[工学]可靠性概论.doc

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1、可靠性概论（一）一，可靠性工程与管理的重要意义与发展历史实践教育我们，可靠性，是产品质量的重要指标，必须给予高度重视。它的定义是：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。也就是说，它是用时间尺度来描述的质量，是一个产品到了用户手里，随着时间的推移，能否稳定保持原有功能的问题。可靠性高，意味着寿命长。故障少、维修费用低；可靠性低，意味着寿命短、故障多、维修费用高；可靠性差，轻则影响工作，重则造成起火爆炸、机毁人亡等灾难性事故。对于许多产品，我们不能只关心它的技术性能，而且要关心它的可靠性。在某些情况下，用户宁可适当降低性能方面的指标，而要求有较高的可靠性。 可靠性概念的产生，可以追溯到

2、1939年。当时美国航空委员会提出飞机事故率的概念和要求，这是最早的可靠性指标。1944年，纳粹德国试制V-2火箭袭击伦敦，有80枚火箭还没有起飞就在起飞台上爆炸。经过研究，人们提出了火箭可靠度是所有元器件可靠度的乘积的结论，这是最早的系统可靠性概念。第二次世界大战中，美国由于飞行事故损失飞机21000架，比被击落的还要多1. 5倍。1949年美国海军电子设备有70失效，每一个使用中的电子管，要有9个新电子管作为备件。1955年美国国防预算30用于维修和使用，以后又增加到70，成为不堪忍受的负担。正是在这种背景下，美国在可靠性工程与管理的理论与应用方面投入了大量的人力物力，1950年，成立了国

3、防部电子设备可靠性工作组，以后改组为国防部电子设备可靠性顾问团（AGREE）。这个组织进行了深入的调查研究，提出了著名的AGREE报告成为美国可靠性工作的指导纲领。以后又相继成立了元器件可靠性管理委员会。失效数据中心（FARADA）、政府与工业界数据交换网(GIDEP ）等组织，研究元器件失效规律，定期发布可靠性数据，为研制与管理决策提供依据。经过长期研究，制订了一系列通用军用标准，有力地指导了可靠性工程与管理实践。美国军用标准MIL-STD-785B“设备和系统研制和生产阶段可靠性计划”，是可靠性管理标准，对美国的可靠性管理工作发挥了重要作用。通过一系列的工作，美国在军事装备可靠性方面处于世

4、界领先的地位。日本从美国引入可靠性技术以后，将军事工业方面的可靠性经验在民用工业方面推广，取得了后来居上的显著效果。日本汽车、彩色电视机，收录机等产品所以能够占领美国以及国际市场，性能、价格相仿而可靠性胜过一筹，是一个决定性的因素。我国可靠性工作起步也比较早，50年代就建立了温热带环境暴露试验机构。1972年在这个基础上组建了我国唯一的电子产品可靠性与环境试验研究所，着手可靠性与环境试验、失效分析、数据处理等研究工作。70年代中期我国电子、机械、仪表、邮电、航天、航空、电力、三军等系统陆续开展了可靠性工作。一般都是从调查研究、可靠性教育入手，接着是建立可靠性管理、研究、试验、数据、情报等工作机

5、构，制订可靠性标准，对产品提出指令性的可靠性指标，进行可靠性考核与可靠性试验，对试验中发生的失效进行失效模式与机理的分析研究，提出纠正措施。从国际上来看，可靠性工程与管理的发展可以粗略地划分为四个阶段： 第一阶段，是调查准备阶段，主要特点是提出可靠性问题，进行基础理论研究，提出工程技术与管理方面的要求。第二阶段，是统计试验阶段，主要特点是对元器件及整机进行可靠性试验与环境试验，对可靠性进行定量评估与分析改进；开展可靠性与维修性的工程理论研究。第三阶段，是可靠性物理阶段，主要特点是对元器件、整机及系统进行定性与定量的失效分析，从材料、设计和制造等方面采取措施，预防失效。第四阶段，是可靠性保证阶段

6、，主要特点是开展系统的可靠性管理，对各个环节以及全寿命周期进行控制，实现可靠性保证。 这四个阶段，并不是截然分开的，而是互相交叉、逐步地发展与完善。即使进入了可靠性保证阶段，基础理论研究、统计试验、失效分析等工作仍有着重要作用，其本身也不断有新的发展。可靠性之所以受到人们更大的关切和重视，主要是因为：随着科学技术的迅速发展以及消费方面日益增长的需要，对电子、机械设备的功能以及自动化程度，提出了越来越高的要求，使设备的复杂程度也越来越高，使用的元器件、部件也越来越多。最早的矿石收音机只有几个零件、半导体收音机的元器件约有100多个，电视机的元器件有几百个，通信机的元器件有几千个，机载电子设备的元

