可靠性-可靠度预计

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1、第五章第五章. . 可靠性预计与分配可靠性预计与分配 5.1 前言 5.1.1 可靠性预计的定义和意义 可靠性预计是在设计阶段，根据设计中所选用的电路程式、元器件、可靠 性结构模型、工作环境、工作应力以及过去积累的统计数据，推测产品可能达 到的可靠性水平，是其从定性考虑转入定量分析的关键之处，是实施可靠性工 程的基础。预计的目的不是在于了解在什么时候将发生什么样的失效，而是在 于从设计开始就采取措施以防止失效的发生，并用定量的方法评价可靠性设计 的效果。 可靠性预计内容是根据组成系统的元器件、零部件等单元的可靠性来估计的， 是一个自下而上、由局部到整体、从小到大的一种系统综合过程，它需要根据

2、历史产品的可靠性数据、系统的构成和结构特点、系统的工作环境、元器件的 工作应力和质量级别等因素来进行估计，主要用在产品的设计阶段。 可靠性预计目的与用途主要是：评估系统可靠性，审查是否能达到要求的可 靠性指标；在方案论证阶段，通过可靠性预计，比较不同方案的可靠性水平， 为最优方案的选择及方案优化提供依据；在设计中，通过可靠性预计，发现影 响系统可靠性的主要因素，找出薄弱环节，采取设计措施，提高系统可靠性； 为可靠性分配奠定基础。 2 可靠性预计的主要价值主要在于，它可以作为是设计手段，为设计决策提 供依据。 5.1.2 可靠性分配 可靠性分配就是根据系统设计任务书规定的可靠性指标，按照一定的方

3、法 合理地分配到各分系统或部组件直至各元器件和每一个连接点、焊接点，确定 薄弱环节，采取有效的措施改进设计，从而保证各部组件、各分系统以及全系 统达到可靠性指标要求。可靠性分配是一个由整体到局部、由大到小、由上到 下的分解过程，并且应尽早进行，反复迭代。可靠性分配的目的就是使各级设 计人员明确其可靠性设计要求，根据要求估计所需的人力、时间和资源，并研 究实现这个要求的可能性和办法。 5.1.3 可靠性预计与可靠性分配的关系 可靠性预计与可靠性分配都是可靠性设计分析的重要环节，两者相辅相成， 相互支持。前者是自下而上的归纳综合过程，后者是自上而下的演绎分解过程。 可靠性分配的结果是可靠性预计的目

4、标，可靠性预计能、硬件制造、试验过程 等，都可用 FMECA进行事前的故障预想和对策研究。可靠性分配结果是可 2 靠性预计的依据和目标；可靠性预计相对结果是可靠性分配与指标调整的基础。 5.1.45.1.4 可靠性预计、分配的原理及预期效果可靠性预计、分配的原理及预期效果 为促进电子信息产业的发展，从根本上提高我国电子产品的整体可靠性水 平，增强国际竞争力，务必开展与国防建设、国计民生密切相关的电子产品在 方案论证、设计阶段的可靠性预计与分配工作。其作用原理及预期效果体现在 以下几个方面： 1） 、可靠性预计、分配是产品可靠性指标得以实现的基本保证 开展可靠性预计和分配工作，是确保设计、生产具

5、备规定可靠性指标产品 的指导性和基础性工作。首先将产品可靠性指标自上而下逐级地分配到产品的 各个层次，借此落实相应层次的可靠性要求，并使整个与各部分之间的可靠性 相互协调。尽量做到既避免出现薄弱环节又避免局部“质量过剩”而带来浪费。 可靠性预计则是自下到上地预计产品各层次的可靠性参数，判断各层次设计是 否满足分配的可靠性指标。只有各层次的可靠性分别达到分配的要求，才能保 证产品可靠性指标得以实现。对未达到分配指标要求的设计，则能发现其可靠 性薄弱环节、设计上的隐患及提供选择纠正措施的指南，并依此改进设计直到 满足指标要求为止。 2） 、可靠性预计是提高电子信息产品行业质量与可靠性水平，增强国际

