可靠性-可靠性设计

1、4。可靠性设计提高系统的可靠性，要从系统的设计着手。要使系统的元器件工作在正常状态下，没有过载超负荷等现象的发生，并且要有一定的裕度。也可以采用冗余贮备，使系统即使有个别元器件或设备出现故障仍能正常工作，譬如大型客机拥有四个发动机，中型客机拥有两个发动机。也就是说有一个设备出现故障，有另一个设备顶替它工作。因此，设计人员必须明确可靠性设计的目的并掌握可靠性设计的方法。4。1 可靠性设计的概念和意义可靠性设计是为了在设计过程中挖掘和确定隐患(和薄弱环节)，并采取设计预防和设计改进措施有效地消除隐患(和薄弱环节)，即是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。可靠性设计是可靠性工程的核

2、心，主宰着产品的固有(内在)可靠性。产品在生产、使用、维修各阶段中所出现的许多可靠性问题取决于设计阶段的可靠性工作。因此，在设计时就必须考虑到全寿命过程中与可靠性有关的诸因素。例如，各阶段中可能遇到的各种环境应力(包括工作环境、自然环境以及运输、贮存等环境的应力)对产品可靠性的影响；防护、维修影响；操作时失误等各种影响。“可靠性设计”的理解中是十分广义的，JSI标准定义为“赋予产品可靠性为目的的设计技术”。它既包括了应用可靠性理论设计的方法，也包括了传统的和从实践总结出的有利于提高可靠性设计经验和技术。基本上，可靠性为产品的重要质量特性之一，也是产品的设计参数之一。在产品寿命周期的整个研发设计

3、过程中，由设计人员努力所建立植入产品中。基于现代产品对可靠性的重视与要求，特别是现代精密的产品，缺乏完善的可靠性设计与分析技术和作业能量，是无法在竞争激烈的市场上占有一席之地的。为达到此一目标，首先要确定产品的可靠性需求，然后运用各种适切的设计方法与程序，导入各种分析手法，在产品的设计过程中将可靠性需求转换成各层次的设计特性参数，如此才能事先预防在使用时可能发生的失效现象，达到确保产品可靠性水平的目的，此即所谓可靠性是设计入产品的。定量计算和定性分析(例如FMEA、FTA)等主要是评价产品现有的可靠性水平或找出薄弱环节，而要提高产品的固有可靠性，只有通过各种具体的可靠性设计方法。随着武器装备的

4、发展，装备的自动化、智能化、电子化水平的不断提高，系统工作环境更趋复杂和恶劣，因而带来一系列新的问题。例如，由于存在“潜在通路”而引起系统功能异常或抑制正常功能，因此要进行潜在通路的分析；由于系统、设备工作后产生的热量积累，使它们周围环境温度急骤上升而导致元器件故障率的增大，从而降低了它们的可靠性，这就需要进行热设计；武器装备上装了许多完成不同功能的计算机，如果它们的软件发生故障，计算机就无法完成其规定的功能，这就需要进行软件可靠性的研究等等；此外，除了研究产品工作状态的可靠性问题外，对于非工作状态对产品可靠性的影响亦应进行研究。现代产品的研发制造，主要是为了满足顾客的需要。一般而言，顾客的需

5、要通常是模糊的而且大多只是定性的描述，常见者如功能合理、操作方便、保证安全、容易维修等。 设计人员的任务就是如何将顾客的需要转换成产品生产制造时所需要的零件、材料与过程规格。设计人员在进行研发设计时，除了基本的功能之外，必须以顾客能够理解的产品效能(performance)来表示，以便和顾客沟通。所谓产品效能乃是产品在设计时必须由设计人员所赋予的物品特性(characteristics)，也就是目前国际质量系统ISO 9000 中对于产品质量的定义。 产品效能为产品所具有的能力，因产品不同而异，一般可从功能效能、实体效能、运动效能、能源效能、使用效能、时间效能、安全效能、环保效能以及经济效能等

6、方面加以考虑，一般产品效能架构如图1 所示。功能效能为设计人员对于顾客需要的基本考虑项目，包括主要功能、辅助功能及美学功能。实体或结构效能是功能载体对外界负载条件的承受能力，包括重量、精度、强度、刚度、耐磨性、耐蚀性、热稳定性、振动稳定性等。能源效能是工作条件的表现，包括负载种类、大小与性质，消耗功率大小、效率高低。运动效能是产品载体搬运及运动的需求，如速度大小、起动性、加速性、制动性、运动平稳性等。时间效能为产品能力在寿命周期中随时间变化的表现，包括可用度、可靠性、测试度、维护度、支持度与耐久度等。安全效能是指产品对于人员与财物方面造成侵权行为的影响，包括系统安全、工业安全、公共安全等。环保

