可靠度工程Ⅴ.doc

課 程：可 靠 度 工 程授 課 者：邱啟東時間：2008/2/* 2008/6/*參 考 資 料1. Kapur, K. C. and Lamberson, L. R. , Reliability in Engineering Design , John Wiley & Sons, Inc., 1977.2. 柯煇耀 編著，可靠度保證，中華民國品質學會發行。3. 柯煇耀 編著，預防性失效分析-FMECA & FTA之之應用，中華民國品質學會發行。4. Keki R. Bhote and Adi K. Bhote, World Class Quality, 2nd Edition, American Management Association.5. 潘淅楠 著，預防性品質保證，華泰書局。6. Integrated Logistics Support Handbook.7. 李登梅，趙浡霖 合著，裝備可靠度工程，五洲出版社。8. 關季明 編著，維護度工程與系統可用度，中華民國品質學會發行。授 課 目 錄第1章 基本可靠度原理第2章 可靠度統計分析第3章 可靠度目標訂定、配當與保固第4章 系統可靠度模式第5章 可靠度設計分析第6章 可靠度試驗之規劃與執行第五章 可靠度設計分析5.1 前言以往設計者多半只依據符合性能要求b的設計，依其是否能兼顧顧客的可靠度要求，擇優進行設計，如此往往只能籠統地依賴經驗做決定。如今，可靠度理論進步，顧客對產品可靠度的需求，都應視為產品的設計參數(Parameter)，而且在設計之初即須加以考慮。5.1.1可靠度設計之重點一般設計者所面對之問題主要為(1) 決定能滿足性能之設計構想；依工程技術原理、新進技術、既有裝置及過去經驗等各類知識的組合，建構些細部設計構想，以滿足性能要求。(2) 確立符合使用中不發生失效之可靠度設計。一般可靠度設計之目標可歸納三點，(1) 使產品具備最大的固有(Inherent)可靠度；(2) 使產品具備最大的操作(Operational )可靠度；(3) 使產品具備最低的總製造成本。此方式與以往只重視性能的方法相較，在初期階段須花費相當經費，但因其結果往往是既省錢又省時，又能達成顧客所需之可靠度，故已愈受到產業界之認同與採用。初步構想Pre-concept細部設計Design報廢Disposal測試/驗證Demonstration/Validation服勤Deployment/Operation全型發展Full-ScaleDevelopment生產裝造Production產品可靠度設計工作之重點主要在概念(初步)構想、細部設計、測試/驗證、全型發展等階段。首先，在概念(初步)構想階段須特別著重下列事項：(1) 檢討產品及組件的要求條件，確立會影響操作之所有變數。設計者必須徹底了解有關操作環境、操作方式、維修措施等使用條件。(2) 為滿足產品之性能需求，一般須藉由組合電子、機械、機構及液壓之類的分項來達成，此時要同時考慮手動或自動方式及操作速度等要素，以便在可能範圍內，確定實際的操作方式。(3) 廣泛吸收術性資料，並運用各方面的資訊，從大處著眼，選擇最經濟、實際的設計，決不要執著於獨斷的專業思想。(4) 若發生想要充分滿足性能，就無法滿足實際上的可靠度要求時；或是只性能上些微的變更，便可以大幅改善產品之可靠度，可以使維修更容易，或者可以降低成本的話，須與使用者協商，以最合適的折衷辦法慎重地達成協議。但是，若為了提高產品可靠度，而必須在性能上做相當程度的調整，這種情況就必須慎重考慮。(5) 要收集預定使用的零件和關組件的可靠度資料，以便提高可靠度預估的精確度。不論其設計工作是根據理論推演，或是過去累積的經驗，為使設計產品具有高可靠度水準及符合顧客的需求，在設計前與設計中必須依循許多必須注意或考慮的原則，一般稱之為可靠度設計指引(Reliability Design Guidelines)與可靠度設計準則(Reliability Design Criteria)。當然，並非每一件研發設計工作都必須使用或考慮到所有的準則與指引，在應用時，應視研發對象的特性而加以裁適，如此所設計的產品，其可靠度需求必可易於達成，在驗證時或可不必花費太多的成本與時間，以達事半功倍的效果。