面向質(zhì)量設計三可靠性fmea

1、第五節(jié) 可靠性設計的根底知識可靠性問題的出現(xiàn)和電子工業(yè)開展有密切關系。伴隨著宇宙、通訊、航空、計算機技術及其工業(yè)的開展，對元器件、零部件、整機和系統(tǒng)的可靠性要求越來越高?？煽啃砸炎鳛樵u價產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標，將可靠性作為重要因素考慮。 一、可靠性的根本概念 二、可靠性指標和產(chǎn)品失效規(guī)律 三、可靠性設計和分析的根本技術可靠性工程的由來和開展： 美國國防部在1952年成立了電子設備可靠性咨詢組AGREE，1957年發(fā)表了?軍用電子設備可靠性?的研究報告，標志可靠性已成為一個獨立的學科。半個世紀以來，可靠性工程經(jīng)歷了50年代的起步階段，60年代的開展階段，70年代的成熟階段和80年代的更深更廣的開展階

2、段，以及90年代以來進入向綜合化、自動化、智能化和實用化開展的階段，使可靠性工程成為一門提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要的工程技術學科?？煽啃怨こ桃褟碾娮赢a(chǎn)品可靠性開展到機械和非電子產(chǎn)品的可靠性；從硬件的可靠性開展到軟件的可靠性；從重視可靠性統(tǒng)計試驗開展到強調(diào)可靠性工程試驗，通過環(huán)境應力篩選及可靠性強化試驗來暴露產(chǎn)品故障，進而提高產(chǎn)品可靠性；從可靠性工程開展為包括維修性工程、測試性工程、保障性工程在內(nèi)的可信性工程；參軍事裝備的可靠性開展到民用產(chǎn)品的可靠性。一、可靠性的根本概念一可靠性Reliability： 定義：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。 規(guī)定條件：指使用時的環(huán)境條件、工作條件和維

3、護條 件； 環(huán)境條件：溫度、濕度、氣壓； 工作條件：工作時間、供電電壓、工作介質(zhì)； 機械負載：振動、沖擊、加速度、負載 規(guī)定時間：指產(chǎn)品預定的壽命期，在壽命期內(nèi)，產(chǎn)品 應能完成規(guī)定的任務。時間是廣義的，也包括里程、次 數(shù)，小時數(shù)；人們追求產(chǎn)品“總體壽命的均衡性。產(chǎn)品 的質(zhì)量和性能有一定的時間要求。 規(guī)定功能：指完成產(chǎn)品設計規(guī)定的功能，到達產(chǎn)品規(guī) 范和標準中要求的正常工作性能指標?？煽啃苑诸悾?、固有可靠性和使用可靠性 固有可靠性是在產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)中賦予的，是產(chǎn)品的一種固有的特性，是人可控制的。 使用特性是一種性能的保持能力的特性,除了考慮固有可靠性外，還要考慮產(chǎn)品的安裝、操作和維修性等因素。

4、、任務可靠性和根本可靠性 任務可靠性mission reliability：是指產(chǎn)品按規(guī)定的任務剖面完成規(guī)定功能的能力。 根本可靠性basic reliability:是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下，無故障工作的持續(xù)時間及其概率。 需注意兩點：一是需要統(tǒng)計產(chǎn)品的所有的壽命單元和所有的故障；二是根本可靠性應反映產(chǎn)品對維修人力和維修保障的要求。 二維修性和保障性1、維修性(Maintainability) 產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進行維修時，保持或恢復規(guī)定狀態(tài)的能力。 維修性是產(chǎn)品質(zhì)量 的重要特性，即由產(chǎn)品設計賦予的使其維修簡便、迅速和經(jīng)濟的固有特性。 2、保障性(Indemnify

