可靠性設計方法

*4.1關于可靠性設計的幾個問題4.1.1為什么要研究可靠性的問題可靠性是“產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力”可靠性的度量指標：可靠度對件數(shù)為N0的一批零件進行試驗，經(jīng)過時間t之后有N件仍能正常工作，則該零件在該試驗環(huán)境條件下工作時間t的可靠度定義為：.故障率

(或失效率)故障率是指工作到

t時刻尚未發(fā)生故障的產(chǎn)品，在該時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率。故障率也是時間的函數(shù)，記為λ（t），稱為故障率函數(shù)R=N

/N0有關概念*浴盆曲線：產(chǎn)品的故障率隨時間變化的曲線稱為浴盆曲線（壽命的曲線）⑴早期故障期。產(chǎn)品在使用初期，由于材質(zhì)、設計、制造、安裝及調(diào)整等環(huán)節(jié)造成的缺陷，或檢驗疏忽等原因存在的固有缺陷陸續(xù)暴露出來，此期間故障率較高，但經(jīng)過不斷的調(diào)試和排除故障，加之相互配合件之間的磨合，使故障率較快地降下來，并逐漸趨于穩(wěn)定運轉早期故障期偶發(fā)故障期磨損（耗損）故障期*★市場競爭激烈，產(chǎn)品更新快，許多新元件、新材料、新工藝等未及成熟試驗就被采用，因而造成故障★隨著產(chǎn)品或系統(tǒng)日益向大容量、高性能參數(shù)發(fā)展，尤其是機電一體化技術的發(fā)展，使整機或系統(tǒng)變得復雜，零、部件的數(shù)量大增，致使發(fā)生故障的機會增多，往往由于一個小零件、小裝置的失效而釀成大事故。⑶磨損（耗損）故障期。這個時期的故障迅速上升，因為產(chǎn)品經(jīng)長期使用后，由于磨損和老化，大部分零組部件將接近或達到固有壽命期，所以故障率較高。如坦克起動電動機⑵偶發(fā)故障期。這個期間的故障率降到最低，且趨向常數(shù)，表示產(chǎn)品處于正常工作狀態(tài)。這段時間較長，是產(chǎn)品的最佳工作期。這時發(fā)生的故障是隨機的，是偶然原因引起應力增加，當應力超過設計規(guī)定的額定值時，就可能發(fā)生故障研究可靠性的原因*★為了維護用戶的利益，在一些工業(yè)國家中實現(xiàn)產(chǎn)品責任索賠辦法★產(chǎn)品或系統(tǒng)可靠性的提高可使用戶獲得較大的經(jīng)濟效益和社會效益4.1.2機械可靠性和電子可靠性機械零部件的壽命分布通常服從對數(shù)正態(tài)分布電子元器件的壽命分布服從指數(shù)分布*比

較

項

目電

子

設

備機

械

設

備失效模式簡單復雜應力因素可以預計難以準確預計老練以排除失效經(jīng)濟上合理通常太昂貴偶然故障期通?？删S持較長時間較短或不是耗損故障期如果已存在，則較早報廢通常在使用壽命的早期階段突然開始預期壽命較短較長壽命試驗便宜而有效困難而昂貴推薦的維修更換優(yōu)先于修復修復和更換并重可靠性數(shù)據(jù)已經(jīng)形成很好的文件缺少好的數(shù)據(jù)*4.1.3通用的可靠性設計分析方法◆明確可靠性要求定性要求:

用一種非量化的形式來設計、分析以評估和保證產(chǎn)品的可靠性定量要求:

規(guī)定產(chǎn)品的可靠性指標和相應的驗證方法。即：選擇和確定產(chǎn)品的故障定義和判據(jù)、可靠性指標以及驗證時機和驗證方法，以便在研制過程中用量化的方法來評價和控制產(chǎn)品的可靠性水平確定可靠性指標主要考慮下列因素：1）國內(nèi)外同類產(chǎn)品的可靠性水平2）用戶的要求或合同的規(guī)定3）本企業(yè)同類產(chǎn)品的可靠性水平4）進度和經(jīng)費的考慮與權衡*序號定性設計分析項目名稱目

