可靠性設(shè)計方法_圖文

1、可靠性設(shè)計保證機(jī)械及其零部件滿足給定的可靠性指標(biāo)的一種機(jī)械設(shè)計方法。包括對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行預(yù)計、分配、技術(shù)設(shè)計、評定等工作。所謂可靠性，則是指產(chǎn)品在規(guī)定的時間內(nèi)和給定的條件下，完成規(guī)定功能的能力。它不但直接反映產(chǎn)品各組成部件的質(zhì)量，而且還影響到整個產(chǎn)品質(zhì)量性能的優(yōu)劣?？煽啃苑譃楣逃锌煽啃?、使用可靠性和環(huán)境適應(yīng)性?？煽啃缘亩攘恐笜?biāo)一般有可靠度、無故障率、失效率3種。1概述reliability design1在產(chǎn)品設(shè)計過程中，為消除產(chǎn)品的潛在缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，防止故障發(fā)生，以確保滿足規(guī)定的固有可靠性要求所采取的技術(shù)活動?？煽啃栽O(shè)計是可靠性工程的重要組成部分，是實現(xiàn)產(chǎn)品固有可靠性要求的最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，

2、是在可靠性分析的基礎(chǔ)上通過制定和貫徹可靠性設(shè)計準(zhǔn)則來實現(xiàn)的。在產(chǎn)品研制過程中，常用的可靠性設(shè)計原則和方法有：元器件選擇和控制、熱設(shè)計、簡化設(shè)計、降額設(shè)計、冗余和容錯設(shè)計、環(huán)境防護(hù)設(shè)計、健壯設(shè)計和人為因素設(shè)計等。除了元器件選擇和控制、熱設(shè)計主要用于電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)計外，其余的設(shè)計原則及方法均適用于電子產(chǎn)品和機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計。系統(tǒng)的可靠性設(shè)計是指在遵循系統(tǒng)工程規(guī)范的基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，采用一些專門技術(shù)，將可靠性"設(shè)計"到系統(tǒng)中，以滿足系統(tǒng)可靠性的要求。它是根據(jù)需要和可能，在事先就考慮產(chǎn)品可靠性諸因素基礎(chǔ)上的一種設(shè)計方法。系統(tǒng)可靠性設(shè)計技術(shù)是指那些適用于系統(tǒng)設(shè)計階段，

3、以保證和提高系統(tǒng)可靠性為目的的設(shè)計技術(shù)和措施。它是提高系統(tǒng)可靠性的行之有效的方法。2重要性可靠性設(shè)計是系統(tǒng)總體工程設(shè)計的重要組成部分，是為了保證系統(tǒng)的可靠性而進(jìn)行的一系列分析與設(shè)計技術(shù)。它是通過系統(tǒng)的電路設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)的?！爱a(chǎn)品的可靠性是設(shè)計出來的，生產(chǎn)出來的，管理出來的”，但實踐證明，產(chǎn)品的可靠性首先是設(shè)計出來的?？煽啃栽O(shè)計的優(yōu)劣對產(chǎn)品的固有可靠性產(chǎn)生重大的影響。產(chǎn)品設(shè)計一旦完成，并按設(shè)計預(yù)定的要求制造出來后，其固有可靠性就確定了。生產(chǎn)制造過程最多只能保證設(shè)計中形成的產(chǎn)品潛在可靠性得以實現(xiàn)，而在使用和維修過程中只能是盡量維持已獲得的固有可靠性。所以，如果在設(shè)計階段沒有認(rèn)真考慮產(chǎn)品的可靠

4、性問題，造成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，電路設(shè)計不可行，材料、元器件選擇不當(dāng)，安全系數(shù)太低，檢查維修不便等問題，在以后的各個階段中，無論怎么認(rèn)真制造，精心使用、加強(qiáng)管理也難以保證產(chǎn)品可靠性的要求。因此，我們說產(chǎn)品的可靠性首先是設(shè)計出來的，可靠性設(shè)計決定產(chǎn)品的“優(yōu)生”，可靠性設(shè)計是可靠性工程的最重要的階段。這是因為：（1）設(shè)計規(guī)定了系統(tǒng)的固有可靠性。如果在系統(tǒng)設(shè)計階段沒有認(rèn)真考慮其可靠性問題，如材料、元器件選擇不當(dāng)，安全系數(shù)太低，檢查、調(diào)整、維修不便等，那么以后無論怎樣注意制造、嚴(yán)格管理、精心使用，也難以保證產(chǎn)品的可靠性要求。（2）現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，使同類產(chǎn)品之間的競爭加劇。由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速

