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第四節(jié)系統(tǒng)可靠性分析,可靠性技術(shù)原本是為了分析由于機械零部件的故障，或人的差錯而使設(shè)備或系統(tǒng)喪失原有功能或功能下降的原因而產(chǎn)生的學科?？煽啃苑治鲈诎踩到y(tǒng)工程中占有很重要的位置。,一、基本概念,1.可靠性、可靠度:R(t)可靠性是指系統(tǒng)、設(shè)備或元件等在規(guī)定的時間內(nèi)和規(guī)定的條件下，完成其特定功能的能力；可靠度是指系統(tǒng)、設(shè)備或元件等在預期的使用周期（規(guī)定的時間）內(nèi)和規(guī)定的條件下，完成其特定功能的概率；2.維修度:M(τ)是指系統(tǒng)發(fā)生故障后在維修容許時間內(nèi)完成維修的概率3.有效度:A(t,τ)是指對于可修復系統(tǒng)在規(guī)定的使用條件和時間內(nèi)能夠保持正常使用狀態(tài)的概率。,提高可靠度的途徑：提高系統(tǒng)的可靠度；提高系統(tǒng)的維修度,二、可靠度、維修度、有效度的常用度量指標,1.平均無故障時間（MTTF）是指系統(tǒng)由開始工作到發(fā)生故障前連續(xù)正常工作的平均時間……度量不可修復系統(tǒng)的可靠度；2.平均故障間隔時間（MTBF）是指可修復系統(tǒng)發(fā)生了故障后經(jīng)修理后仍能正常工作，其在兩次相鄰故障間的平均工作時間；3.平均故障修復時間（MTTR）是指可修復系統(tǒng)出現(xiàn)故障到恢復正常工作平均所需的時間。,三、可靠度函數(shù)與故障率,在一定的使用條件下，可靠度是時間的函數(shù)；設(shè)可靠度為R(t)，不可靠度為F(t)，則：R(t)+F(t)=1故障概率密度函數(shù)：f(t)=dF(t)/dt故障率,元件壽命周期的故障率，與該元件所處的壽命階段密切相關(guān)。如圖所示，由于曲線形似浴盆，故俗稱浴盆曲線。該曲線表明，在元件或系統(tǒng)的壽命周期初期，因系統(tǒng)需磨合，因此故障率較高；壽命周期的后期，則因系統(tǒng)部分元件的磨損使故障率也明顯提高；而中期階段則故障率較為穩(wěn)定。,四、系統(tǒng)可靠度計算,系統(tǒng)的可靠度一方面取決于各子系統(tǒng)本身的可靠度，同時還取決于各子系統(tǒng)間的作用關(guān)系。1.串聯(lián)系統(tǒng)是指系統(tǒng)中任何一個子系統(tǒng)發(fā)生故障，都會導致整個系統(tǒng)發(fā)生故障的系統(tǒng)。提高串聯(lián)系統(tǒng)可靠度的途徑1）提高各子系統(tǒng)的可靠度；2）減少串聯(lián)級數(shù)；3）縮短任務(wù)時間。,為了提高系統(tǒng)的可靠性，通常需要使系統(tǒng)的部分子系統(tǒng)乃至全部子系統(tǒng)有一定數(shù)量貯備，利用貯備提高系統(tǒng)可靠性最常用的辦法就是采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。2.并聯(lián)系統(tǒng)1）熱貯備系統(tǒng)（冗余系統(tǒng)）是指貯備的單元也參與工作，即參與工作的數(shù)量大于實際所必須的數(shù)量，這種系統(tǒng)又稱冗余系統(tǒng)。冗余技術(shù)一般是采用降額等其他方法不能滿意地解決系統(tǒng)安全問題，或當改進產(chǎn)品所需的費用比采用冗余單元更多時采用的方法。采用冗余設(shè)計是以增加費用為代價來提高系統(tǒng)的安全性和可靠性的。,設(shè)系統(tǒng)各個單元的可靠性是相互獨立的，各單元的不可靠度分別為F1、F2、F3、……、Fn，根據(jù)概率乘法定理可得系統(tǒng)不可靠度:,系統(tǒng)可靠度：,熱貯備系統(tǒng),冗余系統(tǒng)設(shè)計時需注意的問題,冗余度的選擇；冗余級別的選擇,2）冷貯備系統(tǒng)是指貯備的單元不參加工作，并且假定在貯備中不會出現(xiàn)失效，貯備時間的長短不影響以后使用的壽命。