的1制定和貫徹可靠性設計準則將同類產(chǎn)品的成熟經(jīng)驗和失敗教訓以設計指令的形式要求設計人員貫徹落實2進行故障模式影響（危害度）分析（FME（C）A）檢查系統(tǒng)可能發(fā)生的故障，確定設計方案的可行性，發(fā)現(xiàn)設計中潛在的問題，提出改進措施3故障樹分析（FTA）分析造成產(chǎn)品某種故障狀態(tài)的各種原因和條件，確定各種原因或其組合，發(fā)現(xiàn)設計中的薄弱環(huán)節(jié)，提出改進措施4確定關鍵件和重要件在FMEA分析的基礎上，確定少數(shù)的關鍵件和重要件，提出更詳盡具體的質(zhì)量控制要求，把有限的資源用于關鍵部位5進行設計評審在產(chǎn)品研制的各個階段，對可靠性工作計劃和實施情況進行有效地監(jiān)督和控制常用的可靠性定性設計分析項目*◆.故障模式、影響（危害度）分析（FailtModes，Effects（andCriticality）Analysis——FME（C）A）研究產(chǎn)品的每個組成部分可能存在的故障模式，并確定各個故障模式對產(chǎn)品其他組成部分和產(chǎn)品要求功能的影響。它亦能同時考慮故障發(fā)生的概率和危害度的等級*表3

FME（C）A表（子）系統(tǒng)名稱＿＿分析人＿＿負責人＿＿完成日期＿＿

No.＿＿＿序號設備識別代號名稱功能故障模式故障原因故障影響嚴酷度等級故障檢測方法故障發(fā)生概率建議改進措施負責部門局部影響最終影響12345678910111314填寫說明圖號或分析識別號分析零部件或子系統(tǒng)名稱分析對象功能故障表現(xiàn)形式設想的故障原因對自身和上一級的影響對系統(tǒng)的影響見表4檢測方法或按方法難度分極按統(tǒng)計數(shù)據(jù)分：很低、低、中等、高四類或更多類提出的改進、補償措施負責改進部門*表4

嚴酷度的等級舉例嚴酷度等級危

害

程

度Ⅳ

可能使主要系統(tǒng)喪失功能，從而導致系統(tǒng)或其環(huán)境的重大損壞的潛在原因或造成人身傷亡潛在原因的任何事件Ⅲ

可能使主要系統(tǒng)喪失功能，從而導致該系統(tǒng)或其環(huán)境的重大損失的潛在原因，而又幾乎不危及人身安全的任何事件Ⅱ

造成系統(tǒng)功能、性能退化而對系統(tǒng)或人員的生命或肢體沒有可感覺的損傷的任何事件Ⅰ

可能成為系統(tǒng)功能、性能退化的原因而對系統(tǒng)或其環(huán)境幾乎無損壞、對人身安全無損害的任何事件*◆確定可靠性關鍵件和重要件確定可靠性關鍵件和重要件的原則如下：1）故障會導致人員傷亡、財產(chǎn)嚴重損失的產(chǎn)品2）從壽命周期費用來說是昂貴的產(chǎn)品3）只要它發(fā)生故障就會引起系統(tǒng)故障的產(chǎn)品4）嚴重影響系統(tǒng)可用性，增加了維修費用和備件數(shù)量的產(chǎn)品5）難以采購的或用新工藝制造的產(chǎn)品6）需進行特殊處理、儲存或防護的產(chǎn)品*3）對評審中提出的問題，產(chǎn)品設計單位應制定相應措施，限期改進對設計評審的主要要求是：2）評審組成員應有足夠的時間審閱有關的文件和資料，并切實按評審檢查清單逐項予以評審，實事求是地給予評價◆.建立故障報告、分析和糾正措施系統(tǒng)（FailureReporting，AnalysisandCorrectiveActionSystems——FRACAS1）在評審前要充分做好準備工作。評審主管單位應確定評審組成員，會同設計單位擬定評審大綱和評審檢查清單，并確定應提交評審的所有文件資料◆設計評審*FRACAS系統(tǒng)的閉環(huán)流程*

