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淺談電子設(shè)備的可靠性預(yù)計(jì)

2024-04-22 14:13閱讀數(shù):1433

可靠性預(yù)計(jì)是一種常用的可靠性指標(biāo)定量評(píng)估方法,可以預(yù)估產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的達(dá)成程度,一般用可靠度或MTBF表示。可靠性預(yù)計(jì)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用都比較廣泛,預(yù)計(jì)的方法也多種多樣。前幾天,一位朋友讓我寫(xiě)一下可靠性預(yù)計(jì)的內(nèi)容,坦白講,可靠性我不是很懂,詳細(xì)的理論和計(jì)算搞不明白,今天就從“使用”的角度說(shuō)一下自己對(duì)可靠性預(yù)計(jì)的看法,希望對(duì)各位朋友有所裨益。

NO.1

引言

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眾所周知,軍工行業(yè)對(duì)武器裝備的可靠性非常重視,在裝備的研制合同中,基本上都會(huì)提出可靠性的要求,比如:MTBF ≥ 10000h,使用壽命不低于15年等等。針對(duì)這些可靠性指標(biāo),研制單位不能等產(chǎn)品研制生產(chǎn)出來(lái)后再進(jìn)行可靠性驗(yàn)證,無(wú)論周期、經(jīng)費(fèi)方面都不允許,怎么辦呢?

這就要求企業(yè)運(yùn)用以往的工程經(jīng)驗(yàn)、故障數(shù)據(jù)等,結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)水平,根據(jù)組成系統(tǒng)的元件、組件、分系統(tǒng)的可靠性來(lái)推測(cè)系統(tǒng)可靠性,這就是可靠性預(yù)計(jì)。可靠性預(yù)計(jì)是一個(gè)由局部到整體,從小到大、由下向上的綜合過(guò)程,在裝備壽命周期的前幾個(gè)階段(包括方案論證、工程研制階段)要反復(fù)進(jìn)行多次敲黑板,這和很多企業(yè)只進(jìn)行一次預(yù)計(jì)是不同的)。

NO.2

可靠性預(yù)計(jì)的目的和參數(shù)

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如前所述,可靠性預(yù)計(jì)不是為了了解產(chǎn)品什么時(shí)候?qū)l(fā)生什么樣的失效,而是在于從設(shè)計(jì)開(kāi)始就用定量的方法粗略評(píng)價(jià)可靠性設(shè)計(jì)是否滿足要求,當(dāng)然,這只是一個(gè)方面,在不同的研制階段,可靠性預(yù)計(jì)的目的和作用是不同的:

1)在論證階段,評(píng)估系統(tǒng)可靠性,審查是否能達(dá)到要求的可靠性指標(biāo);

2)在方案階段,對(duì)不同設(shè)計(jì)方案的可靠性水平進(jìn)行比較,為設(shè)計(jì)決策提供依據(jù);

3)在設(shè)計(jì)中,發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)可靠性的主要因素,找出薄弱環(huán)節(jié),為設(shè)計(jì)改進(jìn)或生產(chǎn)過(guò)程控制提供依據(jù);

4)為可靠性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及費(fèi)用核算等方面的研究提供依據(jù);

5)可靠性預(yù)計(jì)還可為不能直接進(jìn)行可靠性驗(yàn)證的大型產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性估計(jì);

6)對(duì)可靠性分配、維護(hù)使用提供有益信息。

從可靠性預(yù)計(jì)的目的出發(fā),預(yù)計(jì)工作應(yīng)在研制階段的早期進(jìn)行,以便于設(shè)計(jì)評(píng)審,并為產(chǎn)品可靠性分配及擬定改進(jìn)措施提供依據(jù)。當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)條件、環(huán)境要求、應(yīng)力數(shù)據(jù)、失效率數(shù)據(jù)、工作模式發(fā)生重要變更時(shí),應(yīng)當(dāng)及時(shí)修正可靠性模型和重做可靠性預(yù)計(jì)。

可靠性預(yù)計(jì)的內(nèi)容是什么呢?各類(lèi)可靠性參數(shù),所以,在進(jìn)入正式的可靠性預(yù)計(jì)工作之前,還需要了解一下可靠性參數(shù)。

