面向质量设计三可靠性fmea

1、第五节 可靠性设计的根底知识可靠性问题的出现和电子工业开展有密切关系。伴随着宇宙、通讯、航空、计算机技术及其工业的开展，对元器件、零部件、整机和系统的可靠性要求越来越高。可靠性已作为评价产品质量的重要指标，将可靠性作为重要因素考虑。 一、可靠性的根本概念 二、可靠性指标和产品失效规律 三、可靠性设计和分析的根本技术可靠性工程的由来和开展： 美国国防部在1952年成立了电子设备可靠性咨询组AGREE，1957年发表了?军用电子设备可靠性?的研究报告，标志可靠性已成为一个独立的学科。半个世纪以来，可靠性工程经历了50年代的起步阶段，60年代的开展阶段，70年代的成熟阶段和80年代的更深更广的开展阶

2、段，以及90年代以来进入向综合化、自动化、智能化和实用化开展的阶段，使可靠性工程成为一门提高产品质量的重要的工程技术学科。可靠性工程已从电子产品可靠性开展到机械和非电子产品的可靠性；从硬件的可靠性开展到软件的可靠性；从重视可靠性统计试验开展到强调可靠性工程试验，通过环境应力筛选及可靠性强化试验来暴露产品故障，进而提高产品可靠性；从可靠性工程开展为包括维修性工程、测试性工程、保障性工程在内的可信性工程；参军事装备的可靠性开展到民用产品的可靠性。一、可靠性的根本概念一可靠性Reliability： 定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。 规定条件：指使用时的环境条件、工作条件和维

3、护条 件； 环境条件：温度、湿度、气压； 工作条件：工作时间、供电电压、工作介质； 机械负载：振动、冲击、加速度、负载 规定时间：指产品预定的寿命期，在寿命期内，产品 应能完成规定的任务。时间是广义的，也包括里程、次 数，小时数；人们追求产品“总体寿命的均衡性。产品 的质量和性能有一定的时间要求。 规定功能：指完成产品设计规定的功能，到达产品规 范和标准中要求的正常工作性能指标。可靠性分类： 、固有可靠性和使用可靠性 固有可靠性是在产品的设计、生产中赋予的，是产品的一种固有的特性，是人可控制的。 使用特性是一种性能的保持能力的特性,除了考虑固有可靠性外，还要考虑产品的安装、操作和维修性等因素。

4、、任务可靠性和根本可靠性 任务可靠性mission reliability：是指产品按规定的任务剖面完成规定功能的能力。 根本可靠性basic reliability:是指产品在规定条件下，无故障工作的持续时间及其概率。 需注意两点：一是需要统计产品的所有的寿命单元和所有的故障；二是根本可靠性应反映产品对维修人力和维修保障的要求。 二维修性和保障性1、维修性(Maintainability) 产品在规定条件下和规定时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复规定状态的能力。 维修性是产品质量 的重要特性，即由产品设计赋予的使其维修简便、迅速和经济的固有特性。 2、保障性(Indemnify

5、) 系统的设计特性和方案的保障资源能满足平时和突发时期使用要求的能力。是系统和产品的固有特性。顾客在使用中操作简便、装卸方便、故障有预警、维修有备件、消耗品有供给。产品只有具备了良好的保障性，才能使产品的各种功能得到充分的发挥。顾客才能满意。三可信性和可用性1、可信性Dependibility 根据ISO9000：2000定义：可信性用于表述可用性及其影响因素可靠性、维修性及保障性的集合术语。 可信性仅用于非定量方式的总体表述。可信性的定量和定性具体要求是通过以上各量要求表述的。 2、可用性 Avilability 可用性是产品保持正常工作的能力，它是可靠性、维修性及保障性的综合反映。 定义：

6、在要求的外部资源得到保障的前提下，产品在规定条件下和规定时刻或时间内，处于可执行规定功能状态的能力。 可用性的概率度量成为可用度。通俗的说法是“要用时就可用 ISO 9241-11国际标准对可用性作了如下定义：产品在特定使用环境下为特定用户用于特定用途时所具有的有效性effectiveness、效率efficiency和用户主观满意度satisfaction。其中：有效性 -用户完成特定任务和到达特定目标时所具有的正确和完整程度；效率 -用户完成任务的正确和完整程度与所使用资源如时间之间的比率；满意度 -用户在使用产品过程中所感受到的主观满意和接受程度。 国际电工委员会IEC/TC56可信性技