7、效能为产品对社会环境方面的影响程度，如会产生多少污染物、噪音量，以及减废与回收等。     这些使用者要求及产品效能需求，对于一个具体的契约型系统与设备而言，在其设计计划书或契约书中会有详细的规定。若是市场型产品，则有赖市场开发部门与研发部门人员的共同努力。这些要求与需求，自然是设计人员在设计过程中必须考虑的重点问题。除此之外，在设计时还必须考虑产品的制造方法(可产度)与经济性(寿命周期成本)、并本着持续改善的精神以适应现代市场竞争力及逐渐缩减的产品市场寿命周期的趋势。 整体而言，一般的设计人员对于功能、结构、运动等效能大都有具体的概念，并且可以在设计过程中导入适

8、切技术与方法。至于能源、环保与安全效能，则是近年来国际及国家法规约束的焦点，甚至有消费者保护机构及环保团体等，有专人进行效能的强制评审，自然不宜掉以轻心。至于时间效能，特别是其中扮演着最重要角色的可靠性效能，一般设计人员大多仅为定性的初步阶段，对于可靠性的认知也是极为模糊的。因此，现代的设计人员除了必须考虑能源、安全及环保效能外，还必须将时间效能，特别是可靠性效能的考虑列为设计过程的重点项目，亦即了解及实施可靠性设计技术。 可靠性效能是物品能够达成任务的能力指针之一，其量测指标为可靠性。可靠性的定义为物品于既定的时间内，在特定的使用与环境条件下，执行特定的功能，能够圆满成功的达成任务的机率。简

9、单的说，可靠性设计乃应用可靠性理论、技术与设计参数的统计资料，在满足规定的物品可靠性指标下前题，对零件、组件、模块、单机、机器设备、分系统及系统进行设计的工作。广义而言，就是在设计时，整体考虑使用者要求、产品效能需求及寿命周期成本，并且对设计结果进行验证、确认与保证。  可靠性设计的目的是在于提高产品的质量水平，包括功能指针与可靠性指针。在设计过程中，通过可靠性理论与技术的采用，使所设计的物品在一定的拘束条件下，获得最适的可靠性结果，或者在规定的可靠性指标前题下，使某些设计拘束条件值达到最小。总而言之，就是使设计的物品在规定的条件下、规定的使用时间内、完成规定的功能任务时，失效机率最

10、小、维修容易、有效度高、成本效益高、经济寿命长。4。2 可靠性设计的内容4。2。1 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。关于可靠性设计有这样一些观点： （1） 可靠性设计是产品功能设计的一部分，因为可靠性不能离开功能独立存在，在进行基本功能设计时应该考虑可靠性。 （2） 可靠性设计的目的是以最少的费用达到所要

11、求的可靠性目的。 （3） 可靠性设计采用的方法，应根据产品特点，使用要求和技术、数据条件等决定，其常用方法主要有可靠性模型的建立、可靠性要求的制定及可靠性分配、可靠性预测、故障模式影响和危害性分析（FMECA）、故障树分析及事件树分析等方法。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

12、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、试验和审查系统与设备可靠性有百分之八十取决于固有可靠性，

13、而固有可靠性是在设计时就必须赋予产品的。在一个系统中，各部位所要求的可靠性不一定是同样重要的，如果在这些部位中使用的组件功能相同，那就需要将最可靠的组件用在最重要的部位上；如果各部位所用的组件不同，或者工作原理不同，则需要找出一种设计布局的方案，使得在规定的研制预算费用、进度及其它条件限制之下，系统有最大的可靠性，或者使系统在可靠性满足规定要求的前提下，所付出的研制代价最小，这就是可靠性设计与分析技术所要探讨的问题。4。2。2可靠性设计工作项目分类在今日随处可遇到复杂系统中，任一组件的失效都会造成极为严重的后果。因此，可靠性与设计工程人员的主要目标，就是先考虑成本、可靠性、重量、体积等各种因素

14、，而后选择最适的设计。为达成此一目标，必须有一套在设计阶段就能估计物品可靠性的方法。在系统与设备研发设计之初，就应该考虑产品的可靠性需求，唯有在产品设计时就将可靠性需求转换成设计参数，进行可靠性设计分析，并且运用各种优良的工艺制造技术，才能事先预防在使用时可能发生的失效现象，达到确保产品可靠性水平的目的，此即所谓可靠性是设计入(design-in)与制造入(build-in)产品的。基本上，可靠性为产品的设计参数之一，是在整个设计过程中由设计人员努力所建立的。设计定型后，不管有多完善的生产计划、质量计划、或维修计划，产品操作使用时的操作可靠性(operational reliability)永

15、远不会超过其设计值。因此，在研发设计时，由设计人员与制造人员所赋予产品的可靠性又称为固有可靠性(inherent reliability)。 无论是公司整体的可靠性作业项目、或是与项目计划产品可靠性有关的各项活动，统称为可靠性工作。关于可靠性工作的定义与架构，以美军标准MIL-STD-785 的历史最早同时内容也最为完整，特别是1980 年发行的B 版，做了相当大的变革，摆脱往常对于计划工作内容条列陈述的方式，将相关的工作项目按照类似属性加以分类，称之为要项(element)，然后再说明每一要项的细部内容，称为工作子项(task)。依据美军标准785B 之规定，一个研发与生展项目计划的可靠性工

