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(gè)目的而進(jìn)行的單項(xiàng)具體工作叫“活動(dòng)”。活動(dòng)需要“資源”，資源包括人員、設(shè)施、設(shè)備、技術(shù)、資金和時(shí)間。將輸入轉(zhuǎn)化為輸出的一組關(guān)聯(lián)的資源和活動(dòng)稱“過(guò)程”。產(chǎn)品：ISO 9000定義為“活動(dòng)或過(guò)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(wú)形的(如知識(shí)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(guó)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(guò)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(dòng)以及供方內(nèi)部活動(dòng)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(xiàng)工作任務(wù)的設(shè)備、人員及技術(shù)的組合。一個(gè)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(qǐng)注意：組件多數(shù)可以看作整機(jī)，有時(shí)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(shí)體，是可以單獨(dú)描述和考慮的事物，可以是某項(xiàng)活動(dòng)和過(guò)程、某個(gè)產(chǎn)品、某個(gè)組織、體系或人或他們的任何組合。特性，是幫助識(shí)別和區(qū)分各類實(shí)體的一種屬性。屬性包括物理、化學(xué)、外觀功能或其它可識(shí)別的性質(zhì)。其描述的量叫“特性參數(shù)”。反映實(shí)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(shí)質(zhì)上有的需要。質(zhì)量是實(shí)體的一項(xiàng)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)。可信性，是描述可用性和它的影響因素包括可靠性、維修性、維修保障性的集合性術(shù)語(yǔ)。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(duì)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(diǎn)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(jì)應(yīng)包括減少誤用故障的設(shè)計(jì)過(guò)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(cè)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(guò)事前的測(cè)試或監(jiān)控可以預(yù)測(cè)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)、制造、安裝環(huán)境、維修策略和修理等因素。從設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)間(MTBCF)表示。對(duì)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(duì)可修產(chǎn)品用平均故障間隔時(shí)間表示，對(duì)不可修產(chǎn)品用平均失效率表示，對(duì)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(dòng)叫“維修”。在規(guī)定的條件下，按規(guī)定的程序和手段實(shí)施維修時(shí)，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(jí)叫“維修約定級(jí)”。在一個(gè)具體的維修約定級(jí)上的維修活動(dòng)的安排叫“維修等級(jí)”。平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）估計(jì)值的度量方法為：在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品在某一規(guī)定的維修等級(jí)上，總修復(fù)性維修時(shí)間與在該級(jí)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(duì)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(shí)刻需要和開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)時(shí)，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(cè)試性、保障性等等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特性綜合成為用戶所關(guān)心的使用參數(shù)。可用性的概率度量叫“可用度”。固有可用度AITBF/(TBF+MCT)其中：TBF為平均故障間隔時(shí)間(小時(shí)), MCT為平均修復(fù)時(shí)間(小時(shí))。使用可用性A0=累計(jì)工作時(shí)間/（累計(jì)工作時(shí)間+累計(jì)不能工作時(shí)間）累計(jì)不能工作時(shí)間包括累計(jì)直接維修時(shí)間和累計(jì)維修保障延誤時(shí)間MLDT。故： A0=MTBF/（MTBF+MTTR+MLDT）6 保障性 系統(tǒng)設(shè)計(jì)特性和計(jì)劃的保障資源能滿足平時(shí)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(yǔ)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(shí)間表征。因此它是一種統(tǒng)計(jì)量，不能用儀表去計(jì)量產(chǎn)品的可靠性量值，而應(yīng)通過(guò)對(duì)時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行處理后才能獲得可靠性定量值?？梢?jiàn)，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(jì)決定的，即首先要有良好的設(shè)計(jì)，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(yǔ)言來(lái)表達(dá)就是：產(chǎn)品可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的(“優(yōu)生”)，是制造出來(lái)的(“優(yōu)育”)，是管理出來(lái)的(“優(yōu)教”)，是維護(hù)保養(yǎng)出來(lái)的(“優(yōu)養(yǎng)”)。 可靠性設(shè)計(jì)工作要遵循簡(jiǎn)單、成熟的原則。可靠性管理工作在企業(yè)內(nèi)部要重點(diǎn)抓樹(shù)“里程碑”和建立閉環(huán)控制系統(tǒng)等工作；在外部要抓對(duì)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(kāi)始做起，及早投入，及早受益。現(xiàn)代產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)工作都必須正規(guī)化，必須依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)還沒(méi)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(shū)的形式給承制方提出明確的產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)，并作為產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)的依據(jù)。產(chǎn)品的各項(xiàng)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(guó)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(zhēng)時(shí)期，美國(guó)60%的機(jī)載電子設(shè)備運(yùn)到遠(yuǎn)東后不能使用，50%的電子設(shè)備在儲(chǔ)存期間就失效。美國(guó)海軍有16、7萬(wàn)臺(tái)電子設(shè)備，每年需更換100萬(wàn)個(gè)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(guó)成立了“電子管研究委員會(huì)，專門研究電子管的可靠性問(wèn)題。1949年美國(guó)無(wú)線電工程師學(xué)會(huì)成立了可靠性技術(shù)組第一個(gè)可靠性專業(yè)學(xué)術(shù)組織誕生了?？煽啃怨こ虅?chuàng)建階段：20世紀(jì)50年代美國(guó)在朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)現(xiàn)，不可靠的電子設(shè)備影響戰(zhàn)爭(zhēng)的進(jìn)行，而且需要大量的維修費(fèi)用，每年的維修費(fèi)是設(shè)備采購(gòu)費(fèi)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(guó)成立了“電子設(shè)備可靠性專門委員會(huì)”，到1952年3月便提出了有深遠(yuǎn)影響的建議：從現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(yàn)和評(píng)估；建立永久性可靠性委員會(huì)。