7、术委员会颁发的“可信性国际标准 :/ GB/6583-94定义： 描述可用性及其影响因素：可靠性、维修性和维修保障性等性能的一个集合术语。 可用性、可靠性、维修性从三个不同的方面产品的可靠性问题，他们之间又有着内在的联系。有时也称为广义的可靠性。可靠性和维修性都是为了使用户手中的产品随时可用。而可靠性是通过延长正常工作时间来提高产品可用性，而维修性是通过缩短停机时间来提高可用性。可用性是顾客对产品质量的一个重要的需求。 简称可靠性Reliability 、可用性Availability 、维修性Maintainability为RAM技术 四故障及分类 故障是产品在规定环境条件和使用条件下，产品

8、丧失或局部丧失规定功能的现象。对于不可修复的产品故障称为失效。 故障对规定条件而言是一个随机事件。 故障模式：故障的表现形式。 故障分类： 1、按故障的规律分为：早期故障、偶然故障和耗损故障 2、按故障发生的时间性分为：间隙故障和永久故障 3、按故障发生概率：独立故障和附属故障 4、按故障引起的后果分为：局部故障和整体故障，致命故障和非致命故障 五可靠性和产品质量1、可靠性是产品重要的固有特性之一，是产品质量的重要表现。 产品质量中的性能、时间性、适应性等是确定性概念，“看得见、测得到、摸得着、感觉到，可以直观的作出判断。而可靠性是个不确定性概念，事前“看不见“测不准，经统计分析和评估，来预测

9、产品的可靠性和使用的寿命。产品的可靠性是产品性能随时间的保持能力，要长时间地保持性能就是不要出故障，出了故障能很快维修好产品恢复产品功能，这是很重要的质量特性。 可靠性是建立在概率论和数理统计根底上，以零部件、产品或系统的失效规律为根本内容的学科。2、可靠性和可靠性工程 要获得高可靠性、好维修性，良好可用性的产品就要从产品的论证阶段开始，提出可靠性的要求，然后在产品开发阶段开展可靠性设计、分析、试验、管理和评定活动。要寻求失效规律，必须进行统计和实验，找到适宜的数学模型。这就是可靠性工程的任务。 1产品或零件的可靠性预测或可靠性评价； 2零件、产品和系统的可靠性设计； 3可靠性指标的分配和可靠

10、性优化； 4可靠性实验及其数据处理 5可靠性管理二、可靠性指标和产品失效规律 一可靠度和可靠度函数 可靠度是产品或系统在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。概率就是可能性。 可靠度是产品工作时间t的函数，表示为R t，称为可靠度函数，0 R(t) 1.。 相应的不可靠度表示开始启开工作至t 的失效的概率 ， Ft=1-Rt 设故障概率密度函数为ft，累积故障分布函数即不可靠函数Ft，与Rt三者之间的关系为： 如果通过大量试验统计分析掌握了故障分布规律，就可以用概率统计理论来研究可靠性。产品的故障概率密度函数ft服从指数分布、威布尔分布、正态分布等。最简单的是指数分布：如果失效时间随机变

11、量可用指数分布来描述，其失效概率密度函数为：可靠度函数:当失效时间随机变量可用指数分布来描述，其失效故障概率密度函数服从指数分布，可靠度函数为： ， 失效率为常数。 二故障失效率FailureRate)产品工作到某时刻尚未发生故障失效的产品，在该时刻后单位时间内发生故障失效的概率。 失效率是测定可靠性的根本尺度，用来表征产品发生故障的程度，用符号t表示，很多产品是用失效率来表示可靠性的等级。 当失效时间随机变量可用指数分布来描述，其失效故障概率密度函数服从指数分布，可靠度函数为： 失效率为常数期望寿命的两种表达形式MTTFMean Time to Failure)：表示产品发生故障前正常运行时

