电子设备可靠性设计-PDF

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1、电子设备可靠性设计 杨志飞 整机设备可靠性设计 装备研制与生产的可靠性通用大纲 可靠性设计工作内容 第一章 装备研制与生产的可靠性通用大纲 大纲内容简介 第二章 可靠性设计工作内容 建立可靠性模型 可靠性分配 可靠性预计 故障模式、影响及危害度分析 潜在电路分析 电子元器件和电路容差分析 制定元器件大纲 确定可靠性关键件和重要件 确定功能测试、包装、贮存、装卸、运输 及维修对可靠性的影响 可靠性降额设计 可靠性热设计 可靠性设计评审 1 建立可靠性模型 目的 可靠性模型与产品原理框图的区别 建立可靠性模型的前提条件 产品及其单元只具有正常与失效两种状态 产品及其单元的邦命特征服从指数分布 产品

2、所包含各单元的失效是相互独立的 1 建立可靠性模型 几种典型的可靠性数学模型 串联模型 模型框图(如图1-2) 数学模型 1 建立可靠性模型 a.产品失效率 1 建立可靠性模型 并联模型 模型框图(如图1-3) 数学模型 1 建立可靠性模型 n中取r模型(r/ n模型) 原理 数学模型 1 建立可靠性模型 旁联模型 原理 模型框图 数学模型 1 建立可靠性模型 a. 假设条件产品的n个单元完全相同。 1 建立可靠性模型 基本可靠性与任务可靠性模型 基本可靠性产品在规定的条件下无故障的持续时间。 任务可靠性产品在规定的任务剖面中完成规定功能的能力。 建立可靠性模型的工作程序 确定产品的定义 建立

3、产品可靠性基本可靠性模型 确定产品任务功能建立任务可靠性模型 规定产品失效判据 用占空系数进行修正 1 建立可靠性模型 对任务可靠性模型进行环境条件处理 建立和完善产品各级可靠性模型 2 可靠性分配 目的与要求 目的 要求 方法与内容 工程加权分配法 适用范围 原理 分配公式 2 可靠性分配 2 可靠性分配 加权因子的数据估计 a. 重要性因子Ki1 b. 复杂性因子Ki2 c. 环境因子Ki3 d. 标准化因子Ki4 e. 其它因子 分配程序 可靠性分配 2 可靠性分配 工程加权分配法举例 某舰载综合火控雷达系统经过加权分配给予搜索雷达的可靠性指 标 MTBF40小时。该雷达由电源、发射、接

4、收、 显示、天馈及伺 服共六个分机组成试对其进行加权分配。(如表2-1) 2 可靠性分配 代数分配法 适应范围 分配公式 2 可靠性分配 分配因子的确定 重要性因子Wi 复杂性因子Ki 分配程序 a. 确定重要性因子Wi b. 计算复杂性因子Ki c. 按公式计算分系统的可靠性指标MTBFi 或Ri* 代数分配法举例 一套远程警戒雷达系统的可靠度指标要求为0.9持续工作时间 为12小时系统设有固定目标对消器清除波段覆盖区域内30 的地物反射杂波。 天馈发射机接收机对消器视频处理显示与控制(见 下表) 2 可靠性分配 2 可靠性分配 顺序分配法(提高薄弱环节分配法) 适用范围 原理在方案阶段对串

5、联系统内的各分系统进行预计后发现系 统达不到规定的可靠性指标时在预计的基础上对各分系统进一 步分配可靠性指标。 分配程序 计算已定方案系统的可靠度 把系统内各分系统的可靠度按大小顺序排列 2 可靠性分配 按顺序将各分系统的可靠度R1 (t)Rk (t)提高到Rk 其他分系 统不变 即 验算改进后系统可靠度是否满足要求 3 可靠性预计 目的 任务可靠性预计和基本可靠性预计 按产品研制阶段的可靠性预计 可行性预计 初步预计 详细预计 可靠性预计的要求 1.在产品进行可靠性预计前必须建立产品的可靠性模型根据产品 的模型和任务剖面或寿命剖面进行可靠性预计当上述剖面不明确时 应按最恶劣工作情况和环境条件

