原创 可靠性设计

可靠性设计
作者： 心碎了无痕     
可靠性设计　　
　　可靠性管理是在一定的时间和费用条件基础上，根据用户要求，为了生产出具有规定的可靠性要求的产品，在设计、研制、制造、使用和维修即产品整个寿命期内，所进行的一切组织、计划、协调、控制等综合管理工作。
　　其中首要的环节就是可靠性设计，它决定了产品的内在可2靠性（即固有可靠性）。研制与生产过程则是实行可靠性控制，保证产品内在可靠性的实现。因为产品在使用时，各种因素影响着产品的可靠性，故又把产品在使用过程中对可靠性的要求称之为使用可靠性。
　　据美国贝尔电话实验室和海洋电子实验室统计，产品故障因设计方面问题引起的占40％以上，是影响产品内在可靠性的主要因素。见下图所示。
　 　
　　我国也曾对影响某电子设备故障的因素进行分析、统计，起初获得的统计数据如下图所示。

　　但是，通过进一步分析，该电子设备在元器件、生产测试和使用、维护方面产生故障的原因中，还有一些原因是由于设计技术不当而引起的，如结构设计工艺性不强导致了生产制造差错；电路设计不当引起元器件超负荷使用；选用的元器件不能满足整机使用的环境条件；可靠性设计不当，又会出现使用维修故障等。这样，其故障因素分类就改变为下图所示。

　　由此可见，决定产品可靠性的首要环节就是可靠性设计。
一、可靠性设计的工作程序
　　可靠性设计的一般工作程序如图所示。

二、可靠性设计的基本内容
　　可靠性设计的主要任务就是通过可靠性预测、分析、试验和改进等可靠性活动，把可靠性要求设计到产品文件与图纸中去行成产品的内在可靠性。
　　可靠性设计是整个产品设计工作中的一个重要组成部分，它与广项功能设计相辅相成，通过功能设计可初步确定产品的功能与结构，运用可靠性设计，对产品的可靠性进行分析、评价和改进，使产品功能设计更趋于完善。
　　具体地说，可靠性设计的基本工作内容一般依产品设计内容分为产品系统设计和产品零部件设计两大部分。
　　设计内容 可靠性设计的具体项目
　　产品（系统）设计　　根据功能、成本和时间限制决定产品系统可靠性要求
　　　　　　　　　　确定产品系统的工作环境条件
　　　　　　　　　　制定产品系统可靠性规范
　　　　　　　　　　确定对产品包装、运输、使用、保管等方面可靠性要求
　　　　　　　　　 编制生产制造过程中可靠性控制计划
　　　　　　　　　 确定产品系统的维修难易程度及安全性等方面基本要求
零部件设计　　　　　规定零部件可靠性要求
　　　　　　　　　　规定零部件技术性能指标
　　　　　　　　　　确定可靠性试验方法与要求
　　　　　　　　　 列出具有高可靠性及低可靠性的零部件清单
　　　　　　　　　　确定零部件失效率要求值
　　　　　　　　　 确定所选部件的寿命和非周久性部件的检查及其互换标准
　　　　　　　　　　确定重要零部件的获得、使用和试验方法
　　　　　　　　　　设计零部件的安全系数
　　　　　　　　　　采用标准设计方式
　　　　　　　　　　进行安全设计
　　　　　　　　　　确定冲击、振动、缓冲框架、减震装置的寿命
　　　　　　　　　　预测可靠性和更改设计
　　　　　　　　　　分析典型部件的失效覆式，明确其所引起的影响
　　　　　　　　　　审查零部件的可靠性
　　　　　　　　　　进行零部件的寿命试验和破坏性试验，并把各种试验结果
　　　　　　　　　　和指标相比较，进行必要的设计更改
　　　　　　　　　 对软件的可靠性进行设计、试验和审查
三、可靠性设计的基本方法
　　由于产品种类及其系统的复杂程度不同，可靠性的设计方法也应有所不同，一般常用的可靠性设计方法有可靠性预测、可靠性试验、可靠性分析、可靠性分配与可靠性评审或鉴定。
1．可靠性预测
　　可靠性预测是对产品系统可能达到的可靠性水平，利用其结构、功能、环境及相互关系的信息进行定量分析估计的一种方法。
（１）目的
　　在可靠性设计中应用可靠性预测的主要目的是：
　　①为设计决策提供科学合理的依据。如对不同设计方案的选择，元器件、零部件质量等级的确定，新技术、新材料的采用及设计是否需要改进等；
　　②根据预测结果，编制可靠性关键件清单，为生产过程质量控制提供依据；
　　③为可靠性试验方案设计提供依据；
　　④为产品系统的可靠性指标分配提供依据和顺序；
　　⑤对产品使用、维护提供信息等。
　　此外，可靠性预测还可作为不能直接进行可靠性验证的大型产品系统的可靠性估计。
　　由于可靠性预测是根据已知的数据、过去的经验和知识对新产品系统的设计进行分析，因此，数据和信息来源的科学性、准确性和适用性以及分析方法的可行性就成为可靠性预测的关键。
　　可靠性预测一般在设计初期就开始，而且越早进行效果越好，并随着产品设计、研制工作的展开逐步深入，不断完善。
　　在产品方案论证阶段，可靠性预测只限于了解产品系统大体情况，并根据相似产品系统的已知信息进行一般性预测。
　　在初步设计阶段，有了产品初步草图和零部件一览表，则可进行初步的可靠性预测。
　　而到技术设计阶段，则根据已确定的元器件、零部件进行具体、详细的可靠性预测。
　　（2）步骤
　　可靠性预测一般按下述十个步骤进行：
　　①确定质量目标。对产品系统的设计、研制目的、用途、功能、性能参数等进行明确的规定。当然，这些规定将随着设计、研制工作的进展而不断精确与完善。
　　②拟定使用模型。对产品系统交付使用到最后报废的整个使用过程，其经历的环境及有关事件，如运输、贮存、试验检查、运行操作和维修等拟定工作模型。
　　③建立产品结构。以图解形式，形象地表明产品系统中各单元组成情况，如用可靠性方框图、事故（或故障）树、状态图或它们的结合来表述产品可靠性结构模型。
　　④推导数学模型。根据产品的结构模型和单元的可靠性特征量，经过一系列假设、简化、近似运算，推导出系统数学模型。这个数学模型可以是一组数字表达式，也可以是一组状态矩阵。
　　⑤确定单元功能。单元是组成系统的一个功能级别，可以是组件、部件或元器件，它们具有一定的可靠性量值，在可靠性框图中是一个独立方块，必须—一确定。
　　⑥确定环境系数。通过产品系统在使用期中所经历的工作环境条件应力分析，确定环境系数。
　　⑦确定系统应力。根据产品工作方式和工作应力分析，确定除额系数、应用系数和工作／天工作的时间比。
　　⑧假定失效分布。根据系统中各个单元的寿命特征，使用相应的失效分布。未知失效分布时，可先假定并在取得数据后核实、修正。
　　⑨计算失效率。根据选定的质量等级、环境应力、工作应力和失效分布，计算单元的工作失效率和贮存失效率。
　　⑩计算产品可靠性。把各单元失效率数据作为输入，利用产品系统的可靠性数字模型，计算出产品系统的可靠性数值。
　　在上述可靠性预测过程中，常应用元器件应力分析法、相似产品法、有源元件计数法、元件计数法和数学模型法等具体方法。