6、竞争 力的需要 调调 研研 可可靠靠性性、维维修修性性、安安 全全性性和和保保障障性性分分析析 比比 较较 设设 计计 更更 改改分分配配到到设设备备 分分配配到到分分系系统统 系系统统可可靠靠性性指指标标 技技术术条条件件 设设备备可可靠靠性性预预计计 分分系系统统可可靠靠性性预预计计 系系统统可可靠靠性性预预计计可可靠靠性性 维维修修性性 保保障障性性 安安全全性性 测测试试性性 评评估估 确确 定定 可可 靠靠 性性 指指 标标 可可靠靠性性目目标标 设设备备可可靠靠性性预预计计 和和 设设 计计 准准 则则 显然，借助可靠性预计技术标明产品可靠性指标，将有利于创立名牌和增 强国际竞争力

7、。不言而喻，用户不光需要物美价廉的产品，而且更要求产品安 全可靠、经久耐用。因此，产品标明可靠性指标则好让用户选购放心、使用安 心。 八十年代以来，我国在电视机行业规定了创优的可靠性指标，它对促进电 视机质量的提高和开拓市场方面成效卓著。然而，对于贵重而复杂的设备或有 很高可靠性指标要求的产品，由于技术、费用成本及时间方面的限制，则不可 能像电视机那样可通过统计试验来验证其可靠性指标。对此，必须尽早借助可 靠性预计和分配技术，在产品设计阶段“设计进”规定的可靠性指标。即必须通 过开展可靠性预计和分配工作尽早来落实产品的可靠性指标，而不是靠产品既 成之后的抽样统计试验结果。 出于市场竞争的需要，

8、先进国家产品多标有可靠性指标，如美国的通信类 设备都标明其可靠性指标，但此指标绝大多数不是试验结果，而是可靠性预计 结果或现场统计结果。而更新换代快的产品又不能指望现场统计结果。为此， 美国贝尔公司还专门积累经验数据，研究了比MILHDBK217系列手册更切 合本公司实际的可靠性预计方法和数据。不言而喻，我国军用产品需具备一定 的可靠性指标。如今，民用产品借助可靠性预计和分配技术标明可靠性指标， 将随着加入WTO的进程而迫在眉睫。此如，国产IP电话不比洋货差，然而我国 自己的IP电话市场却只准洋货进入，更谈不上走向世界。如果国内产品能借助 可靠性预计和分配技术，在性能、可靠性定量分析的基础上标

9、明IP电话的可靠 性指标，势必会让世人刮目相看。正如无锡梅思安安全设备有限公司的500型气 体检测仪，平均故障间隔时间(MTBF)的预计值达39.6年(后经现场证实其MTBF 达到40年以上)，标明此可靠性指标对安全设备、仪器的预防性维修、安全使用 及其市场效益都尤为重要，会起到“画龙点睛”的效果。 3） 、可靠性预计是国际军事大国提高武器装备可靠性的成功经验 80年代以来，美国在发展策略上把可靠性、维修性作为提高武器装备战斗力 的重要手段，将可靠性置于武器装备性能、费用和进度同等重要的地位。为此， 美国国防部于1980年首次颁发了可靠性及维修性指令5000.40可靠性及维修性 。1985年，

10、美国空军推行“可靠性及维修性2000年行动计划(R调整了各类别元器 件的基本失效率水平及系数值;适应装备发展，增加了3类关键元器件失效率预 计模型；扩展了微电路、大功率微波双极型晶体管和电子管的预计范围；增加 片式元件及SMT互连等31 进行可靠性预计时，尤其是进行应力分析法预计时，要进行大量繁杂的计算， 最宜于采用计算机辅助分析和计算。 举例 电子元器件的应力分析法 电阻电阻 电阻类型 工作环境 电阻阻值 工作应力 质量级别 节点温度 可靠性预计标准可靠性预计标准 GJB299B MIL-STD-217F Bellcore 集成电路集成电路 技术类型 工作环境 管脚数和位数 工作应力 质量级

11、别 封装类型 可靠性预计模型可靠性预计模型 GJB299B MIL-STD-217F Bellcore 失效率失效率 失效率失效率 失效率 封装类 型 下表是国外电子产品的可靠性预计标准。 举例现有一128位的MOS型可编程只读存储器（PROM） ，工作环境为宇宙飞 行，质量等级为级，密封扁平封装，管脚数（引出端数）为16个，最大结温为 75度，工作电压为12V，是稳定生产的器件，求失效率。 在GJB-299B可编程只读存储器的应力分析法预计模型为： 其中，Q质量系数；C1电路复杂度失效率；C2电路复杂度失效率C3封 装复杂度失效率；T温度应力系数,其值取决于电路的工艺；V电压应力系 数；PT

