可靠度工程Ⅲ

1、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 Editio

2、n, 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初步構想Pre-concept細部設計Design報廢Disposal測試/驗證Demonstration/Vali

3、dation服勤Deployment/Operation全尺度發展Full-ScaleDevelopment生產裝造Production產品籌獲循環 Principal Elements of Integrated Logistics Support (ILS):(1) Maintenance Planning; (2) Manpower and Personnel;(3) Supply Support; (4) Support and Test Equipment;(5) Training and Training Devices;(6) Technical Documentation; (

4、7) Computer Resources;(8) Packaging, Handing, Storage, and Transportability(9) Facilities; (10) Reliability and Maintainability.MIL-STD-785B系統可靠度工作計畫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) 2

5、05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：全尺度發展第三章 可靠度目標、配當與保固3.1 可靠度規格展開 全球競爭趨勢的涵義之一是廠商須以極具彈性與多樣性之品質水準，以符多元化的顧客價值標準或要求。 產品可靠度保證須將：顧客需求明確轉換為產品需求Þ擴展專業技術與資訊，以確實符合顧客的使用條件

6、Þ建立整體驗證計畫，縮短研發時程，以符競爭要求。 產品可靠度保證首要工作是將顧客需求明確轉換為產品需求，亦即進行可靠度需求展開。此屬於可靠度機能展開與品質機能展開(Quality Function Deployment; QFD)同。可靠度機能展開可靠度需求規格展開可靠度工作機能展開可靠度工作規劃與管理可靠度目標(需求規格)訂定 可靠度規格訂定須有一定程序，主要目的是希望在生產者的最低成本與消費者的理想之間，取得一個雙方都可接受之最佳規格。可靠度規格訂定之程序如下：(1) 確定顧客或市場需求(2) 執行系統效益分析(3) 確定產品功能、物體形態(Configuration)與系統界面

7、(4) 定義設計功能特性與失效準則(5) 定義壽命週期、工作輪廓、工作循環與操作時間(6) 定義預期的操作與自然環境條件(7) 定義系統檢測能力需求(8) 定義系統維修政策(9) 確定系統可靠度規格 確定顧客或市場需求 驅動工業之原動力源於顧客或市場需求是-顧客導向(Customer Oriented)，而非工程師的夢想-產品導向。產品需求尚未確定之前，決不動手。需求確定之後，才能清楚的界定設計目標。產品可靠度需求來源：(1) 顧客提供；(2) 自主開發；(3) 投術轉移或委託代工；(4) 現貨；(5) 法令規章。補充:一個寬廣的消費者導向的事業定義將可防範公司因為未被發覺的需求轉移而導致的危

8、險，並幫助因應此種需求轉移。 可靠度需求規格展開最重要步驟即將顧客的操作需求轉換成研製者或生產者的需求，亦即合約可靠度需求，如此研製的設計與驗證工作才有所依循。事實上，顧客並不需要漫無止境的要求高可靠度，因顧客之總獲得成本並非絕對隨著可靠度提高而降低(如下圖)，成 本可靠度操作成本總獲得成本故障失效成本採購成本維護成本圖3.1 使用者成本與可靠度成本之關係而生產者亦不應單純的期望降低可靠度之要求，因為較低可靠度需求，並不意謂著總製造成本的降低(如下圖)。成 本可靠度報廢和加工成本總裝造成本可靠度成本基本裝造成本圖3.2 生產者成本與可靠度成本之關係因此；在決定產品可靠度目標時，應在生產者最低製

9、造成本、合理利潤，以及使用者理想的最低壽命週期成本(Life Circle Cost; LCC)間，進行敏感度分析研究，以期在各個影響因素間取一個平衡點。(Trade-off 擇優, 取捨)。 執行系統效益分析廣義的性能一般以系統效益(System Effectiveness; SE)作為作為衡量的基準。1965年美國武器系統效益顧問委員會(WSEIAC)針對美國空軍系統需求所建立之系統效益模式基礎，為SE = R ´ A ´ C系統效益= 可靠度 ´ 妥善度 ´ 能力其中：(1) 能力(Capability; C)：能力是衡量產品在特定條件下，遂行其既

