可靠性概念.doc

第一部分 產(chǎn)品可靠性基本概念編講 楊志飛1 質(zhì)量定義為了某個目的而進(jìn)行的單項具體工作叫“活動”。活動需要“資源”，資源包括人員、設(shè)施、設(shè)備、技術(shù)、資金和時間。將輸入轉(zhuǎn)化為輸出的一組關(guān)聯(lián)的資源和活動稱“過程”。產(chǎn)品：ISO 9000定義為“活動或過程的結(jié)果”。產(chǎn)品可包括：硬件、流程性材料、軟件、服務(wù)或它們的組合；產(chǎn)品可以是有形的(如組件或流程性材料)，也可以是無形的(如知識或概念)或是它們的組合；產(chǎn)品可以是預(yù)期的(如提供給客戶的)或非預(yù)期的(如污染物或不愿有的后果)。(國內(nèi)曾經(jīng)把產(chǎn)品定義為：是指任何元器件、零部件、組件、設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)，可以指硬件、軟件或者兩者的結(jié)合。)硬件，是有形的、不連續(xù)的、具有特定形狀的產(chǎn)品，通常由制造的、建造的和裝配的零件、部件或(和)組件組成。流程性材料，是由固體、氣體、液體或由它們的組合所組成，經(jīng)轉(zhuǎn)換形成的產(chǎn)品(最終產(chǎn)品或中間產(chǎn)品），通常由管道、桶、袋、罐或以卷的形式交付。軟件，是通過支持媒體表達(dá)的信息所構(gòu)成的一種智力創(chuàng)作。服務(wù)，是為滿足顧客的需要，供方和顧客之間接觸的活動以及供方內(nèi)部活動產(chǎn)生的結(jié)果。整機(jī)：是指產(chǎn)品的部分內(nèi)涵，即產(chǎn)品中設(shè)備以上的部分。系統(tǒng)：能夠完成某項工作任務(wù)的設(shè)備、人員及技術(shù)的組合。一個完整的系統(tǒng)應(yīng)包括在規(guī)定的工作環(huán)境下，使系統(tǒng)的工作和保障可以達(dá)到自給所需的一切設(shè)備、有關(guān)的設(shè)施、器材、軟件、服務(wù)和人員。分系統(tǒng)：在系統(tǒng)中執(zhí)行一種使用功能的組成部分。如數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)、制導(dǎo)分系統(tǒng)等。請注意：組件多數(shù)可以看作整機(jī)，有時也當(dāng)作元器件，在高度集成的器件中，往往包含了整機(jī)的模塊，現(xiàn)代的部件往往也做成組件。因此很難劃清它們的界線。實體，是可以單獨描述和考慮的事物，可以是某項活動和過程、某個產(chǎn)品、某個組織、體系或人或他們的任何組合。特性，是幫助識別和區(qū)分各類實體的一種屬性。屬性包括物理、化學(xué)、外觀功能或其它可識別的性質(zhì)。其描述的量叫“特性參數(shù)”。反映實體滿足規(guī)定和潛在需要能力的特性之和叫“質(zhì)量”。潛在需要是用戶未在合同或定單中明確提出但實質(zhì)上有的需要。質(zhì)量是實體的一項最重要的特性，包括：性能、適用性、可信性、安全性、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性、美學(xué)?？尚判裕敲枋隹捎眯院退挠绊懸蛩匕煽啃?、維修性、維修保障性的集合性術(shù)語。2 故障定義 產(chǎn)品終止最終完成規(guī)定功能的能力的事件稱“失效”。產(chǎn)品不能執(zhí)行規(guī)定功能的狀態(tài)叫“故障”。喪失功能的準(zhǔn)則叫故障判據(jù)。 相對于給定的規(guī)定功能，有故障的產(chǎn)品的一種狀態(tài)叫“故障模式”。形成故障的物理、化學(xué)(可能還有生物)變化等內(nèi)在原因稱為“故障機(jī)理”。產(chǎn)品在規(guī)定的條件下使用，由于其本身固有的弱點而引起的失效，稱為“本質(zhì)故障”，不按規(guī)定條件使用產(chǎn)品而引起的失效稱為“誤用故障”。產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)包括減少誤用故障的設(shè)計過程。