第四部分 可靠性管理

PAGEPAGE15第四部分可靠性管理1電子產品可靠性現場統計和綜合評價技術1.1引言大型電子信息產品一般特指由數以千計的元器件、零部件、結構件組裝而成的具有特定功能的電子設備，如彩電發(fā)送系統、微波數據傳輸系統、氣象雷達探測系統、娛樂音像系統……等。它們的特點是：系統較大、技術復雜，機電一體、數字模擬兼?zhèn)?，人和軟件共同操作，工作環(huán)境條件較差，可靠性和環(huán)境適應性要求較高。然而，由于系統體積較大，一般不能安放到試驗設備中去做可靠性綜合環(huán)境應力試驗。因此，系統的可靠性定量值不能在實驗室測定（鑒定），甚至到了報廢之時仍然得不到系統的可靠性定量值。為了解決這個問題，可靠性系統工程研究發(fā)展了新的可靠性評價方法，這就是可靠性綜合評價技術?？煽啃跃C合評價技術是系統工程綜合方法在可靠性工程中的應用，方法的核心是對產品設計生產全過程進行質量可靠性跟蹤，對產品進行全壽命的失效統計，用階段評審資料和統計數據進行綜合評價，從而得出產品可靠性定量值。1.2大型電子產品可靠性評價的發(fā)展過程大型電子產品的可靠性評價工作，與可靠性系統工程發(fā)展歷史密切相關，經歷了三個發(fā)展階段。①以故障統計為基礎的可靠性評價階段；②按任務剖面進行可靠性統計試驗的試驗評價階段；③按可靠性大綱進行階段可靠性評審（也包括統計試驗）加現場失效統計的可靠性綜合評價階段。這里劃分成三個階段，只表明可靠性系統評價的發(fā)展過程，而不是評價方法的分割。三個階段的評價方法可以互相補充，第三階段綜合評價的方法實際上包含了前面兩個階段的方法。無疑，綜合評價是最全面最靈活、信息量最多的方法，因而也是最科學、最經濟有效的方法。1.2.1以故障統計為基礎的可靠性評價方法在人們尚未系統地掌握可靠性科學技術的時期，人們認識大型電子產品的途徑是檢測性能指標和記錄故障。產品的性能指標，大家已經十分清楚，它是產品功能的標志。性能表明產品可以做什么用途，比如彩電發(fā)射機的功率，表明它配合什么樣的天線之后可以覆蓋多大的范圍。然而，它是否好用，能否長期不出故障，就要用產品的功能來表示。因此，人們?yōu)榱吮３之a品的功能，對故障進行了詳細記錄，匯集成冊，甚至出版故障匯編，供維護者、修理者、操作者參考使用。而可靠性工作者則可以應用故障記錄進行可靠性數據處理，獲得該產品的平均故障間隔時間：MTBF＝T/r(1-1)式中：T＝累計工作時間，r＝累計故障次數。這便是產品的可靠性觀測值，統計學稱點估計值。該值客觀地定量地反映了產品可靠性平均水平，是工程上能直接得到的定量值，因而是最重要最寶貴的值。這種簡單直觀評價產品可靠性的方法，雖然產生在第一階段，但現在仍然受到人們的重視，應用得非常廣泛。這里必須強調，系統工作時間的記錄要準確。在裝有計時裝置的設備上做此工作十分方便，對沒有計時裝置的設備做記錄時務必十分用心，每次開機都要記錄工作時間。對發(fā)生的故障要記錄其現象、發(fā)生時刻、失效原因、排除措施等內容。這些都可以按照標準表格進行填寫。這些表的數據就是可靠性評價的依據，因此必須準確可靠。由此可見，操作人員必須具備嚴肅認真的工作作風。還必須強調，對故障要有準確的定義，凡進入記錄表的應是有規(guī)范定義的故障。1.2.2按任務剖面進行可靠性統計試驗的試驗評價方法迄今，大量可靠性著作和許多標準，都把建立在統計學基礎上的統計試驗當做最理想的可靠性評價方法。此方法的要點是：試驗樣品從批量生產的母體中隨機抽樣指定，其數量一般不少于3臺；試驗應力盡量模擬實際使用的環(huán)境條件──任務剖面；試驗時間由選定的試驗方案確定。試驗方案的要素是：承制方和訂購方的風險率α、β，鑒別比D，設定的可靠性驗收定量下限值（最低可接收值）θ1，失效判據等?？