5、發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代很快，這就要求企業(yè)不斷引進(jìn)新技術(shù)，開發(fā)新產(chǎn)品，而且新產(chǎn)品研制周期要短。實踐告訴我們，如果在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，僅憑經(jīng)驗辦事，不注意產(chǎn)品的性能要求，或者沒有對產(chǎn)品的設(shè)計方案進(jìn)行嚴(yán)格的、科學(xué)的論證，產(chǎn)品的可靠性將無法保證。往往等到試制、試用后才發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在質(zhì)量問題，只得再做改進(jìn)設(shè)計，這就使產(chǎn)品研制周期加長，推遲了產(chǎn)品投入市場的周期，降低了競爭能力。在產(chǎn)品的全壽命周期中，只有在設(shè)計階段采取措施，提高產(chǎn)品的可靠性，才會使企業(yè)在激烈的市場競爭中取勝，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。（3）在設(shè)計階段采取措施，提高產(chǎn)品的可靠性，耗資最少，效果最佳。美國的諾斯洛普公司估計，在產(chǎn)品的研制、設(shè)計階段，為改善可

6、靠性所花費的每一美元，將在以后的使用維修方面節(jié)省30美元。此外，我國開展可靠性工作的經(jīng)驗證明，在產(chǎn)品的整個壽命周期內(nèi)，對可靠性其重要影響的是設(shè)計階段各種因素對可靠性的影響綜上所述，可靠性設(shè)計在總體過程設(shè)計中占有十分重要的位置，必須把可靠性工程的重點放在設(shè)計階段，并遵循預(yù)防為主，早期投入，從頭抓起的方針，并以開始研制起，就要進(jìn)行產(chǎn)品的可靠性設(shè)計，盡可能把不可靠的因素消除在產(chǎn)品設(shè)計過程的早期。3具體內(nèi)容1、設(shè)計的目的和任務(wù)可靠性設(shè)計的目的是在綜合考慮產(chǎn)品的性能、可靠性、費用和設(shè)計等因素的基礎(chǔ)上，通過采用相應(yīng)的可靠性設(shè)計技術(shù)，使產(chǎn)品的壽命周期內(nèi)符合所規(guī)定的可靠性要求。系統(tǒng)可靠性設(shè)計的主要任務(wù)是：通過

7、設(shè)計，基本實現(xiàn)系統(tǒng)的固有可靠性。說“基本實現(xiàn)”是因為在以后的生產(chǎn)制造過程中還會影響產(chǎn)品固有可靠性。該固有可靠性是系統(tǒng)所能達(dá)到的可靠性上限。所有的其他因素（如維修性）只能保證系統(tǒng)的實際可靠性盡可能地接近固有可靠性。可靠性設(shè)計的任務(wù)就是實現(xiàn)產(chǎn)品可靠性設(shè)計的目的，預(yù)測和預(yù)防產(chǎn)品所有可能發(fā)生的故障。也就是挖掘和確保產(chǎn)品潛在的隱患和薄弱環(huán)節(jié)，通過設(shè)計預(yù)防和設(shè)計改進(jìn)，有效地消除隱患和薄弱環(huán)節(jié)，從而使產(chǎn)品符合規(guī)定的可靠性要求。也可以說可靠性設(shè)計一般有兩種情況：一種是按照給定的目標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)計，通常用于新產(chǎn)品的研制和開發(fā)；另一種是對現(xiàn)有定型產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)用可靠性的設(shè)計方法加以改進(jìn)、提高，達(dá)到可靠性增長的目

8、的。2、設(shè)計的基本原則在可靠性設(shè)計過程中應(yīng)遵循以下原則：（1）可靠性設(shè)計應(yīng)有明確的可靠性指標(biāo)和可靠性評估方案；（2）可靠性設(shè)計必須貫穿于功能設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，在滿足基本功能的同時，要全面考慮影響可靠性的各種因素；（3）應(yīng)針對故障模式（即系統(tǒng)、部件、元器件故障或失效的表現(xiàn)形式）進(jìn)行設(shè)計，最大限度地消除或控制產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)可能出現(xiàn)的故障（失效）模式；（4）在設(shè)計時，應(yīng)在繼承以往成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，積極采用先進(jìn)的設(shè)計原理和可靠性設(shè)計技術(shù)。但在采用新技術(shù)、新型元器件、新工藝、新材料之前，必須經(jīng)過試驗，并嚴(yán)格論證其對可靠性的影響；（5）在進(jìn)行產(chǎn)品可靠性的設(shè)計時，應(yīng)對產(chǎn)品的性能、可靠性、費用、時間等各方面因