6、进行可靠性预计。 2.当产品设计更改或失效数据变更时必须及时修正可靠性模型重 新进行产品的可靠性预计。 3 可靠性预计 3.产品的可靠性预计应按GJB/Z 299A电子设备可靠性预计手册规定 进行或者按用户认可的其它数据来源进行。 4.预计方法可以根据用途和研制阶段进行选择。 5.应当强调建模和预计工作的及时性应在计划决策之前提供有用信息。 6.基本可靠性预计是依据寿命剖面的要求使用串联模型来估计产品所 有部件对维修和后勤保证的要求。预计应考虑产品所有单元(包括备件) 在执行任务和准备执行任务过程中发生的所有要求维修或更换的失效 并对这些零部件的故障提出维修和后勤保障。 7.任务可靠性预计是依

7、据任务剖面的要求采用串-并联模型估计产品成 功地完成规定任务的能力。任务可靠性预计应考虑产品各单元在执行 任务过程中发生的足以影响任务成功的各种故障。 3 可靠性预计 8.随着产品从电路设计进入硬件生产阶段这时已有许多实际试验信息可 以利用此时可靠性计算便从预计进展到硬件设备的评估阶段。预计值 与估计值的真实性都取决于模型的假设和资讯的质量。及时证实和正确 分析没有达到规定的可靠性指标的原因可为改进措施提供依据。改进 措施确定得越及时对实现改进措施受计划的限制就越小对提高产品 的可靠性所产生的效果就越大。 9.为了在早期阶段确定可靠性要求的可行性和在研制生产阶段确定可靠 性要求的可接受性订购方

8、应当规定承制方必须进行可靠性预计与评估。 这些工作与可靠性指标论证、分配、产品方案分析等活动有密切联系 有时需交错和反复地进行。 10.任务可靠性预计应该考虑产品规范中规定的每一种工作模式并对它 们加以区分。预计工作应该表明产品是否满足了订购方规定的所有可靠 性要求。 3 可靠性预计 可靠性预计的方法步骤 相似设备法 原理 程序 a.相似设备进行比较时应该考虑的要点 产品的结构和性能比较设计的相似性制造工艺的相似性 产品寿命剖面的相似性(后勤保证、工作和环境条件) 程序与计划的相似性已达到并经验证的可靠性值。 b.相似设备法的真实性决定于两个产品间的等效程度而不仅仅 决定于用来描述产品的一般术

9、语。 3 可靠性预计 相似电路法 原理 程序 a.进行相似电路的比较要点 3 可靠性预计 电路的结构和性能的相似性设计的相似性 制造工艺的相似性电路寿命剖面的相似性 程序与计划的相似性已达到并经验证的可靠性值。 b.利用公式将单个电路的可靠性综合为整个产品的 可靠性预计值。 c.相似电路法的真实性取决于电路之间的等效程度而不 仅仅决定于用来描述电路的一般术语。 d.各承制方和订购方共同认可的附有有关失效率数据的电路 手册或文件可以用于相似电路法进行可靠性预计。 3 可靠性预计 简单枚举归纳推理快速预计法 元件计数法 元件应力分析法 4 故障模式、影响及危害度分析. 目的 工作性质及方法 有关定

10、义 a.故障模式是故障的表现形式。如短路、开路、断裂 、过度耗损等。 b.故障影响故障模式对产品的使用、功能或状态所导 致的后果。一般分为局部的、高一层次的和最终的影 响三级。 c.危害度对某种故障模式的后果及其出现频率的综合 度量。 4 故障模式、影响及危害度分析 实施步骤 a.掌握必要的资料 b.画出功能框图和可靠性框图按功能级别给产品编制代号。 c.确定分析的级别。 d.列出故障模式分析原因及影响。 e.列出故障检测、隔离措施和方法提出设计预防措施防 止故障事件发生。 f.确定各种故障对产品的危害度等级。 g.确定各种故障发生的概率等级一般分成AE级。 4 故障模式、影响及危害度分析 危