10、定功能(Function)之達成度的指標，亦稱為性能(Performance)。另功能是指產品設計的具備之固有(Inherent)能力；而性能是指產品在現塲使用所展現之能力，亦稱使用(Operational)功能。(2) 妥善度(或可用度) (Availability; A)：主要是衡量產品在使用階段，當接獲任務命令(指令)時，其可隨時啟動、開始動作的機率。因此產品妥善度之良窳，受到硬體、軟體人員與操作程序等各項因素的影響。(3) 可靠度 (Reliability; R)：主要是衡量產品開始執行任務後，在使用者所要求之操作環境與時限內，是否以滿足達成其所擔負之任務目標的機率。 確定產品功能、物

11、體形態與系統界面功能形態說明產品之主要功能：物體形態是指產品之最大尺寸、重量、安全條款、人性因子限制條件、材料能力極限等：而產品邊界則包括功能界面、連接界面、交互作用界面及人機界面。 定義設計功能特性與失效準則產品的重要功能參數必須建立清楚、明確的失效定義，產品成功的性能範圍亦應明確的規定，而且必須是執行驗證試驗時可以量測之數值。 定義壽命週期、工作輪廓、工作循環與操作時間產品的壽命週期與工作目的加以明確定義，才能適切掌握消費者或使用者的需求。不同目的從企劃階段起企畫之內容即不同，可靠度規格自然亦異。工作輪廓分為：工作的種類、工作時間、與設備或單機。 定義預期的操作與自然環境條件為了設計高可靠

12、度的產品，必須掌握產品操作時的環境條件。如，飛機或火箭須在低氣壓或加速度環境條件，火力、核能發電廠或化學工廠等須在高水壓、氣壓或因化學藥品造成之腐蝕環境條件。另外，對產品出廠後，包括輸送、貯藏、運用及廢棄等都須加以檢討。.1 輸送中的環境條件輸送方式：(1) 卡車輸送-振動在5 200 HZ，加速度最大20 G左右；(2) 火車輸送-振動、衝擊小，加速度在1 G以下；(3) 船舶輸送-振動、衝擊小，相反的濕度、鹽氣、結露等問題；(4) 飛機輸送-振動、衝擊小，相反的氣壓與溫度降低等問題；(5) 裝卸的振動與衝擊。.2 操作中的環境條件以室外為例，其條件如下：(1) 溫度、(2) 濕度、(3)

13、砂塵、(4) 鹽水(氣)、(5) 直射日光、(6) 微生物的影響、(7) 人體因素。在合約條款的陳述上，對操作與環境條件可用敘述法與表列法。另該方面之國際規範有： IEC 721(國際電工委員會)，依不同場合之運輸、儲存與使用環境，共區分成7種環境輪廓。 IEC 68則針對產品製造、儲存、運輸及使用過程中，可能遭遇的各種環境條件，界定標準的試驗程序，以評估產品的耐環境能力。 MIL-STD-210提供相當完整的全世界氣象環境資料。 MIL-STD-810, MIL-HDBK-781提供完整的極值與正常環境資料。下一步可靠度規格展開為產品檢測能力需求、使用者所應執行之維修保養措施明確表示於合約中

14、。此時最重要的考量因素是認真地考慮實際的需要、產品的易維護性與經濟性、社會性(合於現有的設計技術水準)、與發展性。可靠度規格展開的最後一步驟為量化可靠度規格予以確立，並配合環境規格、性能規格及工作時間規格等。其間須與顧客面對面的溝通、談判，以便獲得妥協、折衷的需求。(Trade-off)。3.2 可靠度配當(Reliability Allocation) 可靠度配當之目的 可靠度配當是將產品既定之可靠度需求規格，適當地分配於各分項，作為分項發展目標的一項可靠度管理作業。分項之可靠度目標亦能繼續配當至零組件，作為零組件之可靠度需求。 可靠度計量需求一經決定，就應配當或指定至組成產品之各分項。將產

