可靠性工程认识

目录摘 要 IABSTRACT II1 可靠性技术发展的历史，现状及趋势 11.1 可靠性技术发展的历史 11.2 可靠性技术发展的现状 31.3 可靠性技术发展的趋势 42 可靠性技术研究的重要意义，举例说明 42.1 产品的可靠性与企业的生命、国家的安全 42.2 产品结构复杂化要求有很高的可靠性 52.3 产品更新速度的加快，使用场所的广泛性、严酷性要求有很高的可靠性 52.4 产品竞争的焦点是可靠性 52.5 大型产品的可靠性是一个企业、一个国家科技水平的重要标志53 可靠性设计技术现状及应用 53.1 可靠性要求 63.2 选择和确定可靠性参数及指标的依据和要求 64 可靠性预计 74.1 可靠性预计目的 84.2 可靠性预计程序 84.3 电子设备可靠性预计方法 85 可靠性分配 95.1 可靠性分配 目的 95.2 研制阶段不同时期可靠性分配方法的选择 95.3 可靠性分配准则 105.4 可靠性分配注意事项 106 可靠性预计、分配工作流程 （见下图） 117 可靠性与安全性 11结束语 12致 谢 13参考文献 14可靠性工程技术认识摘要本文是从可靠性的诞生开始，阐述了可靠性在各个时代的理论和应用上的状态 介绍了可靠性的基本内容、发展过程、研究现状和方法的各自特点；并提出了未来 系统可靠性发展可能存在的问题。同时对在可靠性工程技术中可靠性的定义、可靠 性指标的选用、可靠性预测、可靠性分配、可靠性预计、分配工作流程等内容的介 绍及初步分析。关键词可靠性/定义/基本内容/研究现状RELIABILITY ENGINEERINGTECHNOLOGYABSTRACTThis article begins with the birth of reliability, this paper expounds the theory and application of reliability in all times on the state; This paper introduces the basic content, development process, the reliability of the research status and method of characteristics; And put forward the possible problems in the development of the future system reliability. The definition of reliability in reliability engineering technology, selection of reliability, reliability prediction and reliability distribution, reliability prediction and allocation is introduced and a preliminary analysis of work flow, etc.KEY WORDS Basic content,reliability,definition,research status1 可靠性技术发展的历史，现状及趋势1.1 可靠性技术发展的历史可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性 又可分为两种：一种是固有可靠性，是指产品在设计、制造过程中，产品对象已经 赋予的固有属性，这部分的可靠性是在产品在设计开发时可以控制的；一种是使用 可靠性，是指产品在实际使用过程中表现出来的可靠性，除了固有可选性的影响因 素外，还需要考虑产品安装、操作使用、维修保障等各方面因素的影响。可靠性和质量不可分离，其前身是伴随着兵器的发展而诞生和发展。在公元前 26 世纪的冷兵器时期，到1703 年英法两国完全取消长矛为止，前后经历了4000 年 发展成长的漫长过程中，人类已经对当时所制作的石兵器进行了简单检验。