產(chǎn)品由于制造上的缺陷等原因而發(fā)生的故障稱為“早期故障”；而由于偶然因素發(fā)生的故障稱為“偶然故障”，一般在事前不能測試或監(jiān)控，屬于“突然故障”。產(chǎn)品由于老化、磨損、損耗或疲勞等原因引起的故障稱為“耗損故障”。通過事前的測試或監(jiān)控可以預(yù)測到的故障稱為“漸變故障”。使產(chǎn)品不能完成規(guī)定任務(wù)或可能導(dǎo)致人或物重大損失的故障或故障組合叫“致命性故障”。3 可靠性概念可靠性：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力?？煽啃缘母怕识攘拷锌煽慷?。壽命是指產(chǎn)品使用的持續(xù)期。以“壽命單位”度量。在規(guī)定的條件下和在規(guī)定的時間內(nèi)，產(chǎn)品故障的總數(shù)與壽命單位總數(shù)之比稱為“故障率”(l)。故障率l是可靠性基本參數(shù)，其倒數(shù)為平均故障間隔時間(MTBF)?？煽啃苑譃楣逃锌煽啃院褪褂每煽啃?。固有可靠性用于描述產(chǎn)品的設(shè)計和制造的可靠性水平，使用可靠性綜合考慮了產(chǎn)品設(shè)計、制造、安裝環(huán)境、維修策略和修理等因素。從設(shè)計的角度出發(fā)，把可靠性分為基本可靠性和任務(wù)可靠性，前者考慮包括與維修和供應(yīng)有關(guān)的可靠性，用平均故障間隔時間(MTBF)表示；后者僅考慮造成任務(wù)失敗的故障影響，用任務(wù)可靠度(MR)和致命性故障間隔任務(wù)時間(MTBCF)表示。對多數(shù)企業(yè)主要關(guān)心產(chǎn)品的固有可靠性和基本可靠性。對可修產(chǎn)品用平均故障間隔時間表示，對不可修產(chǎn)品用平均失效率表示，對一次性使用產(chǎn)品用平均壽命表示。4 維修性為保持或恢復(fù)產(chǎn)品處于能執(zhí)行規(guī)定功能的狀態(tài)所進(jìn)行的所有技術(shù)和管理，包括監(jiān)督的活動叫“維修”。在規(guī)定的條件下，按規(guī)定的程序和手段實施維修時，產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下保持或恢復(fù)能執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力叫“維修性”。維修性的概率度量稱“維修度”。根據(jù)維修工作的需要，產(chǎn)品被劃分成的級叫“維修約定級”。在一個具體的維修約定級上的維修活動的安排叫“維修等級”。平均修復(fù)時間（MTTR）估計值的度量方法為：在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，產(chǎn)品在某一規(guī)定的維修等級上，總修復(fù)性維修時間與在該級別上被修復(fù)產(chǎn)品的故障總數(shù)之比。5 可用性現(xiàn)代質(zhì)量管理體系對可靠性的要求日益提高，發(fā)展成用戶最關(guān)心的“可用性”的概念，其定義是：設(shè)備在任一隨機(jī)時刻需要和開始執(zhí)行任務(wù)時，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度。通常用可用度(A0)表示，它把可靠性、維修性、測試性、保障性等等產(chǎn)品的設(shè)計特性綜合成為用戶所關(guān)心的使用參數(shù)?？捎眯缘母怕识攘拷小翱捎枚取?。固有可用度AITBF/(TBF+MCT)其中：TBF為平均故障間隔時間(小時), MCT為平均修復(fù)時間(小時)。使用可用性A0=累計工作時間/（累計工作時間+累計不能工作時間）累計不能工作時間包括累計直接維修時間和累計維修保障延誤時間MLDT。故： A0=MTBF/（MTBF+MTTR+MLDT）6 保障性 系統(tǒng)設(shè)計特性和計劃的保障資源能滿足平時完好性和工作使用要求的能力叫“保障性”。7 可靠性的經(jīng)典語言 可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的內(nèi)涵，是產(chǎn)品技術(shù)性能的時間表征。