1952年8月美國(guó)國(guó)防部接受上述建議，成立了“電子設(shè)備可靠性顧問(wèn)委員會(huì)”。1957年6月，該委員會(huì)分布了“軍用電子設(shè)備的可靠性”報(bào)告，明確了產(chǎn)品的可靠性是可以建立、分配和驗(yàn)證的，成為可靠性工程的構(gòu)架。報(bào)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(fèi)用比、可靠性驗(yàn)證幾儲(chǔ)存運(yùn)輸可靠性等問(wèn)題。提出要制定可靠性大綱和加強(qiáng)可靠性教育。1958年美國(guó)國(guó)防部成立“導(dǎo)彈可靠性特設(shè)委員會(huì)”，研究可靠性管理，起草設(shè)計(jì)、研制幾生產(chǎn)的可靠性管理大綱。次年，美國(guó)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(duì)飛機(jī)電子分系統(tǒng)提出了MTBF最小為300小時(shí)的定量指標(biāo)要求。蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代后期開(kāi)始了壽命和可靠性的試驗(yàn)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(huì)”，舉辦可靠性訓(xùn)練班。可靠性工程全面發(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(jì)和試驗(yàn)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(guó)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(dòng)與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、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(jì)、可靠性分配、可靠性試驗(yàn)、可靠性物理、可靠性數(shù)據(jù)采集、分析等。制定可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展可靠性試驗(yàn)方法。主要研究設(shè)計(jì)了統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)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(yàn)，指數(shù)分布（1967年修改為可靠性設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)及產(chǎn)品驗(yàn)收試驗(yàn)（指數(shù)分布）、壽命和可靠性試驗(yàn)抽樣程序和表格等。發(fā)展可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)，頒發(fā)可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)。在收集了大量現(xiàn)場(chǎng)和試驗(yàn)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(jì)手冊(cè)，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(jì)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(guó)軍隊(duì)和科研機(jī)構(gòu)建立，并且于1966年形成了全國(guó)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(guó)每年用于武器系統(tǒng)維修的費(fèi)用90億美圓，占國(guó)防預(yù)算的1/4。羅姆航空發(fā)展中心在50年代末開(kāi)始了3年的維修性研究計(jì)劃，研究影響維修的因素、發(fā)展維修性驗(yàn)證和預(yù)計(jì)技術(shù)。1966年頒發(fā)了維修性大綱要求、維修性鑒定、驗(yàn)證及評(píng)估、維修性預(yù)計(jì)等標(biāo)準(zhǔn)。各國(guó)相繼開(kāi)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(shū)可靠性及質(zhì)量控制的統(tǒng)計(jì)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(yàn)室，研究成果K-S統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法和馬爾可夫過(guò)程為國(guó)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(bǔ)了電子元器件的不足。他們大量引用了美國(guó)的可靠性軍用標(biāo)準(zhǔn)。法國(guó)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(huì)”，以協(xié)調(diào)各部門對(duì)電子元器件的可靠性要求。建立中心驗(yàn)收試驗(yàn)系統(tǒng)，在電訊委員會(huì)監(jiān)督下由制造商對(duì)批生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)，以節(jié)省經(jīng)費(fèi)。1962年在國(guó)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(yàn)方法。日本從美國(guó)引進(jìn)可靠性工程，把美國(guó)軍事領(lǐng)域的可靠性研究成果應(yīng)用到本國(guó)民用工業(yè)中，主要在企業(yè)中開(kāi)展可靠性活動(dòng)，重視對(duì)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(guó)際交換?？煽啃怨こ躺钊氚l(fā)展階段：20世紀(jì)70年代中，美國(guó)國(guó)防武器系統(tǒng)的壽命周期費(fèi)用問(wèn)題突出，人們更深切地認(rèn)識(shí)到可靠性工程是減少壽命費(fèi)用的重要工具，進(jìn)一步得到發(fā)展，日趨成熟。階段特點(diǎn)是：1 建立統(tǒng)一的可靠性管理機(jī)構(gòu)。2 成立全國(guó)統(tǒng)一的可靠性數(shù)據(jù)交換網(wǎng)。3 改善可靠性設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法。更嚴(yán)格、更符合實(shí)際、更有效的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)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(jì)。計(jì)算機(jī)輔助可靠性設(shè)計(jì)。羅姆航空發(fā)展中心開(kāi)發(fā)了電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)軟件包。精確的熱分析技術(shù)也應(yīng)用了計(jì)算機(jī)。研究非電子設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)及試驗(yàn)技術(shù)。采用綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)（溫度、振動(dòng)、濕度綜合）。加強(qiáng)環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)。進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)。開(kāi)展了軟件可靠性研究。我國(guó)可靠性工程發(fā)展情況：引進(jìn)早，引用較扎實(shí)，有活力。20世紀(jì)60年代初電子部成立了“中國(guó)電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)研究所”，進(jìn)行了可靠性評(píng)估的開(kāi)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(kāi)展了高可靠元器件驗(yàn)證試驗(yàn)，發(fā)展為加速壽命試驗(yàn)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(kāi)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(wú)限小標(biāo)準(zhǔn)，形成了比較完整的體系。軍工企業(yè)開(kāi)展了可靠性補(bǔ)課工作，進(jìn)行產(chǎn)品可靠性增長(zhǎng)工作，軍方開(kāi)展了可靠性評(píng)估和分析工作，電子部5所建立了可靠性數(shù)據(jù)中心?？煽啃怨こ陶雇焊母镩_(kāi)放、建立現(xiàn)代企業(yè)制度，使國(guó)家與國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)延伸為企業(yè)與企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，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(guò)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”。可靠性工程被社會(huì)廣泛接受，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(shí)將成為人們的基本常識(shí)。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