CNS 14789-2003 Guideline for reliability analysis《可靠度分析指导纲要》.pdf
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1、 1 印行年月 94 年 10 月 本標準非經本局同意不得翻印 中華民國國家標準 CNS 總號 類號 ICS 03.120.30 Z406314789經濟部標準檢驗局印行 公布日期 修訂公布日期 92 年 11 月 27 日 年月日 (共 64 頁 )可靠度分析指導綱要 Guideline for reliability analysis 目 錄 頁數 1. 適用範圍 - 3 2. 可靠度分析概念 - 3 2.1 可靠度表示方法 - 3 2.2 可靠度函數、失效時間機率密度函數及失效率函數之關係 - 4 2.3 本標準涵括內容 - 5 3. 用語釋義 - 6 3.1 機件與次系統 - 6 3.
2、2 設備 - 6 3.3 失效 - 6 3.4 失效率 - 6 3.5 可靠度 - 6 3.6 不可靠度 - 6 3.7 信賴水準 - 7 3.8 信賴界限 - 7 3.9 機率密度函數 - 7 3.10 機率質點函數 - 7 3.11 累積分配函數 - 7 3.12 複聯 - 7 3.13 串聯系統 - 7 3.14 並聯系統 - 7 3.15 可靠度模式 - 7 3.16 平均失效時間 - 7 3.17 平均失效間隔時間 - 7 3.18 抽樣計畫 - 7 4. 主要內容 - 7 4.1 可靠度試驗評估 - 7 4.1.1 概述 - 7 4.1.2 二項分配失效型產品之可靠度評估 - 8
3、4.1.3 指數分配失效型產品之可靠度評估 -10 2 CNS 14789, Z 4063 4.1.5 韋氏分配失效型產品之可靠度評估 - 18 4.2 系統可靠度分析 - 24 4.2.1 概述 - 24 4.2.2 原理 - 24 4.2.3 公式與方法 - 24 4.2.4 步驟 - 27 4.2.5 應用實例 - 27 4.3 強度應力分析 - 36 4.3.1 概述 - 36 4.3.2 原理 - 36 4.3.3 公式與方法 - 37 4.3.4 步驟 - 38 4.3.5 應用實例 - 38 4.4 可靠度抽樣計畫 - 40 4.4.1 概述 - 40 4.4.2 以指數分配為基
4、礎之抽樣計畫 - 41 4.4.3 以二項分配為基礎之抽樣計畫 - 51 4.4.4 以常態分配為基礎之抽樣計畫 - 54 5. 引用資料 - 55 6. 附表 - 56 3 CNS 14789, Z 4063 1. 適用範圍 本標準以應用統計理論與方法之可靠度實務技術為訂定內容,包括可靠度試驗評估 、 系統可靠度分析 、 強度與應力分析及可靠度抽樣計畫等項目,這些項目均是可靠度工作的一部分,且為業界常用者。 本標準適用於產品可靠度預估、可靠度驗證及可靠度允收或拒收之決定。其中各項目相互間配合關係與達到其適用目標之途徑,如圖 1.1可靠度分析指導綱要架構圖所示。 圖 1.1 顯示, 系統可靠度
5、分析係將產品中零組件、總成或產品分項之可靠度整合成為整體或全系統可靠度值的樞鈕,在可靠度設計工作中由強度與應力分析所獲得零組件、總成或分項等下層結構體之可靠度,可經由系統可靠度分析方法整合得到產品整體的可靠度。 可靠度試驗評估與系統可靠度分析之關係亦復如此,所不同的是可靠度試驗評估亦可直接應用於產品整體,此時則不需要 系統可靠度分析居間整合。圖 1.1 中可靠度抽樣計畫項目應用到可靠度試驗評估部分理論與方法,是可靠度鑑定試驗及可靠度允收試驗的統計計算基礎。 2. 可靠度分析概念 2.1 可靠度表示方法 可靠度係產品在特定的操作條件下與指定的工作時間內,能執行其預定功能的機率。此處所謂操作條件包
6、含工作上的控制、所承受負載及周遭環境之影響,執行其預定功能則包含正常運作及不失效之要求。 由於產品執行其功能之方式隨其工作形 式或居於最終成品或系統結構中之位階有所不同,所以產品可靠度有多種不同之表示方法,譬如開機後連續操作且可修理的產品如電腦、電冰箱等,可以用相鄰兩次失效之間正常操作時間之平均值表示,稱為平均失效間隔時間( Mean Time Between Failure, MTBF);至於不可修理的產品如一般乾電池、電燈泡、燈管等,則可用開機後連續操作至圖 1.1 可靠度分析指導綱要可靠度公式與方法產品系統之可靠度評估值可靠度抽樣計畫強度與應力分析 零件、總成或分項之可靠度分析值 韋氏分
