可靠性基礎(chǔ)講座

1、l1 系統(tǒng)可靠性基礎(chǔ)理論系統(tǒng)可靠性基礎(chǔ)理論l 理論體系探討l2 工程實(shí)踐工程實(shí)踐l Intersil公司公司 、Ford公司公司l3 可靠性工程幾個(gè)熱點(diǎn)問題可靠性工程幾個(gè)熱點(diǎn)問題l 發(fā)展趨勢展望發(fā)展趨勢展望一個(gè)滿意的顧客會(huì)告訴8個(gè)人，一個(gè)不滿意的顧客會(huì)告訴20個(gè)人，只有可靠的產(chǎn)品才能帶來長期效益和忠誠的顧客！l系統(tǒng)可靠性基本術(shù)語 （1） 系統(tǒng)（System） 一個(gè)系統(tǒng)是由一組零件（元件）、部件、子系統(tǒng)或裝配件（統(tǒng)稱為單元）構(gòu)成的、完成期望的功能、并具有可接受的性能和可靠性水平的一種特定設(shè)計(jì)。 1.在特定的時(shí)間內(nèi)，已知系統(tǒng)所有單元的可靠度為90%,則系統(tǒng)可靠度為90%。2. Mechanical

2、 engineers know everything.3. Reliability is a project.4. The craftsman is only involved in repair, not in reliability.5. The key to high reliability is speedy repair. 可靠性方塊圖可靠性方塊圖是系統(tǒng)單元及其可靠性意義下連接關(guān)系的圖形表達(dá), 表示單元的正常或失效狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的影響。在一些情況下，它不同于結(jié)構(gòu)連接圖。 計(jì)算機(jī)的簡化可靠性方塊圖 l一個(gè)方塊可以代表零件（元件）、部件、子系統(tǒng)或裝配件，取決于它選擇的“黑箱”水平（具體層

3、次）。l系統(tǒng)可靠性評(píng)估的第一步是獲取數(shù)據(jù)（壽命或成功次數(shù)等），估計(jì)單元的可靠性水平。 單元可靠性估計(jì)的流程 (1) 串聯(lián)系統(tǒng) (2) 并聯(lián)系統(tǒng) (3) k/n表決系統(tǒng) (4) 串并聯(lián)混合系統(tǒng)(5) 儲(chǔ)備系統(tǒng)(6)復(fù)雜系統(tǒng) l系統(tǒng)可靠度為l l可靠性串聯(lián)系統(tǒng)中，可靠性最差的單元對(duì)系統(tǒng)的可靠性影響最大。 niisRR1l l l系統(tǒng)可靠度為 niisRR1)1 (1圖7 可靠性并聯(lián)系統(tǒng) 冗余最大例：雙工系統(tǒng)l特例：1/n串聯(lián)系統(tǒng)l n/n并聯(lián)系統(tǒng)l系統(tǒng)可靠度：l分析方法：l 1. 分解分析方法：選擇關(guān)鍵單元，先分解系統(tǒng)，再組合計(jì)算。l 2. the Event Space Method.l 3.

4、the Path-Tracing Method. 圖9 可靠性復(fù)雜系統(tǒng)模型示例 l分析單元重要度，可以找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。l單元i的概率結(jié)構(gòu)重要度： l關(guān)鍵重要度lFV重要度lBP重要度l(1) 系統(tǒng)可靠度估計(jì)l引入單元可靠度函數(shù)，運(yùn)用上述模型即可計(jì)算系統(tǒng)可靠度。l(2) 壽命預(yù)測l根據(jù)系統(tǒng)可靠度，可以計(jì)算系統(tǒng)的平均壽命、保證壽命、BX（如：B10）、可靠壽命等。此外，可以計(jì)算系統(tǒng)的壽命分布規(guī)律、失效率。l(3) 模擬分析l 模擬分析可以克服解析法的缺點(diǎn)，完成復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性分析。其原理：基于the Monte Carlo simulation method, 根據(jù)每個(gè)單元的失效分布產(chǎn)生隨機(jī)失