在殷商 时代已有的文字记载中，就有关于生产状况和产品质量的监督和检验，对质量和可 靠性方面已有了朴素的认识。热兵器的成熟期在国际上二战时期德国使用火箭和美 国使用原子弹为标志。当时，德国发射的火箭不可靠及美国的航空无线电设备不能 正常工作。德国使用V-2火箭袭击伦敦，有80枚火箭没有起飞就爆炸，还有的火箭 没有到达目的地就坠落；美国当时的航空无线电设备有 60%不能正常工作，其电子 设备在规定的使用期限内仅有 30%的时间能有效工作。二战期间，因可靠性引起的 飞机损失惨重，损失飞机2100架，是被击落飞机的 1.5倍。其实，与可靠性有关的数学基础理论很早就发展起来了。可靠性最主要的理论 基础概率论早在 17 世纪初就逐步确立；另一主要基础理论数理统计学在 20 世纪 30 年代初期也得到了迅速发展；作为与工程实践的结合,除了三、四十年代提出的 机械维修概率、长途电话强度的概率分布、更新理论、试件疲劳与极限理论的关系 外， 1939 年瑞典人威布尔为了描述材料的疲劳强度而提出了威布尔分布，后来成为 可靠性最常用的分布之一。德国的 V-1 火箭是第一个运用系统可靠性理论计算的飞 行器。德国在研制 V-1 火箭后期，提出用串联系统理论，得出火箭系统可靠度等于 所有元器件、零部件乘积的结论。根据可选性乘积定律，计算出该火箭可靠度为 0.75。而电子管的可选性太差是导致美国航空无线电设备可靠性问题的最大因素。 于是美国在 1943 年成立成立电子管研究委员会，专门研究电子管的可靠性问题。所以，二十世纪四十年代被认为是可靠性萌芽时期。到了 20世纪中期，是可靠 性兴起和形成的重要时期。为了解决电子设备和复杂导弹系统的可靠性问题，美国 展开了有组织的可靠性研究。其间，在可靠性领域最有影响力的事件是 1952 年成立 的电子设备可靠性咨询小组（AGREE）,它是由美国国防部成立的一个由军方、工业 领域和学术领域三方共同组成的、在可靠性设计、试验及管理的程序及方法上有所 推动的、并确定了美国可靠性工程发展方向的组织。AGREE组织在1955年开始制订 和实施从设计、试验、生产到交付、储存和使用的全面的可靠性计划，并在 1957 年发表了军用电子设备可靠性的研究报告，从9 方面全面阐述可靠性的设计、 试验、管理的程序和方法，成为可靠性发展的奠基性文件。这个组织的成立和这份 报告的出现，也标志着可靠性学科发展的重要里程碑，此时，它已经成为一门真正 的独立的学科。可靠性工程全面发展的阶段是在此后的十多年20 世纪 60 年代。随着可靠 性学科的全面发展，其研究已经从电子、航空、宇航、核能等尖端工业部门扩展到 电机与电力系统、机械设备、动力、土木建筑、冶金、化工等部门。在这十年中， 美国先后开发出战斗机、坦克、导弹、宇宙飞船等装备，都是按照 1957 年 AGREE 报告中提出的、被美国国防部和国家航空航天局认可的一整套可靠性设计、试验和 管理的程序和方法进行设计开发的。此设计试验管理程序和方法在新产品的研制中 得到广泛应用并发展、检验，逐渐形成一套比较完善的可靠性设计、试验和管理标 准。此时，已经形成了针对不同产品制订的较完善的可靠性大纲，并定量规定了可 靠性要求，可进行可靠性分配和预测。在理论上，有了故障模式及影响分析FMEA） 和故障树分析（FTA）。在设计理念上，采用了余度设计，并进行可靠性试验、验收 试验和老练试验，在管理上对产品进行可靠性评审，使装备可靠性提升明显。美国 的可靠性研究使其在军事、宇航领域装备可靠性大大增加。在此十年期间，许多其 他工业发达国家，如日本、苏联等国家也相继对可靠性理论、试验和管理方法进行 研究，并推动可靠性分析向前迈进。二十世纪七十年代，可靠性理论与实践的发展进入了成熟的应用阶段。世界先 进国家都在可靠性方面有所应用。例如美国建立集中统一的可靠性管理机构，负责 组织、协调可靠性政策、标准、手册和重大研究课题，成立全国数据网，加强政府 与工业部门间的技术信息交流，并制定了完善的可选性设计、试验及管理的方法和 程序。