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1、第三章第三章 可靠性数据的收集与分析可靠性数据的收集与分析第一节第一节 可靠性数据收集与分析的概念可靠性数据收集与分析的概念第二节第二节 可靠性数据收集的内容与方法可靠性数据收集的内容与方法第三节第三节 可靠性数据的图形分析可靠性数据的图形分析1第一节第一节 可靠性数据收集与分析的概念可靠性数据收集与分析的概念一、可靠性数据的概念及其统计特性一、可靠性数据的概念及其统计特性1 1.随机性。2.统计性。3.代表性。随机样本，能代表其总体特性 可靠性数据在其寿命周期内还表现出其它特点：1.时间性：可靠性数据又多是用时间来描述的这里的时间是广义的。2.有价性：可靠性数据的有价性表现在收集的高代价和使
2、用的高价值两方面。3.时效性4.可追溯性2二、可靠性数据收集与分析的二、可靠性数据收集与分析的地位和作用地位和作用（1）在开发研制阶段 收集分析同类零部件的失效数据可以为产品的改进和定型提供科学的依据；(2)在生产制造阶段 定期抽取样品进行试验，可以动态反映产品的设计和制造水平，有利于产品质量的控制；(3)在产品使用阶段 收集分析产品的实际使用和维修数据，真实反映产品的可靠性水平，可以为老产品的改进和新产品的研发提供最为权威的信息。3三、可靠性数据收集与分析的三、可靠性数据收集与分析的目的和任务目的和任务 可靠性数据收集与分析的目的包括：1.为产品改进和可靠性提高提供必要信息。2.根据可靠性试
3、验数据，改进产品的设计、制造工艺，提高可靠性，并为新技术的研究，新产品的研制提供信息。3.改进产品维修性，提高产品的质量。4.根据可靠性数据预测系统的可靠性和维修性，开展系统的可靠性和维修性设计。5.根据可靠性数据进行产品可靠性分析及参数评估。4 不同阶段有不同的不同阶段有不同的任务任务:1.在研制设计阶段进行可靠性增长试验时，根据试验数据对参数进行评估，分析发生故障的原因，找出最薄弱环节，提出改进方案，以求产品可靠性逐步增长。2.在投入生产制造阶段前，根据可靠性试验结果，评估可靠性水平是否达到设计标准。3.在生产制造阶段，验收试验。4.在投入市场早期，注重现场可靠性数据收集与分析，找出产品出
4、现故障主要早期原因，进行改进，加强可靠性管理，降低产品的早期故障率，提高可靠性。5.在产品使用中，定期对产品进行可靠性分析与评估，最终使产品达到用户的要求。5u 在产品寿命周期的不同阶段，根据可靠性数据收集和分析的目的制定可靠性工作的任务，获取所需要的可靠性数据和结果，为以后的可靠性研究打下基础。据美国政府工业数据交换网调查，工程师通常需要花费他们研究时间的2030%来获得必要的可靠性数据，而且往往是不成功的，而利用数据交换网，就可以方便地获得所需要的数据。有资料表明，美国一个较大的企业，全面利用数据交换网的数据，一年可以节省200万美元以上。我国的可靠性数据交换网与国外的先进水平存在很大差距
5、，在传输速度和准确性方面有待加强 6四、可靠性数据信息与可四、可靠性数据信息与可靠性信息系统管理靠性信息系统管理 A类信息是具体数据，包括：质量认证数据，质量评估数据，失效率数据，寿命试验数据，可靠性筛选数据，储存试验数据，现场使用数据等。B类信息是可靠性文献资料，包括：可靠性试验报告、故障分析报告、可靠性标准和规范、可靠性技术文献、可靠性研究报告和技术成果，主要产品型号、规格、性能和生产厂家等。71 可靠性信息的特征可靠性信息的特征（1）分散性与相关性（2）发生的随机性和度量 的时间性（3）潜在的价值性（数据挖掘）（4）继承性和时效性图3-1 可靠性信息系统示意图82.2.可靠性信息管理可靠