若所有部件的故障率均相等且為λ則系統(tǒng)的可靠度為:,系統(tǒng)的平均壽命:,冷貯備系統(tǒng),冷儲備系統(tǒng)的平均壽命是各單元平均壽命的總和。,3.復雜系統(tǒng)有一汽車的制動系統(tǒng)可靠性聯(lián)接關(guān)系如圖；組成系統(tǒng)各單元的可靠度分別為R(A1)=0.995；R(A2)=0.975；R(A3)=0.972；R(B1)=0.990；R(B2)=0.980；R(C1)=R(C2)=R(D1)=R(D2)=0.980；求系統(tǒng)的可靠度。,汽車制動系統(tǒng)可靠性聯(lián)結(jié)框圖,五、人的工作可靠度預測,1.人在工作中的差錯很多，歸納起來不外乎以下五類：未履行職能；錯誤地履行職能；執(zhí)行未賦予的分外職能；按錯誤程序執(zhí)行職能；執(zhí)行職能時間不對。2.人的差錯概率人的工作可靠度與人的工作差錯概率是互逆的，所以人的工作可靠度可用人的工作差錯概率來計算：,e、E獲得途徑：收集緊急狀態(tài)時的全部運轉(zhuǎn)記錄；收集全部正常業(yè)務(wù)、保養(yǎng)、校正、定期檢驗、啟動停止時人的差錯記錄；引起差錯的具體條件；收集模擬的正常業(yè)務(wù)非正常業(yè)務(wù)方面的人的差錯的潛在來源；專家的經(jīng)驗判斷。3.計算人的工作可靠度的差錯概率法—概率樹圖程序：明確系統(tǒng)故障的判定標準；進行作業(yè)分析，評價基本動作間的相互關(guān)系；估計人的差錯概率；求系統(tǒng)故障率，評價人的差錯對系統(tǒng)故障的影響；重復以上步驟改進人機系統(tǒng)的特征值，直到達到可允許的范圍。,第五節(jié)、預先危險性分析（PHA）,預先危險性分析是指在一個系統(tǒng)或子系統(tǒng)（包括設(shè)計、施工、生產(chǎn)）運轉(zhuǎn)活動之前，對系統(tǒng)存在的危險類別、出現(xiàn)條件及可能造成的結(jié)果，進行宏觀概略分析的一種方法。預先危險性分析的重點應(yīng)放在系統(tǒng)的主要危險源上，并提出控制這些危險源的措施。預先危險性分析的結(jié)果，可作為對新系統(tǒng)綜合評價的依據(jù)，還可作為系統(tǒng)安全要求、操作規(guī)程和設(shè)計說明書的主要內(nèi)容，同時預先危險性分析為以后要進行的其他危險分析打下基礎(chǔ)。,1.預先危險性分析的內(nèi)容（1）識別危險的設(shè)備、零部件，并分析其發(fā)生的可能性條件；（2）分析系統(tǒng)中各子系統(tǒng)、各元件的交接面及其相互關(guān)系與影響；（3）分析原材料、產(chǎn)品、特別是有害物質(zhì)的性能及貯運；（4）分析工藝過程及其工藝參數(shù)或狀態(tài)參數(shù)；（5）人、機關(guān)系（操作、維修等）；（6）環(huán)境條件；（7）用于保證安全的設(shè)備、防護裝置等。,2.預先危險性分析的步驟（1）調(diào)查、了解和收集過去的經(jīng)驗和同類生產(chǎn)中發(fā)生的事故情況。（2）確定危險源，并分類制成表格。危險源的確定可通過經(jīng)驗判斷、技術(shù)判斷或安全檢查表等方法進行。（3）識別危險轉(zhuǎn)化技術(shù)條件。研究危險因素轉(zhuǎn)化為事故狀態(tài)的觸發(fā)條件。（4）進行危險分級。目的是確定危險程度，提出應(yīng)重點控制的危險源。（5）制定危險預防措施。,預先危險分析程序,熟悉系統(tǒng),調(diào)查收集資料,系統(tǒng)功能分解,分析辨識危險源,確定危險等級,制定措施,措施落施,,,,,,,分析觸發(fā)事件,,危險等級參考,3.危險性控制危險性識別和等級劃分后，就可采取相應(yīng)的預防措施，避免它發(fā)展成為事故。采取預防措施的原則：先采取直接措施，即從危險源（起因）著手。其次是間接措施，如隔離、個人防護等。事故一旦發(fā)生，應(yīng)馬上采取措施，抑制事態(tài)發(fā)展，減輕危害的嚴重性。防止人的失誤。,4.危險性預先分析的特點：1）分析工作在活動之前，避免由于考慮不周造成的損失。