16、作可分为计划监测与管制(100 系列工作要项)、设计与评估(200 系列工作要项)、发展与生产试验(300 系列工作要项) 等三大类。其中和设计与分析有关的工作又分为可靠性模型化(201)、可靠性分配 (202)、可靠性预计(203)、失效模式效应与关键性分析(204)、潜行线路分析(205)、电子零件与电路容差分析(206)、零件计划(207)、可靠性关键物品(208)、功能测试储存搬运包装运输与维护之效应(209)九个工作子项。 自从ISO 9000 质量系统要求逐渐国际化之后，可靠性的问题也渐渐受到重视，整合此方面的国际标准即为IEC 300 可恃度管理标准系列。IEC 300 系列将可

17、恃度(亦即广义的可靠性)工作依照特性分为与产品或项目无关和与产品或项目有关两大类。其中工程；分析、预估及设计审查等为和可靠性设计与分析有关的工作要项，其中工程要项包括可靠性工程、维护度工程、维护支持工程、测试度工程及人性因子工程等工作子项；分析、预估与设计审查则包括缺陷模式与效应分析、缺陷树分析、应力与负载分析、人性因子分析、预估、择适分析、风险分析、正式设计审查等工作子项。   从产品供应者亦即生产者的观点而言，可靠性工作项目依照其型态与特性分为管理、工程与计算三种模式。另外依其性质大致可分归纳为规划与管理、设计与分析、验证与评估、及文件与信息等四大类。其中设计与分析工作

18、包括：可靠性需求与规格、可靠性模型订定与应用、可靠性配当、可靠性预估、可靠性设计分析、电子零件/电路容差分析、电热及机械应力分析、失效模式效应与关键性分析、缺陷树分析与潜行线路分析、零件与材料选用、功能测试与维修效应分析、以及储存搬运与运输效应分析等项目。4。3 可靠性设计准则4。3。1 可靠性设计准则的含义  在系统与设备的研发过程中，不论其设计工作是根据理论推演，或者是应用过去累积的经验，为使设计产品具有高可靠性水平、符合顾客的需求，在设计之前和设计进行中有许多必须注意或必须考虑的规定或原则事项。其中有些规定的项目，是在设计过程中必须严格遵守者，一般称之为可靠性设计准则(Reli

19、ability Design Criteria)；有些则要求较为松、在设计时仅做为参考应用的事项，一般称之为可靠性设计指引(Reliability Design Guidelines)。当然，并非每一件研发设计工作都必须使用或考虑到所有的准则与指南，在应用时，应该视研发对象的特性而加以裁适，如此所设计的产品，其可靠性需求必可轻易达成，在验证时可以不必花太多的成本和时间，达到事半功倍的效果。4。3。2 可靠性设计准则的意义和作用可靠性设计准则是把已有的、相似的产品的工程经验总结起来，使其条理化、系统化、科学化，成为设计人员进行可靠性设计所遵循的原则和应满足的要求。可靠性设计准则一般都是针对某个型

20、号或产品的，建立设计准则是工程项目可靠性工作的重要而有效的工作项目。除型号的设计准则外，有一些某种类型的可靠性设计准则，例如：军飞机可靠性设计准则、民用飞机可靠性设计准则、直升机可靠性设计准则、机载设备可靠性通用准则等等。但是，这些共性的可靠性设计准则不能代替工程项目的设计准则，应将其剪裁、增补成为各型号或产品专用的可靠性设计准则。 可靠性设计准则是进行可靠性定性设计的重要依据。在可靠性设计工作中，当产品的可靠性要求难于规定定量要求时，就应该规定定性的可靠性设计要求，为了满足定性要求，必须采取一系列的可靠性设计措施，而制定和贯彻可靠性设计准则是一项重要内容。例如：由于元器件是系统的基本组成单元

21、，因此，在设计中最关键的一个环节是选择、规定和控制用于该系统的元器件，这就需要制定元器件选择和控制的规范、准则以及优选元器件清单。 贯彻设计准则可以提高产品的固有可靠性。产品的固有可靠性是设计和制造赋予产品的内在可靠性，是产品的固有属性。而设计准则为设计人员在可靠性设计中必须遵循的原则。按此准则设计，就可以避免一些不该发生的故障，从而提高产品的可靠性。如：采用余度可提高任务可靠性。 可靠性设计准则是使可靠性设计和性能设计相结合的有效办法。在设计过程中，设计人员只要认真贯彻设计准则，就能把可靠性设计到产品中去，从而提高产品的可靠性。如：简化设计准则是指在达到产品性能要求的前提下，把产品尽可能的设