6、性信息管理 可靠性信息管理的可靠性信息管理的主要任务主要任务包括：包括：（1 1）收集、分析、处理和积累可靠性信息，包括可靠性试）收集、分析、处理和积累可靠性信息，包括可靠性试验数据、现场使用数据和有关报告、文献和各种数据库提验数据、现场使用数据和有关报告、文献和各种数据库提供的数据；供的数据；（2 2）对可靠性数据按不同类别进行传递、反馈，使数据在）对可靠性数据按不同类别进行传递、反馈，使数据在可靠性工程中发挥作用；可靠性工程中发挥作用；（3 3）定期提出质量动态分析报告；）定期提出质量动态分析报告；（4 4）对产品进行初步分析，提出改进措施；）对产品进行初步分析，提出改进措施；（5 5）指
7、导质量统计员的业务活动，健全企业的数据反馈网。）指导质量统计员的业务活动，健全企业的数据反馈网。9 3.根据失效信息，按以下程序进行失效分析：根据失效信息，按以下程序进行失效分析：（1）失效调查与实施；（2）工程分析；（3）统计分析。波音和空客与与航空公司、设备供应商以及美国航空运输协会（ATA）一起，自1997年以来，共同开发行业标准数据交换协议，以便于收集收集和交换可靠性和维修数据。新ATA标准强调所有的的数据都以统一的的形式定义，在一些中立的的平台上运行，向航空公司和供应商开放，无论在办公室、外场、车间或驾驶舱都可使用这些数据。10我国北京机科易普可靠性数据库软件11失效案例12模具失效
8、案例13查询14例3-1 汽车可靠性数据收集与分析 根据汽车可靠性试验数据的特点，应用数据库理论，建立汽车可靠性试验的数据收集与分析系统，说明数据库的结构及其功能，对汽车可靠性试验数据的分析方法进行探讨。汽车可靠性试验数据库的建立参考国家汽车质量监督检验测试中心对汽车行业进行的15000km整车质量抽查试验的内容。汽车可靠性行驶里程分配如下：一般公路：2500+12500C1;山路:12500C2;高速公路：12500C3;强化环路：12500C4。其中C1、C2、C3、C4分别为试验场定型可靠性试验规程规定的基本型车定型可靠性行驶里程中的一般公路、山路、高速路、强化环路所占的比例。15汽车可
9、靠性数据来源于两大类：一类是描述汽车特性的，如产品名称、车牌号、车型等，表示汽车某一方面的特征；另一类是描述故障特性的，如故障部位、故障模式、排除故障措施等，表示故障某一方面的特征。如野马牌某车型的数据为例：表3-1 野马牌某车型的故障数据表整车特性故障特性产品名称 轻型客车故障部位油底壳车牌号野马故障模式漏油车型号SQJ6481B故障类别3生产厂家 四川汽车工业集团 故障里程/km2584.6质量等级 合格故障排除措施 更换密封垫 根据上述数据建立汽车可靠性数据库，编制相应管理程序。形成完整数据库系统，可实现数据输入、检索、维护等一系列功能。16第二节第二节 可靠性数据收集的内容与方法可靠性
10、数据收集的内容与方法一、可靠性数据收集的基本要求和内容1可靠性数据收集的基本要求（1）真实性。（2）连续性。（3）完整性。2可靠性数据收集的内容（1）收集对象：如产品、系统、材料、零部件等具体事项；（2）环境影响：如温度、湿度、地区、工作环境等影响；（3）使用条件：如应力大小、人机界面、维修情况及效果等条件；（4）失效状况：如故障性质、失效时间、寿命数据等信息。17二、可靠性数据收集的方法二、可靠性数据收集的方法（1）直接收集法。（2）调查表法。（3）定期反馈法。（4）可靠性实验法。1实验室数据的收集（1）实验室数据收集目的与特点 然而实验室的可靠性试验不同于一般的功能试验或现场试验，具有以下