7、器件有几万个，而大型计算机、宇航系统达到几十力到几百万个，有的大系统已达到1000万个以上。而其中某个元器件、某个焊点的失效，就足以导致整个设备以及系统的失效，并造成严重的后果。随着电子、机械设备应用的日益广泛，它们的使用环境也越来越复杂和严酷。室内、室外、陆地、海洋、深海、高空、热带、寒带，车载、机载、舰载，各种环境的温度应力、机械应力、气氛应力以及电磁、核辐射等等应力越来越强，使电子设备受到严酷的考验。一旦某个应力超过了设备的强度，便将导致设备以至系统的失效。随着商品经济和贸易的发展，国内外市场的竞争日益激烈，民用、工业用产品和军用产品的用户，不仅要求产品的技术性能先进，而且要求可靠性高。

8、国内外的专家都指出，现在和将来，市场竞争的焦点是可靠性，只有那些了解并能控制自己产品可靠性的企业，才能在国际竞争中生存。一个可靠性差的商品，不但不能在国际贸易中占领市场，在国内市场上也不会站住脚。产品责任法的推行，消费者组织的建立，对产品的可靠性、安全性提出了更高等要求。由于产品可靠性、安全性存在的问题所造成的人身伤害及财产损失，不但要向生产者追赔直接损失，而且要追赔间接损失，一个事故就可以导致一个企业的破产。二、可靠性工程与管理的经济效益美国开展可靠性工作较早，取得的效果也最为显著，特别表现在军事装备方面。通过一系列的可靠性工作，军用元器件的失效率达到 七级至九级。整机及系统的可靠性与50年

9、代相比，提高了二三个数量级。日本从美国引进了可靠性技术，而且广泛用于民用产品的研制与生产，使元器件的失效率及不良率分别达到FIT（1 x 1E-9小时）和PPM（1 x1E-6）级水平；整机产品的可靠性在国际上处于领先地位，成为打入美国市场、畅销全世界的决定因素。我国电子、机械、仪表、邮电。航天、航空、电力等系统开展可靠性工作以后，也都取得了显著效果，元器件和整机、系统的可靠性都大幅度提高。三、可靠性工程与管理的基本工作内容：1 理 论可靠性理论是随着经济技术发展的需要发展起来的，同时，它又对可靠性工程技术的发展起着极为重要的指导作用。可靠性基础理论主要是可靠性数学、可靠性物理、可靠性管理，专

10、业技术理论主要是可靠性设计、可靠性工艺、可靠性试验技术、环境试验技术、维修性工程等。2 设 备可靠性设备包括失效分析设备、制造专用设备、检测设备：可靠性试验设备、环境试验设备、计量设备、数据处理设备等。这些设备可以根据具体情况添置或自制，常用的应该自备，非常用的可以通过协作和联合的方式共同使用。3 标 准可靠性标准是可靠性工作的依据，是指导可靠性工作，使其规范化、优化的保证。可靠性标准包括基础标准、管理标准、产品标准、设计标准、工艺标准、检验标准、试验标准、认证标准、认定标准、安全标准以及安装规范、使用规范、维修规范。采用国际标准是加速我国产品标准化，迅速提高产品质量和可靠性水平的重要途径。美

11、国军用可靠性标准（MIL)是国际上较完整 、严密的标准体系，世界各国普遍引用，也是我国军用可靠性标准的主要依据。国际电工委员会可靠性标(IEC)低于美国军用标准，是国际上可以接受的标准，是我国出口产品的重要依据。经过多年努力，我国借鉴国际标准结合本国实际情况，制订了一系列可靠性标准，其中有的直接采用，有的等效采用了美国军用标准和国际电工委员会的标准，对我国可靠性工作起了重要指导作用。广义地说，国家各级行政领导机关部门制订的各种条例、办法等行政管理规定，也起了标准的作用。4 技 术可靠性专业技术是实现可靠性的技术手段。可靠性工程不但选用SQC(Statistical Quality Contro

12、l)技术，而且有许多专业技术，包括设计、工艺、使用维修、试验、分析等5个方面：可靠性设计为产品可靠性奠定基础，未进行可靠性设计的产品必然存在着许多设计缺陷，造成“先天不足、后患无穷”。可靠性设计包括可靠性预计、可靠性分配、元器件应用、热设计、电磁兼容设计、漂移设计、三防设计、抗振设计、冗余设计、潜在通路分析、结构设计、机械概率设计、抗疲劳和磨损腐蚀设计、人机工程设计、维修性设计、失效安全设计、安全性设计、工艺设计以及其他特殊设计、可靠性增长等。可靠的制造工艺是实现设计可靠性的技术手段，设计可靠性与制造可靠性共同决定了产品的固有可靠性）与可靠性密切相关的工艺有装联工艺、安装工艺、包封工艺、灌注工