5、) 系統(tǒng)的設計特性和方案的保障資源能滿足平時和突發(fā)時期使用要求的能力。是系統(tǒng)和產(chǎn)品的固有特性。顧客在使用中操作簡便、裝卸方便、故障有預警、維修有備件、消耗品有供給。產(chǎn)品只有具備了良好的保障性，才能使產(chǎn)品的各種功能得到充分的發(fā)揮。顧客才能滿意。三可信性和可用性1、可信性Dependibility 根據(jù)ISO9000：2000定義：可信性用于表述可用性及其影響因素可靠性、維修性及保障性的集合術語。 可信性僅用于非定量方式的總體表述?？尚判缘亩亢投ㄐ跃唧w要求是通過以上各量要求表述的。 2、可用性 Avilability 可用性是產(chǎn)品保持正常工作的能力，它是可靠性、維修性及保障性的綜合反映。 定義：

6、在要求的外部資源得到保障的前提下，產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時刻或時間內(nèi)，處于可執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力。 可用性的概率度量成為可用度。通俗的說法是“要用時就可用 ISO 9241-11國際標準對可用性作了如下定義：產(chǎn)品在特定使用環(huán)境下為特定用戶用于特定用途時所具有的有效性effectiveness、效率efficiency和用戶主觀滿意度satisfaction。其中：有效性 -用戶完成特定任務和到達特定目標時所具有的正確和完整程度；效率 -用戶完成任務的正確和完整程度與所使用資源如時間之間的比率；滿意度 -用戶在使用產(chǎn)品過程中所感受到的主觀滿意和接受程度。 國際電工委員會IEC/TC56可信性技

7、術委員會頒發(fā)的“可信性國際標準 :/ GB/6583-94定義： 描述可用性及其影響因素：可靠性、維修性和維修保障性等性能的一個集合術語。 可用性、可靠性、維修性從三個不同的方面產(chǎn)品的可靠性問題，他們之間又有著內(nèi)在的聯(lián)系。有時也稱為廣義的可靠性?？煽啃院途S修性都是為了使用戶手中的產(chǎn)品隨時可用。而可靠性是通過延長正常工作時間來提高產(chǎn)品可用性，而維修性是通過縮短停機時間來提高可用性?？捎眯允穷櫩蛯Ξa(chǎn)品質(zhì)量的一個重要的需求。 簡稱可靠性Reliability 、可用性Availability 、維修性Maintainability為RAM技術 四故障及分類 故障是產(chǎn)品在規(guī)定環(huán)境條件和使用條件下，產(chǎn)品

8、喪失或局部喪失規(guī)定功能的現(xiàn)象。對于不可修復的產(chǎn)品故障稱為失效。 故障對規(guī)定條件而言是一個隨機事件。 故障模式：故障的表現(xiàn)形式。 故障分類： 1、按故障的規(guī)律分為：早期故障、偶然故障和耗損故障 2、按故障發(fā)生的時間性分為：間隙故障和永久故障 3、按故障發(fā)生概率：獨立故障和附屬故障 4、按故障引起的后果分為：局部故障和整體故障，致命故障和非致命故障 五可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量1、可靠性是產(chǎn)品重要的固有特性之一，是產(chǎn)品質(zhì)量的重要表現(xiàn)。 產(chǎn)品質(zhì)量中的性能、時間性、適應性等是確定性概念，“看得見、測得到、摸得著、感覺到，可以直觀的作出判斷。而可靠性是個不確定性概念，事前“看不見“測不準，經(jīng)統(tǒng)計分析和評估，來預測

9、產(chǎn)品的可靠性和使用的壽命。產(chǎn)品的可靠性是產(chǎn)品性能隨時間的保持能力，要長時間地保持性能就是不要出故障，出了故障能很快維修好產(chǎn)品恢復產(chǎn)品功能，這是很重要的質(zhì)量特性。 可靠性是建立在概率論和數(shù)理統(tǒng)計根底上，以零部件、產(chǎn)品或系統(tǒng)的失效規(guī)律為根本內(nèi)容的學科。2、可靠性和可靠性工程 要獲得高可靠性、好維修性，良好可用性的產(chǎn)品就要從產(chǎn)品的論證階段開始，提出可靠性的要求，然后在產(chǎn)品開發(fā)階段開展可靠性設計、分析、試驗、管理和評定活動。要尋求失效規(guī)律，必須進行統(tǒng)計和實驗，找到適宜的數(shù)學模型。這就是可靠性工程的任務。 1產(chǎn)品或零件的可靠性預測或可靠性評價； 2零件、產(chǎn)品和系統(tǒng)的可靠性設計； 3可靠性指標的分配和可靠