2）對系統(tǒng)開發(fā)、初步設(shè)計、制造、安裝、檢修等做的分析步驟，可以提供注意事項及指導方針。3）分析結(jié)果可為制定標準、規(guī)范和技術(shù)文獻提供必要的資料。4）根據(jù)分析結(jié)果可以編制安全檢查表以保證實施安全、并可作為安全教育的材料。,第六節(jié)故障類型影響分析（FMEA）,FMEA、FMECA分析都是重要的系統(tǒng)安全分析方法。是通過識別產(chǎn)品、設(shè)備或生產(chǎn)過程中潛在的故障模式，分析故障模式對系統(tǒng)的影響，并將故障模式按其影響的嚴重程度進行分級?；舅悸肥遣扇∠到y(tǒng)分割的概念，根據(jù)實際需要、分析的水平，把系統(tǒng)分割成子系統(tǒng)或進一步分割成元件。然后逐個分析元件可能的故障和故障呈現(xiàn)的狀態(tài)（即故障類型），進一步分析故障類型對子系統(tǒng)的影響，最后采取措施解決。,第六節(jié)故障類型影響分析（FMEA）,FMEA是定性分析可對故障嚴重度進行分級；FMECA是在FMEA的基礎(chǔ)上，將識別出的故障模式按照其影響的嚴重程度和發(fā)生概率進行綜合分析。這種方法既可用于定性分析，又可以用于定量分析。FMECA具有風險評價的功能。,一、基本原理,與FMEA有關(guān)的基本概念故障：元件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)在規(guī)定期限內(nèi)和運行條件下未按設(shè)計要求完成規(guī)定的功能或功能下降。故障類型：是故障的表現(xiàn)形態(tài)，表述為故障出現(xiàn)的形式或?qū)Σ僮鞯挠绊?。故障原因：導致系統(tǒng)、產(chǎn)品故障的原因既有內(nèi)在因素也有外在因素；故障嚴重度：考慮故障所能導致的最嚴重的潛在后果，并以傷害程度、財產(chǎn)損失或系統(tǒng)永久破壞加以度量。嚴重度分級：按故障可能導致的最嚴重的潛在后果，分為四級。是衡量對系統(tǒng)任務(wù)、人員安全造成影響的尺度。,一、基本原理,FMEA嚴重度分級表,一、基本原理,系統(tǒng)或元件發(fā)生故障的機理十分復雜，故障類型是由不同故障機理顯現(xiàn)出來的各種故障現(xiàn)象的表現(xiàn)形式。一個系統(tǒng)或一個元件往往有多種故障類型。對產(chǎn)品、設(shè)備、元件的故障類型、產(chǎn)生原因及其影響及時了解和掌握，才能正確地采取相應(yīng)措施。掌握產(chǎn)品、設(shè)備、元件的故障類型需要積累大量的實際工作經(jīng)驗，特別是通過FMEA來積累經(jīng)驗。,二、故障類型影響分析程序,1.掌握和了解對象系統(tǒng)：分析之前必須掌握被分析對象的有關(guān)資料，以確定分析的詳細程度，確定對象系統(tǒng)的邊界條件；了解作為分析對象的系統(tǒng)、裝置或設(shè)備；確定分析系統(tǒng)的物理邊界；確定系統(tǒng)分析的邊界；收集元素的最新資料。2.對系統(tǒng)元素的故障類型進行分析找出所有的故障類型，盡可能找出每種故障類型的所有原因，然后確定系統(tǒng)元素的故障類型。,若分析對象是已有元素，則可以根據(jù)以往運行經(jīng)驗或試驗情況確定元素的故障類型；若分析對象是設(shè)計中的新元素，則可以參考其它類似元素的故障類型，或者對元素進行可靠性分析來確定元素的故障類型。一個元素至少有4種可能的故障類型意外運行；運行不準時；停止不及時；運行期間故障。根據(jù)故障原因分析，最后確定元素的故障類型。,確定元素故障類型程序框圖,3.故障類型的影響故障類型的影響分析是指在系統(tǒng)正常運行的狀態(tài)下，詳細地分析一個元素各種故障類型對系統(tǒng)的影響。分析故障類型的影響，通過研究系統(tǒng)主要的參數(shù)及其變化、故障后果的物理模型或經(jīng)驗來確定故障類型對系統(tǒng)功能的影響。故障類型的影響可以從下面3種情況來分析：1)元件故障類型對相鄰元素的影響。該元素可能是其他元素故障的原因；2)元素故障類型對整個系統(tǒng)的影響。該元素可能是導致或事故的原因；3)元素故障類型對子系統(tǒng)及周圍環(huán)境的影響。