15、品需求轉移為較低層次之需求條件的目的須一致的，包含可靠度計畫所需資源與支援之範圍。在此全部過程中，從粗略配當、與經驗資料之比較、擇優或取捨(Trade-off)、及反覆的實施，至最後將導出各分項之需求條件。利用此資料，則可估計並規劃所需人力資源與支援之多寡。 可靠度配當之過程儘可能在研製階段初期即開始進行，因於此階段的擇優與重新定義工作的彈性最大。由配當作業產生之分項可靠度需求，應為其他相當作業(維修度、安全性、品質工程、售後服務及試驗規劃)之重要輸入資料-同步工程。可靠度配當之目的為，(1) 由產品可靠度目標值界定每一分項之可靠度配當值，建立可靠度目標需求架構。(2) 設計人員根據可靠度目標

16、設定值評估產品的狀況，並決定主要問題之範圍及產品設計之弱點所在(Weak Point of the System)。(3) 使設計人員對產品的輪廓及相互間之關係有更深的認識，如，零組件在產品功能上所扮演之角色；零組件達成產品工作目標的方法；零組件的複雜性、數目、等；改變零組件對產品功能所造成的影響。(4) 提供作為考量產品之成本、重量、可靠度等等因素之擇優，得到更經濟有利的設計產品。度配當之基本考量與程序可靠度模式可靠度配當可靠度預估 可靠度配當的時機有二：(1) 可靠度目標確定且初步設計已告完成時；(2) 產品發展過程中，某些分項可靠度無法達到設計初所賦予之可靠度需求，造成產品可靠度目標無法

17、達成時，便再配當，以確立各分項之可靠度需求與責任。 影響可靠度的主要因素如下:(1) 複雜性：分項零件數愈少，失效機率愈小，所配當之可靠度應較高。(2) 發展性：一般研究發展之歷史較短，發展潛力較高，較易提高可靠度，故應配當較高之可靠度。(3) 重要性：對於易導致產品失效之分項，應配當較高之可靠度。(4) 環境條件：嚴酷的環境下，易受影響之分項，應配當較高之可靠度。(5) 安全性：對人員之安全有重大影響之分項，應配予較高之可靠度。(6) 維護性：維修不易且費時者，應配當較高之可靠度。(7) 成本：提高可靠度，不需花費龐大成本之分項，應配當較高之可靠度。評量可靠度配當法(1) 利用問卷調查的方式

18、，由具經驗之工程人員針對可能影響各分項可靠度配當的各項因子，進行評點記分。(2) 根據各分項每一種因素評點資料的結果進行分析歸納，得到各分項的權重因子。可靠度配當的實施程序可依下列9個步驗進行：(1) 產品說明；(2) 失效定義；(3) 操作或維修條件定義(4) 功能方塊圖建立；(5) 可靠度方塊圖建立；(6) 可靠度數學模式建立；(7) 可靠度配當(8) 可靠度預估；(9) 可靠度再配當，或對較低組合層次進行可靠度配當。 可靠度配當法( ®化整為零®責任分攤) (有配當就要驗(收)證).1 等量可靠度配當法等量配當(Equalized Allocation)法係將各分項的

19、可靠度視為相同而加以配當。適合對影響分項可靠度的各類因素尚未瞭解時所作的初步配當，其關係式為，Rs= R1 ´ R2 ´. ´ Rn(3.1)假設Rs= R1 = R2 =. = Rn = Ri則Rs= (Ri )n(3.2)所以Ri= (Rs )n = (Rs )wi，wi =1/n(3.3)式中n為總分項數、Rs為產品可靠度目標、wi為第i分項之權重因子、Ri為第i分項之可靠度配當值。RsR5R4R3R2R1顧客承包商供應商RsR1 ,R2 ,R3 ,R4 ,R5.2 ARINC可靠度配當法ARINC配當法是美國Aeronautical Radio Inc.

20、於1958年所發表。其基本假設：(1)串聯Rs= R1 ´ R2 ´. ´ Rn；(2)失效符合常數 f(t) = le-lt；(3) 所有的各分項工作時間相同；(4) 失效率預估值 lpRs= R1(t) ´ R2(t) ´. ´ Rn(t)e-lst = e-l1pt ´ e-l2pt ´. ´ e-lnpt= e-(l1p + l2p +lnp)tls= ål=1n lip ； wi =ls / ål=1n lipRi= (Rs )wi(3.4).3 AGREE可靠度配當法AGR