5、效時(shí)間，模擬系統(tǒng)的工作狀態(tài)，然后對(duì)系統(tǒng)可靠度作經(jīng)驗(yàn)估計(jì)。 l在產(chǎn)品開發(fā)階段要盡早考慮和構(gòu)造可靠性。l l將可靠性和性能一樣設(shè)計(jì)到產(chǎn)品中去。l(1) 問題識(shí)別：獲取改進(jìn)可靠性的機(jī)會(huì)。工具：維修數(shù)據(jù)分析、用戶意見分析、可靠性試驗(yàn)、可靠性分析等。l(2) 失效分析。認(rèn)識(shí)失效機(jī)理和發(fā)現(xiàn)改進(jìn)措施。工具：FMECA，F(xiàn)TA等。l(3) 壽命周期費(fèi)用和保修費(fèi)用分析。l(4) 比較研究（Trade-off studies），可靠性優(yōu)化，費(fèi)用效益分析。l(5) 可靠性目標(biāo)確定。工具：QFD等。l(6) 可靠性優(yōu)化分配。l有兩個(gè)方法改進(jìn)系統(tǒng)的可靠性：故障避免和故障容錯(cuò)。l避免故障，要求使用高質(zhì)量和高可靠性的元件，

6、通常比故障容錯(cuò)方法的成本低些。而故障容錯(cuò)，需要冗余，導(dǎo)致設(shè)計(jì)難度加大，成本、重量、體積等增加。典型的可靠性增長曲線l優(yōu)化前需要明確規(guī)定：l a) 成本函數(shù)Cost/Penalty Function lb) 可靠度上限 Maximum Achievable Reliability 改進(jìn)難度和可靠度上限的影響建立系統(tǒng)可靠性優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)： 例：由三個(gè)單元組成的可靠性串聯(lián)系統(tǒng)，在100小時(shí)內(nèi)的目標(biāo)可靠度為0.90，考慮五種情況：Case 1-三個(gè)單元都服從=1.318、=312hrs的威布爾分布，改進(jìn)可行性中等。Case 2-同Case 1，但改進(jìn)可行性不同：單元1易，單元2中，單元3難。Case

7、3-在100小時(shí)內(nèi)，單元1、2、3的可靠度分別為0.7、0.8、0.9，改進(jìn)可行性相同：易。Case 4-在100小時(shí)內(nèi)，單元1、2、3的可靠度分別為0.7、0.8、0.9，改進(jìn)可行性分別為：易、中、難。Case 5-在100小時(shí)內(nèi)，單元1、2、3的可靠度分別為0.7、0.8、0.9，改進(jìn)可行性分別為：難、易、中。假設(shè)在100小時(shí)內(nèi)，MAR均為0.999，則優(yōu)化結(jié)果如右表1所示。 l 對(duì)于可修復(fù)系統(tǒng)，須同時(shí)考慮可靠性和維修性。類似于基于壽命數(shù)據(jù)的可靠性建模方法，可以處理修復(fù)數(shù)據(jù)獲得維修性特征量，如：維修度、修復(fù)率、平均修復(fù)時(shí)間等?？捎眯跃C合考慮可靠性和維修性。l事后維修的三個(gè)典型步驟： a)問

8、題診斷； b)故障零件的更換或修理； c)維修確認(rèn)。l預(yù)防維修活動(dòng)包括設(shè)備檢查，局部或全面定期檢修，換油等。l預(yù)防維修可以提高系統(tǒng)的可靠性、減少停機(jī)時(shí)間和更換費(fèi)用、優(yōu)化備用件庫存。l計(jì)劃維修針對(duì)產(chǎn)品老化情況。l基礎(chǔ)工作：維修歷史記錄分析、傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、備用件庫存優(yōu)化、維修最佳間隔期的確定、設(shè)備維修模擬等。 l視情維修 l基礎(chǔ)：設(shè)備性能退化、測試技術(shù)和診斷技術(shù)。 圖14 預(yù)防維修與事后維修的費(fèi)用比較l停機(jī)時(shí)間分為等待時(shí)間和修理時(shí)間。等待時(shí)間主要與后勤工作、管理工作有關(guān)。而修復(fù)時(shí)間主要取決于維修人員和產(chǎn)品的可維修性設(shè)計(jì)。基于停機(jī)時(shí)間，可以建立維修度函數(shù)，統(tǒng)計(jì)維修性特征量。l更新理論圖13 系

