电子设备可靠性工程可靠性预计与分配

1、第4章 可靠性预计与分配4.1 可靠性预计的目的及分类 1可靠性预计的目的 可靠性预计是为了估计产品在给定的工作条件下的可靠性而进行的工作，它是运用以往的工程经验、故障数据、当前的技术水平，尤其是以元器件、零部件的失效率作为依据，预报产品元器件、零部件、子系统或系统实际可能到达的可靠度。这是一个由局部到整体、由小到大、由下到上的过程，是一个综合的过程。其主要目的如下：(1) 检验本设计是否能满足给定的可靠性目标，预测产品的可靠度值；(2) 在方案论证阶段，通过可靠性预计，根据预计结果的相对性进行方案比较，选择最优方案；(3) 综合设计参数及性能指标要求，以到达合理提高产品可靠性的目的；(4)

2、发现影响产品可靠性的主要因素，找出薄弱环节，以采取必要的措施，降低产品的失效率，提高其可靠度；(5) 为可靠性增长试验、验证试验及费用核算等方面的研究提供依据；(6) 通过可靠性预计为可靠性分配奠定根底。2可靠性预计的分类1 按设计阶段分：有构思阶段的“实现可能性的预测和设计阶段的“设计可靠性预计。2 按预计方法分，包括如下4个方法： 预测偶然失效的失效率或MTBF； 预测耗损失效：通过统计了解元器件的常态变化对产品的影响，检测其变化界限。 预测维修性：了解维修系统的维修设计效果、维修方式对非工作时间的影响，探讨故障诊断与抽验方法等。 分析失效模式的效应：通过定性分析找出设备、系统中可能产生的

3、失效机理及失效造成的不可靠、不平安因素，并根据失效发生的频数和重要性寻找设计、制造、检查、管理等方面的解决方法。此外，还有模拟法、失效的树状因果分析法。4.2 可靠性预计方法4.2.1 系统可靠性预计的一般方法1. 性能参数法这个方法的特点是：在统计了大量相似系统的性能参数与可靠性的关系根底上，进行回归分析，得出一些经验公式及系数，以便在方案论证及初步设计阶段，能根据初步确定的系统性能及结构参数预计系统可靠性。2.系统根本可靠性预计的数学模型根本可靠性模型为串联模型，设系统各组成单元之间相互独立，那么有：(4-1)严格地说，系统内各组成单元的工作时间并非一致。例如，一架飞机，其燃油、液压、电源

4、等系统是随飞行同时工作的，而其应急动力、弹射救生等系统那么仅是在应急状态下才工作，故其相应的工作时间远远小于飞机系统工作时间。通常，工程上为简单起见，将系统内各单元工作时间视为相等，且各单元均服从指数分布，即：(4-2)(4-3)式中： 第i个单元失效率。那么有：(4-4)而：(4-5) 也就是说，对于串联模型，预计其系统的失效率等于各单元失效率之和。另外，值得一提的是，假设系统中有局部单元的工作时间少于系统的工作时间，那么根据式(4-5)预计的结果一定是偏保守的。 3. 相似设备法 用相似设备法获得的经验来进行可靠性预计，是将被评估的新产品与以往类似产品进行比较。将旧设备产品暴露出来的缺点作

5、为新产品改进的重点。由于系统的可靠性与其内部存在的缺陷密切相关，从旧产品上可以获得产品的失效率与其内部缺陷之间的关系系数k，来计算新产品的失效率。 设新产品缺陷总数为 ，为新引进的缺陷总数，为已排除的缺陷总数，那么：(4-6)故新产品的失效率为：(4-7)4. 相似电路法 假设新老系统的电路相似，并知道老系统各种电路的失效率和新系统的各种电路数，那么可按经验公式估计新系统的失效率：(4-8)相似电路法的可靠性预计步骤如下：1计算或估计各种单元电路的数目。2利用相似单元电路失效率数据表估计每种单元电路的失效率。3将每种单元电路的数目乘以各自的失效率，然后再将这些数字相加，即可得出设备的预计失效率