11、害度矩阵图的作法及用途 a.原理与作用危害度矩阵图是对产品每一故障模式的危 害程度与发生概率等级的显示图可为比较故障模式排 出采取措施的顺序提供依据。 b.做法用横座标表示故障的危害严酷程度自左至右表 示由轻至重即由类纵座标表示故障的发生概 率等级自下而上表示发生概率由小至大即由EA级。 把每个故障的危害严酷等级和发生概率等级标于图上形成 许多故障等级点再用直线把每个点与座标原点相连形 成以原点为出发点的矢量距图。 c.比较与判断由作图规则可知离原点越远的故障其 危害度越严重。因此应按故障点与原点连线的长短排出 采取措施的顺序连线越长越需优先采取措施。 4 故障模式、影响及危害度分析 试对某雷

12、达系统的接收机分系统进行故障模式、影响及危机度分析。 a.雷达功能框图绘于图1-1。 b.由于已经指明对接收分系统进行分析雷达系统级代号为0 接收机代号为1故总代号为01。分析表见表1-1。 4 故障模式、影响及危害度分析 c.矩阵图见图1-2。 d.由矩阵图可知矢量距 因此要优先解决的 故障模式。 5 潜在电路分析 目的 工作性质及定义 潜在通路指的是在某种条件下电路中产生不希望有的通路引 起功能异常或抑制了正常功能。 潜在通路分析工作的特点 5 潜在电路分析 方法及步骤 收集有关资料包括电原理图、装配图、实际接线图等 简化电路图改绘成网络树图 识别拓扑图形 应用线索表进行分析。 5 潜在电

13、路分析 实例 6 电子元器件和电路容差分析 目的 工作性质 产品性能参数漂移的主要原因有 元器件的实际值与标称值存在公差有一定的精度等级而设 计的电路往往不考虑这个公差只标明标称值。当装机的元器件 参数离标称值较远时一旦超过电路允许的范围必然要发生电 路参数的漂移有的电路还将导致产品性能超差 环境温度的变化使元器件参数在原有公差的基础上发生新的 漂移导致产品性能参数超差 元器件退化这与施加于元器件各种应力能量的时间积累有关 主要发生在陈旧设备上。 6 电子元器件和电路容差分析 分析方法 电子元器件和电路容差分析其方法有最坏情况分析法、矩法、 增量网络法、伴随网络法、蒙特卡罗法等。 6 电子元器

14、件和电路容差分析 方法原理 最坏情况分析法的基础工作是建立数学模型。就是要把电路性能 的特征值Vi 表示为设计参数P1 、P2 、Pn 的函数即Vi (P1 P2 Pn )。把这个函数在标称值上按台劳级数展开 取其第一项略去高阶项得到i的变化量Vi 与设计参数变量 Pi 之间的线性关系式。其核心是要确定电路性能特征对各个部 件参数偏差的灵敏度。然后写出相应的偏差公式求指标允许的 相对偏差量作比较最后提出改进设计的意见。 举例(略) 分析结果的应用 根据容差分析的原理和方法考虑在确保产品性能稳定性和可靠 性的前提下设计者还应考虑尽量降低产品成本。 6 电子元器件和电路容差分析 指导设计师在设计电路时应充分考虑工作点的参数使电路允许元器件 有较大的公差范围这不仅可以降低产品成本还可以减轻采购难 度 提示设计师对重要电路重要部位的元器件要提出低公差、高精度 等级的要求 注意事项 要尽早提出需要做电子元器件和电路容差分析的功能块和电路清单 用于协调产品各单元的输入信号、电源电压、频率、带宽、相位及 负载阻抗等特性规定电路节点参数、电路元器件的过渡特性、时 序及作用时间、电路消耗功率、匹配阻抗等参数。 并明确其使用温度范围和元器件的选择原则 由于本分析需要一定的技巧工作量大需要使用计算机因此不可 能也不必要对整机全部电路进行分析。 7 制定元器件大纲 目的 元器件是整