4.列出故障類型影響分析表根據(jù)故障類型和影響分析表，系統(tǒng)、全面和有序地進行分析。,三、應(yīng)用實例：,四、FMEA分析方法的特點：,（1）通過原因來分析系統(tǒng)的故障（結(jié)果），即用系統(tǒng)工程的方法，從元件的故障開始，從下向上逐次分析其可能的問題，預測整個系統(tǒng)的故障，利用表格形式，找出不希望發(fā)生的初始原因事件。（2）以功能為中心，以邏輯推理為重點，側(cè)重于建立上級與下級的邏輯關(guān)系的分析方法。（3）該方法適用于產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、裝備設(shè)計和預防等環(huán)節(jié)。,五、FMEA的目的和要求,搞清楚系統(tǒng)或產(chǎn)品的所有故障模式及其對系統(tǒng)或產(chǎn)品功能以及對人、環(huán)境的影響；對有可能發(fā)生的故障模式，提出可行的控制方法和手段；在系統(tǒng)或產(chǎn)品設(shè)計審查時，找出系統(tǒng)或產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)和潛在缺陷，并提出改進設(shè)計意見。或定出應(yīng)加強研究的項目，以提高設(shè)計質(zhì)量，降低失效率，或減少損失；必要時對產(chǎn)品供應(yīng)列入特殊要求，包括設(shè)計、性能、可靠性、安全性或質(zhì)量保證的要求；明確提出在何處應(yīng)制定特殊的規(guī)程和安全措施，或設(shè)置保護性設(shè)備、監(jiān)測裝置或報警系統(tǒng)；為系統(tǒng)分析、預防維修提供有用是資料。,六、致命度分析,1.定義：對系統(tǒng)進行初步分析后，其中后果特別嚴重，甚至造成死亡或重大財物損失的故障類型可以單獨拿出來進行詳細分析，這種分析的方法叫做致命度分析。2.目的：盡量消除致命度高的故障模式；當無法消除時，應(yīng)盡量從設(shè)計、制造、使用和維修方面降低其致命度的減少其發(fā)生的概率；根據(jù)故障模式不同的致命度，對其零部件或產(chǎn)品提出不同度量要求，以提高其可靠性和安全性。根據(jù)不同情況可采取對產(chǎn)品或部件的有關(guān)部位增設(shè)保護裝置、監(jiān)測預報系統(tǒng)等措施。,致命度等級與內(nèi)容,致命度分析的正確性取決于：分析者的水平可利用的信息,七、其它分析法,（1）因果分析（Cause-ConsequenceAnalysis）（2）危險性和可操作性研究（HazardandOperabilityAnalysis）（3）管理疏忽和風險樹（MORT）（4）共同原因故障分析（CCFA）（5）重大事故后果分析,因果分析法：把系統(tǒng)中產(chǎn)生事故的原因及造成的結(jié)果所構(gòu)成錯綜復雜的因果關(guān)系，采用簡明的線條加以全面表示的方法。因果（魚刺）圖是由原因和后果兩部分組成。一般情況下，可從人的不安全行為和物質(zhì)條件構(gòu)成的不安全狀態(tài)兩大因素中從小到大，從粗到細，由表及里，一層一層深入分析。因果分析圖的繪制方法,因果分析法,確定要分析的某個特定問題或事故，寫在圖的右邊，畫出主干，箭頭指向右端；確定造成事故的因素分類項目，如安全管理、操作者、材料、方法、環(huán)境等并畫出大枝；將上述項目深入發(fā)展，中枝表示對應(yīng)的項目造成事故的原因，一個原因畫出一枝，文字記在中枝線的上下；將上述原因?qū)訉诱归_，一直到不能再分為止；定因果魚刺圖中的主要原因，并標上符號，作為重點控制對象；注明魚刺圖的名稱。針對結(jié)果，分析原因；先主后次，層層深入,原因后果分析,危險性和可操作性研究,研究工藝狀態(tài)參數(shù)的變動、以及操作控制中偏差的影響及其發(fā)生的原因。特點是由中間的狀態(tài)參數(shù)的偏差開始，分別向下找原因，向上判明其后果，是故障模式及影響分析和事故樹方法的引伸。適用于連續(xù)性生產(chǎn)系統(tǒng)的安全分析與控制，流體或能量的流動情況分析，尤其是大型化工企業(yè)。,