在项目设计上，从一开始设计对象的型号论证开始，就强调可靠性设计，在 设计制造过程中，通过加强对元器件的控制，强调环境应力筛选、可靠性增长试验 和综合环境应力可靠性试验等来提高设计对象的可靠性。八十年代开始，可靠性一直向更深更广的方向发展。在技术上深入开展软件可 靠性、机械可靠性、光电器件可靠性和微电子器件可靠性的研究，全面推广计算机 辅助设计技术在可靠性领域的应用，采用模块化、综合化和如超高速集成电路等可 靠性高的新技术来提高设计对象的可靠性。可靠性在世界得以普遍应用和发展。到了二十世纪九十年代，可靠性在向着综合化、自动化、系统化和智能化的方 向发展。综合化是指统一的功能综合设计而不是分立单元的组合叠加，以提高系统 的信息综合利用和资源共享能力。自动化是指设计对象具有功能的一定自动执行能 力，可提高产品在使用过程中的可靠性。系统化是指研究对象要能构成有机体系， 发挥单个对象不能发挥的整体效能。智能化将计算技术引入，采用例如人工智能等 先进技术，提高产品系统的可靠性和维修性。1.2 可靠性技术发展的现状可靠性发展也是在从单一领域的研究发展到结合各个学科门类中相应的研究， 形成多学科交叉渗透。上世纪四十年代初期到六十年代末期，是结构可靠性理论发 展的主要时期；六十年代到八十年代，是结构可靠性理论得到了发展并已较为成熟 的时代。结构可靠性理论是涉及多学科并与工程应用有密切关系的学科，对结构设 计能否符合安全可靠、耐久适用、经济合理、技术先进、确保质量的要求，起着重 要的作用。它运用了概率论、数理统计、随机过程等数学方法处理工程结构中的随 机性问题，以应力-强度分布干涉理论为基础，涉及到结构随机可靠度的基本概念、 原理和相关基本算法，如今可靠性理论与优化理论结合的可靠性优化技术已成功应 用在结构和产品设计中，并产生了明显的经济和社会效益。九十年代，人可靠性分 析方法的研究趋于活跃，许多学者将人工智能、随机模拟、心理学、认知工程学、 神经网络、信息论、突变论、模糊集合论等学科的思想应用到人可靠性分析中，出 现了人可靠性心理模型、人可靠性分析综合认知模型、人模糊可靠性模型、人机系 统人失误率评估的动态可靠性技术以及计算机辅助人可靠性分析等。可靠性在电力 系统中也得以广泛应用，目前的研究几乎涉及到电力系统发电、输电、配电等各方 面，可靠性分析也正逐步成为电力系统规划、决策的一项重要的辅助工具。在电子 领域，现有的绝大多数可靠性数学模型和研究方法是以电子产品为最初对象产生和 发展起来的，所以目前对电子产品的可靠性研究不论从可靠性建模理论、可靠性设 计方法、失效机理分析、可靠性试验技术及数据统计方式等均已趋向成熟。另外， 在机械、汽车、电力等领域，可靠性也发挥着不可替代的作用。1.3 可靠性技术发展的趋势可靠性成为一门独立的学科仅仅四十多年，已经取得了很大的成就，但其在发 展研究上也有亟待解决的问题。首先，目前对电子产品的可靠性研究已较成熟，对 机械系统的可靠性研究要晚，由于机械零件的失效模式和电子元件相比有很大差别， 机械系统的构成也不同于电子系统，机械系统的受载方式更为复杂，其失效的影响 因素也更为多样，至今还没有数学模型和分析方法可直接用于机械系统进行可靠性 研究。目前应用于机械系统的可靠性分析方法基本沿用以电子元件或设备为对象总 结出来的可靠性方法，这就有可能导致对机械系统的可靠性分析与设计走入误区。 其次，如何在小样本条件下确定系统的可靠性参数是一个迫切需要解决的问题。最 后，常规的可靠性理论是在二态假设和概率假设基础上建立的，但在可靠性工程实 际中,很难满足上述两个基本假设，用常规可靠性理论进行系统评价并不能完全反映 实际情况。