建立FRACAS系統(tǒng)的要點如下：

2）應制定產(chǎn)品的FRACAS系統(tǒng)工作規(guī)定，并按規(guī)定執(zhí)行，構成故障報告（信息）的閉環(huán)運行，關鍵問題能及時得到糾正3）應有齊全、完整的文檔記錄4）糾正措施的有效性應經(jīng)試驗確認4.1.4機械可靠性設計方法1）安全設計2）動態(tài)分析與設計3）防斷裂設計4）疲勞可靠性設計5）減摩和耐磨設計6）防腐蝕設計7）健壯設計8）耐環(huán)境設計9）人機工程設計1)建立FRACAS系統(tǒng)的組織機構，質(zhì)量部門和技術部門均應有專責人員負責此項工作*4.1.5軟件可靠性軟件可靠性的定義是：軟件按規(guī)定的條件，在規(guī)定的時間內(nèi)運行而不發(fā)生故障的能力軟件的壽命周期中，也有早期故障期和偶然故障期。早期故障率也高于偶然故障期的故障率表

軟件開發(fā)周期各階段錯誤的百分數(shù)軟件開發(fā)周期各階段需求分析設計編碼與單元試驗綜合與試驗運行與維護錯誤百分數(shù)（%）551713105按規(guī)定的條件主要是指軟件的運行（使用）環(huán)境，它涉及軟件運行所需要的一切支持系統(tǒng)及有關的因素。如支持硬件、操作系統(tǒng)及其他支持軟件、輸入數(shù)據(jù)的規(guī)定格式和范圍、操作規(guī)程等*表軟件故障分類的百分數(shù)故障分類需求變化邏輯設計數(shù)據(jù)相互環(huán)境人的因素計算文件提供其他軟件故障分類百分數(shù)（%）36286655527*2.保證軟件可靠性的工程方法（1）需求分析階段

主要措施：全面理解用戶的使用要求、使用條件和軟件功能，在全面分析和與用戶充分交換意見的基礎上，制訂出軟件的技術規(guī)格書。（2）設計階段（把軟件的技術要求轉換成設計方案）此時，可采取如下的方法1）自頂向下設計2）采用結構化程序設計3）容錯設計4）設計評審5）（標準）模塊化設計6）制訂和貫徹軟件可靠性設計準則規(guī)格書要說明測試軟件的方法，有完整的軟件技術要求*★檢查源程序的結構、方法和過程間的接口是否有誤，運行時是否存在不必要的功能★檢查“要求”、“數(shù)據(jù)”、“結果”和“內(nèi)部程序工作狀態(tài)”對應關系是否正確軟件的測試按模塊測試、整體測試和系統(tǒng)測試的次序依次進行，最終確認軟件的全部功能能否正確而完全地實現(xiàn)★首先要對軟件進行靜、動態(tài)調(diào)試（3）編碼階段常見的編碼缺陷有：鍵入錯代碼、原始數(shù)據(jù)輸入錯誤（含單位不一致等）、用了被零除這類不正確表達式等（4）檢驗階段

*3.容錯設計（1）N版本編程法

N版本編程法的核心是：通過多個模塊或版本不同的設計軟件，對于相同初始條件和相同輸入的操作結果，實行多數(shù)表決，防止其中某一軟件模塊/版本的故障提供錯誤的服務，以實現(xiàn)軟件容錯為使此種容錯技術具有良好的結果，必須注意：1）使軟件的需求說明具有完全性和精確性2）設計全過程的不相關性（5）維護階段