10、性優(yōu)化； 4可靠性實驗及其數(shù)據(jù)處理 5可靠性管理二、可靠性指標和產(chǎn)品失效規(guī)律 一可靠度和可靠度函數(shù) 可靠度是產(chǎn)品或系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。概率就是可能性。 可靠度是產(chǎn)品工作時間t的函數(shù)，表示為R t，稱為可靠度函數(shù)，0 R(t) 1.。 相應的不可靠度表示開始啟開工作至t 的失效的概率 ， Ft=1-Rt 設故障概率密度函數(shù)為ft，累積故障分布函數(shù)即不可靠函數(shù)Ft，與Rt三者之間的關系為： 如果通過大量試驗統(tǒng)計分析掌握了故障分布規(guī)律，就可以用概率統(tǒng)計理論來研究可靠性。產(chǎn)品的故障概率密度函數(shù)ft服從指數(shù)分布、威布爾分布、正態(tài)分布等。最簡單的是指數(shù)分布：如果失效時間隨機變

11、量可用指數(shù)分布來描述，其失效概率密度函數(shù)為：可靠度函數(shù):當失效時間隨機變量可用指數(shù)分布來描述，其失效故障概率密度函數(shù)服從指數(shù)分布，可靠度函數(shù)為： ， 失效率為常數(shù)。 二故障失效率FailureRate)產(chǎn)品工作到某時刻尚未發(fā)生故障失效的產(chǎn)品，在該時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生故障失效的概率。 失效率是測定可靠性的根本尺度，用來表征產(chǎn)品發(fā)生故障的程度，用符號t表示，很多產(chǎn)品是用失效率來表示可靠性的等級。 當失效時間隨機變量可用指數(shù)分布來描述，其失效故障概率密度函數(shù)服從指數(shù)分布，可靠度函數(shù)為： 失效率為常數(shù)期望壽命的兩種表達形式MTTFMean Time to Failure)：表示產(chǎn)品發(fā)生故障前正常運行時

12、間的平均值。 MTBF Mean Time between Failure)： 表示兩次故障間隔的平均時間，用于可修復產(chǎn)品。 三平均無故障工作時間： 平均壽命MTTF 平均故障間隔時間MTBF 對不可修復的產(chǎn)品：平均壽命，產(chǎn)品從投入運行到發(fā)生失效前平均正常工作時間。Mean Time to Failure 對可修復的產(chǎn)品：平均故障間隔時間，兩次故障間隔的平均時間 。Mean Time Between 其中N0個產(chǎn)品的無故障時間為：三期望壽命平均壽命指產(chǎn)品從投入運行到發(fā)生失效的平均無故障工作時間。 期望壽命表達式四產(chǎn)品的壽命特征 對耗損故障可以用可靠壽命、使用壽命、總壽命、儲存期限 ，平均修復時

13、間等指標來描述。 1、Rtt 可靠壽命 ： 2、使用壽命 具有恒定故障率的工作時間，故障的發(fā)生是隨機的。是一個穩(wěn)定的工作區(qū)間。見浴盆曲線中的偶然失效期。 3、總壽命 產(chǎn)品從開始使用到規(guī)定報廢的工作時間。 4、儲存期限 有效期 產(chǎn)品在規(guī)定條件下儲存時，能滿足規(guī)定質(zhì)量要求的時 間長度稱為儲存壽命。它是產(chǎn)品儲存可靠性的一種度量。 5、平均修復時間MTTR 排除故障所需用于直接維修時間的平均值。其觀測值 是修復時間的總和與修復次數(shù)之比。五失效率三種類型 1、遞減型 失效率隨時間的推移而減少，。特點是開始工作是易發(fā)生故障，工作一段時間后不易發(fā)生故障。許多電子元件的失效率多屬此類性。常常采用老化篩選方法。