通常來(lái)說(shuō),可靠性參數(shù)可分為三類(lèi):使用參數(shù)、合同參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)。在裝備立項(xiàng)論證時(shí),提出可靠性的使用參數(shù)(目標(biāo)值和門(mén)限值),并納入《裝備立項(xiàng)綜合論證報(bào)告》;在裝備研制總要求綜合論證時(shí),確定可靠性的合同參數(shù)(規(guī)定值和最低可接受值),并作為裝備定型考核或驗(yàn)證的依據(jù);在裝備研制生產(chǎn)過(guò)程中,確定可靠性的設(shè)計(jì)參數(shù)(預(yù)計(jì)值和評(píng)估值),并明確要求:評(píng)估值>最低可接受值>門(mén)限值,預(yù)計(jì)值>規(guī)定值>目標(biāo)值

從使用角度出發(fā),很多企業(yè)是依據(jù)合同開(kāi)展可靠性預(yù)計(jì)的,所以更關(guān)注的是合同參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù),合同參數(shù)主要包括平均故障間隔時(shí)間(MTBF)、首次大修期限(TTO)和平均嚴(yán)重故障間隔時(shí)間(MTBCF)(需要詳細(xì)了解可靠性參數(shù)內(nèi)容的朋友,請(qǐng)參照本公眾號(hào)《學(xué)習(xí) | 可靠性要求及驗(yàn)證》)。多說(shuō)一點(diǎn)個(gè)人理解,通常而言,規(guī)定值是企業(yè)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)的依據(jù),可用可靠性預(yù)計(jì)應(yīng)對(duì);最低可接受值是進(jìn)行鑒定試驗(yàn)的依據(jù),可用可靠性鑒定試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

NO.3

可靠性預(yù)計(jì)的分類(lèi)和方法

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從研制階段維度,GJB 813-90《可靠性模型的建立和可靠性預(yù)計(jì)》把可靠性預(yù)計(jì)分為三類(lèi):

1)I類(lèi),可行性預(yù)計(jì):用于產(chǎn)品的方案論證階段,在這個(gè)階段,信息的詳細(xì)程序一般只限于描述產(chǎn)品的總體情況。結(jié)構(gòu)信息一般還限于從具有類(lèi)似于所研制產(chǎn)品的功能和工作要求的現(xiàn)成產(chǎn)品類(lèi)推出來(lái)的信息。

2)II類(lèi),初步預(yù)計(jì):用于產(chǎn)品工程研制階段的早期,在這個(gè)階段中,書(shū)面形式的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)信息是工程圖和初步草圖,可利用的信息詳細(xì)程度可以達(dá)到產(chǎn)品的組成單元,但沒(méi)有可利用的應(yīng)力分析信息。

3)III類(lèi),詳細(xì)預(yù)計(jì):用于產(chǎn)品工程研制階段中期和后期,這個(gè)階段的特點(diǎn)是產(chǎn)品的各個(gè)組成單元都具有工作環(huán)境信息和盈利信息。

從元器件使用狀態(tài)維度,可靠性預(yù)計(jì)可分為工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)。目前國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)主要是GJB/Z 299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》和GJB/Z 108A-2006《電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》。國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)主要有MIL-HDBK-217F《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)》、Telcordia SR-332《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)程序》、以及汽車(chē)行業(yè)的PERL《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)方法》等。

從可靠性類(lèi)型維度,可靠性預(yù)計(jì)可分為基本可靠性預(yù)計(jì)和任務(wù)可靠性預(yù)計(jì),基本可靠性預(yù)計(jì)和任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)通常結(jié)合進(jìn)行,任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)表明產(chǎn)品成功地實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)的設(shè)計(jì)能力,而基本可靠性預(yù)計(jì)表明,由于產(chǎn)品不可靠給預(yù)期的維修和后勤保障增加的負(fù)擔(dān)

考慮不同類(lèi)型的產(chǎn)品特點(diǎn)和研制階段,可靠性預(yù)計(jì)的方法多種多樣,每一種都有一定的適用范圍,表1列出了常用的幾種,供大家參考。

表1  常用可靠性預(yù)計(jì)的方法


NO.4

可靠性預(yù)計(jì)的程序和實(shí)施

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4.1 可靠性預(yù)計(jì)程序

根據(jù)GJB/Z 299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》,電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)的一般程序包括:

1)根據(jù)產(chǎn)品的功能原理,將產(chǎn)品劃分為功能相對(duì)獨(dú)立、內(nèi)部為串聯(lián)結(jié)構(gòu)的可靠性預(yù)計(jì)單元,然后建立可靠性模型(可靠性模型的方法另做介紹,本文不再展開(kāi));

2)確定各預(yù)計(jì)單元所用元器件的種類(lèi)、數(shù)量、質(zhì)量等級(jí)、工作環(huán)境類(lèi)別、工作溫度、降額等詳細(xì)設(shè)計(jì)資料;