21、EE配當法是美國Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment 於1957年所發表，其主要特點是強調在配當時同時考量分項的複離性及關鍵性(或稱重要性)。其基本假設：(1)串聯Rs= R1 ´ R2 ´. ´ Rn；(2)失效符合常數 f(t) = le-lt；(3) 所有的各分項工作時間不相同ti，i= 1, 2, 3, n；(4) 各分項的複雜度(成比於零件數或模組數)；(5) 各分項的關鍵性ci = 產品失效|第i分項失效，最嚴重分項失效直接造成產品失效，此時分項的關鍵性為1，反之，對產品失效不具影響

22、的分項，此時其關鍵性為0。AGREE配當法中各分項之失效率配當值為li = ni -ln Rs(t)/ N ci ti(3.5)Ri (ti)= exp(-li ti )(3.6)Ri (ti) » 1-1-(Rs(t) ni/N/ci(3.5)式中， li：分項i之失效率配當值、ni：分項i所含之零件數(模組數)、N：產品各分項所含之模組數總和、ti：分項i所需之操作時間、ci：分項i之關鍵性因子、Ri (ti)：分項i在操作時間為ti時之可靠度配當值、Rs(t)：產品在操作時間為t時之可靠度配當值。.4 評點可靠度配當法 利用問卷調查的方式，由具經驗之工程人員針對可能影響各分項可

23、靠度配當的各項因子，進行評點記分。根據各分項每一種因素評點資料的結果進行分析歸納，得到各分項的權重因子。 影響可靠度的主要因素:複雜性、發展性、重要性、環境條件、安全性、維護性。因此，集合眾專家評點的結果可得第i分項中、第j影響因素之平均評點數Yij為Yij =åL=1p XLij/p(3.8)每一分項之配當權重因子wi 有種處理模式，分別為，(1) 幾何模式wi = P j =1n Yij / åi=1m P j =1n Yij(3.9)(2) 算術模式wi = P j =1n Yij / åi=1m P j =1n Yij(3.10)由所權重因子wi可計算第i

24、分項之可靠度配當為Ri= (Rs )wi= 1- wi ´ 1- Rs(3.11)假設失效分佈為指數分佈的情況下，第i分項失效率之配當為li = wi ´ ls(3.12)式中，Yij :第i分項中第j影響因素之平均評點數XLij :第L位評點人員對第i分項的第j項影響因素所作之評點wi :第i分項之配當權重因子m、n、p : 產品有m項要進行配當、配當所考慮的影響因素有n個、共有p個參與評點之專家 Ri：第i分項之可靠度配當值 Rs：產品之可靠度配當值v 特性比較¨ 等量可靠度配當法對各分項之影響可靠度因素不瞭解，且未能獲得較為可用之評估資料時，故於發展之初，先

25、假設各分項情況均相同，再隨可靠度成長經歷加以修正。¨ ARINC可靠度配當法應用此法，需先獲得各分項或零組件之失效率預估值，為直接簡易之配當法。¨ AGREE可靠度配當法對各分項進行配當時，僅考慮模組數、重要性及任務時間等因素，若欲考慮更多因素，可應用評點可靠度配當法更為合理。¨ 評點可靠度配當法此法彙集各專家之經驗與知識，以客觀態度對各分項作評點，雖可得較為合理之配當值，惟獨對所考量之因素及評點尺度之選擇宜特別謹慎。3.3 可靠度保固產品可靠度保證的內涵至少包括三部份：(1) 產品研製過程之可靠度保證(2) 產品的保固期限之可靠度保證(3) 產品售後服務作業之可

26、靠度保證v 結語 可靠度配當是可靠度工程中一個必要且相當重要的工作，其目的是將產品的可靠度目標合理的配當於各個分項，由各個分項共同來達成此一產品目標。可靠度再配當的需求並不明確，除非分項與分項之間或分項與產品之間存在著明確的合約關係，需要藉由可靠度配當來確立彼此的目標與責任，否則可靠度再配當只是計畫內部的協調，其目的是希望能達成產品之可靠度目標，即使某些分項無法達成原配當需求，只要產品目標能達成，就無再配當的必要。 ElectronicEquipmentProcessorAssemblyProcessorUnitControllerChassisPowerSupplyReliability Block DiagramComputing Reliability AllocationStep 1. Convert the required system MTBF to a failure rate.1/10000 (MTBF) = 0.0001 (System Failure Rate)Step 2. Determine the percent