可靠性设计方法

可靠性设计 保证机械及其零部件满足给定的可靠性指标的一种机械设计方法 包括对 产品的可靠性进行预计 分配 技术设计 评定等工作 所谓可靠性 则是指 产品在规定的时间内和给定的条件下 完成规定功能的能力 它不但直接反映 产品各组成部件的质量 而且还影响到整个产品质量性能的优劣 可靠性分为 固有可靠性 使用可靠性和环境适应性 可靠性的度量指标一般有可靠度 无 故障率 失效率 3 种 1 1 概述概述 reliabilityreliability designdesign 1 在产品设计过程中 为消除产品的潜在缺陷和薄弱环节 防止故障发生 以 确保满足规定的固有可靠性要求所采取的技术活动 可靠性设计是可靠性工程 的重要组成部分 是实现产品固有可靠性要求的最关键的环节 是在可靠性分 析的基础上通过制定和贯彻可靠性设计准则来实现的 在产品研制过程中 常用的可靠性设计原则和方法有 元器件选择和控制 热设计 简化设计 降额设计 冗余和容错设计 环境防护设计 健壮设计和 人为因素设计等 除了元器件选择和控制 热设计主要用于电子产品的可靠性 设计外 其余的设计原则及方法均适用于电子产品和机械产品的可靠性设计 系统的可靠性设计是指在遵循系统工程规范的基础上 在系统设计过程中 采用一些专门技术 将可靠性 设计 到系统中 以满足系统可靠性的要求 它 是根据需要和可能 在事先就考虑产品可靠性诸因素基础上的一种设计方法 系统可靠性设计技术是指那些适用于系统设计阶段 以保证和提高系统可靠性 为目的的设计技术和措施 它是提高系统可靠性的行之有效的方法 2 2 重要性重要性 可靠性设计是系统总体工程设计的重要组成部分 是为了保证系统的可靠性而 进行的一系列分析与设计技术 它是通过系统的电路设计与结构设计来实现的 产品的可靠性是设计出来的 生产出来的 管理出来的 但实践证明 产品的可靠性首先是设计出来的 可靠性设计的优劣对产品的固有可靠性产生 重大的影响 产品设计一旦完成 并按设计预定的要求制造出来后 其固有可靠性就确定了 生产制造过程最多只能保证设计中形成的产品潜在可靠性得以实现 而在使用 和维修过程中只能是尽量维持已获得的固有可靠性 所以 如果在设计阶段没 有认真考虑产品的可靠性问题 造成产品结构设计不合理 电路设计不可行 材料 元器件选择不当 安全系数太低 检查维修不便等问题 在以后的各个 阶段中 无论怎么认真制造 精心使用 加强管理也难以保证产品可靠性的要 求 因此 我们说产品的可靠性首先是设计出来的 可靠性设计决定产品的 优生 可靠性设计是可靠性工程的最重要的阶段 这是因为 1 设计规定了系统的固有可靠性 如果在系统设计阶段没有认真考虑其可靠 性问题 如材料 元器件选择不当 安全系数太低 检查 调整 维修不便等 那么以后无论怎样注意制造 严格管理 精心使用 也难以保证产品的可靠性 要求 2 现代科学技术的迅速发展 使同类产品之间的竞争加剧 由于现代科学技 术的迅速发展 产品更新换代很快 这就要求企业不断引进新技术 开发新产 品 而且新产品研制周期要短 实践告诉我们 如果在产品的设计过程中 仅 凭经验办事 不注意产品的性能要求 或者没有对产品的设计方案进行严格的 科学的论证 产品的可靠性将无法保证 往往等到试制 试用后才发现产品存 在质量问题 只得再做改进设计 这就使产品研制周期加长 推迟了产品投入 市场的周期 降低了竞争能力 在产品的全寿命周期中 只有在设计阶段采取 措施 提高产品的可靠性 才会使企业在激烈的市场竞争中取胜 提高企业的 经济效益 3 在设计阶段采取措施 提高产品的可靠性 耗资最少 效果最佳 美国的 诺斯洛普公司估计 在产品的研制 设计阶段 