22、计得简单，这样也可减少故障的发生，同时又有利于实现成本、质量、尺寸等其他性能指标要求。 工程实用价值高，费效比低。可靠性设计准则主要是经验的积累，不需要花费金钱去做试验或进行复杂的数学运算。但贯彻了设计准则，避免不少故障的发生，取得的效益是很大的，因此它的费用比较低。而且，贯彻设计准则，设计人员不需要深厚的数学基础和对可靠性理论的深刻理解，简单易懂，只要按设计准则逐条贯彻即可，因而它受到工程技术人员的欢迎。4。3。3 制定可靠性设计准则的依据及主要内容4。3。3。1 依据编制可靠性设计准则的主要依据，一般有： 合同规定的可靠性定性、定量要求。 合同规定引用的有关规范、标准、手册等提出的可靠性设

23、计要求或准则。 同类型产品的可靠性设计经验以及可供参考采用的通用可靠性设计准则。 产品的类型、重要程度及使用特点等。4。3。3。2 可靠性设计准则的主要内容常见的可靠性设计准则与指南项目，一般性从可靠性关点考虑者包括：(1)。 制定元器件大纲 (2)。 简单化(Simplicity) (3)。 模块化与标准化(Modularity and Standardization) (4)。 容错 (Fault Tolerance)、容损(Damage Tolerance)与复联(Redundancy)设计 (5)。 测试性(Testability) (6)。 操作、储存与运输(Operation， S

24、torage and Transportation (7) )人员工程(Human Engineering)（8）降额设计（9）余度设计（10）热设计（11）防腐蚀、老化设计。可靠性工程学的价值和魅力恰恰在于，它从理论的高度揭示了产品可靠性设计应当遵循的共同规律。可靠性设计之一般性参考数据如下：(1)。 MIL-HDBK-338-1， (1984)， Electronic Reliability Design Handbook (2)。 MIL-STD-454M (1989)， Standard General Requirements for Electronic Equipment Req

25、uirement 35： Reliability。 (3)。 AMCP 706-124， Engineering Design Handbook： Reliable Military Electronics， Headquarters U。S。 Army Materiel Command， 5001 Eisenhower Ave， Alexandria， VA 22333， AD#A025665。 (4)。 AMCP 706-196， Engineering Design Handbook： Design for Reliability， AD#A027370。 (5)。 RADC-TR-84

26、57 (1984)， Reliability， Testability Design Considerations for Fault Tolerance Systems。(6)。 RADC-TR-88-304 (1988)， Reliability Design Criteria for High Power Tubes。(7)。 Ireson (1989)， Handbook of Reliability Engineering and Management 18。3。11 Reliability Design Guidelines。（1）制定元器件大纲为了达到和保持设备的固有可靠性，减少

27、元器件、零部件品种、降低保障费用和系统寿命周期费用，必须控制标准元器件和非标准元器件的选择和使用。元器件一般指的是电子、电气系统的基础产品，如：半导体、集成电路、电阻、电容、变压器、继电器、电缆、光导纤维等。而零部件一般指的是机械系统的基础产品，如：螺栓、螺帽、轴承、销子、弹簧、软管、齿轮、密封件等。装备(如一台电子设备、一颗卫星、一架飞机、一艘潜艇等)就是由各种基础产品即由各种元器件、零部件构成的。由于其数量、品种众多，所以它们的性能、可靠性、费用等参数对整个系统性能、可靠性、寿命周期费用等影响极大。如果承制方在研制早期就开始对元器件、零部件的应用、选择、控制予以重视，并贯彻于系统寿命周期，

28、就能大大提高系统的优化程度。一个有效的元器件大纲所需要的投资，可以从降低系统寿命周期费用，提高系统效能得到补偿。比如使用标准件可以提高产品的固有可靠性和互换性，消除使用非标准件所需的设计、制造和试验费用，从而降低产品的成本。元器件大纲的主要内容包括：元器件控制大纲、元器件的标准化、元器件应用指南、元器件的筛选等。制定元器件大纲应考虑装备任务的关键性、元器件的重要性、生产的数量、装备的维修方案、元器件的供应、所占新元器件的百分比、元器件的标准化状况等。元器件大纲中的各项工作与其他分析有关。如与安全性、质量控制、维修性和耐久性等分析有关。上述任何一种分析都可能提出对不同元器件、零部件的要求。在某些

29、情况下，为了满足系统的要求，需要质量更高的新设计的元器件。而在另一种情况下，为了减少系统寿命周期费用和保证供应，则需要采用标准件。因而元器件大纲的制定和执行必须充分体现权衡分析的精神。（2） 简化设计   一般而言，系统或设备越复杂、所使用的零组件越多，其可靠性就越低。简单化是一项设计实务，可促使系统或设备能够较容易和以较廉价生产制造、操作使用、及维修保养。 简化设计就是在保证产品性能要求的前提下，尽可能使产品设计简单化。简化设计可以提高产品的固有可靠性和基本可靠性。例如：作为替代F-4、A-T的美国F/A-18A战斗机在设计中，对雷达、发动机和液压系统采用了简化

