第3章可靠性设计.ppt

可靠性设计 王建文 一个例子：电力系统短期和长期可靠性 在世界范围内，电力系统发展的趋势是从垄断、独家经营到三级分离系统进化：发电企业、输电企业、配电企业。 通过输电网络的自由开放，可以降低用电价格并提高服务质量。 传输网络的可靠性成为电力系统稳定运行的关键。 传输网络的可靠性问题分为：短期可靠性和长期可靠性。 短期可靠性：目的是保持系统运行。通过监控系统运行状态和重新调度（减少拥堵、接入或退出），保持系统稳定性。 长期可靠性：目的是保证计划运行。通过估计系统长期运行的可靠度，如果可靠度不足，则提出提高可靠度的方法，如建立新的发电站和输电线路。 系统可靠度估计的一般过程 状态选择：确定组成系统所有元件的状态。假设每个元件仅有两个状态：up和down，所谓状态选择就是确定哪个元件处于up状态，哪个元件处于down状态。 状态估计：根据每个元件所处的状态，评估系统。了解系统处于何种状态：正常或者失效。 可靠度计算：得到系统的可靠度，评价可靠度是否满足要求。若不满足，则应提高各个元件的可靠度，从而提高系统的可靠度。 例一：两状态元件可靠度计算 λ为失效率；μ为维修率。 该元件在t时刻处于up状态和down状态的可靠度分别为： 例一：两状态元件可靠度计算 发电站的发电能力是60MW，可靠度为100%； 输电线路的输出电压低于50MW时，视为失效； 输电线路输送能力为70MW，其状态分为：up和down。线路的失效概率为3.65/年；修复率为365/年； 计算线路的不可靠度。 例一：两状态元件可靠度计算 初始状态1：t = 0，up；计算t = 1小时和t = 10年时系统的不可靠度。 例一：两状态元件可靠度计算总结 短期可靠度接近于其初始状态；长期可靠度与初始状态无关。 短期可靠度研究的时间跨度短，所以元件的状态改变比较小。所以当前状态是短期可靠度的一个比较直观的标杆。 长期可靠度研究的时间跨度长，其期间元件的状态可能经过多次改变。所以当前状态与长期可靠度无关。 由此短期可靠度和长期可靠度研究的目的出现不同：短期可靠度研究系统的安全性(security)；长期可靠度研究系统的可行性(adequacy)。 为什么要研究可靠性 许多新元件、新材料、新工艺等未及成熟试验就被采用。 系统复杂，零部件数量增加，致使发生故障的机会增多。（如1986. 1.28挑战者号火箭燃料箱密封装置低温下腐蚀疲劳失效；1984波音747尾翼隔板疲劳断裂坠毁，521人死亡。） 产品责任诉讼判决的赔偿额越来越大，甚至一次责任赔偿可能使一个工厂破产。（2010年BP在墨西哥弯海洋钻井平台油管爆炸沉没，油井防喷阀门失效造成海面污染，面临数百亿美元的经济索赔和善后。） 产品或系统可靠性的提高可获得较大的经济效益和社会效益。（一台30万kW汽轮发电机组因叶片失效被迫停机1天，直接损失超过100万元，间接损失超过2000万元。 可靠性是产品市场竞争的重要指标，是影响产品价格的重要因素，是投标和验收的重要内容。 什么是可靠性？ 可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。 产品泛指任何系统、设备、元器件。 规定条件包括使用时的环境条件和工作条件。 规定时间是指产品规定了的任务或服役时间。表明产品功能在时间上的稳定程度，是区别与其它功能属性的重要特征。 规定功能是指产品规定了的必须具备的功能及其技术指标。 可靠性工程、可靠性数学、可靠性物理、可靠性管理。 可靠性指标（特征值） 可靠度（Reliability） 累积失效概率或不可靠度（Failure Rate） 平均寿命（Mean Life） 有效寿命（Useful Life） 维修度（Maintainability） 有效度（Availability） 重要度（Importance） 统称“可靠度尺度”。采用可靠度尺度，可以在设计和生产时用数学方法计算和预测，还可以用试验方法评定产品或系统的可靠度。 可靠度R(t)和累积失效概率F(t) 产品可靠度R(t) = P(Tt)，对于不可修复产品，可靠度是指到规定的时间区间终了为止，能完成规定功能的产品数与在该时间开始是投入工作的产品数之比。 若有一批数量为n的相同产品，在t = 0开始工作，随着时间的推移，失效件数nf(t)不断增多，而能正常工作的件数ns(t)在不断减少，则产品在任意时刻t可靠度的观测值为 失效密度f(t) 失效密度f(t)的观测值：产品在t到t +Δt的时间间隔内，单位时间的失效频率。 失效率λ(t) 失效率（故障率），表示产品已经工作到t时刻的条件下，在下阶段Δt的单位时间内发生失效的条件概率。 平均寿命 平均寿命：一批类型、规格相同的产品从投入运行到发生失效的平均工作时间。 平均寿命是寿命T这个随机变量的数学期望E(T)。 可靠性特征量间的关