因此它是一種統(tǒng)計量，不能用儀表去計量產(chǎn)品的可靠性量值，而應(yīng)通過對時間統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行處理后才能獲得可靠性定量值?？梢?，不同產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)有著不同的分布規(guī)律，如電子產(chǎn)品多數(shù)符合指數(shù)分布規(guī)律，即著名的“浴盆曲線”。 產(chǎn)品可靠性是全壽命周期的指標(biāo)，是由設(shè)計決定的，即首先要有良好的設(shè)計，還要有良好的元器件(材料)、良好的工藝、良好的維護(hù)保養(yǎng)。用形象的語言來表達(dá)就是：產(chǎn)品可靠性是設(shè)計出來的(“優(yōu)生”)，是制造出來的(“優(yōu)育”)，是管理出來的(“優(yōu)教”)，是維護(hù)保養(yǎng)出來的(“優(yōu)養(yǎng)”)。 可靠性設(shè)計工作要遵循簡單、成熟的原則。可靠性管理工作在企業(yè)內(nèi)部要重點抓樹“里程碑”和建立閉環(huán)控制系統(tǒng)等工作；在外部要抓對轉(zhuǎn)承制方和供應(yīng)方的監(jiān)督與控制。 可靠性工作要從產(chǎn)品論證階段開始做起，及早投入，及早受益?，F(xiàn)代產(chǎn)品的研制開發(fā)工作都必須正規(guī)化，必須依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對還沒有制定標(biāo)準(zhǔn)的新型產(chǎn)品，要由根據(jù)用戶需求以合同技術(shù)條件或研制任務(wù)書的形式給承制方提出明確的產(chǎn)品各項指標(biāo)，并作為產(chǎn)品出廠檢驗的依據(jù)。產(chǎn)品的各項指標(biāo)中應(yīng)包括可靠性和維修性指標(biāo)。8 可靠性工程的發(fā)展萌芽階段：二次世界大戰(zhàn)期間，德國在研制V1火箭中提出了系統(tǒng)可靠性的基本理論，據(jù)此V1火箭的可靠度達(dá)到75%。在朝鮮戰(zhàn)爭時期，美國60%的機(jī)載電子設(shè)備運到遠(yuǎn)東后不能使用，50%的電子設(shè)備在儲存期間就失效。美國海軍有16、7萬臺電子設(shè)備，每年需更換100萬個電子元件，其中電子管的更換率比其他元件高5倍。1943年美國成立了“電子管研究委員會，專門研究電子管的可靠性問題。1949年美國無線電工程師學(xué)會成立了可靠性技術(shù)組第一個可靠性專業(yè)學(xué)術(shù)組織誕生了。可靠性工程創(chuàng)建階段：20世紀(jì)50年代美國在朝鮮戰(zhàn)爭中發(fā)現(xiàn)，不可靠的電子設(shè)備影響戰(zhàn)爭的進(jìn)行，而且需要大量的維修費用，每年的維修費是設(shè)備采購費用的2倍！軍方和制造公司及學(xué)術(shù)界都卷入了可靠性的研究工作。1950年12月美國成立了“電子設(shè)備可靠性專門委員會”，到1952年3月便提出了有深遠(yuǎn)影響的建議：從現(xiàn)場可以獲得設(shè)備和元件失效率數(shù)據(jù)；可靠的元件是可靠設(shè)備的基礎(chǔ)；應(yīng)對設(shè)備和元件建立定量的可靠性要求；在批準(zhǔn)產(chǎn)品批生產(chǎn)前應(yīng)進(jìn)行可靠性試驗和評估；建立永久性可靠性委員會。1952年8月美國國防部接受上述建議，成立了“電子設(shè)備可靠性顧問委員會”。1957年6月，該委員會分布了“軍用電子設(shè)備的可靠性”報告，明確了產(chǎn)品的可靠性是可以建立、分配和驗證的，成為可靠性工程的構(gòu)架。報告研究了最低可接受的可靠性水平、可靠性模型、可靠性分配、效益費用比、可靠性驗證幾儲存運輸可靠性等問題。提出要制定可靠性大綱和加強(qiáng)可靠性教育。1958年美國國防部成立“導(dǎo)彈可靠性特設(shè)委員會”，研究可靠性管理，起草設(shè)計、研制幾生產(chǎn)的可靠性管理大綱。