30、设计，取得了高可靠性的成效，F/A-18A的发动机F-404只有14300个元件，而F-4的发动机J-79有22000个元件，也就是说F-404所有元件数为J-79的三分之二，但推力两者几乎相等，而F-404的可靠性却比J-79提高了4倍。 ，简单化的需求与原则包括：(1)。 系统设计不要太复杂。(2)。 减少零件及接口连接数量。(3)。 在现场使用层次，应该尽量减少所需使用的手工具种类。(4)。 在使用现场应该不需要有特殊支持设备或工具的需求。(5)。 减少支持工具与器材，同时测试与维修地点应该很方便。(6)。 使用已经使用证实，而且为高可靠性的线路。 简单化设计常见的检核项目如下：(1)。

31、 设备设计的复杂性是否减至最低程度？(2)。 可调式零件的使用是否减至最少？(3)。是否尽量避免使用需要磨擦或压力接触的机械组件？(4)。 调整的需求是否已经减至最少？(5)。 是否尽量使用通用材料以代替特殊材料？(6)。 设计的再加工需求是否减至最低？(7)。 对不属插入式之模块或零件，安装时是否使用四个以下的锁紧装置？为了实现简化设计，可采取以下措施： # x+ |& w5 V4 V 尽可能减少产品组成部分的数量及其相互间的联接。例如可利用先进的数控加工及精密铸造工艺，把过去要求很多零部组件装配成的复杂部件实行整体加工及整体铸造，成为一个部件； 尽可能实现零，部，组件的标准化，系列

32、化与通用化，控制非标准零，部，组件的比率。尽可能减少标准件的规格，品种数。争取用较少的零，部，组件实现多种功能； 尽可能采用经过考验的可靠性有保证的零，部，组件以至整机； 尽可能采用模块化设计。（3） 模块化与标准化设计模块化与标准化乃是设计选料件时，尽可能采用标准零件、扣件，及已经经过使用证实为高可靠性的套装组件或软件包，使产品的设计、生产制造、与维修保养更方便、更经济。使用标准化和模块化设计可以增加生产力；同时，由于所需技术普及、具可交换性、换修快速、可以增加维修质量、缩短维修时间，因而改进系统或设备的维护度。 模块化和标准化的原则为：(1)。 使用标准扣件和零件(2)。 使用一致的尺寸和

33、形状(3)。 使用导销和键、槽连结设计(4)。 容易检查与测试(5)。 迅速拆卸与组合(6)。 减少功能数目模块化与标准化设计常见的检核项目如下：(1)。 除考虑效率因素外，设计中使用标准组件及料件是否达到最大界限？(2)。 类似的应用中是否使用相同的物品或料件？(3)。 设计中是否尽量减少不同料件形态的使用数目？(4)。 设备名称、标签及铭牌是否尽量的标准化？(5)。 相同或类似功能的设备控制面板是否采用相同或类似的位置和布置？(6)。 线路设计的安全欲度是否足够、充分？(7)。 是否尽可能使用已经验证、高可靠性的标准组件？(8)。 是否已经建立与调整线路或零件有关的稳定性需求？(9)。 回

34、授线路是否能保持固定的线路增益？(10)。 主要线路是否应用可调节式电源？(11)。 是否可利用标准工具和现有设备实施制造、装配及测试等作业？(12)。 是否可使用标准制造、装配、检验、试验及操作程序？(13)。 除非会损及产品可靠性，是否尽量使用插入式模块与组件？(14)。 类似机能的模块与零件在电气、功能及物理方面是否具有可交换性或互换性？（4）容错容损与复联设计对于有些设计而言，失效的发生是无法避免的，因此在设计时应采取各种预防的措施，以减少该类失效的发生，或使发生造成的影响降至最低的程度。一般失效按其产生的效应可分为危害性失效(fail-danger)和安全性失效(fail-safe)

35、。对安全或可靠性要求特别高系统，可采用复联(redundancy)、容损(damage-tolerant)或容错(fault-tolerant)设计，以满足任务需求。另外，在预防性维护(preventive maintenance)的规划下，采用复联设计可消除或减小失效停用时间(down time)。 采用容错与复联设计虽可提高系统可靠性，但相对的亦增加系统的复杂性、重量、空间及电源消耗。此外，复联件的增加，失效机率亦将增加。所以在采用容错与复联设计之前，应先衡量是否可采用其它的可靠性设计技术，以替代复联设计方法。 复联设计原则可应用于系统、分系统、设备、组件或零件的任一组合层次。常用的复联设

