可靠性基础介绍

《可靠性基础介绍》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可靠性基础介绍（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、制作：制作：吴四华 日期：日期：2003/07/15 可靠性基础可靠性基础 ii 前前 言言 本文从可靠性的五个方面（定义、测试、增长、保证、实施）对可靠性的基本知识作了 一些介绍；主要编排如下： 第一节，可靠性定义；这一节对可靠性的定义和重要性作了介绍，同时对可靠性的较常 用指标进行了说明。 第二节，可靠性测试；这一节主要叙述了可靠性测试的项目，并对项目进行了分类，对 测试方法做了常规性的说明。 第三节，可靠性增长；这一节主要介绍了在产品设计阶段，为了提升产品的可靠性、通 过可靠性测试，常用的设计方法。 第四节，可靠性保证；这一节简要介绍了在设计阶段实现的高可靠性能，如何保证在批 量生产时能

2、得以维持；这一节因与 ISO9000 基本一致，只是概要说明。 第五节，可靠性实施；这一节介绍了在一个设计/生产型公司里如何推行可靠性。 第六节，可靠性计算；这一节对可靠性的基础计算做了讲解，并给出了实例；对一些较 复杂的计算只做了一些描述； 由于此文只是我个人一些经验总结， 因为经验有限， 错误之处难免； 我会随时间的推移、 经验的增加，对本文进行修正； 目前，本文不对外发表，仅供个人参考。 iii 目目 录录 前 言 . ii 第一节 可靠性定义 . 1 一、可靠性定义 . 1 二、可靠性的重要性 . 1 三、可靠性指标 . 2 第二节 可靠性测试 . 4 一、环境测试 . 4 二、EMC

3、 测试 . 6 三、其它测试 . 6 四、测试条件 . 7 第三节 可靠性增长 . 13 一、MTBF 的设计目标值 13 二、可靠性模型 . 14 三、可靠性分配 . 15 四、可靠性预计 . 16 五、可靠性设计方法 . 17 1、降额设计； . 17 2、冗余设计 . 18 3、热设计 . 19 4、EMC 设计 21 5、三次设计 . 22 第四节 可靠性保证 . 24 一、文件的控制 . 24 二、原材料和供应商的控制 . 24 三、生产过程和异常改善的控制 . 25 四、产品贮存和运输的控制； . 27 五、人员的培训 . 28 第五节 可靠性实施 . 29 iv 一、制定可靠性工

4、作计划 . 29 二、执行可靠性测试 . 30 三、可靠性增长 . 31 四、可靠性保持 . 32 第六节 可靠性计算 . 34 一、概率与统计 . 34 二、可靠性常用的分布 . 34 三、筛选强度 . 35 四、MTBF 的计算 36 1 第一节第一节 可靠性定义可靠性定义 什么是可靠性？产品可靠性的好坏用什么衡量？本节内容主要讲述这方面的基础知 识。 一、可靠性定义一、可靠性定义 产品的可靠性是指：产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力。 从定义本身来说，它是产品的一种能力，这是一个很抽象的概念；我们可以用个例子（100 个学生即将参加考试）来理解这个定义，可靠性就是指：

5、100 个学生的考分的平均是多少？ 对这个平均分的准确性有多大把握？分数越高、把握越大，可靠性就越高。 我国的可靠性工作起步较晚，20 世纪 70 年代才开始在电子工业和航空工业中初步形 成可靠性研究体系，并将其应用于军工产品。其他行业可靠性工作起步更晚，差距更大， 与先进国家差距 2030 年， 虽然国家已制订可靠性标准， 但尚未引起所有企业的足够重视。 对产品而言，可靠性越高就越好。可靠性高的产品，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，就是产品的可靠性越高，产品可以无故障工作 的时间就越长。 二、可靠性的重要性二、可靠性的重要性 调查结果显示（如某公司市场

6、部 2001 年调查记录） ： “对可靠性的重视度，与地区的经 济发达程度成正比” 。例如，英国电讯（BT）关于可靠性管理/指标要求有产品寿命、MTBF 报告、可靠性框图、失效树分析（FTA） 、可靠性测试计划和测试报告等；泰国只有 MTBF 和 MTTF 的要求；而厄瓜多尔则未提到，只是提出环境适应性和安全性的要求。 产品的可靠性很重要，它不仅影响生产公司的前途，而且影响到使用者的安全（前苏 联的“联盟 11 号”宇宙飞船返回时，因压力阀门提前打开而造成三名宇航员全部死亡） 。 可靠性好的产品，不但可以减少公司的维修费用，而且可以很快就打出品牌，大幅度提升 公司形象，增加公司收入。 随着市场