总之，系统可靠性从诞生、发展到应用已经逐步向着各学科渗透，但在 现代科技飞速发展的时期，系统可靠性在理论和研究模式上还有欠缺，需要结合其 他理论如模糊理论、人工智能等，使可靠性理论、试验和管理能够更成熟、更完善2 可靠性技术研究的重要意义，举例说明2.1 产品的可靠性与企业的生命、国家的安全（1）中国两弹一星成功的经验可靠性（2）二战中美军空军飞机由于技术故障造成的事故高于被击落的损失（3）1979年3月28日美国三漓岛核电站发生放射性物质泄漏（4）1984 年 12 月美国联合碳化物公司（印度）农药厂毒气泄漏事故（5）1986 年 4 月苏联切尔诺贝里核电站发生爆炸2.2 产品结构复杂化要求有很高的可靠性美国：F-105战斗机，投资2500万美元，可靠度从0.7263提高到0.8986，每 年节省维修费用5400万2.3 产品更新速度的加快，使用场所的广泛性、严酷性要求有很高 的可靠性1986年1 月28日美国航天飞机“挑战者”号 ，在发射后进入轨道前，因助推 火箭燃料箱密封装置在低温下失效，使燃料溢出发生爆 炸7人死亡， 12 亿美元 损失。2.4 产品竞争的焦点是可靠性(1) 日本：将可靠性作为企业的主要奋斗目标(2) 美国：认为世界产品竞争的焦点是可靠性(3) 苏联：将可靠性纳入 25 年发展规划(4) 某越野车可靠性对比试验： 9 台国产车， 3 台奔驰车(5) 无故障运行里程：国产车：380km880km；进口车：28000km。2.5 大型产品的可靠性是一个企业、一个国家科技水平的重要标志(1) 1969，美国阿波罗飞船登月成功，美国宇航局将可靠性工程列为三大技术成就之 一。(2) 山峡工程大坝合拢时，使用的全部车辆为进口产品。(3) “神州 5 号”飞船成功的关键是解决了可靠性工程，其可靠性指标达到 0.97， 航天员安全性指标达到 0.997. ，3 可靠性设计技术现状及应用一直以来，人们认为产品性能好则质量好。单纯追求性能。而对产 品的可靠性、 维修性及寿命周期费用未予重视。产品性能的先进性是至关重要的，而可靠性、维修性是性能先进性得以持久保持保证。 通过设计奠定产品的可靠性础，研究在设计阶段如何预测和预防各种可能发生的故 障和隐患，使其达到规定的定性或定量的可靠性目标值。3.1 可靠性要求产品可靠性要求分为定量要求和定性要求两种。它是 进行可靠性设计的依据， 应在有关的文件中加以明确。(1) 可靠性定性要求 。一般可分为两类： 设计要求和分析要求。在定量设计和 分析缺乏大量数据支持的情况下，提出定性设计和定性分析要求，并加以实现。a ) 定性设计要求 一般是指在产品研究过程中要求采取的可靠性措施，以保证提高产品 的可靠性。如：制定贯彻可靠性设计准则、简化设计、冗余设计、降额设计等。 b) 定性分析要求一般是指在产品研制过程中要求采取的可靠性分析手段，以保证提高 产品的可靠性。如故障模式和影响分析 ( F M E A) 、故障树分析( F T A ) 。(2) 可靠性定量要求。可靠性定量要求是确定产品的可靠性参数、指标及验证 时机和验证方法，以便在设计、生产、试验验证、使用过程中用量化方法评价或验 证产品可靠性水平。技术指标的重要组成部分，应存系统或产品的研制任务书或技 术合同中明确规定。同时也要合理而明确地确定产品的敞障判据才能使可靠性定量 要求得以正确实施。(3) 理解要求。a)设计目标要求：设计必须满足的要求。在合同中规定的可靠 性定量要求(女口 R n、M T BF )。b)验证要求：即最小接受值。按标准的统计试 验方案必须达到的要求 ( 如 M T B F L 、 R L )。验证可以是试验验证、使用验证 或综合评估。c)故障判据：即什么是故障，合同双方要明确。3.2 选择和确定可靠性参数及指标的依据和要求(1) 选择可靠性参数的依据工作性质维修特点产品对象可靠性参数连续或间歇 重复性工作可维修复杂的系统、设 备、民用产品可靠度、平均寿命(M T B F、. M T T F )、故障率可用寿命、维修度、平均故 障 停机时间MDT、平均维修时间M T T R、 平均大修间隔MT B O、平均维修间 隔M T B M、可用度等不能维修设备中的耗损零 件、材料可靠度、故障率、故障时间的分布（标准 偏差、威尔参数等）、M T T F特性值的稳 定性（均值、标准偏差的随时间变化特性一次性使用可维修或 不可维修火火器、保险丝、 超负荷继电器、紧 急用发电机、信笮可靠度、成功率、命【f丨率等，不町靠度、 误动作率等、平均大修间隔MT P , O、平 均维修间隔M T B（2）确定可靠性指标的依据应根据需要与可能，经综合权衡后确定.a）需要：指 考虑使用方的需求，产品的重要程度。