36、计技术可分为主动复联与被动复联两大类。容错与复联设计常见的检核项目如下：(1)。 是否广泛采用功能错误指示线路及仪具？(2)。 设备故障或失效可能造成的危害或损伤是否为最小？(3)。 设备故障或失效发生时是否有自愈的能力？(4)。 设计是否已考虑失效后不影响安全之需求？(5)。 各种室外金属零件与设备是否有安装适当的接地设计？(6)。 是否针对高压电危害安装保护措施？(7)。 电路设计是否考虑内部锁定装置？(8)。 在火工及类似产品的操作地点是否确立安全规则及加装安全防护措施？（5）测试性设计   一个经济、有效的产品，在研发设计阶段，就应该考虑设备在使用时能够提供适当的测

37、试与检验能量及其可能性与可行性。大部份的研发设计，在设计初期往往忽略在生产制造及顾客使用时测试能量的必要性，等到了发展后期才想到增加此一能量，结果只有造成困扰及增加成本。 设计人员必须了解产品详细的可测试性、维修保养需求、及支持设备性能等，才能在采用自动测试、自我测试、或手动测试之间作设计择优的决定。测试性设计常见的检核项目如下：(1)。 设计是否视需要使用自测设备？(2)。 自测项目的内容与深度是否与维护度水平相匹配？(3)。 自测功能是否自动化？(4)。 是否具备故障直接指示装置(如指示灯、音响讯号等)？ (5)。 是否视需要使用持续性的功能监测设备？(6)。 是否提供测试点以协助检查及隔

38、离故障或失效部位？(7)。 测试点位置是否很容易接近并且与维护需求相匹配？(8)。 测试点次序是否按功能需求及测试方便性安排？(9)。 对于可更换零件是否提供直接功能测试点？(10)。 测试点是否加上适当的标签、编上唯一的编号及加注应显示的信号与输出量测值？(11)。 测试点是否有足够的照明，以利看清号码、卷标及信号值？(12)。 模块之间是否有足够的位置与空间，以利装配、测试与维修作业之进行而不会影响或移动其它组件？(13)。 重要件或有操作寿限件是否加装或配备定时器？（6）操作、储存与运输设计系统与设备一但制造完成后，其性能随时间会有所改变，特别是在漫长的后勤补给搬运及储存期间，设备会恶化

39、或功能退化。为减低性能退化情形，保持设备固有的设计入可靠性，在设计之初必须确定设备在储存、搬运、运输、惰态(domancy) 、储存定期测试期间所可能造成的疵病、预测其变化率、分析这些疵病可能引起的效应，设计及选用适当的保存、包装及运送打包措施与材料，并拟订定期测试程序、维修及监测计划，以掌握及管制设备的可靠性与操作备便性。 操作、储存及运输设计常见的检核项目如下：(1)。 设计时是否已经考虑储存与运输的环境需求？(2)。 零件寿命是否都已经确定？(3)。 寿限件是否订定有维修更换作业规定与程序？(4)。 设备的搬送与运输环境条件是否已经规定清楚？(5)。 设备是否容易拆装，以便运送到另一地点

40、？(6)。 设备拆装后重新组合操作是否影响其性能及可靠性？(7)。 设备搬运设备及打包需求是否规定清楚？(8)。 设备搬运设备的选用是否基于成本效益而加以考虑？(9)。 设备包装是否按机能不同而加以设计？(10)。 设备的储存环境条件是否已经规定清楚？(11)。 设备经长期储存后是否会造成或发生过度降级或退化现象？(12)。 设备在储存期间是否拟订定期测试及维修需求？(13)。 设备在储存期间的定期测试及维修需求是否已经消除或减低至最少？(14)。 设备在储存期间的定期测试及维修资源是否规定清楚？(15)。 所有测试电缆、接线是否加上标识？(16)。 零件与模块的维修更换是否很便捷？(17)。

41、 维修门是否开在适当的位置、使用活也门，以利维修作业之进行？(18)。 维修开口大小是否适当、并作最佳布置，以满足维修需求？(19)。 维修门或开口是否加以标志，以说明可以接近的对象、机件或工具？(20)。 利用绞炼开合的维修门在打开时是否能够支撑固定？(21)。 维修门或开口是否使用最少的锁紧机件？(22)。 锁定机件是否采用急释机构设计？(23)。 维修门之开关是否可以不必使用其它工具？(24)。 维修门开关工具数量需求是否保持最少，并尽可能使用标准工具？（7）人员工程设计   人员工程的范畴包括考虑人员心理因素的人性因子与考虑人员身体结构、物理特性的人体工程两部份。在