6、。5. 失效率预计法当研制工作进展到详细设计阶段，已有了产品原理图和结构图，选出了元部件，它们的类型、数量、环境及使用应力，并已具有实验室常温条件测得的失效率时，可采用失效率预计法，这种方法对电子产品和非电子产品均适用，具体步骤如下见图4-1。图4-1 故障率预计法的流程图(1) 根据产品功能画出可靠性框图；(2) 按可靠性框图建立相应的数学模型；(3) 确定各方框中元部件或设备的失效率，该失效率应为工作失效率，在实验室常温条件下测得的失效率为根本失效率。对于非电产品可只考虑降额因子D和环境因子K对的影响。非电产品工作失效率为(4-9)因为目前尚无正式可供查用的数据手册，其中环境因子可暂参考中

7、华人民共和国国家军用标准GJB/Z 299C2006?电子设备可靠性预计手册?中所列的各种环境系数 。对于电子产品那么采用元件应力预计法详见计算其工作失效率。(4) 系统可靠性预计：根据设计任务书要求预计根本可靠性或任务可靠性。将预计值和要求值相比较，当预计结果不能满足规定要求时，应改进设计来满足系统可靠性指标。4.2.2 电子、电器设备可靠性预计1.电子、电器设备可靠性预计特点(1) 电子、电器设备最大的特点是寿命服从指数分布，即失效率是常数，所以，通常可采用公式 预计设备或系统的可靠性指标。(2) 电子、电器设备均是由电阻、电容、二极管、集成电路等标准化程度很高的电子元器件组成的，而对于标

8、准元器件，现已积累了大量的试验、统计失效率的数据，建立了有效的数据库，且有成熟的预计标准和手册。对于国产电子元器件，可采用国家军用标准GJB/Z 299C-2006?电子设备可靠性预计手册?进行预计；而对于进口电子元器件，那么可采用美国军用标准MIL-MDBK-217F?电子设备可靠性预计?进行预计。2.元件计数法这种方法适用于电子设备方案论证及初步设计阶段，需要：(1)通用元器件的种类和数量,(2)元器件的质量等级,(3)设备环境。计算步骤是：先计算设备中各种型号和各种类型的元器件数目，然后再乘以相应型号或相应类型元器件的根本失效率，最后把各乘积累加起来，即可得到部件、系统的失效率。这种方法

9、的优点是只使用现有的工程信息，不需要详尽地了解每个元器件的应力及它们之间的逻辑关系就可以迅速地估算出系统的失效率。其通用公式为：(4-10)上述表达式适用于应用在同一环境类别的设备。如果设备所包含的各个单元是在不同环境中工作如机载设备有的单元应用于座舱，有的单元应用于无人舱，那么4-10就应该分别按不同环境考虑，然后，将这些“环境单元失效率相加即为设备的总失效率。环境分类如表4-1所示，其通用工作环境温度如表4-2所示。?电子设备可靠性预计手册?以下简称?手册?给出了各种元器件的通用失效率，同时给出了微电子器件、分立半导体器件、阻容元件及机电元件通用的质量等级及对应的值。微电子器件如中小规模单

10、片集成电路、只读存贮器、MOS线性电路等的通用失效率应考虑成熟系数。固体钽电解电容器的通用失效率还应考虑电阻系数。具体设计时，可查阅?手册?。?手册?中列出13类元器件：集成电路、半导体分立器件、光电子器件、电子管、电阻器与电位器、电容器、感性元件、继电器、开关、连接器、灯、压电陀螺和光纤连接器。并给出19类环境条件的环境系数：地面良好、导弹发射井、一般地面固定、恶劣地面固定、平稳地面移动、剧烈地面移动、背负、潜艇、舰船良好舱内、舰船普通舱内、舰船舱外、战斗机座舱、战斗机无人舱、运输机座舱、运输机无人舱、直升机、宇宙飞行、导弹发射和导弹飞行。下面以分立晶体管中硅NPN晶体管为例说明元器件应力分