3)根據(jù)不同的元器件類(lèi)型,查閱GJB/Z 299C或MIL-HDBK-217F預(yù)計(jì)手冊(cè),得到各元器件的工作故障率計(jì)算模型及各種修正系數(shù);

4) 根據(jù)預(yù)計(jì)手冊(cè)提供的計(jì)算模型計(jì)算元器件的工作故障率(可根據(jù)具體情況,采用不同的可靠性預(yù)計(jì)方法);

5)將預(yù)計(jì)單元內(nèi)各種類(lèi)元器件的工作失效率相加,由此得出預(yù)計(jì)單元的失效率;

6)按設(shè)備、系統(tǒng)的可靠性模型逐級(jí)預(yù)計(jì)設(shè)備、系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間等可靠性指標(biāo)。

4.2 可靠性建模

從可靠性預(yù)計(jì)程序可知,可靠性建模是可靠性預(yù)計(jì)的前提和基礎(chǔ),和可靠性預(yù)計(jì)一樣,可靠性建模分為基本可靠性建模和任務(wù)可靠性建模。

基本可靠性建模包括一個(gè)可靠性框圖和一個(gè)相應(yīng)的可靠性數(shù)學(xué)模型,基本可靠性模型是一個(gè)串聯(lián)模型,包括那些冗余和代替工作模式的單元都按串聯(lián)處理,用于估計(jì)產(chǎn)品及其組成單元引起的維修及后勤保障要求。

任務(wù)可靠性模型包括一個(gè)可靠性框圖和一個(gè)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。任務(wù)可靠性模型應(yīng)該能描述在完成任務(wù)過(guò)程中產(chǎn)品各單元的預(yù)定用途。預(yù)定用于冗余或代替工作模式的單元應(yīng)該在模型中反映為并聯(lián)結(jié)構(gòu),或適用于特定任務(wù)階段及任務(wù)范圍的類(lèi)似結(jié)構(gòu)。任務(wù)可靠性模型的機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜,用于估計(jì)產(chǎn)品在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中完成規(guī)定功能的概率。

4.3 應(yīng)用環(huán)境分類(lèi)

某些電子設(shè)備可能會(huì)在不同的應(yīng)用環(huán)境中應(yīng)用,所以實(shí)際的可靠性預(yù)計(jì)要根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境來(lái)計(jì)算,表2給出了電子設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境分類(lèi)列表,供參考。

2 環(huán)境分類(lèi)


4.4 質(zhì)量等級(jí)和質(zhì)量系數(shù)

在元器件的標(biāo)準(zhǔn)中一般都規(guī)定了元器件在制造、檢驗(yàn)及篩選過(guò)程中的質(zhì)量控制水準(zhǔn),按此不同控制水準(zhǔn)組織生產(chǎn)和管理的產(chǎn)品,具有不同的質(zhì)量檔次,代表著不同的質(zhì)量等級(jí)。元器件質(zhì)量等級(jí)直接影響其失效率,不同質(zhì)量等級(jí)對(duì)元器件失效率的影響程度以質(zhì)量系數(shù)π來(lái)表示。

4.5 國(guó)產(chǎn)元器件與進(jìn)口元器件

當(dāng)同一設(shè)備中同時(shí)采用進(jìn)口元器件和國(guó)產(chǎn)元器件時(shí),對(duì)國(guó)產(chǎn)元器件采用GJB/Z 299C第5章或第6章的方法進(jìn)行預(yù)計(jì),獲得其失效率λ國(guó)產(chǎn);然后用GJB/Z 299C附錄A或MIL-HDBK-217F標(biāo)準(zhǔn)對(duì)進(jìn)口元器件進(jìn)行預(yù)計(jì),獲得其失效率λ進(jìn)口;再依據(jù)設(shè)備的可靠性模型計(jì)算其總的失效率。

4.6 可靠性預(yù)計(jì)范例

例如:某電子設(shè)備由4個(gè)調(diào)整二極管、2個(gè)合成電阻器、4個(gè)云母電容器組成,所有器件都是國(guó)產(chǎn)的,質(zhì)量等級(jí)都是 B1;設(shè)備的工作環(huán)境為戰(zhàn)斗機(jī)座艙;用元件技術(shù)法(應(yīng)力分析法等其他方法步驟類(lèi)似)計(jì)算該設(shè)備的基本可靠性MTBF。

1)設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,可作為一個(gè)可靠性預(yù)計(jì)單元處理,因?yàn)橛?jì)算的是基本可靠性,所以所有元器件是一個(gè)串聯(lián)模型;