42、发展与采购系统、设备及设施时应用人性因子与人体工程之目的为经济的运用人力资源，将人员与系统设计有效的整合在一起，发展或精进人员、设备与软件之间的接口关系，使系统在人员操作、维护或管制系统的效能达到需要的有效性需求。人性因子与人体工程设计常见的检核项目如下：(1)。 设备或模块是否有考虑防止安装错误的特别设计？(2)。 插入式模块或零件是否不用工具就可安装或取出？(3)。 组合件是否有导槽或导键，以协助安装作业？(4)。 所有的模块及零件是否均加上标识？(5)。 模块与零件的标识是否在上方或容易看得见的位置？(6)。 操作控制面板是否考虑操作员的特性而作最佳安排？如操作员站着操作，面板离地高度应

43、在40 至70 吋之间，较重要或精密者则在48 至64 吋之间，坐着操作的离地高度为30 吋。(7)。 类似的接头与插座是否有防止插错的措施？(8)。 对称型接头与插座是否有固定位置或接脚的防愚措施？(9)。 连接器在联接及拆松时，工作人员是否能紧紧握牢？(10)。 连接器、接头、插座是否有适当的标识？(11)。 在测试及维修人员会接触到的握把或部位，如果接近高压区域是否有适当的绝缘防护措施？(12)。 突出的设备是否予以消除或加装适当的保护措施？（8） 降额设计 降额设计就是使元器件或设备工作时承受的工作应力适当低于元器件或设备规定的额值，以达到延缓其参数退化，可以有效地降低元器件的失效率，

44、提高电子设备可靠性。电子产品和机械产品都应做适当的降额设计，因电子产品的可靠性对其电应力和温度应力敏感，故而降额设计技术对电子产品则显得尤为重要，成为可靠性设计中必不可少的组成部分。在降额设计中，“降”得越多，要选用的元器件在性能就应该越好，成本也就越高，所以在降额设计过程中，要综合考虑。对于各类电子元器件，都有其最佳的降额范围，在此范围内工作应力的变化对其失效率有较明显的影响，在设计上也较容易实现，并且不会在设备体积，重量和成本方面付出过大的代价。过度的降额并无益处，会使元器件的特性发生变化或导致元器件数量不必要的增加或无法找到适合的元器件，反而对设备的正常工作和可靠性不利。 7 m% V；

45、降额参数：电子元器件的降额参数主要包括：1） 数字、线性集成电路：结温、负载、频率；2） 半导体分立器件：结温、电压、功率、电流；3） 二 极 管：电流、电压、功率；4） 电感线圈：电流、温度；5） 电容器：电压、温度；6） 电阻器：温度、功率；7） 继电器：触点电流；8） 电位器：电流、功率；9） 开关：电流。降额准则一般分为三级：一级降额是最大降额，适用于设备发生故障将危及安全时用。二级降额是中等降额，适用于发生故障将造成经济损失。三级降额是较小降额，故障造成损失较小时使用。 降额参 （9）4 n! m" H8 K6 y- k6 Y4 P6 R4()()(9余度设计 - v) n

46、' - u, J. M) m余度技术是系统或设备获得高可靠性，高安全性和高生存能力的设计方法之一。特别是当元器件或零部件质量与可靠性水平比较低，采用一般设计已经无法满足设备的可靠性要求时，余度技术就具有重要的应用价值。 $ d9 z4 5 i) "余度"就是指系统或设备具有一套以上完成给定功能的单元，只有当规定的几套单元都发生故障时，系统或设备才会丧失功能，这就使系统或设备的任务可靠性得到提高。各种余度系统可靠性模型已在第二章介绍。但是余度使系统或设备的复杂性，重量和体积增加，使系统或设备的基本可靠性降低。系统或设备是否采用余度技术，需从可靠性，安全性指标要求的高低

47、；元器件和成品的可靠性水平；非余度和余度方案的技术可行性；研制周期和费用，使用，维护和保障条件，质量，体积和功耗的限制等方面进行权衡分析后确定。 2 R, D3 e% O: O为提高系统或设备的可靠性而采用余度技术时，需与其他传统工程设计相结合。因为不是各种余度技术在各类系统和设备上都可以实现，因此应根据需要与可能来确定。可以较全面的采用，也可以局部地采用，不过一般在系统的较低层次单元中采用余度技术，针对系统中的可靠性关键环节采用余度技术时对提高系统可靠性，减少系统的复杂性更有效。同时需注意，采用某些余度技术时会增加若干故障检测和余度通道切换装置，它们的不可靠度应保证低于受控部分的50%，否则

48、采用余度布局所获得的可靠性增长将会被它们的故障所抵消。此外，余度技术也不能用来解决设备超负荷之类的问题。 4 a$ o! V0 q' s; B! m余度设计的任务包括： ， s： H4 L" ?7 G% Z  x5 I& W8 S# j4 N9 c% | 确定余度等级(根据任务可靠性和安全性要求，确定余度系统抗故障工作的能力)； : p& m7 u. h, j( x' Q1 l' E 选定余度类型(根据产品类型及约束条件和采用余度的目的来确定)； " O% n% W& f! F" C 确定余度配置

