化仪表在生产和科学实验中所处的特殊地位，一旦出了故障，造成的影响和 经济损失有时是相当严重的。以每秒轧制 30 多米钢材的高速轧钢机为例，假若其中 某一台关键的仪表出现故障，轻则控制偏差增大，造成次品，重则发生生产事故，停 机停产，甚至酿成设备损坏，人员伤亡等严重后果，经济损失已远远超出一台仪表原 有的价值。由此可见，仪表结构功能越复杂，仪表使用环境越恶劣，要求仪表使用寿命越长， 可靠性，问题就越尖锐突出。为了解决这些问题，对仪表必须进行可靠性研究工作。（四）可靠性学科研究的基本内容与应用可靠性学科所涉及的内容相当广泛，大致可分为三个方面：可靠性理论基础、可 靠性工程、可靠性管理。可靠性理论基础包括可靠性数学及可靠性物理（又称故障物理）。 可靠性工程包括系统和零部件的可靠性设计、制造的可靠性、可靠性试验、使用 及维修的可靠性等方面。可靠性管理包括可靠性计划，组织可靠性设计评审，进行可靠性认证，制订可靠 性标准、可靠性增长、确定可靠性指标等等。根据仪表专业的学习内容和学时要求，对上述内容不可能全部介绍。主要讲述有 关可靠性基础及其在仪表可靠性设计、分析、试验过程中的应用。通过此课程的学习 能够在今后的仪表设计、制造以及生产管理中能运用可靠性知识去解决一些实际问 题。可靠性应用（主要有以下几个方面）1）方案论证、2）设计研制、3）生产及试验、4）现场使用二、系统可靠性的分析方法为了评价机械零部件、机器、系统等的可靠性、必须对可靠性制定一些行之有效 的指标，并加以数量化。衡量可靠性的尺度主要有可靠度、故障率、平均寿命、维修度，有效度、重要度 等。从以上衡量指标可知可靠性尺度具有以下特点：（1）可靠性尺度具有多指标性。在不同的场合和不同的情况下，可用不同的指 标来表示系统的可靠性。（2）可靠性尺度具有随机性。研究对象在规定的时间内保持正常功能的可靠性 是随机的，一般用概率方法进行定量衡量。（3）可靠性具有定量表示的时间性，即定量指标多是时间的函数。（一）可靠度 可靠度是指零部件或系统在规定的条件下和规定的时间内，能正常行使功能的概 率。假设 E 表示上述定义中的对象在诸条件下正常行使功能的事件，则出现该事件的 概率即为它的可靠度，即:因可靠度是时间的函数，不同的工作时间其可靠度不同，故它的另一种表述形式 为零部件或系统的寿命T不低于规定工作时间t的概率。A(/) = P(T > t) 0 </ <oo与可靠度对立的就是不可靠度，它表示零部件或系统的不可靠程度，即：八二闩口或口：门二闩厂仁m可靠度与不可靠度存在下述关系，即R (t)与F(t)互补。(二)故障率1.故障率概念故障率系指零件、产品、系统工作到t时刻后在单位时间内故障的概率，它反映 了研究对象在任一瞬时故障概率的变化趋势。设有N个零件，从t=0开始工作,到时刻t时故障总数为n(t)，则残存数N-n(t)， 又设在(t+ t)时间内又有n(t)个零件故障，则定义时刻t的故障率为：故障率与可靠度的关系为：式中：是机械系统或零件的寿命分布概率密度函数。将系统的故障率入(t)随时间变化的函数用曲线在坐标入(t)t上绘出，则反映 了系统工作全过程的故障趋势变化情况。它反映了系统故障率曲线的不同阶段与工作 时间, 见图 1.1。从图中我们可以看出它的形状与浴盆的剖面十分相似，故又称为浴盆曲线，它反映了系统故障的三个特征时间期。1) 早期故障期它的特征在于系统一开始工作时故障率较高，但随工作时间的增长呈下降趋势 通常是由于设计、制造、工艺缺陷或检验等原因引起的，它可以通过筛选、检验、强 化试验等方法加以排除。2) 随机故障期 它的特征是系统故障率很低且在数值上基本保持恒定，故障处于完全不可预测的 状态。零部件或系统的故障是由偶然原因所引起的，这一时期是零部件或系统的正常 工作时期，因此我们总希望其故障率低且持续时间长。3) 耗损故障期 它的特征是系统故障率随时间逐渐上升，且上升趋势较快，此种形式多见于机械 零件的磨损寿命。该类型的故障是由零部件或系统的耗损与老化所引起的，一般可以 通过“事前维修”来加以防止。2.故障率函数曲线 随着科学技术的发展，数控机械系统、加工中心等现代化机械系统不断出现。这 些精密、大型、数控等结构复杂机械系统的故障规律与传统的浴盆曲线相背离，促使 人们对这些机械系统的故障规律进行深入研究。研究发现，除典型的浴盆曲线外，还 有五种故障率曲线，如下图所示。1 W)图 2故障率曲线 1 显示，系统具有恒定的或者略增的故障率，接着就是磨损期；据统计2%的复杂机械系统遵循该故障率曲线。