11、析的预计计算。工作失效率 为：(4-11)图4-2 硅NPN晶体管根本失效率模型4.简单枚举归纳推理可靠性快速预计法电子设备可靠性指标上下不仅取决于构成设备本身包括电子元器件及机械零部件的可靠度，而且还取决于设备所处的工作环境及所承受的电应力、温度应力，同时也不仅取决于设计，而且取决于制造工艺。一部电子设备不可能完全由电子元器件堆积而成，还有机械零部件，尽管机械零部件比电子元器件失效率低，但在预计时不能不考虑，工程实践证明，环境应力筛选是提高电子设备可靠性有效措施，在预计时理应予以考虑，一部电子设备复杂程度，所含电子元器件数量多少，又是一个影响电子设备可靠性指标上下的重要因素。简单枚举归纳推理

12、的可靠性快速预计法是考虑到上述各因素对电子设备的可靠性的影响而提出的一种简单快速，方便工程应用的预计方法，该方法由于考虑了更多的影响因素，因而准确度较高。其预计公式为：(4-12)4.2.3 机械产品特殊的可靠性预计方法对机械类产品而言，它具有一些不同于电子类产品的特点，诸如：(1) 许多机械零部件是为特定用途单独设计的，通用性不强，标准化程度不高；(2) 机械部件的失效率通常不是常值，其设备的故障往往是由于耗损、疲劳和其他与应力有关的故障机理造成。(3) 机械产品的可靠性与电子产品可靠性相比照对载荷、使用方式和利用率更加敏感。基于上述特点，对看起来很相似的机械部件，其失效率往往是非常分散的，

13、这样，用数据库中已有的统计数据来预测可靠性其精度是无法保证的。因此，目前预计机械产品可靠性尚没有相当于电子产品那样通用、可接受的方法。近几年来，美国、英国、加拿大、澳大利亚等国家积极地开展此项工作研究。并取得了一定的成果，出版了一些手册和数据集。诸如，?机械可靠性预计手册?草案，?非电子零部件可靠性数据?等，这些资料均对现阶段机械产品可靠性预计工作具有很大参考价值。1.修正系数法其预计的根本思想是：既然机械产品的“个性较强，难以建立产品级的可靠性预计模型，但假设将它们分解到零件级，那么有许多根底零件是通用的。如密封件既可用于阀门，也可用于制动器或汽缸等。通常将机械产品分成密封、弹簧、电磁铁、阀

14、门、轴承、齿轮和花键、泵、过滤器、制动器和离合器等十类。这样，对诸多零件进行故障模式及影响分析，找出其主要故障模式及影响这些模式的主要设计、使用参数，通过数据收集、处理及回归分析，可以建立各零部件失效率与上述参数的数学函数关系即失效率模型或可靠性模型。实践结果说明，具有耗损特征的机械产品，在其耗损期到来之前，在一定的使用期限内，对某些机械产品寿命近似按指数分布处理仍不失其工程特色。因此，机械产品预计的失效率那么为各零件失效率之和。例如，齿轮失效率模型可表达为：2.相似产品类比论证法其根本思想是根据仿制或改型的类似国内外产品的失效率，分析两者在组成结构、使用环境、原材料、原器件水平、制造工艺水平

15、等方面的差异，通过专家评分给出各修正系数，综合权衡后得出一个失效率综合修正因子D，如式4-14所示： K5新的修正系数，表示国产某型号恒装与国外产品在结构等方面的差异。国产某型恒装是双排泵马达结构而国外产品是单排结构；国产某型恒装工作温度正常情况在150而国外产品一般工作温度125左右，综合分析得 。因此，综合修正因子D为：所以，国产某型恒装的失效率：4.2.4 保证可靠性预计正确性的要求 对于一个系统进行可靠性预计的结果与实际的可靠性指标是否接近，这涉及到预计是否可信的问题。为了保证一定的预计精度，需要注意以下几点：1 预计模型选取的正确性系统可靠性模型是进行预计的根底之一。如果可靠性模型不

16、正确，预计结果就会失去其应有的价值。例如，需要预计系统的任务可靠性，却建立了全串联模型除非该系统确实没有冗余度或替代工作模式；或按工作原理图应当建立非工作储藏模型，却建成工作储藏模型。因此，必须清楚地了解系统的工作原理，明确系统“任务故障的定义，依据具体设计方案做出合理的简化，建立正确的可靠性模型。2数据选取的正确性元器件、零部件的失效率数据是系统可靠性预计的根底。一个大型复杂系统，往往装有一万至十万个元器件，如果元器件、零部件本身的失效率数据不准，那系统可靠性的计算就有“失之毫厘，谬以千里之感。目前，进行可靠性预计的主要数据来源是： 参考国外相似产品的数据，根据国内水平加以修正。 参考国内相