7、配失效型產品之可靠度評估指數分配失效型產品之可靠度評估常態分配失效型產品之可靠度評估二項分配失效型產品之可靠度評估以二項分配為基礎的抽樣計畫以常態分配為基礎的抽樣計畫以指數分配為基礎的抽樣計畫 可靠度預估可靠度允收或拒收之決定可靠度驗證產品整體之可靠度分析結果 系統可靠度分析可靠度試驗評估 對數常態分配失效型產品可靠度評估零件、總成或分項之可靠度評估值 產品整體之可靠度評估值 鑑定允收試驗結果 4 CNS 14789, Z 4063 失效時間 之平均值表示,稱為平均操作至失效時間( MTTF, Mean Time To Failure);又譬如連續操作之電視機雖適合用 MTBF 表示,而其中的
8、電阻、電容等單一零件則適合以失效率( Failure rate)表示之。一次動作完成任務的產品(一次作用件)如安全氣囊、滅火器及軍用彈藥等,適合用累計操作次數中成功次數的比率或失敗次數的比率,來表示成功機率或失敗機率。表 2.1 所列即在表示這個概念。 表 2.1 依產品複雜度之可靠度表示方法 操作形式複雜程度 長任務時間連續操作(可修理) 短任務時間連續操作(可修理) 連續或間歇操作(不可修理) 一次作用件 (與時間無關) 複雜系統 ( AEG 數量 500以上) R(t) R(t) R(t) P(S) 簡單系統( AEG 數量小於 500 大於 10) R(t)或 MTBF R(t)或 M
9、TBFR(t)、 MTTF或 P(S) 模組、組件、零件( AEG數量等於 10 或更少) P(S)或P(F)=1-P(S) AEG( Active Element Group):主動元件組合,由一個控制或轉換能量的主動元件與其相互配合的若干被動元件所組成的集合,通常在產品操作 中用於執行特定的任務。 R(t) :任務時間為 t 時之可靠度 MTBF:平均失效間隔時間 MTTF:平均失效時間 P(S) :成功機率 P(F) :失敗機率 :失效率 2.2 可靠度函數、失效時間機率密度函數及失效率函數之關係 由可靠度之基本定義,若取 N 件相同試件作測試,測試中產品操作至時間為 t時,其可靠度為:
10、 N)t(Nt)t(RS用於試驗之試件總數時未失效之件數至時間 = 若該產品失效時間之機率密度函數為 f(t),則可導出下列重要關係 (參見附錄) : )t(R)t(RdtdR(t)f(t)(t) = (2.2-1) 5 CNS 14789, Z 4063 =t0 )d(-eR(t)(2.2-2) (2.2-1)式中之 (t)稱為失效率函數( Failure rate function),或稱瞬間失效率( Instantaneous failure rate),或以 h(t) 危害率函數( Hazard rate function)表示。對於連續操作型的產品而言,其 (t)隨時間之變動有遞減、
11、不變或遞增等不同形狀,分別代表產品壽命週期中之早夭期( infant mortality period)、使用期( useful life period)或磨耗期( wear out period)失效狀況。若失效時間分配呈常態分配,則 (t)隨時間之增加而遞增,稱為 IFR( Increasing Failure Rate) ,若失效時間分配呈指數分配,則 (t)為常數,稱為 CFR( Constant Failure Rate),若失效率函數 (t)隨時間之增加而遞減,稱為 DFR( Decreasing Failure Rate)。各種失效狀 況下之失效率函數 (t)、 機率密度函數 f
12、(t)及可靠度函數R(t)隨時間之關係如圖 2.1: 圖 2.1 失效率函數 (t)、機率密度函數 f(t)及可靠度函數 R(t),隨時間變動關係圖 2.3 本標準涵括內容 可靠度工作內容甚多,如圖 2.2 所示的 23 項工作中,本標準僅應用於其中部分項目。本標準系統可靠度分析及強度與應力分析為圖中設計與製造項下可靠度設計分析之部分內容;可靠度試驗評估為圖中試驗與驗證項下設計發展可靠度試驗、可靠度鑑定試驗及可靠度允收試驗之部分內容;可靠度抽樣計畫則係可靠度鑑定試驗及可靠度允收試驗之部分內容。 R(t) f(t) (t) DFR CFRDFR CFRIFR IFR t t t tttttt 6