为改善可靠性所花费的每一美 元 将在以后的使用维修方面节省 30 美元 此外 我国开展可靠性工作的经验证明 在产品的整个寿命周期内 对可 靠性其重要影响的是设计阶段 各种因素对可靠性的影响 综上所述 可靠性设计在总体过程设计中占有十分重要的位置 必须把可靠性 工程的重点放在设计阶段 并遵循预防为主 早期投入 从头抓起的方针 并 以开始研制起 就要进行产品的可靠性设计 尽可能把不可靠的因素消除在产 品设计过程的早期 3 3 具体内容具体内容 1 1 设计的目的和任务 设计的目的和任务 可靠性设计的目的是在综合考虑产品的性能 可靠性 费用和设计等因素的基 础上 通过采用相应的可靠性设计技术 使产品的寿命周期内符合所规定的可 靠性要求 系统可靠性设计的主要任务是 通过设计 基本实现系统的固有可靠性 说 基本实现 是因为在以后的生产制造过程中还会影响产品固有可靠性 该固 有可靠性是系统所能达到的可靠性上限 所有的其他因素 如维修性 只能保 证系统的实际可靠性尽可能地接近固有可靠性 可靠性设计的任务就是实现产 品可靠性设计的目的 预测和预防产品所有可能发生的故障 也就是挖掘和确 保产品潜在的隐患和薄弱环节 通过设计预防和设计改进 有效地消除隐患和 薄弱环节 从而使产品符合规定的可靠性要求 也可以说可靠性设计一般有两 种情况 一种是按照给定的目标要求进行设计 通常用于新产品的研制和开发 另一种是对现有定型产品的薄弱环节 应用可靠性的设计方法加以改进 提高 达到可靠性增长的目的 2 2 设计的基本原则 设计的基本原则 在可靠性设计过程中应遵循以下原则 1 可靠性设计应有明确的可靠性指标和可靠性评估方案 2 可靠性设计必须贯穿于功能设计的各个环节 在满足基本功能的同时 要 全面考虑影响可靠性的各种因素 3 应针对故障模式 即系统 部件 元器件故障或失效的表现形式 进行设 计 最大限度地消除或控制产品在寿命周期内可能出现的故障 失效 模式 4 在设计时 应在继承以往成功经验的基础上 积极采用先进的设计原理和 可靠性设计技术 但在采用新技术 新型元器件 新工艺 新材料之前 必须 经过试验 并严格论证其对可靠性的影响 5 在进行产品可靠性的设计时 应对产品的性能 可靠性 费用 时间等各 方面因素进行权衡 以便做出最佳设计方案 3 3 可靠性要求可靠性要求 可靠性要求是进行可靠性设计 分析 制造 试验 验收的依据 可靠性要求 分为定量要求和定型要求两种 1 可靠性的定量要求 可靠性的定量要求是指选择和确定产品的可靠性参数 指标依据验证时机和验证方法 以便在设计 生产 试验验证和使用过程中用 量化的方法来评估或验证产品的可靠性水平 可靠性的定量要求是影响产品可 靠性的关键因素 科学合理的提出可靠性定量要求是保证产品可靠性的必要条 件 必须合理明确的确定产品的故障判据 才能使可靠性定量要求得以正确实 施 可靠性定量要求作为产品设计指标的重要组成部分 应在产品的研制任务 书或技术经济合同中明确规定 可靠性定量要求中的参数是描述系统可靠性的度量 一般可分为使用可靠性参 数和合同可靠性参数 使用可靠性参数反映了使用方对可靠性 可信性 维修 人力费用及故障资源费用方面的要求 一般不宜直接写进合同 合同可靠性参 数是可以由承包商控制的 是用于产品设计的可靠性参数 有使用可靠性参数 按一定规律转换来实现 经使用方和承制方双方协商纳入合同的可靠性参数 可靠性指标是可靠性参数的量值 对于每一个适用的可靠性参数均应规定使用 目标和门限值 Thresbold 使用值 在合同中 使用目标值应转换成规定 值 固有值 门限值应转换成最低可接受值 Minimum Acceptablc Value 固有值 使用可靠性指标包括了设计 