9、素進(jìn)行權(quán)衡，以便做出最佳設(shè)計方案。3.可靠性要求可靠性要求是進(jìn)行可靠性設(shè)計、分析、制造、試驗、驗收的依據(jù)。可靠性要求分為定量要求和定型要求兩種。（1）可靠性的定量要求 可靠性的定量要求是指選擇和確定產(chǎn)品的可靠性參數(shù)、指標(biāo)依據(jù)驗證時機(jī)和驗證方法，以便在設(shè)計、生產(chǎn)、試驗驗證和使用過程中用量化的方法來評估或驗證產(chǎn)品的可靠性水平。可靠性的定量要求是影響產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵因素。科學(xué)合理的提出可靠性定量要求是保證產(chǎn)品可靠性的必要條件，必須合理明確的確定產(chǎn)品的故障判據(jù)，才能使可靠性定量要求得以正確實施。可靠性定量要求作為產(chǎn)品設(shè)計指標(biāo)的重要組成部分，應(yīng)在產(chǎn)品的研制任務(wù)書或技術(shù)經(jīng)濟(jì)合同中明確規(guī)定?？煽啃远恳笾?/p>

10、的參數(shù)是描述系統(tǒng)可靠性的度量。一般可分為使用可靠性參數(shù)和合同可靠性參數(shù)。使用可靠性參數(shù)反映了使用方對可靠性、可信性、維修人力費用及故障資源費用方面的要求，一般不宜直接寫進(jìn)合同。合同可靠性參數(shù)是可以由承包商控制的，是用于產(chǎn)品設(shè)計的可靠性參數(shù)，有使用可靠性參數(shù)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)，經(jīng)使用方和承制方雙方協(xié)商納入合同的可靠性參數(shù)?？煽啃灾笜?biāo)是可靠性參數(shù)的量值。對于每一個適用的可靠性參數(shù)均應(yīng)規(guī)定使用目標(biāo)和門限值（Thresbold）（使用值）。在合同中，使用目標(biāo)值應(yīng)轉(zhuǎn)換成規(guī)定值（固有值），門限值應(yīng)轉(zhuǎn)換成最低可接受值（Minimum Acceptablc Value）（固有值）。使用可靠性指標(biāo)包括了設(shè)計、

11、安裝、質(zhì)量、環(huán)境、使用、維修對產(chǎn)品的影響，而合同可靠性指標(biāo)僅包括設(shè)計、制造的影響。所以，一般情況下同一產(chǎn)品的使用可靠性指標(biāo)要低于合同可靠性指標(biāo)。對于合同中規(guī)定的定量要求，必須同時明確相應(yīng)的驗證要求。驗證可以是試驗驗證、使用驗證或綜合評估。（2）可靠性的定性要求 可靠性的定性要求是指用一種非量化的形式來設(shè)計、評價，以保證產(chǎn)品的可靠性?？煽啃远ㄐ砸罂煞譃樵O(shè)計要求和定性分析要求兩種。定性設(shè)計要求：所謂定性設(shè)計是為滿足產(chǎn)品的可靠性要求而完成的一組可靠性設(shè)計。主要的定性要求見表如下：定性分析要求；主要的定性分析要求見表：可靠性指標(biāo)是定量設(shè)計的尺度依據(jù)，建模、預(yù)計、分配等是可靠性定量設(shè)計的工具和手段；可

12、靠性設(shè)計準(zhǔn)則是定性設(shè)計的重要依據(jù)，故障模式及影響分析是有效的分析手段。在工程設(shè)計工作中，應(yīng)正確地處理定量設(shè)計與定性設(shè)計的關(guān)系，定量設(shè)計應(yīng)與定性設(shè)計有機(jī)地結(jié)合起來。4. 設(shè)計的主要內(nèi)容可靠性設(shè)計是為了在設(shè)計過程中挖掘和確定隱患及薄弱環(huán)節(jié)，并采取設(shè)計預(yù)防和設(shè)計改進(jìn)措施，有效地消除隱患及薄弱環(huán)節(jié)，定量計算和定性分析主要是評價產(chǎn)品現(xiàn)有的可靠性水平和確定薄弱環(huán)節(jié)，而要提高產(chǎn)品的固有可靠性，只能通過各種具體的可靠性設(shè)計來實現(xiàn)。可靠性設(shè)計的主要內(nèi)容概括起來可以有以下幾個方面：（1）建立可靠性模型，進(jìn)行可靠性指標(biāo)的預(yù)計和分配。要進(jìn)行可靠性預(yù)計和分配，首先應(yīng)建立產(chǎn)品的可靠性模型。而為了選擇方案、預(yù)測產(chǎn)品的可靠性

