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可靠度

可靠度(Reliability)也叫可靠性,指的是产品在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的能力,它包括结构的安全性,适用性和耐久性,当以概率来度量时,称可靠度

可靠性:产品在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力。可靠性的概率度量叫可靠度 [1]

寿命是指产品使用的持续期。以“寿命单位”度量。在规定的条件下和在规定的时间内,产品故障的总数与寿命单位总数之比称为“故障率”。故障率是可靠性基本参数,其倒数为平均故障间隔时间(MTBF) [1]

可靠性分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性用于描述产品的设计和制造的可靠性水平,使用可靠性综合考虑了产品设计、制造、安装环境、维修策略和修理等因素。从设计的角度出发,把可靠性分为基本可靠性和任务可靠性,前者考虑包括与维修和供应有关的可靠性,用平均故障间隔时间(MTBF)表示;后者仅考虑造成任务失败的故障影响,用任务可靠度(MR)和致命性故障间隔任务时间(MTBCF)表示。对多数企业主要关心产品的固有可靠性和基本可靠性。对可修产品用平均故障间隔时间表示,对不可修产品用平均失效率表示,对一次性使用产品用平均寿命表示 [1]

对产品而言,可靠度越高就越好。可靠度高的产品,可以长时间正常工作(这正是所有消费者需要得到的);从专业术语上来说,就是产品的可靠度越高,产品可以无故障工作的时间就越长。

可靠度分析即求出各系统的运作机率的学问,例如机具的可靠度,将影响整个生产制造的流程规划及控制。此外,可靠度的讨论,也往往离不开系统的可用度(Availability)及维修度(Maintainability)。一般谈到可靠度,多是指产品的可靠程度,顾名思义,也就是将产品的好坏特别以可靠度的方法表达出来,这种定义方式对于现今许多高单价及讲求售后服务的产品而言,显得十分重要。

可靠度一般可分成两个层次,首先是所谓组件可靠度(Reliability of component)。也就是将产品拆解成若干不同的零件或组件,先就这些组件的可靠度进行研究,然后再探讨整个系统、整个产品的整体可靠度,也就是系统可靠度(Reliability of system)。组件可靠度分析的方法,其实就是统计分析,至于系统可靠度分析,较为复杂,可采行的方法也较多,

①按重要程度分配可靠度。

②按复杂程度分配可靠度。

③按技术水平、任务情况等的综合指标分配可靠度。

④按相对故障率分配可靠度。

各部分有了明确的可靠性指标后,根据不同计算准则,进行零件的设计计算。主要的计算方法为:根据载荷和强度的分布计算可靠度或所需尺寸;根据载荷和寿命的分布计算可靠度或安全寿命;求出可靠度与安全系数间的定量关系,沿用常规设计方法计算所需尺寸或验算安全系数。与可靠性设计有关的载荷、强度、尺寸和寿命等数据都是随机变量,必须用概率统计方法进行处理。

可靠度函数可用关于时间 t 的函数表示,可表示为

R(t)=P(T>t)

其中,t 为规定的时间,T表示产品的寿命。

由可靠度的定义可知,R(t)描述了产品在(0,t)时间内完好的概率,且R(0)=1,R(+∞)=0。

可靠度工程是结合管理与工程技术的一种科学,它牵涉到的工程技术主要有三方面:电子(机)工程、机械工程、及材料工程。高精密的科技产品,鲜有不与此三者有关者。惟可靠度本质上是将统计方法应用在各专业领域上的一种品保技术,并将可靠度实际设计进入产品中,方能确保产品品质。

测试产品可靠度指标的试验就是可靠度试验。可靠度试验有环境试验、机械应力试验、耐气候测试试验、功能试验、EMC及安规试验等。

萌芽阶段:二次世界大战期间,德国在研制V1火箭中提出了系统可靠性的基本理论,据此V1火箭的可靠度达到75-。在朝鲜战争时期,美国60-的机载电子设备运到远东后不能使用,50-的电子设备在储存期间就失效。美国海军有16、7万台电子设备,每年需更换100万个电子元件,其中电子管的更换率比其他元件高5倍。1943年美国成立了“电子管研究委员会,专门研究电子管的可靠性问题。1949年美国无线电工程师学会成立了可靠性技术组第一个可靠性专业学术组织诞生了 [1]

可靠性工程创建阶段:20世纪50年代美国在朝鲜战争中发现,不可靠的电子设备影响战争的进行,而且需要大量的维修费用,每年的维修费是设备采购费用的2倍!军方和制造公司及学术界都卷入了可靠性的研究工作。1950年12月美国成立了“电子设备可靠性专门委员会”,到1952年3月便提出了有深远影响的建议 [1]

可靠性工程全面发展阶段:20世纪60年代,随着航空航天工业的迅速发展,可靠性设计和试验方法被接受和应用于航空电子系统中,可靠性工程得到迅速发展 [1] 。主要表现在:

改善可靠性管理,建立了可靠性研究中心,美国于1965年颁发了《系统与设备的可靠性大纲要求》,可靠性工程活动与传统的设计、研制和生产相结合,获得了较好的效益。罗姆航空发展中心组建了可靠性分析中心,从事与电子设备有关的电子与机电、机械件及电子系统的可靠性研究,包括可靠性预计、可靠性分配、可靠性试验、可靠性物理、可靠性数据采集、分析等 [1]