由于軟件的運行環(huán)境和調(diào)試時不盡相同，也需對軟件進行必要的修改、補充和完善。此時用戶也可能提出一些新的要求。此外，還應經(jīng)常研究出錯的記錄，前后對照和分析，弄清楚軟件是否存在某種隱患*（2）恢復塊技術設計思想是：把一些特有的故障測試和恢復特性引人單一版本軟件方法：對首先啟動的模塊運行結果實行測試。如果測試不通過，則恢復系統(tǒng)的原來狀態(tài)，在相同的硬件上執(zhí)行另一模塊；若以后的可接受性測試得以通過，則被認為完成了恢復功能*4.2維修性設計和維修保障設計4.2.1概述維修是戰(zhàn)斗力！維修是生產(chǎn)力！維修保障在高技術條件下局部戰(zhàn)爭的作用武器裝備的高戰(zhàn)備完好性、高出勤率飛機：總數(shù)11.4萬架次的空襲轟炸，平均每天2600余架次，每架飛機每天飛行少則2-4h，多則十幾個小時在這場戰(zhàn)爭中，美軍各型飛機的完好率平均達到92%，艦船達90%。第一騎兵師117輛M1A1等型坦克和60輛布雷德利戰(zhàn)車24h奔襲連續(xù)開行300余公里，只有1輛掉隊*美軍在總結海灣戰(zhàn)爭成功經(jīng)驗時，高度評價戰(zhàn)場維修保障工作：“維修保障系統(tǒng)的組織和領導是成功的兩把鑰匙，而這兩把鑰匙的形成則取決于80年代所進行的各種準備”

媒體報道：“那些長期以來埋頭苦干而沒有機會在宣傳媒介上露臉的維修保障，在這次戰(zhàn)爭中得到了應有的評價”“在這次戰(zhàn)場方程式中，維修保障是一個最關鍵的因素，海灣戰(zhàn)爭，打出了維修保障的地位”*1．維修性的基本概念維修性：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進行維修時，保持或恢復其規(guī)定狀態(tài)的能力所謂規(guī)定的條件:

指維修的機構和場所及相應的人員與設備、設施、工具、備件、技術資料等資源所謂規(guī)定的程序和方法:

指技術文件規(guī)定采用的維修工作類型、步驟和方法這里所說的維修包括修復性維修、預防性維修、保養(yǎng)和狀態(tài)監(jiān)視維修以及戰(zhàn)場損傷修復等內(nèi)容*可靠性設計與維修性設計的關系維修性設計：從維修的角度考慮，一旦產(chǎn)品發(fā)生故障，其本身就能自動及時發(fā)現(xiàn)故障，并且顯示故障或發(fā)出警報信號，并能自動排除故障或中止故障相同點：從不同的角度來保證產(chǎn)品的可靠性不同點：可靠性設計：著重從保證產(chǎn)品的工作性能出發(fā)，力求不出故障或少出故障，在方案設計和結構設計階段就設法消除危險與有害因素，是解決本質(zhì)安全問題，

*

2．產(chǎn)品的維修性要求（1）定性要求2）提高標準化和互換性程度3）具有完善的防差錯措施及識別標記。要從結構設計上消除差錯的可能性主要有以下幾方面：

1）具有良好的維修可達性《維修性設計技術手冊》提出，要從設計上采取措施，保證關鍵性的維修作業(yè)做到“錯不了”，“不會錯”，“不怕錯”。并有許多具體的設計建議。*