9、統(tǒng)停機(jī)時(shí)間為元件停機(jī)時(shí)間的函數(shù) （三個(gè)元件組成的可靠性串聯(lián)系統(tǒng)） l可用度分為瞬時(shí)可用度、穩(wěn)態(tài)可用度、平均可用度、使用可用度等。l維修費(fèi)用分析：識(shí)別主要費(fèi)用要素。l失效數(shù)據(jù)分析：對(duì)同類的產(chǎn)品或單個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，了解MTBF、主要失效模式等。l可靠性管理是可靠性工程組成部分，占有很重要地位，有人曾講；“產(chǎn)品可靠性是設(shè)計(jì)出來的、制造出來的和管理出來的”。l可靠性管理工作包括：可靠性設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和管理標(biāo)準(zhǔn)，可靠性大綱，可靠性管理機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)網(wǎng)等。從產(chǎn)品可靠性指標(biāo)分配、預(yù)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、可靠性分析、可靠性試驗(yàn)、數(shù)據(jù)交換等進(jìn)行系統(tǒng)化管理。l90年代美國由于以經(jīng)費(fèi)為獨(dú)立變量，廢除大量的軍用標(biāo)準(zhǔn)，大力推行健

10、壯設(shè)計(jì)和并行工程及IPPD管理。首先在美國海軍及其相關(guān)工業(yè)部門廣泛推廣“網(wǎng)絡(luò)化”管理。通過大量標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范引入和支持，為“網(wǎng)絡(luò)化”管理提供依據(jù)和指導(dǎo)，實(shí)施程序化、規(guī)范化、系統(tǒng)化的“網(wǎng)絡(luò)化”管理。l(1) 供應(yīng)鏈分析：企業(yè)之間的協(xié)作減少提供產(chǎn)品和服務(wù)的供應(yīng)鏈時(shí)間，減少庫存。需求不確定性增大，需要供應(yīng)鏈越敏捷。l(2) 人機(jī)工程：考慮人機(jī)系統(tǒng)，注意人的能力和局限。包括：可維修設(shè)計(jì)（拆卸、裝配程序評(píng)估），軟硬件設(shè)計(jì)（人機(jī)界面、通訊、顯示與控制技術(shù)），可操作性試驗(yàn)（錄像分析，方案比較），人操作可靠性分析等。l(3) 制造統(tǒng)計(jì)技術(shù)：主要包括：統(tǒng)計(jì)過程和質(zhì)量控制（如：SPC，抽樣，過程能力分析，改進(jìn)計(jì)劃，變

11、差減少），實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE），統(tǒng)計(jì)建模（如：SPC，回歸分析，方差分析，時(shí)序分析，多元分析，非參數(shù)分析）等。l(4) 工業(yè)工程：工業(yè)工程涉及技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、改進(jìn)、評(píng)估和控制。目標(biāo)是，在盡可能降低成本的同時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)的資源來提升質(zhì)量、效率、生產(chǎn)率。工具：數(shù)學(xué)模型（對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用隨機(jī)模型）、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、連續(xù)過程改進(jìn)、生產(chǎn)性研究、計(jì)算機(jī)模擬、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（處理非線性現(xiàn)象，減少數(shù)據(jù)處理時(shí)間）、專家系統(tǒng)等。 l2.1Intersil公司的Building-In Reliabilityl lIntersil（網(wǎng)線）公司為晶片制造商，在無線網(wǎng)絡(luò)、電源管理領(lǐng)域國際領(lǐng)先。 l2.2 Ford公司的Useful L