制定可靠性试验标准,发展可靠性试验方法。主要研究设计了统计试验方案及抽样方案,颁发了《失效率抽样方案和程序》、《可靠性试验,指数分布》(1967年修改为《可靠性设计鉴定试验及产品验收试验(指数分布)》)、《寿命和可靠性试验抽样程序和表格》等 [1]

发展可靠性预计技术,颁发可靠性预计手册标准。在收集了大量现场和试验的失效数据后于1962年颁发了《电子设备可靠性预计手册》,次年修改后作为飞机、导弹、卫星及电子设备研制各阶段可靠性定量预计的标准 [1]

建立了有效的数据系统。数据采集系统、可靠性数据中心、安全中心、相继在美国军队和科研机构建立,并且于1966年形成了全国数据交换网络 [1]

重视维修性研究。20世纪50年代中美国每年用于武器系统维修的费用90亿美圆,占国防预算的1/4。罗姆航空发展中心在50年代末开始了3年的维修性研究计划,研究影响维修的因素、发展维修性验证和预计技术。1966年颁发了《维修性大纲要求》、《维修性鉴定、验证及评估》、《维修性预计》等标准 [1]

各国相继开展全面的可靠性工程研究。20世纪60年代初,苏联从技术上、组织上采取措施促进了可靠性工程的发展,1962年出版了较完善的教科书《可靠性及质量控制的统计方法》,建立了由总工程师领导的可靠性组织机构和有关的试验室,研究成果K-S统计检验法和马尔可夫过程为国际公认,采用余度技术、降额技术、提高原材料和专门电路等措施保证产品的可靠性,弥补了电子元器件的不足。他们大量引用了美国的可靠性军用标准。法国的可靠性工程强调了集中管理,重视元器件的可靠性研究,成立了“电讯委员会”,以协调各部门对电子元器件的可靠性要求。建立中心验收试验系统,在电讯委员会监督下由制造商对批生产产品进行可靠性验收试验,以节省经费。1962年在国立电讯研究中心建立了可靠性中心,负责收集、综合、出版可靠性资料,收集、分析、处理及分配可靠性数据,研究可靠性试验方法 [1]

可靠性工程深入发展阶段:20世纪70年代中,美国国防武器系统的寿命周期费用问题突出,人们更深切地认识到可靠性工程是减少寿命费用的重要工具,进一步得到发展,日趋成熟。阶段特点是:1建立统一的可靠性管理机构。2成立全国统一的可靠性数据交换网。3改善可靠性设计和试验方法。更严格、更符合实际、更有效的设计和试验方法被采用。发展了失效物理研究和分析技术,如FMEA发展为FMECA。更加严格的降额设计 [1]

我国可靠性工程发展情况:引进早,引用较扎实,有活力。20世纪60年代初电子部成立了“中国电子产品可靠性与环境试验研究所”,进行了可靠性评估的开拓性工作。1965年在钱学森科学家的建议下7机部成立了可靠性质量管理研究所。航天产品采用严格筛选的“七专”元器件。20世纪70年代中因中日海缆需要,电子部开展了高可靠元器件验证试验,发展为加速寿命试验技术。自20世纪70年代后期始,不少大学举办了可靠性学习班培训在职人员,以后开设可靠性课程,招收本科生和研究生。自1984年起,组织制定、引进、颁发了可靠性和无限小标准,形成了比较完整的体系。军工企业开展了可靠性补课工作,进行产品可靠性增长工作,军方开展了可靠性评估和分析工作,电子部5所建立了可靠性数据中心 [1]

可靠性工程展望:改革开放、建立现代企业制度,使国家与国家的竞争延伸为企业与企业的竞争,可靠性工程也相应快速发展,主要表现是:观念改变。企业领导的观念由过去的“要我重视可靠性工程”变为现在的“我要十分重视可靠性工程”。可靠性工程被社会广泛接受,大学把可靠性理论和技术列为许多专业的专业基础课程。可靠性知识将成为人们的基本常识。许多产品明确了可靠性定量指标和重要的广告词 [1]

可靠性工程从军工企业发展到民用电子信息产业、交通、服务、能源等行业,从专业变成“普业”。在质量管理体系的ISO认证过程中可靠性管理被作为审查的重要内容。有关可靠性的专业技术标准被重新梳理,纳入到质量管理体系文件之中,成为“说到的必须做到”的管理条文 [1]

在可靠性技术方面,发展十分迅速。我国载人航天工程自1992年起,至2003年10月“神舟”5号载人飞船圆满完成任务止,共投资190亿元。飞船的运载能力是3人、300千克、7天。可靠性为0.97,安全性为0.997。设计有自主故障判断、自主功能重组能力,在空间即使被撞击破裂,舱内压力仍可保持15分钟,确保航天员更换航天服的时间。参加研制的院所共110个,有3000多个单位参加了产品制造。总共生产了:一个试样、4个正样和5枚运载火箭。“神舟”5号飞船直径2.5米,其上共有600多台仪器、10万个元器件、8万个接点,软件共有70万条程序,其中20-用于正常运行使用,其余都是为出现故障时处置使用的。在发射上升段设计了8种故障模式,运行回收段设计了108种故障模式的处置方案 [1]

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