7、经济的发展，竞争日趋激烈，人们不仅要求产品物美价廉，而且十分重视产 品的可靠性和安全性。日本的汽车、家用电器等产品，虽然在性能、价格方面与我国彼此 相仿，却能占领美国以及国际市场。主要的原因就是日本的产品可靠性胜过我国一筹。美 国的康明斯、卡勃彼特柴油机，大修期为 12000 小时，而我国柴油机不过 1000 小时，有的 甚至几十小时、几百小时就出现故障。我国生产的电梯，平均使用寿命（指两次大修期的 2 间隔时期）为 3 年左右，而国外的电梯平均寿命在 10 年以上，是我们的 3 倍；故障率，国 外平均为 0.05 次，而我国为 1 次以上，高出 20 倍，这样的产品怎么有竞争力呢！因此要想

8、在竞争中立于不败之地，就要狠抓产品质量，特别是产品可靠性，没有可靠性就没有质量， 企业就无法在激烈的竞争中生存和发展。因此，可靠性问题必须引起政府和企业的高度重 视，抓好可靠性工作，不仅是关系到企业生存和发展的大问题，也是关系到国家经济兴衰 的大问题。 三、可靠性指标三、可靠性指标 衡量产品可靠性水平有好几种标准，有定量的，也有定性的，有时要用几种标准（指 标）去度量一种产品的可靠性，但最基本最常用的有以下几种标准。 1.可靠度可靠度 R（t） ；它是产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的概率。一批产品的数量 为 N，从 t = 0 时开始使用，随着时间的推移，失效的产品件数逐渐增加，而正常

9、工作的产 品件数 n(t)逐渐减少，用 R(t)表示产品在任意时刻 t 的可靠度。2.可靠寿命可靠寿命CR(tr)；它与一 般理解的寿命有不同含义，概念也不同，设产品的可靠度为 R(t)，使可靠度等于规定值 r 时的时间 tr 的，即被定义为可靠寿命。3.失效率（故障率）失效率（故障率）（t） ；它是指某产品（零部件） 工作到时间 t 之后，在单位时间t 内发生失效的概率。4.有效寿命与平均寿命有效寿命与平均寿命；有效寿命 一般是指产品投入使用后至达到某规定失效率水平之前的一段工作时间。 而平均寿命 MTTF 对于不可修复产品，指从开始使用直到发生失效这一段工作时间的平均值；对于可修复的 产品

10、，是指在整个使用阶段和除维修时间之后的各段有效工作时间的平均值。5.平均无故障 工作时间 平均无故障 工作时间 MTBF；是指相邻两次故障之间的平均工作时间，也称为平均故障间隔。它仅适 用于可维修产品。同时也规定产品在总的使用阶段累计工作时间与故障次数的比值为 MTBF。其他如可靠度、有效度、维修度、平均维修时间等也是衡量产品可靠性水平的一种 标准，但是一般以可靠寿命失效率就足以说明产品可靠性程度了。 1. 平均故障间隔时间；平均故障间隔时间； 可维修的产品，其可靠性主要的参数是 MTBF（Mean Time Between Fail） ，即平均故障 间隔时间， 也就是两次维修间的平均时间；

11、不可维修的产品， 用 MTTB （Mean Time To Fail） ； 两个参数的计算没有区别，下文只提到 MTBF。MTBF 越大，说明产品的可靠性越高。 可以用以下理想测试来精确测试一批产品的 MTBF；即将该批产品投入使用，当该批 产品全部出现故障以后（假如第 1 个产品的故障时间为 t1，第 2 个产品的故障时间为 t2，第 n 个产品的故障时间为 tn） ，计算发生故障的平均时间，则 = n n ntMTBF 1 / 3 t t III III 由上式可以看出，理想测试就是用全部的时间和全部的故障数来算出精确的 MTBF； 2、失效密度、失效密度 另外一个常用的参数是，它是指在产