13、 CNS 14789, Z 4063 圖 2.2 可靠度工作項目 3. 用語釋義 為本標準之目的,特整理本標準常用之名詞與定義,如下: 3.1 機件 (Item)與次系統 (Subsystem) 機件係指產品內部各部分,其討論之對象可為產品系統之總成、模組或零件。次系統則特指一產品系統中的第一層級之組合項目,譬如電腦系統中包括之次系統有主機、監視器、印表機等。 3.2 設備( Equipment) 由一個至多個機件組成之產品,至少具備一項指定的功能。 3.3 失效( Failure) 使得設備或設備中的機件停止執行或不能執行其預定功能之狀態。 3.4 失效率( Failure rate) 失效
14、率為失效率函數之簡稱,是危害率函數的同義詞,依據公式之導出,失效率係機件在截至時間 t 未失效之條件下,在 t 的瞬間失效之發生率,亦稱瞬間失效率。當失效率為常數時,則以每單位時間的平均失效次數表示之,通常以來表示。 3.5 可靠度( Reliability) 可靠度係產品在特定的操作條件下及指定的工作時間內,能執行其預定功能的機率。 3.6 不可靠度 (Unreliability) 不可靠度係產品在特定的操作條件下及指定的工作時間內,不能執行其預定功能的機率,可靠度與不可靠度之和為 1。 計畫與管理 生命週期訂定 環境需求訂定 可靠度目標訂定系統可靠度計畫訂定 整體試驗規劃 文件審查 可靠度
15、成長趨勢分析 計畫與管理 分系統、組件可靠度計畫訂定 設計與製造 試驗與驗證 設計發展可靠度試驗設計發展環境試驗 環境鑑定試驗 可靠度鑑定試驗可靠度允收試驗可靠度工作可靠度配置 可靠度設計準則建立可靠度設計分析 設計審查 可靠度預估 失效重現管制 可靠度模式建立 零件標準化 製程管制 7 CNS 14789, Z 4063 3.7 信賴水準( Confidence level) 指一項敘 述正確之可能性,在統計上係指所陳述之數值落在信賴界限( Confidence limit)內之機率。此信賴界限所含括之範圍稱之信賴區間( Confidence Interval)。 3.8 信賴界限( Con
16、fidence limit) 指信賴區間之界限。係統計量之真值以指定的機率存在於此一界限範圍內,此項機率即為信賴水準( Confidence level)。 3.9 機率密度函數( Probability density function, pdf) 連續隨機變數( Continuous Random Variable)在 (a,b)區間之機率可用()= ,可判定觀測值分配符合指數分配。 2. 本項試驗事先指定發生 60個失效時終止試驗,所以屬於第二類中途中止數據。 3. 為獲得平均失效間隔時間( MTBF)之 95%信賴區間,取 050.=。 4. 總試驗時間已於第 1.項算出,其值為 68
17、11.0( 100小時)。 5. 查2120,025.0 與2120,975.0 分別為: 72215121200250.,.= ; 1209121209750.,.= 6. 應用表 4.1之公式,求得 MTBF之 95%區間的上、下界限為: 788972215168112.)(MTBFL= 501491209168112.)(MTBFU= 7. 由 )exp()t(RMTBFt= ,則可求 任務時間為 1,000小時之可靠度點估計值為 9157010516711310.)exp()(R.= 又分別以 MTBF之上、下限代入,可求得任務時間為 1,000小時之可靠度的 95%信賴區間為 ()
18、()() ()ULULR.)(R.RR).(exp)(R).(expR109350108950101050149101078891010=或 R(10)L=0.895 R(10)U=0.935 14 CNS 14789, Z 4063 4.1.4 常態分配失效或對數常態分配失效型產品之可靠度評估 4.1.4.1 原理 機械及機電產品之磨耗失效數據顯示,其失效時間近似常態分配。設此失效時間為 t,其常態分配之平均數為 ,變異數為2 (或標準差為 ),則當此產品任務時間為 to時其不可靠度值為: 0t 0, ,-,de)t(F0t 或)t(P )。 4.1.4.5 應用實例 4.1.4.5.1 常
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