13、水平、找出薄弱環(huán)節(jié)，以及逐步合理地將可靠性指標(biāo)分配到產(chǎn)品的各個層面上去，就應(yīng)在產(chǎn)品的設(shè)計階段，反復(fù)多次地進(jìn)行可靠性指標(biāo)的預(yù)計和分配。隨著技術(shù)設(shè)計的不斷深入和成熟，建模和可靠性指標(biāo)分配、預(yù)計也應(yīng)不斷地修改和完善。（2）進(jìn)行各種可靠性分析。諸如故障模式影響和危機(jī)度分析、故障樹分析、熱分析、容差分析等。以發(fā)泄和確定薄弱環(huán)節(jié)，在發(fā)泄了隱患后通過改進(jìn)設(shè)計，從而消除隱患和薄弱環(huán)節(jié)。（3）采取各種有效的可靠性設(shè)計方法。如制定和貫徹可靠性設(shè)計準(zhǔn)則、降額設(shè)計、冗余設(shè)計、簡單設(shè)計、熱設(shè)計、耐環(huán)境設(shè)計等，并把這些可靠性設(shè)計方法和產(chǎn)品的性能設(shè)計工作結(jié)合起來，減少產(chǎn)品故障的發(fā)生，最終實現(xiàn)可靠性的要求。4原則按重要程度分

14、配可靠度。按復(fù)雜程度分配可靠度。按技術(shù)水平、任務(wù)情況等的綜合指標(biāo)分配可靠度。按相對故障率分配可靠度。各部分有了明確的可靠性指標(biāo)后，根據(jù)不同計算準(zhǔn)則，進(jìn)行零件的設(shè)計計算。主要的計算方法為：根據(jù)載荷和強(qiáng)度的分布計算可靠度或所需尺寸；根據(jù)載荷和壽命的分布計算可靠度或安全壽命；求出可靠度與安全系數(shù)間的定量關(guān)系，沿用常規(guī)設(shè)計方法計算所需尺寸或驗算安全系數(shù)。與可靠性設(shè)計有關(guān)的載荷、強(qiáng)度、尺寸和壽命等數(shù)據(jù)都是隨機(jī)變量，必須用概率統(tǒng)計方法進(jìn)行處理。5可靠性設(shè)計分的故障情報資料和設(shè)計依據(jù)。采取以下措施：（1）可靠性檢查表，從可靠性觀點出發(fā)，列出設(shè)計中應(yīng)考慮的重點。設(shè)計時逐項檢查。考慮預(yù)防的對策。（2）推行FME

15、A，F(xiàn)TA方法。FMEA（失效模式影響分析）和FTA（故障樹分析）是可靠性分析中的重要手段。FMEA是從零部故障模式入手分析，評定它對整機(jī)或系統(tǒng)發(fā)生故障的影響程度，以此確定關(guān)鍵的零件和故障模式。FTA則是從整機(jī)或系統(tǒng)故障開始，逐步分析到基本零件的失效原因。這兩種方法在國外被看作是設(shè)計圖紙一樣重要，作為設(shè)計的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)資料，它收集總結(jié)了該種產(chǎn)品所有可能預(yù)料到的故障模式和原因。設(shè)計者可以較直觀地看到設(shè)計中存在的問題。（3）故障事例集。把過去技術(shù)上的失敗和改進(jìn)的事例作成手冊，供設(shè)計者隨進(jìn)參考。通常用簡圖表示，將故障和改進(jìn)作對比。對故障的原因、情況附有簡單說明。這手冊是各公司積累的技術(shù)財富，視同設(shè)計規(guī)范

16、同等重要。（4）數(shù)據(jù)庫。廣泛有效地收集設(shè)計、制造中的失敗和改進(jìn)經(jīng)驗，試驗和實際用的數(shù)據(jù)形成檢索系統(tǒng)和可靠性設(shè)計數(shù)據(jù)庫，使設(shè)計者能超越本單位充分利用別人實踐過的經(jīng)驗。如電子產(chǎn)品已形成世界性可靠性信息交換網(wǎng)。（5）設(shè)計、試驗規(guī)范的不斷充實、改善。從使用實際得來的故障教訓(xùn)要反饋到設(shè)計、試驗方法的改進(jìn)中，要將這些改進(jìn)效果作為產(chǎn)品設(shè)計規(guī)范（包括材料選定，結(jié)構(gòu)形式，許用應(yīng)力，安全系數(shù)值）和試驗標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)依據(jù)，使它們成為設(shè)計技術(shù)的一部分。隨著可靠性工作開展。必須加強(qiáng)設(shè)計、試驗規(guī)范的研究，命名如試驗規(guī)范的制定要以實地使用條件分析為基礎(chǔ)，要調(diào)查出場的回收品和試驗室加速試驗件作對比，計算強(qiáng)化系數(shù)。通過失效分析反推