14、 2、恒定型 失效率是規(guī)定的常數(shù)，失效是隨機發(fā)生，無法預測。 多見于比較復雜產(chǎn)品的的最正確狀態(tài)。 3、遞增型 它是失效率隨時間的推移而逐漸上升的一種失效類型。因此在故障發(fā)生前更換零件可預防失效。多見于零件材料的老化、磨損、腐蝕等原因使壽命終止。 詳見以下圖失效率三種根本形式比較圖：六 產(chǎn)品的失效規(guī)律 大多數(shù)產(chǎn)品的失效率隨時間的變化曲線形似浴盆，稱為浴盆曲線。產(chǎn)品的失效或故障機理雖然不同，但浴盆曲線隨時間變化可分為三個階段： 1、早期失效期DFR 產(chǎn)品在投入使用初期，故障率較高，但隨時間呈遞減型。原因：產(chǎn)品的早期故障因設計、制造和安裝不當引起的，投入使用后很快暴露?？梢酝ㄟ^加強質(zhì)量管理或環(huán)境應力

15、篩選來減少早期故障。 2、偶然故障期CFR 產(chǎn)品使用一段時間后，故障降低到一定水平，并處平穩(wěn)狀態(tài)，故障率近似認為是常數(shù)。這階段為偶然故障期，故障因偶然因素產(chǎn)生，該階段是產(chǎn)品的主要使用期。 3、耗損故障期IFR 產(chǎn)品使用相當長的時間后，故障率迅速上升，產(chǎn)品故障大量出現(xiàn)直到最后報廢。主要是由各種耗損因素引起的，通過試驗數(shù)據(jù)分析確定耗損故障階段的起點，采取停止使用、維修或更換耗損零件等方法，減低產(chǎn)品的故障率，延長產(chǎn)品的使用壽命。 產(chǎn)品的使用壽命與產(chǎn)品規(guī)定的條件、規(guī)定的可接受故障率有關。規(guī)定允許故障率越高，使用壽命就越長，反之就越短。 產(chǎn)品失效率曲線 通常稱為浴盆曲線：失效率曲線浴盆曲線三、可靠性設計

16、和分析的根本技術一可靠性設計技術 產(chǎn)品的可靠性是設計出來的，是生產(chǎn)和管理出來的?？煽啃栽O計水平對產(chǎn)品的固有可靠性影響很大?？煽啃栽O計與分析技術在產(chǎn)品開發(fā)過程中具有很重要的地位。其主要技術有： 1、確定可靠性目標可靠性設計的第一步 包括定量的和定性的。定量的可靠性指標是一個完整的指標體系。常用可靠性指標是可靠度、MTBF、MTTF，失效率 2、建立可靠性模型可靠性框圖和可靠性數(shù)學模型 建立系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級和設備級的可靠性模型。用于可靠性指標分配、預測和評價可靠性。幾種系統(tǒng)的可靠性模型 系統(tǒng)的可靠性框圖稱為可靠性模型，它用方框圖表示個組成局部如何導致產(chǎn)品發(fā)生故障的邏輯圖。 串聯(lián)系統(tǒng)可靠性框圖：串聯(lián)

17、系統(tǒng)是組成系統(tǒng)的所有單 元中任一單元失效就會導致整個系統(tǒng)失效的系統(tǒng)。 假定各單元是統(tǒng)計獨立的，那么其可靠性數(shù)學模型為 式中，Ra系統(tǒng)可靠度；Ri第i單元可靠度 假設系統(tǒng)有n個元件組成，各元件的失效故障概率密度函數(shù)服從指數(shù)分布，可靠度函數(shù)為： 串聯(lián)系統(tǒng)并聯(lián)系統(tǒng)并聯(lián)系統(tǒng)可靠性框圖：并聯(lián)系統(tǒng)是組成系統(tǒng)的所有單元都失效時才失效的失效的系統(tǒng)。 假定各單元是統(tǒng)計獨立的，那么其可靠性數(shù)學模型為 式中 Ra：系統(tǒng)可靠度 ， Fi：第i單元不可靠度， Ri ：第i單元可靠度 并串聯(lián)系統(tǒng)可靠度 并聯(lián)：Parallel connection 串聯(lián)：Serial connection 串并聯(lián)系統(tǒng)先并后串： 其中假設每