12、间的平均值。 MTBF Mean Time between Failure)： 表示两次故障间隔的平均时间，用于可修复产品。 三平均无故障工作时间： 平均寿命MTTF 平均故障间隔时间MTBF 对不可修复的产品：平均寿命，产品从投入运行到发生失效前平均正常工作时间。Mean Time to Failure 对可修复的产品：平均故障间隔时间，两次故障间隔的平均时间 。Mean Time Between 其中N0个产品的无故障时间为：三期望寿命平均寿命指产品从投入运行到发生失效的平均无故障工作时间。 期望寿命表达式四产品的寿命特征 对耗损故障可以用可靠寿命、使用寿命、总寿命、储存期限 ，平均修复时

13、间等指标来描述。 1、Rtt 可靠寿命 ： 2、使用寿命 具有恒定故障率的工作时间，故障的发生是随机的。是一个稳定的工作区间。见浴盆曲线中的偶然失效期。 3、总寿命 产品从开始使用到规定报废的工作时间。 4、储存期限 有效期 产品在规定条件下储存时，能满足规定质量要求的时 间长度称为储存寿命。它是产品储存可靠性的一种度量。 5、平均修复时间MTTR 排除故障所需用于直接维修时间的平均值。其观测值 是修复时间的总和与修复次数之比。五失效率三种类型 1、递减型 失效率随时间的推移而减少，。特点是开始工作是易发生故障，工作一段时间后不易发生故障。许多电子元件的失效率多属此类性。常常采用老化筛选方法。

14、 2、恒定型 失效率是规定的常数，失效是随机发生，无法预测。 多见于比较复杂产品的的最正确状态。 3、递增型 它是失效率随时间的推移而逐渐上升的一种失效类型。因此在故障发生前更换零件可预防失效。多见于零件材料的老化、磨损、腐蚀等原因使寿命终止。 详见以下图失效率三种根本形式比较图：六 产品的失效规律 大多数产品的失效率随时间的变化曲线形似浴盆，称为浴盆曲线。产品的失效或故障机理虽然不同，但浴盆曲线随时间变化可分为三个阶段： 1、早期失效期DFR 产品在投入使用初期，故障率较高，但随时间呈递减型。原因：产品的早期故障因设计、制造和安装不当引起的，投入使用后很快暴露。可以通过加强质量管理或环境应力

15、筛选来减少早期故障。 2、偶然故障期CFR 产品使用一段时间后，故障降低到一定水平，并处平稳状态，故障率近似认为是常数。这阶段为偶然故障期，故障因偶然因素产生，该阶段是产品的主要使用期。 3、耗损故障期IFR 产品使用相当长的时间后，故障率迅速上升，产品故障大量出现直到最后报废。主要是由各种耗损因素引起的，通过试验数据分析确定耗损故障阶段的起点，采取停止使用、维修或更换耗损零件等方法，减低产品的故障率，延长产品的使用寿命。 产品的使用寿命与产品规定的条件、规定的可接受故障率有关。规定允许故障率越高，使用寿命就越长，反之就越短。 产品失效率曲线 通常称为浴盆曲线：失效率曲线浴盆曲线三、可靠性设计

16、和分析的根本技术一可靠性设计技术 产品的可靠性是设计出来的，是生产和管理出来的。可靠性设计水平对产品的固有可靠性影响很大。可靠性设计与分析技术在产品开发过程中具有很重要的地位。其主要技术有： 1、确定可靠性目标可靠性设计的第一步 包括定量的和定性的。定量的可靠性指标是一个完整的指标体系。常用可靠性指标是可靠度、MTBF、MTTF，失效率 2、建立可靠性模型可靠性框图和可靠性数学模型 建立系统级、子系统级和设备级的可靠性模型。用于可靠性指标分配、预测和评价可靠性。几种系统的可靠性模型 系统的可靠性框图称为可靠性模型，它用方框图表示个组成局部如何导致产品发生故障的逻辑图。 串联系统可靠性框图：串联