17、，驗證試驗條件是否合適，從而不斷改進(jìn)試驗方法和標(biāo)準(zhǔn)。因而這些規(guī)范都是公司的財富，對外不輕易泄密。如日本小松10年中試驗標(biāo)準(zhǔn)增加三倍，豐田的試驗標(biāo)準(zhǔn)有1500項之多。也可見各公司對試驗的重視程度。6分析通過設(shè)計實現(xiàn)產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的方法。產(chǎn)品的可靠性是通過設(shè)計、生產(chǎn)和管理而實現(xiàn)的，而首先是產(chǎn)品的設(shè)計。它決定著產(chǎn)品的固有可靠性。電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計技術(shù)包括許多內(nèi)容，主要有可靠性分配、可靠性預(yù)測、冗余技術(shù)、漂移設(shè)計、故障樹分析和故障模式、效應(yīng)和致命度分析、元件器件的優(yōu)選和篩選、應(yīng)力-強(qiáng)度分析、降負(fù)荷使用、熱設(shè)計、潛在通路分析、電磁兼容和設(shè)計評審等?？煽啃苑峙涓鶕?jù)用戶對系統(tǒng)或設(shè)備提出的可靠性指標(biāo)，對分系統(tǒng)

18、、整機(jī)等組成部分提出相應(yīng)的可靠性指標(biāo)，逐級向可靠性設(shè)計下，直到元件、器件、工藝、材料等的可靠性指標(biāo)?？煽啃苑峙涫窍到y(tǒng)或設(shè)備的總體部門的一項可靠性設(shè)計任務(wù)。對于有L個組成成分的系統(tǒng),最簡單的情況是這些組成成分的可靠性是互相獨立的。若第i組成分不可靠,則系統(tǒng)就不可靠，系統(tǒng)可靠性為q=q1q2qL 若第i組成分的不可靠性為Pi=1qi，則系統(tǒng)的不可靠性為P=1-q=1-(1P1(1P2(1PLP1+P2+PL。這是系統(tǒng)可靠性分配的基本公式?？煽啃苑峙浔举|(zhì)上不是數(shù)學(xué)問題，而是人力、物力的統(tǒng)一調(diào)度和運(yùn)用的工程管理問題。因為不同整機(jī)、元件、器件的現(xiàn)實可靠性水平是很不相同的，而把它們的可靠性提高到一定水平所

19、需要的人力、物力和時間往往差別很大，因而不能采取均勻提高的純數(shù)學(xué)方案。在實際工作中，需進(jìn)行多個方案的協(xié)調(diào)、比較后才能決定?？煽啃灶A(yù)測主要是根據(jù)電子元件、器件的故障和產(chǎn)品設(shè)計時所用的元件、器件數(shù)和使用條件，對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行估計。最簡單的情況是：產(chǎn)品由k種電子元件、器件組成，第i種元件、器件的壽命為指數(shù)分布,故障率為i，用量為ni。任一元件和器件發(fā)生故障都會引起產(chǎn)品故障，故產(chǎn)品的故障率為=n11+n22+nkk這是在設(shè)計階段根據(jù)元件、器件的故障率對產(chǎn)品故障率提出預(yù)測的基本公式。在實際使用時，還要增加一些修正和補(bǔ)充。元件、器件的故障率還會隨環(huán)境和其他條件而發(fā)生變化。若實驗室條件下的元件、器件的故障率，則在環(huán)境A下的故障率為公式式中為元件、器件在環(huán)境A下的環(huán)境因子。在惡劣環(huán)境下，環(huán)境因子值可能很大。例如，導(dǎo)彈發(fā)射環(huán)境下的環(huán)境因子可能達(dá)到2080。用預(yù)測公式測得的值還需要乘上一個修正因子(1+。對于比較成熟的設(shè)計，可取10%左右；對不太成熟的設(shè)計,可取30%以上。預(yù)測的故障率與實際投入使用后的現(xiàn)場故障率有一些差異是正常的。事實上，在設(shè)計階段可靠性預(yù)測主要是相對可靠性，而不是絕對可靠性。冗余技術(shù)當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計中發(fā)現(xiàn)某個組成部分的可靠性過低，影響產(chǎn)品的總可靠性指標(biāo)時，便采取所謂冗余技術(shù)來提高這一部分的可靠性。有k個組成部分的產(chǎn)品，各組成部分的可靠性是互相獨立的。若其中一個部分出故障，產(chǎn)