17、似产品的数据，根据新产品的特点加以修正。 查阅有关的可靠性数据手册。对进口电子元器件，可查阅美国军标MIL-HDBK-217?电子设备可靠性预计?，对国产电子元器件，可查阅国家军标GJB/Z299C-2006?电子设备可靠性预计手册?。3非工作状态产品可靠性预计非工作状态含不工作状态与储存状态两种，在进行可靠性预计时一般我们可认为产品在这两种状态下的失效率相同。实践证明：长期不工作或储存的产品存在一定的退化，也就是说，产品在非工作状态下也可能出现故障。要保证产品可靠性预计的正确性，必须同时考虑产品的工作与非工作两种状态。一般产品工作与非工作状态下的失效率不存在确定的比例关系，这是因为两者的影响

18、因素有着较大的差异。许多应用及设计变量都对工作失效率有较大的影响，但对非工作失效率却影响甚微，例如降额等。因此，要正确地预计系统的可靠性首先应确定系统的工作与非工作时间，要详细了解系统的工作模式，精确计算各分系统、部件的实际工作时间，这对于提高系统可靠性预计的准确性有着十分重要的意义。在所有影响可靠度的因素中，最主要的是实际工作时间要算得很准。比方，对于某科学卫星来讲，并不是每个分系统在入轨后的整个任务时期内都在工作。遥测分系统在绕地球一圈98min的周期内，实际工作时间仅为18min，其余时间都关机，实际工作时间仅占18%，而能源分系统在整个任务期间都在工作，其工作时间为100%。4.2.5

19、 研制阶段不同时期可靠性预计方法的选取可靠性预计应随研制工作的进展而深化，一般分为三个阶段见表4-11。(1) 方案论证阶段 在这个阶段，信息的详细程度只限于系统的总体情况、功能要求和结构设想。一般采用性能参数或相似产品法，以工程经验预计系统的可靠性，为方案决策提供依据。(2) 初步设计阶段 该阶段已有了工程图或草图，系统的组成已确定，可采用元件计数法或专家评分法预计系统的可靠性，发现设计中的薄弱环节并加以改进。(3) 详细设计阶段 这个阶段的特点是系统的各个组成单元都具有了工作环境和使用应力信息，可采用应力分析法或失效率预计法来较准确的预计系统的可靠性，为进一步改进设计提供依据。4.2.6

20、进行可靠性预计时的本卷须知进行可靠性预计时需注意：(1) 应尽早地进行可靠性预计，以便当任何级别上的可靠性预计值未到达可靠性预测值未到达可靠性分配值时，能尽早地在技术和管理上予以注意，采取必要的措施。(2) 在产品研制的各个阶段，可靠性预计应反复迭代进行。在方案论证和初步设计阶段，由于缺乏较准确的信息，所作的可靠性预计只能提供大致的估计值，尽管如此，仍能为设计者和管理人员提供关于到达可靠性要求的有效反响信息；而且，这些估计值仍适用于最初分配的比较和确定分配的合理性。随着设计工作的进展，产品定义进一步确定，可靠性模型的细化和可靠性预计工作亦应反复进行。(3) 可靠性预计结果的相对意义比绝对值更为

21、重要。一般地预计值与实际值的误差在12倍之内可认为是正常的。通过可靠性预计可以找出系统易出故障的薄弱环节，加以改进；在对不同的设计方案进行优选时，可靠性预计结果是方案优选、调整的重要依据。(4) 可靠性预计值应大于成熟期的规定值。4.3 可靠性分配4.3.1 无约束条件的系统可靠性分配方法1.等分配法(equal approtionment technique )这是在设计初期，当产品定义并不十分清晰时所采用的最简单的分配方法，它是对系统中的全部单元分配以相等的可靠度的方法。1串联系统可靠度分配当系统中n个单元具有近似的复杂程度、重要性以及制造本钱时，那么可用等分配法分配系统各单元的可靠度。设