傇囼灂r間與統計試驗類型、鑒別比D、拒收相關失效數r有關，請參考表1-1、和表1-2。統計試驗類型分為：定時截尾試驗、概率比序貫試驗、全數試驗等3類。定時截尾試驗，是預先確定總試驗時間和拒收相關失效數的方案，其優(yōu)點是試驗時間試驗前便已確定，便于計劃管理。試驗也可能因相關失效數達到拒收值而提前終止。目前，可靠性鑒定試驗，主要采用定時截尾試驗的方案。試驗后先求出MTBF的點估計值θ＝Ｔ／ｒ，然后根據使用方風險值β（置信度ｃ=(1-β)×100％）和接收失效數ｒ，在χ2表上查出上下限值的系數，分別與點估計值相乘，便可得到在該置信區(qū)間的MTBF上下限值。表1-1：定時截尾試驗方案簡表（注：19～21為高風險方案）方案號決策風險%鑒別比d=0/1試驗時間1的倍數判據（故障數）名義值實際值，，拒收（）接收（）9101012.09.01.545.0373610102010.921.41.529.9262511202019.719.61.521.518171210109.610.62.018.814131310209.820.92.012.410914202019.921.02.07.8651510109.49.93.09.36516102010.921.33.05.44317202017.519.73.04.33219303029.830.11.58328.52.03.73221303030.733.33.01.110表1-2：序貫試驗方案簡表方案號決策風險%鑒別比d=0/1試驗時間1的倍數判據（故障數）名義值實際值，，拒收（）接收（）1101011.112.01.5按圖判決注：7、8為高風險方案2202022.723.21.53101012.812.82.04202022.322.52.05101011.110.93.06202018.219.23.07303031.932.21.58303029.329.92.0概率比序貫試驗，相當于逐次抽樣的試驗，其特點是，每當試驗樣品出現相關失效時，必須做出接收還是繼續(xù)試驗的判定。因此，其拒收相關失效數和總試驗時間不能在試驗前確定，而需在試驗中隨時進行數據處理（可對照有關標準的判決圖），試驗的計劃管理未知因素多，難度較大。全數試驗，主要用于產品可靠性驗收試驗，特別適用于小批量生產的可靠性驗收試驗。對任務剖面和生產環(huán)境條件接近的產品，如彩色電視機之類的產品很適用。其要點是：每一臺產品的試驗時間為20～50小時（一般選24、36、48小時），相關失效數的方程表達式為：①接收方程ｆB＝0.72T－3.17(1-2)式中：ｆB為相關失效數，Ｔ為θ1的倍數。當方程相等時，試驗繼續(xù)進行；當方程左邊大于右邊時，判為接收。②拒收方程ｆR＝0.72T＋2.50(1-3)式中：ｆR為相關失效數，Ｔ為θ1的倍數。當方程相等時，試驗繼續(xù)進行；當方程左邊大于右邊時，判為拒收。式1-2、1-3是根據序貫試驗方案３的決策風險α＝β＝10％和鑒別比D＝2處理而成的表達式，其實際風險α'＝β'＝12.8％。其ＯＣ曲線和接收概率隨試驗時間的變化而變化。表1-3列出了θ1＝100小時的判斷參數，供參考。表1-3：θ1＝100h的產品全數試驗有關參數────────────────────────────────────相關失效數(r)拒收T≤θ1的倍數t(小時)接收T≥θ1的倍數樣品臺數────────────────────────────────────0--4.401--5.792--7.1830.70708.562-342.082089.944-1053.4834811.3411-1764.8648612.7218-25────────────────────────────────────舉例：有一批彩電共1000臺，其θ1為10000小時，在車間進行全數可靠性驗收試驗。