安装 质量 环境 使用 维修对产品的影响 而合同可靠性指标仅包括设计 制造的影响 所以 一般情况下同一产品的使 用可靠性指标要低于合同可靠性指标 对于合同中规定的定量要求 必须同时明确相应的验证要求 验证可以是 试验验证 使用验证或综合评估 2 可靠性的定性要求 可靠性的定性要求是指用一种非量化的形式来设 计 评价 以保证产品的可靠性 可靠性定性要求可分为设计要求和定性分析 要求两种 定性设计要求 所谓定性设计是为满足产品的可靠性要求而完成的一组可靠 性设计 主要的定性要求见表如下 定性分析要求 主要的定性分析要求见表 可靠性指标是定量设计的尺度依据 建模 预计 分配等是可靠性定量设计的 工具和手段 可靠性设计准则是定性设计的重要依据 故障模式及影响分析是 有效的分析手段 在工程设计工作中 应正确地处理定量设计与定性设计的关 系 定量设计应与定性设计有机地结合起来 4 4 设计的主要内容设计的主要内容 可靠性设计是为了在设计过程中挖掘和确定隐患及薄弱环节 并采取设计预防 和设计改进措施 有效地消除隐患及薄弱环节 定量计算和定性分析主要是评 价产品现有的可靠性水平和确定薄弱环节 而要提高产品的固有可靠性 只能 通过各种具体的可靠性设计来实现 可靠性设计的主要内容概括起来可以有以下几个方面 1 建立可靠性模型 进行可靠性指标的预计和分配 要进行可靠性预计和分 配 首先应建立产品的可靠性模型 而为了选择方案 预测产品的可靠性水平 找出薄弱环节 以及逐步合理地将可靠性指标分配到产品的各个层面上去 就 应在产品的设计阶段 反复多次地进行可靠性指标的预计和分配 随着技术设 计的不断深入和成熟 建模和可靠性指标分配 预计也应不断地修改和完善 2 进行各种可靠性分析 诸如故障模式影响和危机度分析 故障树分析 热 分析 容差分析等 以发泄和确定薄弱环节 在发泄了隐患后通过改进设计 从而消除隐患和薄弱环节 3 采取各种有效的可靠性设计方法 如制定和贯彻可靠性设计准则 降额设 计 冗余设计 简单设计 热设计 耐环境设计等 并把这些可靠性设计方法 和产品的性能设计工作结合起来 减少产品故障的发生 最终实现可靠性的要 求 4 4 原则原则 按重要程度分配可靠度 按复杂程度分配可靠度 按技术水平 任务情况等的综合指标分配可靠度 按相对故障率分配可靠度 各部分有了明确的可靠性指标后 根据不同计算准则 进行零件的设计计算 主要的计算方法为 根据载荷和强度的分布计算可靠度或所需尺寸 根据载荷 和寿命的分布计算可靠度或安全寿命 求出可靠度与安全系数间的定量关系 沿用常规设计方法计算所需尺寸或验算安全系数 与可靠性设计有关的载荷 强度 尺寸和寿命等数据都是随机变量 必须用概率统计方法进行处理 5 5 可靠性设计 分的故障情报资料和设计依据 采取以下措施 1 可靠性检查表 从可靠性观点出发 列出设计中应考虑的重点 设计时逐 项检查 考虑预防的对策 2 推行 FMEA FTA 方法 FMEA 失效模式影响分析 和 FTA 故障树分析 是可靠性分析中的重要手段 FMEA 是从零部故障模式入手分析 评定它对整机 或系统发生故障的影响程度 以此确定关键的零件和故障模式 FTA 则是从整 机或系统故障开始 逐步分析到基本零件的失效原因 这两种方法在国外被看 作是设计图纸一样重要 作为设计的技术标准资料 它收集总结了该种产品所 有可能预料到的故障模式和原因 设计者可以较直观地看到设计中存在的问题 3 故障事例集 把过去技术上的失败和改进的事例作成手册 供设计者随进 参考 通常用简图表示 将故障和改进作对比 对故障的原因 情况附有简单 说明 这手册是各公司积累的技术财富 视同设计规范同等重要 4 数据库 