12、品在 t 时刻失效的可能性，是失效间隔时间的 倒数，也就是：1/MTBF。 对某一类产品而言， 产品在不同的时刻有不同的失效率 （也就是失效率是时间的函数） ， 对电子产品而言，其失效率符合浴盆曲线分布（如下图） ： 浴盆曲线，分为三部份（I、II、III 三部份） ： 第 I 部份是早期失效阶段。这段时间内，从外 形上看，在失效率从一个很高的指标迅速下降；从 物理意义上理解，由于少数产品在制作后，存在一 些制程、运输、调试等问题，产品有比较明显的缺 陷， 在投入使用的最初期， 这缺陷很快就显露出来， 随着时间的增长，这些明显的缺陷越来越少，也就 形成了“失效率迅速下降”的现象； 第 II 部

13、份是中期稳定阶段。这段时间内，产品的失效率稳定在一个较低水平；从物理 意义上理解，当少数产品的明显缺陷显露出来后，剩下的就是正常的产品，这部份产品可 以较稳定、持久地工作，所以失效率也稳定在一个较低水平； 第 III 部份是后期失效阶段； 这段时间内， 产品的失效率迅速上升； 从物理意义上理解， 到了后期， 产品经过长时间的工作、 磨损、 老化， 慢慢接近寿命终点， 随着时间的增加 （Tmax 以内） ，到达寿命终点的产品越来越多，失效率也就随之上升； 知道了，就可以找到产品连续工作 了 t 时间后、还正常的概率为 R(t)=e-t，此时已 经失效的概率为 F(t)1-R(t)1e-t。 R(

14、t)=e-t是一个经验公式， 一般电子产品的寿命服从这一指数分布， 其它分布下文再叙； Tmax 4 第二节第二节 可靠性测试可靠性测试 可靠性测试应该在可靠性设计之后，但目前我国的可靠性工作主要还是在测试阶段， 这里将测试放在前面（而且大部分公司都会忽略最初的可靠性设计，当测试出现失效后才 开始考虑设计） 。 为了测得产品的可靠度（也就是为了测出产品的 MTBF） ，我们需要拿出一定的样品， 做较长时间的运行测试，找出每个样品的失效时间，根据第一节的公式计算出 MTBF，当 然样品数量越多，测试结果就越准确。但是，这样的理想测试实际上是不可能的，因为对 这种测试而言，要等到最后一个样品出现故

15、障需要的测试时间长得无法想象，要所有 样品都出现故障需要的成本高得无法想象。 为了测试可靠性，这里介绍：加速测试（也就增加应力*） ，使缺陷迅速显现；经过大 量专家、长时间的统计，找到了一些增加应力的方法，转化成一些测试的项目。如果产品 经过这些项目的测试，依然没有明显的缺陷，就说明产品的可靠性至少可以达到某一水平， 经过换算可以计算出 MTBF（因产品能通过这些测试，并无明显缺陷出现，说明未达到产 品的极限能力，所以此时对应的 MTBF 是产品的最小值） 。其它计算方法见下文。 *应力：就是指外界各种环境对产品的破坏力，如产品在 85下工作受到的应力比在 25下工作受到的应力大；在高应力下工

16、作，产品失效的可能性就大大增加了； 一、环境测试一、环境测试 产品在使用过程中，有不同的使用环境（有些安装在室外、有些随身携带、有些装有 船上等等） ，会受到不同环境的应力（有些受到风吹雨湿、有些受到振动与跌落、有些受到 盐雾蚀侵等等） ；为了确认产品能在这些环境下正常工作，国标、行标都要求产品在环境方 法模拟一些测试项目，这些测试项目包括： 1). 高温测试（高温运行、高温贮存） ； 2). 低温测试（低温运行、低温贮存） ； 3). 高低温交变测试（温度循环测试、热冲击测试） ； 4). 高温高湿测试（湿热贮存、湿热循环） ； 5). 机械振动测试（随机振动测试、扫频振动测试） ； 6). 汽车运输测试（模拟运输测试、碰撞测试） ； 7). 机械冲击测试； 5 8). 开关电测试； 9). 电源拉偏测试； 10).冷启动测试； 11).盐雾测试； 12).淋雨测试； 13).尘砂测试； 说明：说明：上面 13 项比较全面地概括了产品在实现使用过程中碰到的外界环境；实际测试 时，因为各产品本身属性的相差