故障率曲线20 f图 3故障率曲线2显示，机械系统缓慢增长的故障率，但没有明显的磨损期；据统计约5%的复杂机械系统遵循该故障率曲线。图 4故障率曲线 3 显示，新机械系统从刚出厂的低故障率，急剧地增长到一个恒定的故障率，据统计约2.7%的复杂机械系统遵循该故障率曲线 x(r)故障率曲线4图 5故障率曲线4显示，机械系统整个寿命周期内的一个恒定的故障率。据统计约有14%的复杂机械系统遵循曲线D故障率曲线5显示，开始有高的初期故障率，然后急剧地降低到一个恒定的或者是增长极为缓慢的故障率，据统计不少于68%的复杂机械系统遵循该故障率曲线。(三)平均寿命平均寿命对不可修与可修的零部件或系统其含义不同。针对不可修系统是指它的平均无故障工作时间MTTF (Meam Time To Failure)，其数学表达式为:式中，N是样品数；ti是第i个零件的无故障工作时间。对可以修复的系统而言平均寿命系指平均故障间隔时间 MTBF(Meam TimeBet ween Failure)，其数学表达式为:t = MTBF =式中，tj是第i个零件的第j次故障间隔时间；ni是第i个零件的故障数；N 是零件的总数。结合上式平均寿命的统一表述形式为：平均"有鸚蹲(四)维修度维修度系指可修的系统、机器或零部件等在规定的条件下和规定的时间内完成维 修的概率，用M(t)表示。维修度与可靠度相对比知它们均是时间的函数，且都是用概率来度量的，用曲线 的形式表达。但它们之间具有不同点，即维修度还与人的因素有关，一般地维修度受 到以下三个因素的影响。1) 受承受维修设备的影响，即结构设计上故障发生是否容易发现和易于排除。2) 维修技术人员水平的高低。3) 维修条件，即设备维修与工具的先进性及是否齐备。若用非负随机变量 t 来描述处于故障状态机械系统的维修时间时，则维修度函数M(t)表示给定时间区间(0, t)机械系统被维修的概率：M 70"), > 0将维修度函数M(t)对维修时间t求导数，即为维修度分布密度函数，用m(t)表示，有：或者一般，系统的维修时间主要服从于指数分布、正态分布、对数正态分布和威布尔分布等。(五) 有效度有效度是将可靠度与维修度综合起来的一个可靠性评价尺度。它表示系统、机器或零部件在规定的使用条件下使用时，在任意时刻正常工作的概率。一般地对可修产品的可靠度，若发生故障但因能在规定的时间内修复后又能正常 工作，从而使系统、机器或零部件处于正常工作的概率增大。系统长时间使用的平均有效度可以用时间系数加以表示，即：有效度：可工作时间可工作时间+故障停机时间六)重要度重要度是指系统或机器的某构成部份发生故障时，能引起系统或机器发生故障的 概率，可用下式表示：系统某部分故障引起系统故障次数 系统某部分的故障发生次数当 E =1 时，表示该构成部分发生故障时，系统必将丧失工作能力；当 E =0 时 表示该构成部分发生故障时，不影响系统正常工作；当 E 在(0，1)区间变化时， 表示该构成部分发生故障时，系统以相应的概率发生故障。结论近年来，我国仪表业发展迅速，据统计资料显示，从我国仪表出厂到实现千亿元 产值，历时 55 年。第二个亿元仅用了3 年，这是我们值得骄傲和欣慰的，但是从另 一方面，我们又不得不看到我们的差距，据中国科协 2007 年 3 月发布的调查结果表 明：我国仪表在数量、技术、测量精度、产品的网络化等方面，与国外仪表仍存在着 较大的差距。重庆市科委 2007 年特别提出了“智能化仪器仪表的可靠性技术研究及 应用”，并要求重点研究我国仪表的可靠性技术及应用问题。通过查询资料，对仪器仪表可靠性原理及分析方法进行了论述，仪器仪表的可靠 性分析方法除了在本文中所采用的方法外，还有一些方法，如数据分析中的最小二乘 法。仪器仪表可靠性分析方面的工作还有很多，如无故障数据或间断数据的分析方法、 在实际使用中的风险系数估计及可靠性信息系统的建立，需要进一步完善。我国的仪 器仪表可靠性发展还有很长一段路需要走。参考文献1 李伯成编著嵌入式系统可靠性设计M.电子工业出版社，20062 李光辉，张培铭.智能化电器可靠性技术J.江苏电器.2001(01)3 华优基.仪表自动化可靠性问题探讨J.冶金自动化.1990(03)4 宋正海.可靠性技术在自动控制系统设计中的应用J.山东冶金.1995(05)5 杨培双.智能仪器硬件可靠性设计J.仪表技术.2009(03)