2)設(shè)備中共用到3種元器件(調(diào)整二極管、合成電阻器、云母電容器),數(shù)量分別為4、2、4,質(zhì)量等級(jí)均為B1、工作環(huán)境類(lèi)別為AIF(設(shè)備工作環(huán)境為戰(zhàn)斗機(jī)座艙,查表2可知);

3)器件均為國(guó)產(chǎn)器件,使用GJB/Z 299C-2006,查各元器件的失效率和修正系數(shù);

查 GJB/Z 299C-2006的表6-19,確定調(diào)整二極管的通用失效率:λ1 = 1.3×10-6/h;同樣的方法(表6-21、表6-22)得到合成電阻器的通用失效率:λ2 = 0.0351×10-6/h,云母電容器的通用失效率:λ3 = 0.0802×10-6/h。


查 GJB/Z 299C-2006中的表6.3,確定調(diào)整二極管的質(zhì)量系數(shù):πQ1 = 0.5;同樣的方法(查表6-4),確定合成電阻器的質(zhì)量系數(shù):πQ2 = 0.6;云母電容器的質(zhì)量系數(shù):πQ3= 0.5。


4)用元件計(jì)數(shù)法計(jì)算元器件的工作失效率:

調(diào)整二極管:λGS1 = N1×λ1×πQ1 = 4×1.3×0.5 = 2.6×10-6/h

合成電阻器:λGS2 = N2×λ2×πQ2 = 2×0.0351×0.6 = 0.04212×10-6/h

云母電容器:λGS3 = N3×λ3×πQ3 = 4×0.0802×0.5 = 0.1604×10-6/h

5)計(jì)算預(yù)計(jì)單元的失效率

λGS3 = λGS1+ λGS2 + λGS3 = 2.6 + 0.04212 + 0.1604 ≈ 2.803×10-6/h

6)因設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單,預(yù)計(jì)單元的失效率就是設(shè)備的失效率,對(duì)于復(fù)雜設(shè)備/系統(tǒng)而言,按可靠性模型逐級(jí)預(yù)計(jì)即可。

7)計(jì)算MTBF值:我們知道,當(dāng)產(chǎn)品的壽命服從指數(shù)分布時(shí),其失效率的倒數(shù)就是MTBF,所以:MTBF = 1/λ = 356760.6(h)≈ 41年。

4.7 注意事項(xiàng)

1)產(chǎn)品定義、故障定義、產(chǎn)品的工作環(huán)境、工作時(shí)間等均必須予以明確,它們是可靠性預(yù)計(jì)的基礎(chǔ);

2)根據(jù)預(yù)計(jì)的不同要求,正確選擇可靠性模型、數(shù)據(jù)及預(yù)計(jì)方法;

3)要及早進(jìn)行預(yù)計(jì)以便盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,在整個(gè)研制過(guò)程中,預(yù)計(jì)要反復(fù)迭代多次;

4可靠性預(yù)計(jì)的相對(duì)值比絕對(duì)值更重要,因?yàn)樗梢蕴峁┰O(shè)計(jì)決策的依據(jù),但不能作為確定產(chǎn)品是否達(dá)到可靠性要求的依據(jù)。

NO.5

最后的話

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可靠性預(yù)計(jì)是根據(jù)組成系統(tǒng)的元件、組件、分系統(tǒng)的可靠性來(lái)推測(cè)系統(tǒng)可靠性的過(guò)程,一般在研制階段的早期進(jìn)行,以便于設(shè)計(jì)評(píng)審,并為可靠性分配及擬定改進(jìn)措施提供依據(jù),可靠性預(yù)計(jì)在研制過(guò)程中需要多次迭代。

最重要的,可靠性預(yù)計(jì)是為了評(píng)估設(shè)計(jì)可靠性能否滿足規(guī)定要求,確定設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié),為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供依據(jù),絕對(duì)不是為了應(yīng)付檢查,那種為預(yù)計(jì)而預(yù)計(jì)的形式?jīng)]有任何意義。

 

參考文獻(xiàn):

1)楊為民、阮鐮等《可靠性.維修性.保障性總論》

2)市場(chǎng)部  TILVA丨STIEE檢測(cè)認(rèn)證《電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)》

2)徐步陌上行 永恒之地《可靠性預(yù)計(jì)及元器件計(jì)數(shù)法案例》


轉(zhuǎn)自:西安融軍通用標(biāo)準(zhǔn)化研究院

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