7）減少維修內(nèi)容和降低維修技能要求5）做到故障檢測診斷和故障定位準確、迅速、簡便

6）提高產(chǎn)品的可修復性4）保證維修時的安全性。要在設計時考慮并采取必要的保護裝置和措施*（2）定量要求

3．維修保障性的基本概念定義：維修機構在規(guī)定的條件下，按照規(guī)定的維修方針提供維修產(chǎn)品所需資源的能力

維修性定量要求即各項維修性指標，是維修性參數(shù)的要求值。國軍標GJB1909《可靠性維修性參數(shù)選擇與指標確定要求》中詳細地規(guī)定了參數(shù)、指標的含義，選擇確定的原則、程序，適用于各類型裝備可供選擇的參數(shù)，并附有參數(shù)選擇與指標確定的實例*4.2.2維修性設計與分析1.維修性模型的建立維修性模型目的：用來表達系統(tǒng)與各單元維修性的關系，維修性參數(shù)與各種設計及保障要素參數(shù)之間的關系，供維修性分配、預計及評定用主要內(nèi)容包括：維修性建模、分配、預計、分析和制訂維修性設計準則等維修性模型的具體作用：a.用于進行維修性分配b.用于進行維修性預計和評定c.用于確定設計變更對產(chǎn)品維修性的影響軍標《總論》對這些內(nèi)容做了簡要介紹，在《維修性設計與驗證》中做了詳細闡述*建立維修性模型的一般程序▲按照建模的目的(模型的作用)可將維修性模型分為：維修性模型種類定性分析模型，定量分析模型和定性與定量分析相結合的模型設計評價模型、分配模型、統(tǒng)計與驗證模型▲按其分析的性質(zhì)分為：*1）進行系統(tǒng)維修職能分析2）進行系統(tǒng)功能層次分析3）確定系統(tǒng)各組成部分的維修頻率4）將系統(tǒng)維修性指標分配到各單元，研究分配方案的可行性，進行綜合權衡（2）維修性分配方法

2.維修性分配維修性分配是為了把產(chǎn)品的維修性定量要求按給定準則分配給各組成單元而進行的工作（1）維修性分配的一般程序GJB/Z57《維修性分配與預計手冊》提供了分配的常用方法*方

法適

用

范

圍簡

要

說

明等值分配法各單元相近的系統(tǒng)；缺少維修性信息時做初步分配取各單元維修性指標相等按故障率分配法已有可靠性分配值或預計值按故障率高的維修時間應該短這一原則分配按故障率和設計特性的綜合加權分配法已知單元可靠性值及有關設計方案按故障率及預計維修的難易程度加權分配利用相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)分配法有相似產(chǎn)品維修性數(shù)據(jù)的情況利用相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)，通過比例關系分配

保證可用度和考慮單元復雜性加權分配法有故障率值并要保證可用度的情況

按單元越復雜可用度越低的原則分配可用度，再計算維修性指標*3.維修性預計預先估計產(chǎn)品的維修性參數(shù)，了解其是否滿足規(guī)定的維修性指標，以便對維修性工作實施監(jiān)控（1）維修性預計的一般程序1）收集資料。首先要收集并熟悉所預計產(chǎn)品設計資料和可靠性數(shù)據(jù)。還要收集有關維修與保障方案及其盡可能細化的資料2）系統(tǒng)的職能與功能層次分析3）確定產(chǎn)品設計特征與維修性參數(shù)的關系4）預計維修性參數(shù)值。利用各種預計模型，估算各單元和系統(tǒng)的維修性參數(shù)值（2）維修性預計方法GJB/Z57提供了6種預計方法，《總論》對這些方法的適用范圍和特點作了簡略說明*方

法適

用

范

圍簡

要

說

明概率模擬預計法

機載電子和機電設備、系統(tǒng)外場修復時間等參數(shù)通過基本維修作業(yè)時間分布估計，逐步計算、累加，求得系統(tǒng)停機時間分布參數(shù)值抽樣評分預計法電子系統(tǒng)與設備的修復時間預計利用隨機抽樣原理，結合以經(jīng)驗數(shù)據(jù)為基礎的專用核對表評分和計算停機時間運行功能預計法各種系統(tǒng)與設備維修時間預計將修復性維修與預防性維修結合在一起，把任務過程分為若干運行功能，利用所建模型計算維修時間時間累計預計法（205）各種電子設備的維修參數(shù)值預計。也可用于其他裝備以某個維修時間已知的單元為基準，通過對比確定其他單元的維修時間，再按維修頻率求均值，得到修復性或預防性維修時間*

4.維修性分析

維修性分析是一項內(nèi)容相當廣泛和關鍵性的維修性設計工作。它包括研制過程中對產(chǎn)品要求、約束、研究與設計等各種信息進行的反復分析、權衡，并將這些信息轉化為詳細設計手段或途徑，以便為設計與保障決策提供依據(jù)