MIL-STD-785B產品可靠度工作計畫100系列構想階段Dem/Val階段FSD階段生產階段101可靠度計畫102監督與管制合約商與供應商103計畫審查104故障報告、分析及改正作業系統(FRACAS)105失效評審會(FRB)200系列201可靠度模式化202可靠度配當203可靠度預估204故障模式、效應與關鍵性分析 (FMECA) 205潛行線路分析(Sneak Circuit)206電子零件/電路容差分析207零件計畫208可靠度關鍵品項209功能測試、庫儲、搬動、包裝、運輸與維護之效應300系列301環境應力篩選(ESS)302可靠度發展/成長試驗(RDGT)303可靠度鑑定試驗(RQT)304產品可靠度接收試驗(PRAT)註：Dem/Val：測試/驗證；FSD：全型發展5.1.2 電子產品可靠度與機械可靠度之差異電子產品主要是由單一機能的標準化零件構成有獨立功能的迴路(或模組)，再組合成迴路的分項，最後則構成具備所需功能之系統。因此，電子產品的可靠度是將所有構成迴路的零件視為獨立，以累積方法計算出其系統故障率。此外，構成電子產品的零件數雖多，但由於類似零件、標準化、操作環境及操作負荷等均較容易評估。因此，只要切實掌握所採用零件的品質等級與操作環境等各項因素即可事前執行可靠度預估，據以評估所研產品的可靠度水準。機械產品則不同，就理論而言，機械組件或產品的特徵主要可歸納為以下六點：(1) 機械產品特徵之一，就是相鄰組件間互有干涉現象，而電子產品之組成零件間彼此多屬互為獨立存在。機械零件的負荷可區分為分佈於零件內部的負荷與接觸部份的負荷，此二者不僅因機械設計或組裝方式的不同而變化，亦深受週邊零件的影響。因此，機械零件的故障機構彼此間並非互為獨立，而是互有關聯，其關聯性深受操作型態、實際負荷與使用環境的影響，所以不易界定在實際操作環境下，機械零件的故障機構與模式。因此，由實驗室或現場操作所獲得之壽命數據的應用，並不是一件容易的工作。電子產品失效率時間機械產品機械與電子產品的失效壽命曲線變化差異(2) 電子產品構造較複雜，但組成零件之標準化遠較機械件成熟，承受負荷單純且可加以控制與限制，故若發生失效多屬隨機性(Random)；機械組件構造較簡單，但機械產品的構成組件中，由於規格化與標準化的程度低，並無電子零件般的泛用性，其理由主要是因為機械產品組成組件中常視狀需求，而設計或製造成最適合某種特定操作功能與環境需求的特徵。故機械產品零件類別繁多，負荷型態複雜且變動較大，又多屬不可管制或限制之原因，故其失效多屬因果性(Causality)，而其故障現象則以疲勞、磨耗及腐蝕為主，受週邊相鄰組件、使用環境、操作條件及組件來源(工藝條件水準不同)等因素而影響。(3) 因機械產品的故障特徵多具磨耗特性，故在其使用過程中故障率的變化多屬於遞增(Increasing)型態。若針對機械產品進行平均故障率的預估，所得結果的解釋(在有效範圍或時)與應用均會產生代表性的問題。因此，機械產品(或零件)應執行壽限預測(或估計)，而非故障率預估。(4) 機械組件故障數據之通用性遠不如電子件，很難由各別獨立的零件故障率(或可靠度)推論產品整體的故障率(或可靠度)。此點是機械產品可靠度問題與電子或電機產品可靠度問題在處理上極大的不同。另一方面，一般機械如大型組件之輔機與機座(Chassis)並不能加以分割，因此，很難就其中某一單獨的零件進行可靠度預估，而須以強度與應力之量測與分析等各種方法來估計。(5) 機械產品一旦故障很少為單一，可重覆之物理過程，影響強度的因素亦常因使用時間與環境的變化而改變，其組件體積大、標準化程度低、試驗之執行困難度高。因此，就機械產品而言，現行可用的可靠度分析理論或可靠度數據均感不足。(6) 電子產品之可靠度分析技術已發展相當成熟，且已有相當完整的公開數據可資運用，故電子產品之“預防”可靠度技術較佳，而機械產品的可靠度目標則多須依賴“事後”的改善與維護來確保。由於上述電子產品與機械產品在產品特性上的差別，因此，在產品設計時便需採取若干不同的因應作法。產品可靠度設計之流程，是為滿足顧客需求之一項妥協及擇優(Trade-off)的反覆作業，依MIL-STD-785B中，產品可靠度設計與評估計有九項工作(如上附表-200系列)，其可靠度工程決定其中四項工作(技術)：(1) 可靠度模式(Modeling)；(2) 可靠度配當(Allocation)；(3) 可靠度預估(Prediction)；(4) FMECA。配當是為設計者建立需求體系，而預估是一種重複設計的評估工具，以評估需求是否達成。在設計開發過程中利用配當與預估以影響設計，需在初步構想階段前開始，當已發展出詳細的設計資料時，要持續更新分析結果，以確保配當途徑由作戰需求到系統規格之一致。另預估是重複設計程序的一部份，對測試結果、配當及預估之追蹤是設計期間風險管理的主要工具。