次年，美國空軍出版彈道導(dǎo)彈及航天系統(tǒng)的可靠性大綱、航宇系統(tǒng)、分系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性大綱要求、電子設(shè)備可靠性保證大綱。期間對飛機(jī)電子分系統(tǒng)提出了MTBF最小為300小時的定量指標(biāo)要求。蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代后期開始了壽命和可靠性的試驗工作。1958年日本科學(xué)技術(shù)聯(lián)盟成立了“可靠性研究委員會”，舉辦可靠性訓(xùn)練班?？煽啃怨こ倘姘l(fā)展階段：20世紀(jì)60年代，隨著航空航天工業(yè)的迅速發(fā)展，可靠性設(shè)計和試驗方法被接受和應(yīng)用于航空電子系統(tǒng)中，可靠性工程得到迅速發(fā)展。主要表現(xiàn)在：改善可靠性管理，建立了可靠性研究中心，美國于1965年頒發(fā)了系統(tǒng)與設(shè)備的可靠性大綱要求，可靠性工程活動與傳統(tǒng)的設(shè)計、研制和生產(chǎn)相結(jié)合，獲得了較好的效益。羅姆航空發(fā)展中心組建了可靠性分析中心，從事與電子設(shè)備有關(guān)的電子與機(jī)電、機(jī)械件及電子系統(tǒng)的可靠性研究，包括可靠性預(yù)計、可靠性分配、可靠性試驗、可靠性物理、可靠性數(shù)據(jù)采集、分析等。制定可靠性試驗標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展可靠性試驗方法。主要研究設(shè)計了統(tǒng)計試驗方案及抽樣方案，頒發(fā)了失效率抽樣方案和程序、可靠性試驗，指數(shù)分布（1967年修改為可靠性設(shè)計鑒定試驗及產(chǎn)品驗收試驗（指數(shù)分布）、壽命和可靠性試驗抽樣程序和表格等。發(fā)展可靠性預(yù)計技術(shù)，頒發(fā)可靠性預(yù)計手冊標(biāo)準(zhǔn)。在收集了大量現(xiàn)場和試驗的失效數(shù)據(jù)后于1962年頒發(fā)了電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊，次年修改后作為飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星及電子設(shè)備研制各階段可靠性定量預(yù)計的標(biāo)準(zhǔn)。建立了有效的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、可靠性數(shù)據(jù)中心、安全中心、相繼在美國軍隊和科研機(jī)構(gòu)建立，并且于1966年形成了全國數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)。重視維修性研究。20世紀(jì)50年代中美國每年用于武器系統(tǒng)維修的費用90億美圓，占國防預(yù)算的1/4。羅姆航空發(fā)展中心在50年代末開始了3年的維修性研究計劃，研究影響維修的因素、發(fā)展維修性驗證和預(yù)計技術(shù)。1966年頒發(fā)了維修性大綱要求、維修性鑒定、驗證及評估、維修性預(yù)計等標(biāo)準(zhǔn)。各國相繼開展全面的可靠性工程研究。20世紀(jì)60年代初，蘇聯(lián)從技術(shù)上、組織上采取措施促進(jìn)了可靠性工程的發(fā)展，1962年出版了較完善的教科書可靠性及質(zhì)量控制的統(tǒng)計方法，建立了由總工程師領(lǐng)導(dǎo)的可靠性組織機(jī)構(gòu)和有關(guān)的試驗室，研究成果K-S統(tǒng)計檢驗法和馬爾可夫過程為國際公認(rèn)，采用余度技術(shù)、降額技術(shù)、提高原材料和專門電路等措施保證產(chǎn)品的可靠性，彌補了電子元器件的不足。他們大量引用了美國的可靠性軍用標(biāo)準(zhǔn)。法國的可靠性工程強(qiáng)調(diào)了集中管理，重視元器件的可靠性研究，成立了“電訊委員會”，以協(xié)調(diào)各部門對電子元器件的可靠性要求。