18、個元件的可靠度為Ri ，有K個元件并聯(lián)成一個子系統(tǒng)，共有n個子系統(tǒng)串聯(lián)。 并串聯(lián)系統(tǒng)先串后并： 有n個元件串聯(lián)成一個子系統(tǒng)，K個子系統(tǒng)并聯(lián)成系統(tǒng)。3、可靠性指標分配 將總指標定量分配到規(guī)定的產(chǎn)品層次上，通過分配是總體和局部的可靠性協(xié)調(diào)一致。它是自上而下，由總體到局部的分解過程。 分配的方法有：等分法、加權分配法評分分配法、動態(tài)規(guī)劃法等。常用的是評分分配法。見實例 分配原那么： 1重要的影響大的子系統(tǒng)分配高可靠性。 2容易實現(xiàn)的分系統(tǒng)，提高可靠度指標； 3在滿足目標前提此時 ，應使系統(tǒng)的本錢小，研制周期短 ，結構盡量簡單、路線短。 評分分配法是一種常用的分配方法。如：選擇故障率為分配參數(shù)，要考慮

19、四種影響因素復雜度、技術成熟度、重要度及環(huán)境條件。每一種因素的分值在1-10之間。數(shù)數(shù)例 假設由部件A、部件B、部件C、部件D組成的串聯(lián)電子系統(tǒng)，其可靠性指標為MTBF=500h,試用評分分配法將可靠性指標分配到各部件。 解： 請五位相關的專家進行評分，并通過計算，得出下表的結果 4、可靠性預測 在設計階段對系統(tǒng)的可靠性進行定量的估計，首先計算根本級元件的可靠度，再根據(jù)系統(tǒng)的構成和模型計算更高一級的可靠度，最后計算總的可靠度。 系統(tǒng)可靠度預測是一個自下而上，從局部到整體的系統(tǒng)綜合過程。 5、冗余設計 在系統(tǒng)中并聯(lián)增加一個環(huán)節(jié)，可以提高系統(tǒng)的可靠性，而且在預防性維修時，可以不停機，提高了使用率。

20、大增加了本錢。 三可靠性分析常用的可靠性分析技術稱為三F技術有： 1、故障模式、影響及危害性分析FMECA 包括故障模式及影響分析FMEA 和危害性分析CA。在產(chǎn)品的設計過程中，通過對產(chǎn)品的所有可能的故障模式進行分析，確定每個故障模式對產(chǎn)品工作的影響，再找出單點故障，并按故障模式的嚴酷度及其發(fā)生概率確定其危害性。單點故障 是引起產(chǎn)品的故障的，且沒有冗余設計和替代工作程序的補救的局部故障。 故障影響分為：對局部、高一層次及最終影響三個等級。故障模式為產(chǎn)品故障的表現(xiàn)形式。 嚴酷度是某故障模式影響的嚴重程度，分為四級，災難性、致命性、 嚴重、 輕度 確定故障發(fā)生的概率：A經(jīng)常、B很可能、C偶然發(fā)生、

21、D很少、E極少手電筒設計中的FMEA序號產(chǎn)品名稱或功能標志功能故障模式故障原因工作方式故障 局部影響 影響 高一 層影響分析 最終影響故障檢測方法補償措施嚴酷 度類 別03燈座固定燈泡接通電源接觸不良燈座直徑公差大使用接觸不良時斷時通時斷時通儀器檢測減少公差 （嚴重）A故障模式出現(xiàn)概率等級BCDE嚴酷度類別RST危害性矩陣圖2、危害性矩陣圖和故障模式及影響性分析 在危害性矩陣圖上不同的故障模式線段離開原點越遠，起危害程度越嚴重。將所有的故障模式再圖上表示，分辨各種故障模式的危害程度，有利于作出相應的改進措施。 繪制好的危害性矩陣圖應列人FMECA報告。FMECA工作步驟1明確被分析的產(chǎn)品及其工作條件 2繪制可靠性框圖 3確定各組成局部的故障模式及對產(chǎn)品可靠性的影響 4對每一故障模式評價其可能的后果。并確定其級別。 災難性的I級；致命的II級；臨界的III級；輕度的IV 5對每一