17、系统是组成系统的所有单 元中任一单元失效就会导致整个系统失效的系统。 假定各单元是统计独立的，那么其可靠性数学模型为 式中，Ra系统可靠度；Ri第i单元可靠度 假设系统有n个元件组成，各元件的失效故障概率密度函数服从指数分布，可靠度函数为： 串联系统并联系统并联系统可靠性框图：并联系统是组成系统的所有单元都失效时才失效的失效的系统。 假定各单元是统计独立的，那么其可靠性数学模型为 式中 Ra：系统可靠度 ， Fi：第i单元不可靠度， Ri ：第i单元可靠度 并串联系统可靠度 并联：Parallel connection 串联：Serial connection 串并联系统先并后串： 其中假设每

18、个元件的可靠度为Ri ，有K个元件并联成一个子系统，共有n个子系统串联。 并串联系统先串后并： 有n个元件串联成一个子系统，K个子系统并联成系统。3、可靠性指标分配 将总指标定量分配到规定的产品层次上，通过分配是总体和局部的可靠性协调一致。它是自上而下，由总体到局部的分解过程。 分配的方法有：等分法、加权分配法评分分配法、动态规划法等。常用的是评分分配法。见实例 分配原那么： 1重要的影响大的子系统分配高可靠性。 2容易实现的分系统，提高可靠度指标； 3在满足目标前提此时 ，应使系统的本钱小，研制周期短 ，结构尽量简单、路线短。 评分分配法是一种常用的分配方法。如：选择故障率为分配参数，要考虑

19、四种影响因素复杂度、技术成熟度、重要度及环境条件。每一种因素的分值在1-10之间。数数例 假设由部件A、部件B、部件C、部件D组成的串联电子系统，其可靠性指标为MTBF=500h,试用评分分配法将可靠性指标分配到各部件。 解： 请五位相关的专家进行评分，并通过计算，得出下表的结果 4、可靠性预测 在设计阶段对系统的可靠性进行定量的估计，首先计算根本级元件的可靠度，再根据系统的构成和模型计算更高一级的可靠度，最后计算总的可靠度。 系统可靠度预测是一个自下而上，从局部到整体的系统综合过程。 5、冗余设计 在系统中并联增加一个环节，可以提高系统的可靠性，而且在预防性维修时，可以不停机，提高了使用率。

20、大增加了本钱。 三可靠性分析常用的可靠性分析技术称为三F技术有： 1、故障模式、影响及危害性分析FMECA 包括故障模式及影响分析FMEA 和危害性分析CA。在产品的设计过程中，通过对产品的所有可能的故障模式进行分析，确定每个故障模式对产品工作的影响，再找出单点故障，并按故障模式的严酷度及其发生概率确定其危害性。单点故障 是引起产品的故障的，且没有冗余设计和替代工作程序的补救的局部故障。 故障影响分为：对局部、高一层次及最终影响三个等级。故障模式为产品故障的表现形式。 严酷度是某故障模式影响的严重程度，分为四级，灾难性、致命性、 严重、 轻度 确定故障发生的概率：A经常、B很可能、C偶然发生、

21、D很少、E极少手电筒设计中的FMEA序号产品名称或功能标志功能故障模式故障原因工作方式故障 局部影响 影响 高一 层影响分析 最终影响故障检测方法补偿措施严酷 度类 别03灯座固定灯泡接通电源接触不良灯座直径公差大使用接触不良时断时通时断时通仪器检测减少公差 （严重）A故障模式出现概率等级BCDE严酷度类别RST危害性矩阵图2、危害性矩阵图和故障模式及影响性分析 在危害性矩阵图上不同的故障模式线段离开原点越远，起危害程度越严重。将所有的故障模式再图上表示，分辨各种故障模式的危害程度，有利于作出相应的改进措施。 绘制好的危害性矩阵图应列人FMECA报告。FMECA工作步骤1明确被分析的产品及其工作条件 2绘制可靠性框图 3确定各组成局部的故障模式及对产品可靠性的影响 4对每一故障模式评价其可能的后果。并确定其级别。 灾难性的I级；致命的II级；临界的III级；轻度的IV 5对每一