5.2 可靠度設計產品設計的最佳手段是由影響產品功能(或品質)的參數著手，直接就各個設計參數與變數進行分析後，訂定最佳的設計參數值。此作法的先決條件是設計參數值與產品功能間的關係(性能函數)，才能明確的調整各參數，此非易事(DOE方法可資利用)，尤其是設計參數與產品可靠度之關係(因可靠度是時間函數)，因此須建立特定產品之可靠度設計準則。其中，產品之可靠度設計可分為：(1) 以機率設計為基礎之可靠度設計原理，(2) 一般性之可靠度設計指引。5.2.1 機率設計程序在實際設計時，因不確定因素之存在，為求安任，設計時加上安全裕度(Safety Margin, SM)或乘以安全因子(Safety Factor)。安全因子是下列兩項要素之綜合考量：(1) 對已知狀況取較大的容許條件，以降低失效發生之機率。即以減額定(Derating)原則。(2) 結合材料變異與負荷條件變異計算出其誤差，並加以補償。然客觀的設計，應將強度、需求等設計變數視為隨機變數方式處理，此程序即為機率設計的分析程序。5.2.2 強度應力干擾模式針對時間因素，對設計參數或產品可靠度的影響不顯著者，其產品可靠度可定義為材料強度能承受使用時所遭受之最大作用力，亦即，以材料強度(d)與所承受之應(S)作為產品可靠度模式之主要變數與參數，係以強度應力干擾(Strength-Stress Inference, SSI)模式分析，Pf = 1 - R =- f s(s)F d(s)ds(1.5)Pf = 1 - R = - f d(d)1-Fs(d)dd(1.7)Pf = 1- F(md - ms)/sg(5.1)其中F()為標準常態分佈涵數、md為強度分佈平均值、ms為應力分佈平均值、sg2= sd2+ ss2、sd為強度分佈之標準差、ss為應力分佈之標準差，因此，產品可靠度之點估計值為，= 1-Pf = F(md - ms)/sg= F(b)(5.2)其中 b = (md - ms)/sg，b：為可靠度指數(Reliability Index)。SSI模式僅此二變數且單一失效模式之狀況下方適用。5.2.3 二次矩公式(數理觀念較複雜)5.3 可靠度設計指引實務上，機率設計方法在產品可靠度設計時，仍不易利用與發揮其功效。產品可靠度設計的通用性原則一般稱之為可靠度設計指引(Reliability Design Guidelines)與可靠度設計準則(Reliability Design Criteria)。由與可靠度保証觀點所建議之可靠度設計指引：(1) 簡單化(Simplicity)；(2) 模組化與標準化(Modularity and Standardization)(3) 材料、零件選用(Material and Part Selection)；(4) 減額定(Derating)設計；(5) 複聯(Redundance)設計；(6) 環境(Environment)分析與防制；(7) 可測試性(Testability)設計；(8) 操作、儲存與運輸需求之考量；(9) 人因工程(Human Engineering)技術之引用；(10) 容錯(Fault Tolerance)分析。Design GuidelineDesign CriteriaDesign ReviewDrawing ReviewCheck List可靠度設計入產品5.3.1簡單化設計-需求與原則為，(1) 產品設計不要太複雜。(2) 減少零件及介面連接數量。(3) 在現場使用層次，應儘量減少所需之手工具種類。(4) 在使用現場應儘量減少有特殊設備或工具之需求。(5) 使用已經使用證實、且高可靠度之線路。5.3.2 模組化與標準化-原則為，(1) 使用標準扣件(Fastener)與零件。(2) 使用統一尺寸與形狀之零件。(3) 使用導銷與鍵、槽連結設計。(4) 容易檢查與測試。(5) 迅速拆卸與組合。(6) 減少功能數目。5.3.3材料、零件選用原則上，儘可能使用標準零件。新材料、零件不斷開發且進行顯著，選用時須考慮可能的效應。5.3.3.1材料選用原則(1) 材料特性符合使用目的。(2) 加工容易。(3) 成本適中。5.3.3.2電子材料、零件選用電子零件與機械零件不同，一般係由專業廠商設計及製造。電子零件依材料、製程及檢測程序不同，可區分六個等級：(1) 商業用品：用於一般商業裝置上。工作溫度範圍最窄，0 70 C，不耐震動、衝擊、濕氣。價格低廉、製造易、獲得易。(2) 工業用品：用於一般工業儀器或裝備上。