12、ife Reliability Process lFord（汽車）公司將Useful Life Reliability Process 任務(wù)作為產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的重要工作。 l 無維修使用期(MFOP)l在國際上早在1995年對(duì)傳統(tǒng)的可靠性定義提出了質(zhì)疑，在歐洲開始用無維修使用期(MFOP)取代原先的MTBF，摒棄隨機(jī)失效無法避免的舊觀念，故障率浴盆曲線分布規(guī)律也就被打破。當(dāng)前國際上興起在可靠工程中推行失效物理方法的新潮流，目的是設(shè)計(jì)出不存在隨機(jī)失效的產(chǎn)品。同時(shí)，從故障修理轉(zhuǎn)換到計(jì)劃預(yù)防維修。l要做到“無維修使用期”必須作好如下兩項(xiàng)工作：l一是一是改變可靠性設(shè)計(jì)思路改變可靠性設(shè)計(jì)思路：以自下而上的

13、可靠性設(shè)計(jì)方法，取代采用MTBF進(jìn)行自上而下分配方法。重點(diǎn)可采取如下設(shè)計(jì)措施：采用狀態(tài)監(jiān)控，故障診斷和故障預(yù)測設(shè)計(jì)；容錯(cuò)設(shè)計(jì)；可重構(gòu)性設(shè)計(jì)；動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)；故障軟化設(shè)計(jì)；環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)；冗余設(shè)計(jì)；在任務(wù)能力不受影響下，留出可接受的降級(jí)水平設(shè)計(jì)等。 l二是改變可靠性工程工作方法改變可靠性工程工作方法：必須把人力、精力集中于產(chǎn)品研發(fā)早期階段。應(yīng)做如下工作：l失效物理分析、研究與應(yīng)用；l開展可靠性研制試驗(yàn)，及早暴露設(shè)計(jì)缺陷，采取有效糾正措施；l開展高加速應(yīng)力試驗(yàn)(HAST)，暴露產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)予以糾正；l 嚴(yán)格設(shè)計(jì)評(píng)審制度，消除設(shè)計(jì)隱患；l 制訂合理預(yù)防維修計(jì)劃并予以實(shí)施。l可靠性指標(biāo)體系及其驗(yàn)證 l在產(chǎn)品可

14、靠性驗(yàn)證與評(píng)價(jià)中，在確認(rèn)故障，采用什么方法對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，直接關(guān)系到產(chǎn)品的生存和發(fā)展。一般都把可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)中產(chǎn)品的存在狀態(tài)簡化為“二元狀態(tài)（成功、故障）”處理。故障統(tǒng)計(jì)也比較簡單，要么為0，要么為1，對(duì)故障既不分類，也不加權(quán)，這在工程實(shí)施顯然存在問題。如果把這些后果嚴(yán)重程度不同的故障，等同看待，客觀上是不合理的，與實(shí)際情況也是不相符的。 l早在70年代美國在地面產(chǎn)品廣泛地采用故障加權(quán)。l在1980年美軍標(biāo)準(zhǔn)MILSTD785B頒布后，故障加權(quán)處理方法被取締。l產(chǎn)品可靠性指標(biāo)細(xì)化分解，分別驗(yàn)證。MILSTD7810工程研制鑒定和生產(chǎn)可靠性試驗(yàn)正式文本中，首次提出在可靠性驗(yàn)證中按后果嚴(yán)重程度

15、把發(fā)生故障區(qū)分為：致命故障，嚴(yán)重故障和輕度故障三類。l我們國家有標(biāo)準(zhǔn)可查的就有近20種門類產(chǎn)品對(duì)故障進(jìn)行加權(quán)處理。l目前對(duì)故障加權(quán)有爭議。 l加強(qiáng)軟件可靠性設(shè)計(jì) l隨著社會(huì)日益信息化，系統(tǒng)(或設(shè)備)軟件功能較硬件功能占系統(tǒng)功能比例越來越高。l時(shí)至今日軟件可靠性工程的有關(guān)技術(shù)還不夠成熟，還有許多問題有待研究。 l在開展可靠性工程工作時(shí)，對(duì)軟件可靠性提及甚少，原因有二：一是開展軟件可靠性工作較晚。二是軟件可靠性技術(shù)較為復(fù)雜，研究和應(yīng)用難度較大，其中有如下幾個(gè)方面：a)可靠性模型非指數(shù)分布，一般屬于正態(tài)分布或威布爾分布，可靠性數(shù)學(xué)模型建立難度很大；b)可靠性指標(biāo)確定多樣化；c)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)、測試、評(píng)估