13、艺、涂敷工艺、清洗工艺、金加工工艺、热处理工艺、密封工艺、包装工艺、监控工艺、筛选工艺等。使用与维护技术与产品使用可靠性密切相关，是维持产品可靠性的重要手段，也是降低维护费用的重要手段。它包括使用资料、使用者控制、使用条件控制、运行监控、故障预测、故障诊断、修复技术、维修大纲、维修设备与备件、维修网点、技术培训、数据收集与反馈等。试验评估技术是评估产品可靠性水平、环境适应性及安全性的重要手段，也是取得信息及时改进设计、工艺及管理的重要手段。试验评估技术包括可靠性试验技术、环境试验技术、安全试验技术、认定试验技术等。失效分析技术是分析电子元器件、机械零部件及整机、系统的失效模式、失效机理以提出纠

14、正措施的有力工具，在产品研制、生产、使用的各阶段都得到广泛应用。失效分析技术包括理化分析、逻辑分析、统计分析三方面。理化分析是应用分析仪器从物理化学角度解剖分析材料、元器件、零部件的失效。逻辑分析是应用故障模式、效应及后果分析（FMECA）与失效树（FTA ）等逻辑分析技术对元器件、零部件、整机以及系统进行失效分析。统计分析是用概率统计等数学工具对失效数据进行分析处理，掌握它的统计规律。5 管 理可靠性管理是对可靠性工作的各个环节以及产品的全寿命周期的各项技术活动进行组织、协调和控制，以实现既定的可靠性指标。它在整个可靠性工作中处于领导和保证地位；离开了可靠性管理，各项可靠性技术活动将无法进行

15、。可靠性管理可以分为宏观管理与微观管理两个方面。其中，又以自上而下的可靠性宏观管理起着决定性的作用。宏观管理由政府主管部门实施，有关的学会及协会配合进行。宏观管理包括政策、法规、条例、国家与专业标准，管理体制、中期和长期规划、指标考核、基础研究、计量、检查监督、质量跟踪、国家与行业可靠性情报交换、国家与行业可靠性数据交换、质量认证、安全性认证、生产许可证、创优评比、技术交流及教育培训等方面。微观管理由企业、研究所等基层单位实施，包括方针目标、规章制度、企业标准、组织机构、可靠性计划、指标与考核、应用研究、设计与评审、质量认定、工序控制、试验监督、质量跟踪、计量维修服务、全寿命周期费用分析、情报

16、收集与应用、数据收集与应用、技术交流、岗位培训等方面。6. 教 育可靠性教育是培养可靠性人才的基础工作。可靠性管理水平与产品可靠性水平取决于人才的水平。可靠性教育要分层次进行。国内外经验证明，一个国家、一个单位可靠性工作能否认真开展，取得成效，关键在于这个国家的有关领导机关、这个单位的主要领导人员是否了解和重视可靠性工作。可靠性教育方式包括在职岗位培训和在校教育两个方面。在职培训的主要方式是专题技术培训班。第一个层次是领导决策人员，第二个层次是工程技术及管理人员，第三个层次是操作执行人员。在校教育方式是研究生、双学位生以及在各专业增设可靠性课程。可靠性概论(二)一、可靠性及其尺度1.可靠度国家

17、标准给产品可靠度下的定义是：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。简言之，产品的可靠性是用概率来度量的。例如，某金属膜电阻在温度为45和流过电流100毫安的条件下工作1000小时，其阻值变化不超过上3的能力为99，就是该电阻的可靠度。显然，当环境温度不同，电流负荷不同，工作时间不同，参数漂移不同时，电阻的可靠度也就不会一样。可靠度用概率来度量。概率可用事件出现的频率来解释。例如，某种型号的洗衣机在普通家庭连续工作5年的可靠度是90，如果用频率来解释概率，则意味着这种洗衣机在售出100台於5年内大约有90台仍能使用，而大约有10台将发生故障。火箭等一次性使用的产品也常用成功率这个术