1）維修性定量要求，如維修時間和工時等

2）測試性定量要求，如故障檢測率等

3）采用的診斷技術及資源

4）預防維修的時間、頻率及工作量

5）非工作狀態(tài)的維修性問題，例如儲存期的檢測與送修間隔及工作量等

（2）維修性分析技術

1）故障模式及影響分析（FMEA）（1)主要內(nèi)容包括：*2）維修性模型3）費用分析4）比較分析6）權衡技術5）風險分析維修性設計準則是為了將系統(tǒng)的維修性要求及使用和保障約束轉化為具體的設計產(chǎn)品而確定的通用或專用設計準則除某類裝備(如殲擊機、轟炸機、火炮等)的維修性設計準則外，每種型號裝備在研制中都要有自己的設計準則(如四管25自行高炮維修性設計準則)5.維修性設計準則包括適用于具體裝備的標準、規(guī)范、原則、詳細的技術措施等*（1）維修性設計準則的一般內(nèi)容7）貴重件的可修復性1）簡化設計2）可達性設計3）標準化、互換性、模件化4）防差錯措施及識別標志5）維修安全性6）檢測診斷迅速簡便正在制訂的《維修性設計技術手冊》提供了詳盡的共性內(nèi)容，也包含不同裝備的應用實例8)預防性維修與維修性9)人的因素10)環(huán)境因素11)不工作狀態(tài)的維修性12)靜電危害及防護13)戰(zhàn)場損傷與搶修性*4.2.3維修保障設計1.備件供應

備件包括使用和維修所需更換的備件和消耗品。主要研究問題有：備件需要量和庫存量（1）確定備件的需要量備件的數(shù)量主要是根據(jù)裝備硬件設計、保障性分析、有關試驗所作的消耗統(tǒng)計等資料而定。對于不可修復產(chǎn)品，在訂貨周期t0內(nèi)的零部件的失效數(shù)均值為

——零部件的失效數(shù)均值；MTTF——零部件的平均失效前時間。

(4-1)★上式計算的備件數(shù)只適用于壽命服從指數(shù)分布的不可修復件，對于非指數(shù)分布情況，用該方法估算備件數(shù)偏于安全。但是對于可修復件，由于故障件修復后仍可作為備件，用該方法估算備件數(shù)就會明顯偏多，是不適當?shù)某Ｓ玫膸齑婺Ｐ陀校喊磦浼┴洉r間劃分的庫存模型、隨機型庫存模型、供應期庫存模型等。經(jīng)濟訂購批量理論廣泛運用于各種庫存模型，它的目的是在降低庫存總費用的同時，保障用戶獲得充足的備件。經(jīng)濟訂購批量法確定的最經(jīng)濟的訂購批量為式中

Q0——經(jīng)濟訂購批量；

N——備件的年需要量；

C1——每次訂購平均成本；

C2——單個零部件的年庫存保管費。(4-2)（2）備件庫存量*

每年的訂貨次數(shù)n可由下式確定★用式（4-2）計算經(jīng)濟訂購批量，其適用條件是備件年需求量穩(wěn)定、不發(fā)生缺貨損失等。而實際應用時受諸多因素影響，使得合理確定庫存成為極其復雜的問題。因此，在應用時應進行綜合分析，選擇適當?shù)膫浼齑婺Ｊ?2.保障設備（1）保障設備的分類與選用

用于使用與維修所需的任何設備均可稱為保障設備。（2）保障設備的研制在產(chǎn)品研制的早期應確定對保障設備的需求，制定保障設備研制計劃，特別是某些研制周期長、花費大的保障設備甚至成為權衡保障方案的主要因素包括搬運設備、維修設備、安裝設備、工具、計量與校準設備、試驗設備、測試設備與故障診斷設備等。保障設備分為通用和專用兩類*3.技術資料技術資料是將系統(tǒng)和設備要求轉化為保障所需的各種工程與技術信息的記錄4.維修保障人員及其訓練內(nèi)容有：工程圖樣、技術規(guī)范、技術手冊、技術報告、計算機軟件文檔以及產(chǎn)品使用