11、特点：1）破坏性项目比较多。2）试验时间长。3）试验条件设定困难。4）样本数量较大。5）重视故障分析。18（2 2）可靠性试验的类型）可靠性试验的类型 1）摸底 2）鉴定 以判断设计和生产工艺是否符合可靠性要求，发现在设计、材料和工艺方面的各种缺陷。3）验收 判断产品是否符合或达到可靠性水平规定的指标（定量要求），是否满足用户需求，以使用户决定是否接受产品。同时预测产品或系统的可靠度，为改善设备完好率，降低失效率，减少维修费用和保障费用提供理论依据。19正因为可靠性试验的上述目的，所以可靠性试验有很多种类型方法，按试验目的可以分为两大类四种类型（图3-2）。环境应力筛选环境应力筛选可靠性试验可
12、靠性试验统计试验统计试验工程试验工程试验可靠性增长可靠性增长可靠性鉴定可靠性鉴定可靠性验收可靠性验收图图3-2按试验目的进行的可靠性试验分类按试验目的进行的可靠性试验分类20可靠性试验按破坏性质也能分成可靠性试验按破坏性质也能分成两大类四种类型两大类四种类型（图（图3-33-3）。）。加速性试验加速性试验可靠性试验可靠性试验非破坏试验非破坏试验破坏性试验破坏性试验非加速性试验非加速性试验抽样试验抽样试验全数试验全数试验图3-3破坏性质进行的可靠性试验分类21 由于可靠性试验的目的不同，实验室数据收集的由于可靠性试验的目的不同，实验室数据收集的程序也有所不同，但一般情况下可以把其流程归程序也有所
13、不同，但一般情况下可以把其流程归纳为图纳为图3-4。图图3-4实验室数据收集的程序实验室数据收集的程序明确数据目的明确数据目的进行试验设计进行试验设计实施可靠性试验实施可靠性试验比较试验结果比较试验结果提出问题提出问题可靠性数据库可靠性数据库数据分析与应用数据分析与应用22（3）实验室数据收集的程序）实验室数据收集的程序 1）明确数据目的）明确数据目的 2）进行试验设计）进行试验设计 制定可靠性试验工作的细节和方案包括：a.查询可靠性信息 b.试验条件的确定 c.试验设备的准备 3）实施可靠性试验）实施可靠性试验 a.精心管理试验设备，维持其功能以保持试验条件稳定。b.严格控制可靠性试验工作条
14、件，确保其稳定在规定范围内。c.加强可靠性管理与进度控制以及试验操作人员的管理工作。d.做好可靠性试验的数据记录。特别注意记载由试验人员，试验设备等引起的故障，以及外部干扰引起的故障。4）比较试验结果）比较试验结果 通过可靠性试验可取得一系列信息及相应数据，比较试验结果与试验目的要求是否相符。如果不相符，则要分析问题，提出改进措施，并进一步作可靠性试验。如果相符，则继续进一步开展数据分析。232现场数据的收集现场数据的收集（1）现场数据收集的目的 1）验证产品的可靠性指标。2）发现产品实际存在的缺陷。3）比较实验室试验数据，验证实验室模拟环境和应力条件是否合理（2）现场数据收集的特点 1）综合
15、性。2）真实性。3）经济性。24第三节第三节 可靠性数据的图形分析可靠性数据的图形分析2591013181071819010058401080604020100%20605040300频数频数累 计 百分比表面表面尺寸尺寸形状形状未充未充气孔气孔其它其它 图图3-5铸造缺陷主次图铸造缺陷主次图项目项目一、故障数据的排列图分析一、故障数据的排列图分析 排列图的基本形式如图3-5所示 共有两个纵坐标和一个横坐标，若干个直方图和一条由左向右逐步上升的折线。左边的纵坐标表示频数（如失效故障数等），右边的纵坐标为频率（用百分比表示），横坐标表示影响故障的各个原因，按影响的大小从左到右排列。直方图的高度表