49、方案； ( T。 p2 V； R： K) R； E3 Q。 V 确定余度管理方案。 3 C3 r( P. S, r* w! |& （10） 热设计# D, 8 9 w# - w8 x5 m: t制造电子器件时所使用的材料有一定的温度极限，当超过这个极限时，物理性能就会发生变化，器件就不能发挥它预期的作用。器件还可能在额定温度上由于持续工作的时间过长而发生故障，故障率的统计数据表明电子器件的故障与其工作温度有密切关系。温度对电子设备的可靠性有着重要的影响。由经验也得知，在高温或负温条件下器件或电路容易发生故障。对温度最为敏感的器件，是大量使用的半导体器件和微电路。半导体器件故障率随温度的

50、增加而指数地上升，其电性能参数，如耐压值，漏电流，放大倍数， 允许功率等均是温度的函数。一般地说，其他器件的性能参数也都受温度的影响。热设计就是要考虑温度对产品的影响问题。热设计的重点是通过器件的选择，电路设计(包括容差与漂移设计和降额设计等)及结构设计来减少温度变化对产品性能的影响，使产品能在较宽的温度范围内可靠地工作。其中结构设计主要是加快散热。 加快散热的措施有：1）7 K' # L% u6 V" B; w% l5 % w1）11111加快传导。在固体材料中，热流是由分子之间相互作用产生的，这就是传导。加快传导散热的措施有：选用导热系数大的材料制造传导零件；加大与导热零

51、件的接触面积；尽量缩短热传导的路径，在传导路径中不应有绝热或隔热元件。2）加快对流。对流是固体表面与流体表面的热流动，有自然对流和强迫对流之分。在电子设备中流体通常指的是空气。对流散热的措施有：加大温差，即降低周围对流介质的温度；加大流体与固体间的接触面积，如把散热器做成肋片，直尾形，叉指形等加大周围介质的流动速度，使它带走更多的热量。3）加快辐射。热由物体沿直线向外射出去是辐射。加快辐射散热的措施有：- g: z7 ! y" O在发热体表面涂上散热的涂层；加大辐射体与周围环境的温差，亦即周围温度愈低愈好；加大辐射体的表面面积。3 热设计的主要内容 电子设备冷却方法的选择要考虑的因素

52、是：电子元器件(设备)的热耗散密度(即热耗散量与设备组装外壳体积之比)，元器件工作状态，设备的复杂积蓄，设备用途，使用环境条件(如海拔高度，气温等)以及经济性等。通常主要考虑电子设备的热耗散密度。 3 ； / g% 7 I6 | 元器件的热设计。主要是减小元器件的发热量，合理地散发元器件的热量，避免热量蓄积和过热，降低元器件的温升。 % ?6 s1 O$ j+ D: ?0 j0 d 印制板的热设计。主要任务是有效地把印制板上的热引导到外部(散热器的大气中)。 0 _5 Q! q  I' 7 p  c. C* H 机箱的热设计。主要任务是在保证设备

53、承受外部各种环境，机械应力的前提下，充分保证对流换热，传导，辐射，最大限度地的把设备产生的热散发出去。4.4 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。 4.4.1. 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。是对产品或者系统的可靠性进行定量的估计，推测其可能达到的可靠性水平，是其从定性考虑转入定量分析的关键之处，是实施可靠性工程的基础。是根据组成系统的元器件、零部件的可靠性来估

54、计的，是一个自下而上、由局部到整体、从小到大的一种系统综合过程，它需要根据历史产品的可靠性数据、系统的构成和结构特点、系统的工作环境、元器件的工作应力和质量级别等因素来进行估计，主要用在产品的设计阶段。.2 可靠性预测的意义可靠性预测的意义是：1）预先控制产品因硬件失效导致的单板返修率；2）预先估计产品投入市场使用时的系统年停机时间；3）进行应力分析，发现薄弱环节，提高产品可靠性；4）为维护费用、备件数等的计算提供依据。.3 可靠性预测的目的 在可靠性设计中应用可靠性预测的主要目的是： 评价产品或系统是否能够达到要求的可靠性指标；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。为设计决

55、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； 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； 为可靠性试验方案设计提供依据； 为产品系统的可靠性指标分配提供依据和顺序； 对产品使用、维护提供信息等。 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

56、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。 .4 可靠性预测的步骤 可靠性预测一般按下述十个步骤进行： 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。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。 建立产品结构。以图解形式，形象地表明产品系统中各

57、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。 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。 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。 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。 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。 假定失效分布。根据系统中各

58、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。 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。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。 .5 可靠性预测的方法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、有限应力法、元件计数法和数学模型法等具体方法。其中，应力分析法和相似产品法是单元可靠性预测方法，还包括机械产品的修正系数法、机械产品的应力强度干涉模型法。主要思想如下：公式： ssi=Gi×Qi×Si×Ti；当单元内为串联模型时，单元的总失效率为G:器件固有失效率； Q:质量等级因子；E:环境因子；T:温度应力因子