16、和驗(yàn)證、模式的不確定性；d)設(shè)備的軟件可靠性很難與硬件可靠性剝離。有些軟件故障是由硬件設(shè)計(jì)缺陷和故障所引發(fā)的。 l改變傳統(tǒng)觀念 實(shí)施集成化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) l傳統(tǒng)的汽車機(jī)械系統(tǒng)即將走入歷史。 FlexRay網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)用以整合包括Brake-by-Wire（電子制動(dòng)）、Steer-by-Wire（電子轉(zhuǎn)向）等控制系統(tǒng)，讓汽車發(fā)展成百分之百的由單一電子系統(tǒng)控制車輛。 l在技術(shù)上深入開展軟件可靠性、機(jī)械可靠性，全面推廣計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)在可靠性工程中應(yīng)用，積極采用模塊化、綜合化、容錯(cuò)設(shè)計(jì)、光導(dǎo)纖維和超高速集成電路等新技術(shù)來全面提高現(xiàn)代武器系統(tǒng)的可靠性。 l電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械件可靠性設(shè)計(jì)熱設(shè)計(jì)E

17、MC設(shè)計(jì)維修性設(shè)計(jì)三防設(shè)計(jì) l推行IPPD（Integrated Product and Process Design）管理 l美國國防部研制試驗(yàn)、系統(tǒng)工程與評(píng)價(jià)局系統(tǒng)工程副局長Mark schaeffer總結(jié)美國質(zhì)量管理的三個(gè)階段：(一)早期階段，推行質(zhì)量檢驗(yàn)；(二)80年代，質(zhì)量重點(diǎn)轉(zhuǎn)移，推行TQM(Total Quality Management)；(三)90年代，重點(diǎn)抓產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)，推行IPPD。l今天的質(zhì)量是面向預(yù)防和過程驅(qū)動(dòng)，從而使質(zhì)量的全部職責(zé)由質(zhì)量專業(yè)人員轉(zhuǎn)移到機(jī)構(gòu)中的每一個(gè)人。質(zhì)量不再是“單個(gè)煙囪”式的學(xué)科。而質(zhì)量必須是工程，制造軟件編程和產(chǎn)品維護(hù)的一個(gè)綜合要素。質(zhì)量必須是商

18、務(wù)活動(dòng)的組成部份。l推行IPPD的實(shí)施強(qiáng)調(diào)并行工作和協(xié)作精神，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)開始，來自設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、使用和保障等各方面的人員組成多學(xué)科的綜合產(chǎn)品組(IPT)，協(xié)同工作，所有人員都要了解產(chǎn)品的總目標(biāo)和技術(shù)要求，統(tǒng)一考慮并共同解決各學(xué)科問題。這種管理方法確保R&M&S(包括測試性、保障性和安全性)，從設(shè)計(jì)一開始就與傳統(tǒng)的性能一起設(shè)計(jì)到產(chǎn)品中去。l要作好IPPD管理，必須作好如下工作：l a)在產(chǎn)品研發(fā)一開始就要樹立將質(zhì)量與可靠性設(shè)計(jì)到產(chǎn)品中去的思想，在分案設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)組織IPT小組。l b)解決如何把技術(shù)性、可靠性、維修性、測試性、保障性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等統(tǒng)一權(quán)衡優(yōu)化，并行設(shè)計(jì)到產(chǎn)品中去的技術(shù)問題。l c)開展網(wǎng)絡(luò)化管理，加強(qiáng)可靠性與質(zhì)量監(jiān)控工作。l d)使IPT有效工作，必須加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作精神，更重要的是“溝通”，“