16、示某一原因影响的大小，折线表示各影响原因大小的累积百分数。这条折线又称巴雷特曲线。26n 在排列图中，通常按累计百分数把影响原因，根据重要程度分为A、B、C三级：A级：在排列图中占比例最大，约占累计频率的7080%，是引起失效的主要因素。B级：在排列图中比例很小，除去A级的所占频率，占剩余累计频率的95%，是次要因素。C级：在排列图中比例最小，是除去A、B级剩余的部分是部分因素。27二、故障数据的因果图分析 树干导致的结果是故障，各大树枝上的原因都是造成故障的原因，而大树枝上的原因又是小树枝上所列原因造成的。u由于因果图是对某一失效故障进行分析，所以做因果图应当注意：（1）所要分析的失效故障应
17、提得尽量具体，一种故障应做一张因果图。（2）作图时除主要设计人员，试验人员外，还应吸收有关人员参加并充分发表意见，特别应当重视现场人员的意见，分析应尽可能深入细致。（3）各种原因归类要注意合理恰当，分析出的主要原因应当作标记，通过试验进行验证并到现场调查后提出改进措施。28例例3-2对于某轴承光洁度达不到指定要求而做出的按对于某轴承光洁度达不到指定要求而做出的按工序分类的因果图。工序分类的因果图。轴轴承承光光洁洁度度达达不不到到要要求求图图3-6按工序分类的因果图按工序分类的因果图乳化液乳化液牌号牌号成分成分刀具刃损刀具刃损扩孔扩孔车车下料下料研磨剂研磨剂技术技术磨孔磨孔调调 治治铰孔铰孔硬度
18、低硬度低刀痕刀痕有裂纹有裂纹走偏走偏乳化液乳化液钻孔钻孔材料材料刀具磨损刀具磨损技术技术29 因果分析图与排列分析图各有侧重点，要优势互补，配合使用，其效果将更佳，往往能取得事半功倍、意想不到的结果。30三、故障数据的直方图分析三、故障数据的直方图分析（1）在收集到的一批数据中，找出数据的最大值Xmax和最小值Xmin。（2）确定区间个数。直方图的区间个数大约为 并取整数，其中 N为数据的个数（3）确定区间间隔C。区间间隔C为极差除以 ，得到一个近似的值，然后圆整取1，2，5乘以 （a=1，2，）。（4）确定各区间边界，令Xmin一最小分辨值的一半为起始边界，逐次增加区间间隔C,以此类推逐步确
19、定各区间的边界值。31（5）计算各区间的中心值，各区间中心值ti=（上限+下限）/2。（6）计算落入各区间的频数，并检验频数的总和应等于数据的总数。（7）计算样本平均值为 。（8）计算样本标准差 。（9）根据频率分布作出直方图。32例例3-3 表表3-2中列出了中列出了100台某品牌电风扇的转动寿命台某品牌电风扇的转动寿命试验数据，做出直方图。试验数据，做出直方图。表3-2某品牌电风扇的转动寿命试验数据6445318363615336193347997082524347755276241934770846365563821575181225164706271733881685261716475
20、41629664557261726114423967655364592972666754586742643443586742566071524352703562235420766862808134446233（1）找出最大值为Xmax=99和最小值Xmin=1，R=Xmax-Xmin=98；（2）确定区间个数 10，由于 ，取区间的间隔位C10；（3）确定的起始边界值为1-0.5=0.5；（4）根据起始边界值和区间间隔C计算各区间边界值和中心之列于表3-3（5）样本均值为=56.64；（6）样本标准差为=18.47；（7）所做出的直方图如图3-7。34表表3-3边界值和区间间隔边界值和区间间隔