18、语来代替可靠度。2平均寿命产品从处于完好状态开始，直到进入失效状态，所经历的时间称为产品的寿命。因此，作为可靠性的尺度，也可用时间来表示。最常用的有MTTF（发生失效前的平均时间）和MTBF（平均无故障工作时间），两者都称为平均寿命。前者用于不维修的产品，后者用于可维修的产品。平均寿命，顾名思义，它是一批产品的寿命平均值，尽管单件产品的寿命可能完全不同。 除平均寿命外，对某些重要的产品常使用可靠寿命。我们知道，产品的可靠度是随时间变化的，随着时间的延长可靠度会越来越低。假定开始时产品的可靠度为1， 以后在不同的时刻，产品的可靠度将具有不同的r值。在可靠性工作中， 经常需要知道，对于给定的r，产

19、品的可靠度下降到 r时所经历的时间是多少,这个时间就是产品的可靠寿命.3失效率 某些产品的可靠性，特别是电子元器件的可靠性，常用失效比例来测定。比较容易理解的是所谓平均失效率。它可用公式表示如下：平均失效率：失效产品的百分比 / 工作时间例如，某种调谐器的平均失效率为11000小时，它的意思是100只这种调谐器使用1000小时平均有1只失效。然而，在可靠性工作中更常用的是所谓瞬时失效率，简称失效率。它定义为：能工作到某个时刻的产品，在随后极短的连续单位时间内发生失效的比例。显然，产品的失效率愈小愈好。失效率国际上惯用菲特（Fit）作为单位。它的含义是1 菲特（Fit）：1 * 1E(-9)小时

20、= 1 * 1E(-6)千小时我国将失效率分成7个等级，见表31。失效率等级名称亚五五六七八九十 失效率等级代号Y W L QB J S 该级的最大失效率 ( /小时)3E-5 1E-5 1E-6 1E-7 1E-8 1E-9 1E-10 4浴盆曲线一般产品的失效率是随时间而变化的。若将产品的失效率记成( t) ，把（t）画成曲线，该曲线一般呈浴盆状，故在可靠性中把失效率函数的图形称为：浴盆曲线”。在此期间之初，产品的失效率高；随着时间的推移，表现出急速下降的形态。这很相似于人类在婴儿时期死亡率（即失效率）高，并随时间推移而急剧下降的情况。曲线当中的平坦部分称为偶发失效期。一进入这个期间，产品

21、的失效率就处于稳定，仅当遇到偶然发生的原因才会出现失效。这同人类一样，人一旦进入青年期，死亡率就低而稳定起来，仅当发生意外事故才会死亡。最后，曲线的右边部分是耗损失效期。在此期间，产品由于使用日久而逐渐磨损，失效率逐渐增加。这和人一到老年各种疾病都易引发，死亡率也就明显增高相类似。 产品使用在偶发失效期的时间称为产品的使用寿命。为了延长使用寿命，在偶发失效期也要注意加强产品的维护 、保养工作。偶发失效期的特点是失效率（t）= （常数）0，这时产品可靠度R（t）和失效率人有如下关系：R（t）= e(-t)并且产品的平均寿命和失效率互成倒数，即MTTF1 / 【例】取某种发报机18台做寿命试验，各

22、台发生失效的时间（单位：小时）为：160 290 506 680 1000 1300 1408 1632 16321957 1969 2315 2400 2912 4010 4315 4378 4500试求： （1） 500小时的可靠度；（ 2 ）平均寿命；（ 3）500小时的失效率，t取为10小时。解：我们用频率来近似概率。（1 ）可靠度=(工作到t的台数) / (试验的总台数)于是 R（500）：=16/18=88.9(2）平均寿命=(各台工作的总和) /( 试验的总台数)。于是 MTTF（160+290+ + 4378+ 4500）/ 1820758（小时）（3）失效率（t）= t到t+

23、t(包括t+t)的失效台数 / (工作到t的台数*t)于是 (500)=1/(16*10)=6.25*10(-3)/小时二、广义可靠性及其尺度1维修性及其尺度维修是为保持产品可靠性对可维修产品所作的处理。这个定义说明了维修的目的是保持 产品可靠性，维修的对象是可维修产品，维修的内容是对产品作各种各样的处理，如保养、 检查、修理、调整等。维修可分为预防维修和事后维修。预防维修，是为了防止故障发生而做的预处理；事后 维修，是故障发生后使产品恢复规定功能所做的处理。 维修性是指可维修产品在规定的条件下和规定的时间内完成维修任务的能力。这个定义 中规定的条件指的是维修的三要素：即可维修产品的难易程度；