工作溫度 -40 85 C，耐環境性能比商業用品為好。(3) 一般軍用：用於戶外或軍用地面裝備上。工作溫度 - 55 125 C。軍品零組件在製造時，選用的材料及封製(Seal)，製程品質管制(In-Process Quality Control)上，與上述二者均有極大的差異。(4) 已建可靠度軍品：用於航太或飛彈裝備上。所謂已建可靠度(Established Reliability, ER)軍品是將一般軍品經過適當的處理，使一些具有先天性缺陷的產品能及早剔除。剔除早夭(Infant Mortality)期產品的品質處理程序，通常有溫度循環、測漏(密閉試驗)、烘烤、模擬加溫(預燒，Burn-in)等一些非壞性的測試。一般軍用產品唯有經過此一序列的100%測試後，才能稱為已建可靠度軍品或ER級軍品。(5) 經品質處理之已建可靠度軍品：所謂品質處理即是利用溫度循環、振動、測漏、預燒等方法，再次施加於採購得之已建可靠度軍品零件。(6) 選擇最適當種類，且經品質處理後之已建可靠度軍品：(a) 所謂最適當種類係指一位線路設計工程師完成線路設計後，有許多不同的電子零件可供選擇，此時優秀設計工程師會不厭其煩的選出最需要、且最適合的零件；(b) 所謂經品質處理後之已建可靠度軍品係指任何航太裝備所需之電子零件絕不是買來之後即可插入、或安裝於裝備上，而是須經一套完整且繁瑣的程序處理之後，才可使用。電子零件與機械零件間的另一項差異是電子零件的失效率很難降至零。電子零件選用的一般原則為：(1) 決定完成特定功能及預期操作環境所需之零件型式。(2) 決定零件的重要性-完成重要的功能、壽限、採購前置時間、可靠度關鍵件、高成本件。(3) 決定零件的可用性-合格供應商、可靠度保證、正常交貨期。(4) 估計零件在電路應用上預期應力值。(5) 決定零件在應用上可靠度水準。(6) 視需要選擇合適的預燒或其他可靠度篩選方法，以排除初期的早夭失效現象，改進零件的失效率。(7) 必要時準備正確、完整的零件採購規範。(8) 決定零件在預定電路應用中的真正應力水準，包括按MIL-HDBK-217F進行失效率預估所需之應力水準。(9) 採用與可靠度預估一致之減額定值。(10) 確定應用非標準零件時之作業規定，並按MIL-STD 965之規定，擬訂非標準件管制辦法，經認可後按規定執行管制。另在不同環境之產品，在選用電子零件時，主要考慮，(1) 溫度；(2) 氣壓；(3) 離心及重力加速度；(4) 振動；(5) 減額使用；(6) 長期穩定性等。5.3.3.3機械材料、零件選用常見的機械零件包括：軸承、彈簧、密封件、螺桿、扣件、齒輪、轉軸、外殼、支撐架等。機械零件的失效模式以破損、疲勞等現象居多。機械零件選用的一般原則包括：(1) 使用適當的材料、(2) 進行適當的設計、(3) 進行適當的熱處理。在產品現場失效的案例中，有很大的比例是歸因於扣件(Fastener)(螺絲、螺帽、夾子等)。大部份的應用都是基於靜態安裝的考量。一旦在嚴厲的衝擊和振動環境下，常無法達到扣緊的目的。選用扣件應考量，(1) 根據環境、強度、維修、及成本等因素，擇優選用合適的扣件類型。如螺釘、鉚釘等。(2) 根據結構的動態負荷與幾何形狀，選擇正確的扣件尺寸與位置。鎖螺釘應均勻分佈，至少使用二個鎖緊扣件。(3) 使用螺絲與螺帽時，選擇正確的鎖緊裝置。自鎖墊圈自鎖螺帽(4) 選擇正確的安裝技術。螺絲的鎖緊扭力應為扭斷螺絲所需扭力之60 80%。5.3.4減額定設計減額定(Derating)係限定零件使用時的電性、機械或熱應力值，使零件相關項目的強度規定的額定範圍內，具有足夠的設計安全邊際(Safety Margin)，其作法相當於機械設計有關安全因子(Safety Factor)觀念的應用，藉以提高產品的可靠度。減額定值的定義是以最大工作應力與強度的比值表示。一般而言，零件工作應力愈低，或減額度值愈小，產品失效的可能性就愈低。電子零件的減額定參數，電阻為功率、電容為電壓、半導體為消耗功率、電晶體則為接面溫度；對機械件而言，減額定值與安全因子則互為倒數。5.3.5複聯設計在預防性維護(Preventive Maintenance)的規劃下，此設計亦可減低失效停機時間(Down Time)，另亦增加產品的複雜性、重量、空間、成本及電源消耗。5.3.6環境分析與防制 環境因子依其特性及效應可分為自然環境(溫度、壓力)、動力環境(加速度、振動、衝擊)、與軸射環境(太陽輻射、電磁干擾.)。 確定及詳細說明產品操作時之環境項目為決定耐環境強度的第一步驟。其次是決定材料與零件暴露在這些環