b）可能：指考虑国内外类似产品实际达到的 可靠性水平，当前研究中所采取的技术对可靠性的影响，国内的技术基础和生产水 平以及研制装备的费用、进度、预期的使用和保障等约束条件。（3）参数、指标确定的程序产品可靠性参数、指标确定的程序序号寿命周期阶段主要工作内容责任者1技术指标论证阶段A、对新研产品进行实用需求分析b、对柑似正使用产品的可靠性状况分析C、初步确定新产品的寿命剖面、任务剖面、 使用保障等方面的约束条件d、经综合权衡后，选择可靠性使用参数，提 出成熟期的使用指标e、评审f、纳入产品技术要求文件中定购方 定购方 定购办 定购为主与有 关部门协商 定购方为丰，承 制方、专家参加 定购方2方案论证及确定 阶段A、根据使用指标，进行町靠性设计方案设 计与分析b、根据成熟期的指标，确定工程研制、牛产阶 段的使用指标C、评审d、纳入研制任务书或合同书e、根据产品可靠性指标分配结果，确定转承 制产品的合同指标承制方定购方与承制方 协商承制方、定购方、 专家承制方、定购方 承制为主与转承 制方协商3工程研制阶段（含设计定型A、使用、维修、保障方案变动时，修订靠性 指标b、严格履行有关审批手续定购方为丰与承 制方协商4 可靠性预计4.1 可靠性预计目的(1) 将可靠性预计结果与可靠性指标要求进行比较 ，审查设计是否能达到任务 书要求 的可靠性指标或确定可靠性要求是否合理。(2) 在产品可靠性论证阶段，通过可靠性预计，可对不同的设计方案进行比较， 选择最优方案。(3) 在产品设计阶段，通过可靠性预计，发现设计中的簿弱环节，改进产品设计， 提高其可靠性。(4) 为可靠性增长试验、验证试验提供依据。(5) 为产品可靠性分配和权衡提供依据。4.2 可靠性预计程序(1) 明确产品可靠性结构的定义，即产品功能、任务、 结构组成等。(2) 明确产品工作条件和故障判据。(3) 画出可靠性框图、建立产品可靠性数学模型。(4) 预计各功能单元可靠性 R i 。(5) 按产品可靠性数学模型预计产品的可靠性 R ( t ) 。4.3 电子设备可靠性预计方法电子设备最大的特点是寿命服从指数分布，即故障率是常数，(1) 元器件计数法是 一 种简单而又快速的预计方法。适用于电子设备方案 论 证和初步设计阶段。具体计算过程是：先计算设备中每一类元器件的数量和型号，再 用该类元器件的通用故障率乘以 元器件数目和该类元器件的质量等级系数， 最后把各类元件的乘积累加起来，即得 到部件( 或设各) 的故障率。(2) 元器件应力分析法适用于电子设备详细设计阶段，已具备了详细的元器件清 单、电应力比、环境温度等信息。应力分析法的基本原理是通过元器件应力分析出 的温度及负荷系数呈函数关系的 基本故障率 九 ，考虑各种因数的影响，引进系 数 ，将其与基本失效率相乘，得出实际故障率。再根据实际故障率 ,元器件的种类、 数量及可靠性框图，计算出设备的可靠性。 应力分析法具体步骤如下：a）将所有元器件按功能单元分类，全部列入元器件应力分析计算表；b）确定所列的元器件的电应力；c）确定元器件的工作环境温度（C）；d）确定元器件的质量等级：e）计算元器件基本失效率；f）根据元器件的种类、质量、应用条件、环境选定修正系数；g）根据元器件失效率模型计算元器件的应用失效率h）根据功能单元的可靠性数学模型确定功能单元的失效率；i）用功能单元的可靠度代入部件（或系统）的可靠性数学模型，求得部件（或系统） 的可靠度。有关电子元器件可靠性预计详细资料可查阅国家标准G J B 2 9 9 A（B、 C） 。注意：要求一般预计值 0 = l .2 5 o Q 表示设计目标值： 0 指平均寿命，即 M T B F ） 。