12、PROM电路的可编程序工艺系数；E环境系数；L成熟系数。 通过表1求得质量系数Q为0.1； LEPTVTQ CCC)( 321 举例现有一热敏电阻，工作在地面良好环境，质量为C级，求失效率。在GJB- 299B中，热敏电阻的应力分析法计算公式为： QEbp 式中： 环境系数 E由表 9 可得为 1； 质量系数Q由表10可得为5； 通过以上信息，求得热敏电阻的失 效率； 下表是常见环境类别： h b 6 1014 . 0 ）（ h QEbp /107 . 050 . 11014 . 0 66 5.9.1.2 机械类可靠性预 计技术 主要包括相似产品法与评分预计法的结合（相似产品类比论证法） 、修

13、正系 数法、应力强度干涉模型。 （1）相似产品类比论证法 该方法的关键是求修正因子D， 式中： K1修正系数，表示我国原材料与先进国家原材料的差距； K2修正系数，表示我国基础工业（包括热处理、表面处理、铸造质量控制等 方面）与先进国家的差距； K3修正系数，表示生产厂现有工艺水平与先进国家工艺水平的差距； K4修正系数，表示生产厂在产品设计、生产等方面的经验与先进国家的差距。 举例 某型飞机电源系统的恒装是参照国外某公司的产品研制的，已知该液压 机械式恒装的MTBF4000h，试对比分析国产恒装的MTBF。 解 因为国产恒装是在国外产品基础上研制的，且已知原型产品的 MTBF4000h，故采

14、用相似产品类比论证法，即以国外恒装的故障率为基本故 4321 KKKKD 障率，在此基础上考虑综合的修正因子D，该因子D应包括原材料、元器件、基 础工业、工艺水平、技术水平、产品结构（即产品相似性） 、使用环境等诸因素。 通过专家评分可得出下式中的各修正系数。 其中，K1，K2，K3，K4的含义以上式同， K11.2，K21.2，K31.2，K41.5；K5为另一个新的修正系数，表示国产某 型恒装与国外产品在结构等方面的差异。国产某型恒装是双排泵马达结构而 国外产品是单排结构；国产某型恒装工作温度正常情况在1500,而国外产品一 般工作温度在1250左右，综合分析得K51.2。 综合修正因子D

15、为：D1.21.21.21.51.23.11；所以，国产某型恒装的 故障率： （2）修正系数法 修正系数法预计的基本思路是：虽然机械产品的“个性”较强，难以建立 产品级的可靠性预计模型，但若将它们分解到零件级，则有许多基础零件是 通用的。如密封件既可用于阀门，也可用于作动器或汽缸等。通常将机械零 件分成密封件、弹簧、电磁铁、阀门、轴承、齿轮和花键、作动器、泵、过 滤器、制动器和离合器等十类。这样，对诸多零件进行故障模式及影响分析， 找出其主要故障模式及影响这些模式的主要设计、使用参数，再通过数据收 集、处理及回归分析，就可以建立各零件故障率与上述参数的数学函数关系 (即故障率模型或可靠性预计模

16、型)。实践结果表明，具有耗损特征的机械产 品，在其耗损期到来之前的一定使用期限内，某些机械产品寿命近似服从指 数分布。 齿轮故障率模型表达式为： 54321 KKKKKD ) h 1 (107.776 4000 1 3.11D 4- 旧新 1286.0(h) 1 TBF 新 新 （3）应力强度干涉模型 机械零件的可靠性设计，就在于揭示应力及强度的分布规律，合理地建立 应力与强度之间的力学模型，严格控制失效概率，以满足可靠性设计要求，因 此可以认为应力强度分布干涉模型是机械零件可靠性预计的基本模型 。 机械零件机械零件 构成特征构成特征 材料 尺寸 应力特征应力特征 弯曲应力 扭转应力 构造数学模型构造数学模型概率分析方法概率分析方法 变量随机化 可靠可靠 度度 产品或零部件能够承受以上各种应力的程度，统