每臺試驗24小時，總試驗時間ｔ＝24×1000＝24000小時，在拒收方程中Ｔ＝24000／10000＝2.4（倍），拒收相關失效數ｆR＝0.72×2.4＋2.50＝4.22（個）。這就是說整個試驗允許發(fā)生4個相關失效，此時全批產品可靠性驗收通過。但是，如果這４個相關失效發(fā)生在前10臺產品的試驗中，此時累計試驗時間ｔ＝10×24＝240小時，Ｔ＝240/10000＝0.024（倍），拒收方程相關失效數ｆR＝0.72×0.024＋2.50＝2.517，小于4，即4>2.517，因此產品被判為拒收。必須指出，全數試驗只能作為驗證產品是否達到出廠所要求的可靠性水平，而不能作為可靠性定量值的鑒定或測定的手段。2貫穿于產品研制生產全過程的可靠性綜合評價方法另一方面，產品在研制生產過程中共經歷了可靠性指標和方案論證、大綱編制、建模分配、設計和可靠性預計、試驗和評價等工作階段。這些都是確保產品達到可靠性定量指標的重要環(huán)節(jié)，而每一階段的工作都進行了評審，評審中提出的問題也必須予以解決，否則不批準轉入下一階段的工作。這是現代可靠性管理學的原則。專家們如果把每個階段的評審資料綜合起來分析，便可以全面地系統地給產品的可靠性水平做出高置信度的評價。因此，由可靠性評審可以發(fā)展成為可靠性綜合評價，而每個階段的評審及其資料則是可靠性綜合評價的基礎和依據。如前所述，可靠性鑒定試驗是評價產品可靠性定量值最直觀的方法，已為人們所接受和應用。但是，這種建立在統計學基礎上的評價試驗，還有另外的不足之處：1)試驗規(guī)模較大，試驗時間較長，試驗費用較高。因此，目前國內外主要是對研制的新產品才進行可靠性鑒定試驗。2)鑒定試驗的結果代表性較差。我國實行“多研制少生產”的方針后，許多電子信息產品研制批量小，有的大型電子設備研制與生產的批量都相當小，因此可靠性試驗的結果代表性較差，承制和訂購雙方的風險較大，試驗的經濟效益不顯著。眾所周知，產品的可靠性工作必須在研制生產的各個階段進行，如果等到鑒定試驗發(fā)現產品不能滿足合同要求后才采取補救措施的話，將要花費更大的人力和更多的財力物力，會造成嚴重的浪費。從可靠性的發(fā)展過程和我國的實情來看，產品研制生產的可靠性管理主要由本單位的質量管理部門對設計部門實施監(jiān)控。在產品可靠性評審時，由管理部門組織單位內外的專家實施，往往又以評審代替重點管理，致使管理人員和設計制造人員都十分重視階段可靠性評審工作。因而，由可靠性階段評審發(fā)展起來的綜合評價，其方法可以得到迅速完善，承擔可靠性評審工作的專家隊伍也在不斷地壯大。我們知道，可靠性評審的作用是：運用早期告警的原則，對設計制造的質量進行控制?？煽啃栽u審的目的是：組織與產品有關的各專業(yè)的專家對產品所處階段的結果進行分析、審查，從而揭露可靠性設計上的疑點和薄弱環(huán)節(jié)，以便提醒管理者在做出決策時注意，并為設計制造者改進產品提示方向。由此看來，可靠性評審加可靠性工程試驗，為可靠性綜合評價奠定了基礎。如果再加上可靠性統計試驗或現場試用的可靠性數據，綜合評價的結論將會十分可靠。概括起來，可靠性綜合評價方法是試驗評價方法的補充和發(fā)展，是可靠性評審和可靠性試驗信息的綜合，是科學、公正、經濟、有效的先進手段。2.2可靠性工程與統計試驗的關系按照設備研制生產的可靠性通用大綱（標準）的規(guī)定，可靠性試驗包括工程試驗和統計試驗。