21、C的计算的计算各区间顺序号各区间边界值各区间中心值落在各区间频数10.510.55.5210.520.515.5320.530.525.5430.540.535.5540.550.545.512650.560.555.519760.570.565.530870.580.575.512980.590.585.51090.5100.595.5合计10035Cf：与第二章失效频率直方图的区别(例2-1)36四、故障数据的概率图分析四、故障数据的概率图分析37 概率坐标图纸是一种特殊设计的坐标纸，它与普通坐标纸不同。不同的概率分布在普通坐标纸上描绘出的图形是不同形状的曲线，而不同概率分布在相应的概率坐
22、标图纸上作图则是一条直线。这是因为概率纸的坐标刻度是不均匀的，制作时的原则是进行适当的坐标变换，使在原坐标系中呈曲线的累计概率分布函数在变换后的概率坐标中呈直线形 38概率图分析法就是使用各种概率坐标图纸进行分析。这个方法的优点是简单、方便和直观，缺点是精度低。一般概率纸的横坐标表示观测到的数值，纵坐标表示累积分布函数值，即累计失效概率。应用概率图法进行分析前，先要把收集到的数据画在概率纸上，并作出经验分布曲线，其步骤和方法如下：39（1）观测数值排序。将一组观测到的数值按）观测数值排序。将一组观测到的数值按照由小到大的次序排队为照由小到大的次序排队为 。（2）对应累计分布函数）对应累计分布函
23、数 ，选用累计分布，选用累计分布函数有多种，常用的公式：函数有多种，常用的公式：平均秩：平均秩：中位秩：中位秩：众数：众数：40 式中i表示第i个数据见表3-4。注意此处的中位秩为近似值，实际应用时应查中位秩表。上述三个公式在n比较大时，数值十分接近，但当 时，宜选平均秩。表3-4 观测数值与对应的累积分布函数 表顺序号顺序号i12N41（3）绘点画线将数 ，依次画在相应的概率纸上，并连接成分布曲线，如图3-8所示。42（4）分析分布曲线。如果在正态概率纸上，该线近似于直线，则母体为正态分布。如果在威布尔概率纸上，该线近似于直线，则母体为威布尔分布，如果在该概率纸上不近似呈一条直线，数据可能不
24、属于该分布，或其他不正常原因，需仔细查找才能做出判断。（5）进行点估计。根据各概率分布概率纸的特性可以进行均值、方差以及分布函数的参数估计。43（6）置信区间估计。根据百分位秩，可以得）置信区间估计。根据百分位秩，可以得到到 的置信上限的置信上限 和置信下限和置信下限 ，连接连接 和和 可以得到分布函数曲线可以得到分布函数曲线 的置信上限曲的置信上限曲线线U(t)和置信下限曲线和置信下限曲线L(t)。这两条曲线类。这两条曲线类似于双曲线，两条曲线之间的带形域则构似于双曲线，两条曲线之间的带形域则构成该分布的置信区间如图成该分布的置信区间如图3-9所示。所示。4445例3-4 对某零件以两倍于规
25、定条件的应力进行加速寿命试验，已知n=10发生的故障时间（以100小时计）：0.2，0.35，0.5，0.7，0.9，1.3，1.5，1.8，2.5，3.0，利用威布尔概率纸法求估计值 。表3-5数值表46解：查中位秩表得到 如表3-5，将数据点 ，依次画在威布尔概率纸上，分析得该线近似于直线，则此分布为威布尔分布。该直线的斜率为威布尔分布的形状参数 的估计值 =1.452。47minitab作图48外推求的尺度参数外推求的尺度参数 的估计值的估计值 =1.41x100=141h 读取读取 和和 分别为分别为0.941，0.787。则则 （h），），（h）。）。492.应用前提应用前提:非截尾分布非截尾分布 完全数据完全数据50512.3.2 不完全数据52535455