24、维修人员的技术水平；备用 件、工具等的准备情况。像衡量产品可靠性一样，衡量产品的维修性也有常用的3种尺度：一是维修度，记成M（t）； 这是用修复的概率来计量维修性的尺度；二是平均修理时间，记成MTTR，它是用平均花费修理的时间来计量维修性的尺度；三是修复率，记成（t），它是用单位时间修复的比例 来计量维修性的尺度。为了提高产品的可靠性，我们希望产品的可靠度高、平均寿命长、失效率小。但为了提 高产品的维修性，除希望产品的维修度高外，都希望平均修理时间短，修复率大。2可用性及其尺度广义可靠性包括狭义可靠性和维修性。但作为广义可靠性的尺度，则不能简单地将狭义可靠度加上维修度来衡量，而必须将它们有机地

25、组合起来形成新的概念和尺度。可用性就是综合反映狭义可靠性和维修性的概念，可用度则是衡量可用性的尺度。可用性是指可维修产品在规定的条件下使用时能维持其规定功能的能力。这个定义中规定的条件应包括产品的工作条件和维修条件。 若能力用概率来计量，则可用性的尺度称为可用度，常用的有3种： 瞬间可用度，记成A（t）。它是可维修产品在某特定的瞬间t可用的概率。这一尺度在理论上用得较多，工程上一般很少采用。 可维修产品在0，t 这一段时间中能工作的时间所占的比例称为平均可用度。稳态可用度，记成A。这是上述两种可用度的极限情况，用公式可写成A= MTBF / (MTBF十MTTR)由于它是用狭义可靠性和维修性的

26、时间尺度来表达的，非常便于计算，故工程上广泛采用这一尺度。从稳态可用度的计算公式容易理解，不同的MTBF和MTTR相配合能够得出相同的稳态可用度A。例如，一种产品的，MTBF105小时， MTTR102小时；而另一种产品的MTBF103小时， MTTR1 小时，经过计算两者的稳态可用度都是999。然而，这两种产品的广义可靠性还是应有所区别。因为从两者的MTBF可以看出，后一种产品平均已维修了 100次，前一种才维修1次。为了反映这种维修次数上的差异，以便提供足够的备用件，工程上可用故障频度这一尺度来刻划。它的计算公式是故障频度= 1 / (MTBF+MTTR)3经济性及其尺度提高产品的可靠性是

27、要付出一定代价的。一般来说，对产品的可靠性要求越高，其投资费用也就越大，而维修费用就会相应降低。问题是提高可靠性的费用是由生产方支付的，而维修费用通常是由使用方负担的。因此虽然大多数厂家认识到高可靠性产品既可卖高的价钱。又赢得好声誉，但也有些生产厂不愿为提高产品可靠性作出努力。我们是社会主义国家，要从社会的经济效益出发来处理这个问题，同时也可通过考核产品的可靠性指标，用优质优价 的经济手段来解决。以电视机为例，若其平均无故障工作时间为500小时，每年按观看1000小时计算，在指数分布假定下，则年返修率为1- e(-t)=1-e(-1000/500)=86.47%；其平均无故障工作时间若提高到5

28、000小时,则年返修率就下降到18.13，。假定社会电视机拥有量为2000万台，每次修理费以10元计，那么一年就可节省维修费约137亿元。为了恰到好处地权衡其经济效果，应从可靠性与费用的关系曲线（见图32）中合理地选择其投资额。综合投资额和维修费两方面的因素，取总费用的最低点来确定产品的可靠度，费用有效度= 产品可用度 / 寿命周期费用四、对典型产品主要考核的可靠性指标上面介绍了许多衡量可靠性的尺度。读者自然会问，我们厂的产品应考核哪些指标？是否所有指标都要计算、当然不是。因为每项产品的功能不一样，所以其考核的主要指标也不一样。另外，衡量可靠性的各种尺度之间还有内在联系，可以相互换算。在可靠性

29、里面对时间概念也要有一个广义的理解。它不仅是小时、天、月、年等，也可以是公里数、空间距离等。特别是离散的时间，如动作次数、循环次数，在可靠性中也用得非常多。下面，我们推荐一些大类产品应考核的主要可靠性指标：电视机、录音机等家用电器，主要考核它们的MTBF。继电器及各种机械开关元件，主要考核他们的平均无故障动作次数。真空管、灯泡、发射管等，主要考核它们的MTTF。晶体管。集成电路。电阻器、电容器等电子元器件，主要考核它们的失效率。飞机，主要考核它的任务可靠度与首次翻修期。汽车、火车、自行车，主要考核它们平均无故障行驶公里数。计算机、雷达、微波通信系统等，主要考核它们的可用度。机械产品、建筑结构，主要考核它们的可靠指数。运载火箭、鱼雷等，主要考核它们的发射成功率及贮存寿命。实践证明，考核可靠性指标，对于开展可靠性工作,提高产可靠性水平，有着极为重要的意义。