工程試驗是在產品研制生產過程為了使產品達到合同規(guī)定的可靠性定量指標而安排的，它又包括環(huán)境應力篩選（英文縮寫ESS）和可靠性增長試驗二個內容。ESS的方法是：對產品（整機）或部件或元器件施加盡量高的又不會破壞試件的應力（主要施加隨機振動和快速高低溫循環(huán)應力），以便暴露并排除試件的各種缺陷（包括元器件缺陷、原材料缺陷、結構工藝缺陷、設計缺陷），使產品盡快度過早期失效階段和進入隨機失效的工作階段?？煽啃栽鲩L試驗是產品可靠性增長工作的重要內容?？煽啃栽鲩L是一個提高產品可靠性設計水平的試驗－分析（故障）－改進（設計）－試驗（驗證）過程。其核心是試驗（用于暴露設計缺陷）、改進（消除設計缺陷）、試驗（驗證改進是否有效）等三個環(huán)節(jié)。統計試驗是建立在統計學理論基礎上用于驗證某批產品是否達到可靠性定量指標而安排的，它包括可靠性鑒定試驗和可靠性驗收試驗。試驗應力采用任務剖面的極端值或直接采用任務剖面。試驗樣品從產品中隨機抽樣。試驗方案從有關標準中選取，其中要確定承制和采購雙方的風險率α、β，最低可接受值θ1，相關失效判據等參數。對于研制產品采用可靠性鑒定試驗，而對于批生產產品則采用可靠性驗收試驗。其試驗性質、方法、應力都是一樣的。工程試驗與統計試驗關系十分密切。打個通俗的比方，統計試驗好比是考試或運動會的正式比賽，選定了方案后，能否及格或通過，就看最后“一錘子買賣”，而工程試驗好比是考前復習或賽前訓練，復習得越全面，準備得越充分，考試及格或比賽通過的可能性就越大。工程試驗不是可靠性評價試驗。但受工程試驗的整機環(huán)境應力篩選的啟發(fā)，人們開拓了“可靠性保證試驗”。其方法是在整機環(huán)境應力篩選的基礎上繼續(xù)做一百多小時的高低溫循環(huán)試驗，如果持續(xù)不出故障，則認為產品達到了穩(wěn)定工作階段（隨機失效期），其可靠性定量值達到了設計水平。這好比是考試或比賽前的摸底考或熱身賽一樣，能達到什么水平，心中有數。關于可靠性保證試驗的有關內容可參閱相應的標準?？梢?，只要我們認真作好工程試驗，確保產品的絕大部分缺陷被消除，其可靠性水平必然較高，然后再做可靠性統計試驗，通過的可能性就很大，承制和定購雙方都可以放心。對于大型電子產品，限于試驗設備的能力，無法在實驗室做整機環(huán)境應力篩選和可靠性統計試驗，可進行分機級的環(huán)境應力篩選和可靠性保證試驗（分機級可靠性統計試驗，會因試驗時間過長而難以實施），同樣可以收到良好的效果（當然，比整機級的篩選稍差）。順便指出，研究表明：整機環(huán)境應力篩選除了暴露原材料、元器件、結構工藝的缺陷之外，還可以暴露設計缺陷。這正是可靠性增長試驗追求的目標。因此，可以在此基礎上進行產品可靠性增長工作。這就是說，整機環(huán)境應力篩選可以部分兼顧可靠性增長試驗。既然整機環(huán)境應力篩選有如此之多的作用，人們就應十分重視它，必然要千方百計地創(chuàng)造條件開展此項工作。其基本條件是，要有一定推力的隨機振動臺和高溫變速率的高低溫試驗箱（溫變速率越高越好，應不低于5℃／min）。其方法要點是，按有關標準施加應力，往往要大大超過產品的工作環(huán)境條件（大可不必擔心會產生過應力損壞），并且要適時加電工作和檢測性能指標。按要求，每一臺產品都要進行整機環(huán)境應力篩選。但當有一定數量的產品經過篩選，記錄了一定數量的重復性缺陷模式之后，就可以把試驗信息反饋到裝配車間，對所有產品進行檢查，消除這些缺陷模式，從而免去一部分產品的篩選過程，達到事半功倍的效果。2.3產品全壽命周期的統計信息對可靠性綜合評價的作用前已述及，產品可靠性綜合評價要應用產品研制生產過程不同階段的可靠性評審信息，同時也討論了可靠性評價試驗。無論是評審信息還是試驗信息，對可靠性綜合評價都是十分重要的。