22、系统由n个分系统串联组成，假设给定系统可靠度指标为 ，那么按等分配法，分配给各系统的可靠度指标为 为*表示分配指标，下同： (4-15) (4-16)图4-3 串并联系统的可靠性分配3串并联系统可靠度分配利用等分配法对串并联系统进行可靠性分配时，可先将串并联系统化简为“等效串联系统和“等效单元，再给同级等效单元分配以相同的可靠度。例如，对于图4-3(a)所示的串并联系统作两步化简后，那么可先从最后的等效串联系统图4-3(c)开始按等分配法对各单元分配可靠度：再由图4-3(b)分得：最后再求图4-3(a)中的 ：2.比例分配法本法适用范围为：新设计的系统与原有系统根本相同，原有系统各单元不可靠度

23、预测值 或失效率预测值 ，但对新设计的系统规定了新的可靠性要求，或者根据已掌握的可靠性资料，已能预测得新设计系统各单元的 或 ，但尚未满足新设计系统可靠性要求。这主要有以下几种情况。1串联系统(1) 新系统分配给各单元的不可靠度 与相应单元的不可靠度预测值 成正比；假设系统要求可靠度为 ，那么不可靠度 ,按比例分配法，各单元的不可靠度为：(4-17)(4-18) 2并联系统 对于并联系统，假设系统要求不可靠度为 ，按比例分配法，各单元的不可靠度为：式中 为各单元预测的不可靠度。 当各单元寿命服从指数分布时，按比例分配法，各单元的失效率为：(4-20)(4-19)式中 为各单元预测的失效率。 3

24、冗余系统可靠度分配 对于具有冗余局部的串并联系统，要想把系统的可靠度指标直接分配给各个单元，计算比较复杂。通常是将每组并联单元适当组合成单个单元，并将此单个单元看成是串联系统中并联局部的一个等效单元，这样便可用上述串联系统可靠度分配方法，将系统的容许失效率或失效概率分配给各个串联单元和等效单元，然后再确定并联局部中每个单元的容许失效率或失效概率。 假设由n个并联单元组成的串联方框分配到的容许失效概率为 ，那么： (4-21)式中 各并联单元的容许失效概率。 利用各并联单元已求得的预计失效概率 ，可建立n-1个相对关系式：(422)解式4-21和4-22联立方程组，即可求得各并联单元应分配到的容

25、许失效概率 值。 解 可按相对失效概率比例法为各单元分配可靠度，其计算步骤如下： (1) 将并联子系统化简为一个等效单元，如图4-4(b)、(c)所示。 (2) 求各分支的预计失效概率和预计可靠度； 第分支：第分支： (3) 求并联子系统等效单元的预计失效率和预计可靠度 由式4-21得 (4) 按并联子系统的等效单元所分得的总容许失效概率 求各分支的容许失效概率。图4-5 复杂冗余系统逻辑图的简化组合过程分配法 该方法是由美国电子设备可靠性参谋团AGREE提出，是一种比较完善的综合方法。这个方法是假定设备的故障时间符合指数分布的，这一假设对大局部系统和整机均适合。令系统是由k个装置所组成，而每

26、一装置又由 ni个根本组成单元所构成，这里的根本组成单元，它可以是一级晶体管电路，也可以其它相同的根本部件或电路。这样系统的根本组成单元数为：(4-23)各装置的根本组成单元数，反映了各装置的复杂程度。 现在要由系统的可靠性指标值来确定各装置相应的可靠性指标值。符合指数分布的装置可靠度为：(4-24)(4-25) 考虑装置的重要度之后，把系统变成一个等效的串联系统，那么系统的可靠度Rs 可以表示为：(4-26) 这种分配法在产品设计的方案阶段中应用，此法是对指数型系统，考虑子系统的复杂度和重要度的一种分配方法。装置的复杂度是用其方案包括的根本组成单元数来描述的，比较容易确定。装置的重要度一般可用其定义式4-25确定，假设某装置的所有故障