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1、第五章. 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，它需要根据历史产品的可靠性数据、系统的构成和结构特点、系统
2、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。 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
3、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
4、靠性分配结果是可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。5.1.4 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
5、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，增强国际竞争力的需要 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。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
6、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，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
7、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(
8、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，美国空军推行“可靠性及维修性2000年行动计划(R&M2000)，明确提出了“可靠性增倍、维修时间减半”的要求。他们依靠政策和指令来促进
9、空军领导机关对可靠性工作的重视，加速观念转变，使可靠性工作在空军部门形成制度化，以最终实现提高武器装备作战能力、改善生存性、减少空军部队部署的运输量、降低维修保障人力需求和使用保障费用等5项目标。经过6年的努力，在1991年海湾战争中，R&M2000行动计划见到了成效，F-16C/D及F-15E战斗机的战备完好性都超过了95%，平均每架飞机每天能起飞执行7次任务。 美国R&M2000计划之所以能取得如此显著的效果，除了它采取一系列管理上和技术上的措施外，还与它科学而明确地提出可靠性指标及其相应的可靠性预计和分配工作密切有关。可靠性指标在很大程度上带动了武器装备可靠性工程的实施，武器装备都必须开
10、展可靠性预计、分配及设计评审等工作。经审核的可靠性预计报告是装备鉴定、交付使用时必须提交的技术资料，如我国从某国引进的军用雷达等设备就有完整的可靠性预计报告。5.1.5 可靠性预计的特点可靠性预计的特点：及时性，与功能性能设计并行；与故障定义和任务剖面的相关性；在产品研制的各个阶段，可靠性预计应反复迭代进行；可靠性预计结果的相对意义比绝对值更为重要。根据战术技术中可靠性的定量要求，可靠性预测分为：基本可靠性预测和任务可靠性预测。从产品构成角度分析，可靠性预计又可分为：元件、部件或设备等单元可靠性预计和系统可靠性预计。系统是完成特定功能的综合体，是若干工作单元的有机组合；系统和单元的概念是相对的
11、，由许多元器件组成的整机可以看成一个系统，由许多整机和其他设备可以组成大型复杂系统。迄今为止系统可靠性取得了一定的进展，数据的积累和分析找到了相当部分电子元器件、典型机械零部件的预计模型，形成专业工具，典型为半导体、齿轮等。5.1.6 可靠性预计的一般要求若无其它规定，应按最坏的工作情况和环境条件进行预计；预计方法可以选择，不同的预计方法可适用于系统的不同组成单元；为确定每个零部件所经受的工作应力，应根据预计种类和已有的详细设计资料进行应力分析。进行这些分析时，应该采用定货单位可以接受的分析技术。为计算施加应力所产生的影响，应该用适当的因子修正失效率； 可靠性模型和预计工作的详细程度需要与失效
12、率信息相适应。有时，不太详细的模型和预计工作比更详细的预计有意义，因为前者可以及时用于设计更改，有助于可靠性增长；而后者往往不够及时，会使设计更改成为不经济的或不可行的； 应当强调建模和预计工作的及时性。建模和预计工作的时间阶段划分具有极重要意义。尽早利用建模和预计结果可以使对费用和进度的影响最小。假如模型和预计工作不能在计划决策时或在此之前提供有用信息，则这些工作就会因不及时而没有起作用。5.7可靠性预计技术准备基本上，可靠性预计技术准备可以分为）确定系统的全部任务；）划分任务阶段；）结构分解；）环境分析；）任务周期分析；）确定工作模式。）确定系统的全部任务，对于航天飞机来说，该系统的全部任
13、务为侦察、轰炸、扫射截击等，如下图示。侦察轰炸扫射截击 ）划分任务阶段，对每一个任务，按照时间顺序，将任务分成若干阶段。对于卫星发射过程来说，按照时间顺序，其任务阶段应该划分如下：卫星与运载火箭分离卫星起旋运送工件到机床远地点发动机点火定点入轨加工清洗装夹工件系统准备阶段卸工件测量入库时间）结构分解 发动机底盘车身电气设备机体曲柄连杆机构冷却系传动系行驶系转向系制动装置电源组汽车照明信号装置发动机起动系和点火系车体车门齿轮开关以汽车为例，详见下图。）环境分析 分析系统的以下因素：温度；振动；冲击；加速；辐射等。）任务周期分析每一任务阶段的持续时间、距离、周期数等；各单元在每一任务阶段里必须完成
14、的功能是什么？并包括成功标准或故障标准的说明书；在各任务阶段里每一状态（工作、不工作、间歇工作）总的预期时间、周期数等。）确定工作模式功能工作模式：有些多用途产品需要用不同设备或机组完成多种功能；替换工作模式：当产品有不止一种方法完成某一种特定功能时，它就具有替换工作模式。5.8 可靠性预计的程序系统可靠性预计一般遵循如下程序：（1）明确系统定义，包括系统功能、系统任务和系统组成及其接口；（2）明确系统的故障判据；（3）明确系统工作条件；（4）绘制系统的可靠性框图，可靠性框图绘制到最低一级功能层；（5）建立系统可靠性数学模型；（6）预计各单元的可靠性；（7）根据系统可靠性数学模型预计系统的基本
15、可靠性或任务可靠性；（8）可靠性预计结果为可靠性分配提供依据。当实际系统有变动时，进行可靠性再预计。可靠性预计步骤综合：理解产品或系统（包括系统组成、工作条件、任务剖面和完成功能等）；明确系统的故障判剧；绘制系统的可靠性框图，可靠性框图绘制到最低一级功能层；建立系统可靠性数学模型；分别预计各个底层单元的可靠性；根据系统可靠性数学模型预计系统的基本可靠性或任务可靠性；将可靠性预计结果反馈到其它技术和方法中。5.9可靠性预计的方法5.9.1 单元级可靠性预计5.9.1.1 电子类器件可靠性预计可靠性预计的方法一般有相似产品法、相似电路法、有源器件法、元器件计数法、评分预计法及元器件应力分析法（评分预计法和元器件应力分析法属于电子元器件法）等，它们分别适用于不同的设计阶段：当产品处于方论证阶段时，可用相似产品法、相似电路法、有源器件法等快速预计法进行可行性预计，以评价设计方案的可行性；当产品处于早期的详细设计阶段时，可用元器件计数法进行初步设计预计，以了解元器件的初步选择是否恰当