從可靠性評價的內涵來看，評價工作應在產品定型之時完成。一般地說，專家們通過閱讀審查產品研制生產過程各個階段的可靠性工作大綱、設計工作筆記和報告、試驗記錄和報告，便可以做出評價結論。然而，評價的目的不僅僅是給產品發(fā)放可靠性鑒定、設計定型、出廠的“通行證”，更重要的是要對產品現場使用的可靠性和維修性負責，即對產品承制和定購雙方負責。因此可靠性評價機構必然對產品現場使用的信息也十分重視。因為現場使用信息，一方面可用于對產品全壽命可靠性狀態(tài)的跟蹤，另一方面還可以用于對產品可靠性綜合評價結果的驗證，為可靠性綜合評價積累經驗。其實，無論來自產品壽命那一個階段的信息，就其內容而言，不外乎是來自產品論證現場、設計現場、制造現場、調試現場、試驗現場、使用現場的記錄資料和數據分析處理的報告?？梢?，現場的記錄資料對產品的可靠性工作是多么的重要！因此，從產品的論證階段開始直至報廢，都要強調做好真實完整的記錄。正是這些歷史的現實的記錄，給我們開展可靠性工作奠定基礎，給學者開展可靠性科學研究提供素材，給專家們進行產品可靠性綜合評價提供信息，也給承制方和定購方認識產品可靠性水平提供可信賴的數據。3可靠性現場統計工作3.1可靠性現場統計工作的意義和內容上一節(jié)論述了現場統計與可靠性綜合評價的關系，已經論述了現場統計工作的意義，本節(jié)不重復。可靠性現場統計工作的內容，概括地說，就是記錄產品從研制生產到報廢整個壽命期的與可靠性有關的所有事件，主要記錄故障和相應的時間。對不同的工作階段有不同的重點，以下做簡單的介紹。在產品指標和總體方案論證階段，主要記錄和收集產品總體設計書、系統可靠性指標論證書（包含類比產品的有關資料）、可靠性大綱、大綱評審報告等資料。在產品工程設計階段，主要記錄和收集產品可靠性建模、可靠性分配、可靠性分析等報告，以及元器件大綱、電路容差分析報告、可靠性預計報告、可靠性設計評審報告等資料。在產品制造調試階段，要進行全程記錄，主要有：元器件入庫檢驗和篩選報告，車間檢驗記錄，調試記錄，分機或整機環(huán)境應力篩選（含可靠性保證試驗）報告，可靠性增長報告（含故障分析和設計缺陷分析、設計更改文件、驗證試驗報告），用戶使用或試用（含現場故障記錄）報告等資料。在定型和批生產階段，除了生產過程的檢驗、調試記錄之外，要增加鑒定或驗收試驗報告等資料。在銷售和使用階段，主要記錄使用、故障和維護、維修的實況。3.2建立故障審查組織和故障報告、分析及糾正措施系統從可靠性評價的需要出發(fā)，有了上一節(jié)所列的資料，已經可以完成產品可靠性評價任務。根據這些現場資料，有經驗的評審員已可以對產品做出較準確的可靠性評價結論。然而，從工程應用的需要出發(fā)，我們不能為評審而評審，而要著眼于提高產品的可靠性水平。我們可以充分應用現場記錄的信息資源，通過一個管理機構，為提高產品可靠性水平服務。這個機構就是本節(jié)要論述的內容。眾所周知，可靠性工作者最關心的是產品的故障?？煽啃詫＜已芯康牡谝粚ο缶褪钱a品的故障。在產品出廠之前，我們希望產品盡量多地把故障暴露出來，以便干凈徹底地把它消除掉；在產品出廠之后，我們希望產品盡量少地出現故障，特別不希望發(fā)生缺陷型故障（當然隨機失效型故障是不可避免的）。為了解決故障問題，有關標準規(guī)定建立故障審查組織──這是產品生產和生存期間的經常性機構，要負責處理產品普遍發(fā)生的故障；與之相適應地，要建立故障報告、分析和糾正措施系統（FRACAS）──這是在故障審查組織指導下從事故障信息的記錄、傳遞和處理的網絡。這個組織和網絡由生產和使用方的有關人員組成，其任務是：記錄產品現場故障，傳遞（收集）故障信息，分析發(fā)生故障的原因，提出（審查）消除故障（不是修理式的排除故障）的方案，實施消除故障的措施（一般為更改設計），記錄并傳遞故障消除后的效果。