广泛有效地收集设计 制造中的失败和改进经验 试验和实际用 的数据形成检索系统和 可靠性设计 数据库 使设计者能超越本单位充分利用别人实践过的经验 如电子产品已形 成世界性可靠性信息交换网 5 设计 试验规范的不断充实 改善 从使用实际得来的故障教训要反馈到 设计 试验方法的改进中 要将这些改进效果作为产品设计规范 包括材料选 定 结构形式 许用应力 安全系数值 和试验标准的改进依据 使它们成为 设计技术的一部分 随着可靠性工作开展 必须加强设计 试验规范的研究 命名如试验规范的制定要以实地使用条件分析为基础 要调查出场的回收品和 试验室加速试验件作对比 计算强化系数 通过失效分析反推 验证试验条件 是否合适 从而不断改进试验方法和标准 因而这些规范都是公司的财富 对 外不轻易泄密 如日本小松 10 年中试验标准增加三倍 丰田的试验标准有 1500 项之多 也可见各公司对试验的重视程度 6 6 分析分析 通过设计实现产品可靠性指标的方法 产品的可靠性是通过设计 生产和管理 而实现的 而首先是产品的设计 它决定着产品的固有可靠性 电子产品可靠 性设计技术包括许多内容 主要有可靠性分配 可靠性预测 冗余技术 漂移 设计 故障树分析和故障模式 效应和致命度分析 元件器件的优选和筛选 应力 强度分析 降负荷使用 热设计 潜在通路分析 电磁兼容和设计评审等 可靠性分配可靠性分配 根据用户对系统或设备提出的可靠性指标 对分系统 整机等组成部分提出相 应的可靠性指标 逐级向 可靠性设计 下 直到元件 器件 工艺 材料等的可靠性指标 可靠性分配是系统或设备 的总体部门的一项可靠性设计任务 对于有L个组成成分的系统 最简单的情况是这些组成成分的可靠性是互相独立 的 若第i组成分不可靠 则系统就不可靠 系统可靠性为q q1q2 qL 若第 i组成分的不可靠性为Pi 1 qi 则系统的不可靠性为P 1 q 1 1 P1 1 P2 1 PL P1 P2 PL 这是系统可靠性分配的基本公式 可靠性 分配本质上不是数学问题 而是人力 物力的统一调度和运用的工程管理问题 因为不同整机 元件 器件的现实可靠性水平是很不相同的 而把它们的可靠 性提高到一定水平所需要的人力 物力和时间往往差别很大 因而不能采取均 匀提高的纯数学方案 在实际工作中 需进行多个方案的协调 比较后才能决 定 可靠性预测可靠性预测 主要是根据电子元件 器件的故障和产品设计时所用的元件 器件数和使用条 件 对产品的可靠性进行估计 最简单的情况是 产品由 k 种电子元件 器件 组成 第 i 种元件 器件的寿命为指数分布 故障率为 i 用量为 ni 任一元 件和器件发生故障都会引起产品故障 故产品的故障率为 n1 1 n2 2 nk k 这是在设计阶段根据元件 器件的故障率对产品故障率提出预测的基本公式 在实际使用时 还要增加一些修正和补充 元件 器件的故障率还会随环境和 其他条件而发生变化 若实验室条件下的元件 器件的故障率 则在环境 A 下 的故障率为 公式 式中为元件 器件在环境 A 下的环境因子 在恶劣环境下 环境因子值可能很 大 例如 导弹发射环境下的环境因子可能达到 20 80 用预测公式测得的 值还需要乘上一个修正因子 1 对于比较成熟的设计 可取 10 左右 对不太成熟的设计 可取 30 以上 预测的故障率与实际投入使用后的现场故 障率有一些差异是正常的 事实上 在设计阶段可靠性预测主要是相对可靠性 而不是绝对可靠性 冗余技术冗余技术 当产品设计中发现某个组成部分的可靠性过低 影响产品的总可靠性指标时 便采取所谓冗余技术来提高这一部分的可靠性 有k个组成部分的产品 各组 成部分的可靠性是互相独立的 若其中一