建立中心驗收試驗系統(tǒng)，在電訊委員會監(jiān)督下由制造商對批生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性驗收試驗，以節(jié)省經(jīng)費。1962年在國立電訊研究中心建立了可靠性中心，負(fù)責(zé)收集、綜合、出版可靠性資料，收集、分析、處理及分配可靠性數(shù)據(jù)，研究可靠性試驗方法。日本從美國引進(jìn)可靠性工程，把美國軍事領(lǐng)域的可靠性研究成果應(yīng)用到本國民用工業(yè)中，主要在企業(yè)中開展可靠性活動，重視對員工的可靠性培訓(xùn)，注意整機(jī)廠、元器件廠、銷售部門及維修部門之間的合作，在20世紀(jì)60年代中成立了“日本電子元件可靠性中心，負(fù)責(zé)元器件可靠性數(shù)據(jù)的收集、分析，并且與國際交換。可靠性工程深入發(fā)展階段：20世紀(jì)70年代中，美國國防武器系統(tǒng)的壽命周期費用問題突出，人們更深切地認(rèn)識到可靠性工程是減少壽命費用的重要工具，進(jìn)一步得到發(fā)展，日趨成熟。階段特點是：1 建立統(tǒng)一的可靠性管理機(jī)構(gòu)。2 成立全國統(tǒng)一的可靠性數(shù)據(jù)交換網(wǎng)。3 改善可靠性設(shè)計和試驗方法。更嚴(yán)格、更符合實際、更有效的設(shè)計和試驗方法被采用。發(fā)展了失效物理研究和分析技術(shù)，如FMEA發(fā)展為FMECA。更加嚴(yán)格的降額設(shè)計。計算機(jī)輔助可靠性設(shè)計。羅姆航空發(fā)展中心開發(fā)了電子設(shè)備可靠性預(yù)計軟件包。精確的熱分析技術(shù)也應(yīng)用了計算機(jī)。研究非電子設(shè)備的可靠性設(shè)計及試驗技術(shù)。采用綜合環(huán)境應(yīng)力試驗（溫度、振動、濕度綜合）。加強(qiáng)環(huán)境應(yīng)力篩選試驗。進(jìn)行可靠性增長試驗。開展了軟件可靠性研究。我國可靠性工程發(fā)展情況：引進(jìn)早，引用較扎實，有活力。20世紀(jì)60年代初電子部成立了“中國電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗研究所”，進(jìn)行了可靠性評估的開拓性工作。1965年在錢學(xué)森科學(xué)家的建議下7機(jī)部成立了可靠性質(zhì)量管理研究所。航天產(chǎn)品采用嚴(yán)格篩選的“七專”元器件。20世紀(jì)70年代中因中日海纜需要，電子部開展了高可靠元器件驗證試驗，發(fā)展為加速壽命試驗技術(shù)。自20世紀(jì)70年代后期始，不少大學(xué)舉辦了可靠性學(xué)習(xí)班培訓(xùn)在職人員，以后開設(shè)可靠性課程，招收本科生和研究生。自1984年起，組織制定、引進(jìn)、頒發(fā)了可靠性和無限小標(biāo)準(zhǔn)，形成了比較完整的體系。軍工企業(yè)開展了可靠性補課工作，進(jìn)行產(chǎn)品可靠性增長工作，軍方開展了可靠性評估和分析工作，電子部5所建立了可靠性數(shù)據(jù)中心。可靠性工程展望：改革開放、建立現(xiàn)代企業(yè)制度，使國家與國家的競爭延伸為企業(yè)與企業(yè)的競爭，可靠性工程也相應(yīng)快速發(fā)展，主要表現(xiàn)是：觀念改變。企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)的觀念由過去的“要我重視可靠性工程”變?yōu)楝F(xiàn)在的“我要十分重視可靠性工程”?？煽啃怨こ瘫簧鐣V泛接受，大學(xué)把可靠性理論和技術(shù)列為許多專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程?？煽啃灾R將成為人們的基本常識。許多產(chǎn)品明確了可靠性定量指標(biāo)和重要的廣告詞?？煽啃怨こ虖能姽て髽I(yè)發(fā)展到民用電子信息產(chǎn)業(yè)、交通、服務(wù)、能