在這個組織和網絡中，產品的現場使用信息能及時反饋到生產部門，設計更改通知可以及時傳遞到使用部門，形成一個可靠性增長的閉環(huán)系統，維護修理資源也可以及時調濟使用。這樣就把過去質量“三包”服務上升為全壽命的質量跟蹤控制，對提高產品可靠性將十分有效，對于大型電子產品的動態(tài)質量管理效果將更為明顯。我們希望盡快建立和健全大型電子產品故障審查組織和故障報告、分析和糾正措施系統。3.3故障記錄方法和通用表格故障記錄的方法，各系統各單位都有自己的經驗，也創(chuàng)造了許多好的表格。我們希望能夠統一表格，以便于計算機處理。3.4故障模式分析方法本節(jié)從工程應用的角度進行故障模式分析，與有關標準的分法不矛盾，但可能有一些差別。為此，我們畫出故障樹圖（見圖3-1）。結構工藝材料電路設計結構設計工藝設計缺陷缺陷缺陷缺陷缺陷缺陷元器件缺陷設計缺陷原材料裝配工藝缺陷缺陷缺陷型故障偶然失效型故障電子裝備故障圖3-1電子裝備故障原因分解示意按照故障樹進行故障分析，過程如下：當產品發(fā)生失效時，首先檢查操作（含人的直接操作和軟件的間接操作）有無錯誤，排除了操作錯誤之后，才進入故障分析。我們按發(fā)生故障的原因和機理把故障分為隨機失效型和缺陷型兩大類。隨機失效型故障往往找不到明顯直接的原因，要靠進一步的失效物理分析才能下準確的結論。對某些缺陷型故障，有經驗的專業(yè)人員多數可憑肉眼判斷。例如經過隨機振動后發(fā)生斷線故障，往往屬于裝配工藝和原材料缺陷，其原因有：引線過細、焊接不牢、捆扎位置不當、膠粘不牢等，是較容易判斷的。當發(fā)生了元器件故障時，存在著隨機失效、設計缺陷、元器件缺陷等三種可能，需要通過測試，甚至進行失效物理分析才能分辨確定。此時我們可以從統計該故障的重復性來做出下一步的判斷。如果在多臺產品上都發(fā)生過該故障，說明其必然性很大，可以排除隨機失效，此時，需分析是元器件缺陷還是設計缺陷。接著檢查元器件進廠測試和篩選記錄，如果篩選應力符合要求，該種元器件篩選淘汰率并未超標，就又可以排除元器件缺陷，此時可認為最大可能是設計缺陷。此后要檢查設計的電路參數，看降額系數選取是否合理？熱設計是否恰當（元器件是否因過熱燒壞）？如有不當，就得借助電子顯微鏡和其它先進手段進行“微觀分析”，其分析報告可以提供準確的結論。對元器件的各種失效原因也就可分析清楚了。3.5可靠性增長措施及其驗證如前所述，可靠性增長措施是針對產品設計缺陷而采取的設計更改。這種更改不僅不能降低產品的性能指標，而且應該能有效地根除該缺陷引起的產品故障（從全面地認識可靠性增長特征來看，消除設計缺陷和降低該電路元器件的失效率都可能達到可靠性增長的目的）?？梢?，這也是消除產品某些故障的重要手段。消除設計缺陷的措施大體有：增大降額系數，提高元器件對環(huán)境應力的承受能力，因而降低該元器件的失效率；重新選取高檔次參數的元器件，取代失效品，此時產品成本會增加；改進結構設計，使熱場分布趨向合理，減少元器件的局部受熱；改進工藝設計，使所有元器件和零部件安裝牢靠等。這些措施一經采用，就要更改設計文件，并要落實到所有同批產品之中。這些措施是否有效，通常要經過試驗來驗證。當沒有條件按照產品任務剖面進行驗證試驗時，可安排在使用現場進行驗證。驗證的試驗數據要按現場記錄要求進行整理和傳遞。3.6可靠性現場統計數據處理方法產品的可靠性現場統計數據處理要做兩項工作。一是及時填寫故障記錄表，按故障報告、分析及糾正措施系統的網絡傳遞給產品故障審查組織（秘書處），以便及時審查；二是進行產品可靠性水平定量計算處理。定量計算處理的