5 可靠性分配5.1 可靠性分配 目的将系统的可靠性目标值合理地分配给各构成单元。例如，对于电子产品是将总 的可靠性指标按系统装置 （子系统）一 模块 （ 组件）一元器件这样的层次进行分 配。对于机械产品是将整机的可靠性指标分配到各总成，再将总成的指标分配到各 部件、零件。分配到每一部分的指标即是这一部分的可靠性设计目标值。5.2 研制阶段不同时期可靠性分配方法的选择具体进行可靠性分配时， 首先必须明确设计目标、限制条件， 系统的可靠性 模型及有关同类产品的可靠性预测数据等信息。随着设计工作的不断深入。可靠性模型的逐步细化，则采用的可靠性分配模型也应有所不同。具体可参见下表：不同研制阶段可靠性分配方法的选取研制阶段可靠性分配模型方案论证等分配法初步设计评分分配法、比例组合法详细设计考虑重要度和复杂度分配法、可靠度再分配法、直接寻杳法5.3 可靠性分配准则(1) 对于复杂度高的子系统、设备等，应分配较低的可 靠性指标；(2) 对于技术上不成熟的产品，分配较低的可靠性指 标；对于技术上成熟的产品，分配较高的可靠性指标；(3) 对于处于恶劣环境条件下工作的产品， 分配较低的可靠性指标；(4) 当把可靠度作为分配参数时，对于需要长期工作的 产品，分配较低的可靠性指标；(5) 对于重要度高的产品，分配较高的可靠性指标；(6) 对于可达性差的组件，分配较高的可靠性指标。5.4 可靠性分配注意事项(1) 可靠性分配应在研制阶段初期进行；(2) 可靠性分配应反复多次进行；(3) 为减少可靠性分配的重复次数，在规定的可靠性指 标的基础上，可考虑留出一 定的余量；(4) 必须按产品成熟期规定值 ( 或目标值)进行分配。6 可靠性预计、分配工作流程 （ 见下图 ）可篇性目标评估比嶽系统町翥性预计更改可靠性、堆加析Q元部件可靠性预计吐分桑统可靠性预计分配给无部件分配给分系统1技术条件7 可靠性与安全性可靠性就是产品在规定的条件和规定的时间内不出现故障或者能够保持正常工 作的概率，也就是说可靠性高的产品出现故障的机率小点，平均运行时间长点。安 全性技术，就我的理解是人们应用世界的普遍规律和客观真理来保证人类社会中各 种活动、事件不对人类或者自然界造成伤害的技术。其次，可靠性技术和安全性技 术它们各自使用的领域也是不同的，据我所知，可靠性工程是一门探“因”究“理”： 分析出事情（故障）发生原因及机理并保证产品或系统不出故障和尽量少出故障的 技术。而安全性技术是研究怎样避免人的伤亡的技术。再次，产品或系统具有可靠 性是其能够安全运行的基础和前提，但是可靠性解决的是尽量避免安全事故的发生 和强“质”保“安”，提高产品质量，尽可能保障产品安全性，它并不能彻底的防止 安全事故的产生，也就是可靠不一定安全，但安全一定可靠。由此可见二者具有同 等重要的关系，甚至在某些情况下可靠性更加重要一点。结束语可靠性工程技术是为了提高产品的可靠性要求而发展起来的新兴科学，是一门综合了统计学、 概率论、控制论、计算机技术等众多科学成果，以提高产品的可靠性为出发点的边缘科学。它着重 研究产品或系统的故障原因、处理和预防措施，提高产品的可靠性，延长使用寿命、降低维护费用 提高产品的使用效益。本文大部分为网上摘抄内容，仅供参考，主要为熟悉本科论文写作格式要求 而作。致谢参考文献【1】王隆太.先进制造技术.机械工业出版社，2003，9【2】Feng Peian, Qiu Ojngying,乳 al. Research onGeneralized OptimizationProcess for M echanicalProduetJ.中国科学(英文版)，1999(4)【3】盐见弘：可靠性工程基础,科学出版社, l983【4】盐见弘：信赖性工学入门, 1979【5】 lioyd david k&lipow myron ,reliability:mana-ement,methods andmathematics newjersey,prentice-hall.1962【 6】王秉刚：汽车可靠性工程方法, 1993-01