可靠度(Reliability)也叫可靠性,指的是产品在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的能力,它包括结构的安全性,适用性和耐久性,当以概率来度量时,称可靠度·
定义
可靠性:产品在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力。可靠性的概率度量叫可靠度。
寿命是指产品使用的持续期。以“寿命单位”度量。在规定的条件下和在规定的时间内,产品故障的总数与寿命单位总数之比称为“故障率”。故障率是可靠性基本参数,其倒数为平均故障间隔时间(MTBF)。
可靠性分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性用于描述产品的设计和制造的可靠性水平,使用可靠性综合考虑了产品设计、制造、安装环境、维修策略和修理等因素。从设计的角度出发,把可靠性分为基本可靠性和任务可靠性,前者考虑包括与维修和供应有关的可靠性,用平均故障间隔时间(MTBF)表示;后者仅考虑造成任务失败的故障影响,用任务可靠度(MR)和致命性故障间隔任务时间(MTBCF)表示。对多数企业主要关心产品的固有可靠性和基本可靠性。对可修产品用平均故障间隔时间表示,对不可修产品用平均失效率表示,对一次性使用产品用平均寿命表示。
对产品而言,可靠度越高就越好。可靠度高的产品,可以长时间正常工作(这正是所有消费者需要得到的);从专业术语上来说,就是产品的可靠度越高,产品可以无故障工作的时间就越长。
可靠度分析即求出各系统的运作机率的学问,例如机具的可靠度,将影响整个生产制造的流程规划及控制。此外,可靠度的讨论,也往往离不开系统的可用度(Availability)及维修度(Maintainability)。一般谈到可靠度,多是指产品的可靠程度,顾名思义,也就是将产品的好坏特别以可靠度的方法表达出来,这种定义方式对于现今许多高单价及讲求售后服务的产品而言,显得十分重要。
分类
可靠度一般可分成两个层次,首先是所谓组件可靠度(Reliability of component)。也就是将产品拆解成若干不同的零件或组件,先就这些组件的可靠度进行研究,然后再探讨整个系统、整个产品的整体可靠度,也就是系统可靠度(Reliability of system)。组件可靠度分析的方法,其实就是统计分析,至于系统可靠度分析,较为复杂,可采行的方法也较多,
①按重要程度分配可靠度。
②按复杂程度分配可靠度。
③按技术水平、任务情况等的综合指标分配可靠度。
④按相对故障率分配可靠度。
各部分有了明确的可靠性指标后,根据不同计算准则,进行零件的设计计算。主要的计算方法为:根据载荷和强度的分布计算可靠度或所需尺寸;根据载荷和寿命的分布计算可靠度或安全寿命;求出可靠度与安全系数间的定量关系,沿用常规设计方法计算所需尺寸或验算安全系数。与可靠性设计有关的载荷、强度、尺寸和寿命等数据都是随机变量,必须用概率统计方法进行处理。
数学表达式
可靠度函数可用关于时间 t 的函数表示,可表示为
R(t)=P(T>t)
其中,t 为规定的时间,T表示产品的寿命。
由可靠度的定义可知,R(t)描述了产品在(0,t)时间内完好的概率,且R(0)=1,R(+∞)=0。
可靠度工程
可靠度工程是结合管理与工程技术的一种科学,它牵涉到的工程技术主要有三方面:电子(机)工程、机械工程、及材料工程。高精密的科技产品,鲜有不与此三者有关者。惟可靠度本质上是将统计方法应用在各专业领域上的一种品保技术,并将可靠度实际设计进入产品中,方能确保产品品质。
可靠度试验
测试产品可靠度指标的试验就是可靠度试验。可靠度试验有环境试验、机械应力试验、耐气候测试试验、功能试验、EMC及安规试验等。
可靠性工程的发展
萌芽阶段:二次世界大战期间,德国在研制V1火箭中提出了系统可靠性的基本理论,据此V1火箭的可靠度达到75%。在朝鲜战争时期,美国60%的机载电子设备运到远东后不能使用,50%的电子设备在储存期间就失效。美国海军有16、7万台电子设备,每年需更换100万个电子元件,其中电子管的更换率比其他元件高5倍。1943年美国成立了“电子管研究委员会,专门研究电子管的可靠性问题。1949年美国无线电工程师学会成立了可靠性技术组——第一个可靠性专业学术组织诞生了。
可靠性工程创建阶段:20世纪50年代美国在朝鲜战争中发现,不可靠的电子设备影响战争的进行,而且需要大量的维修费用,每年的维修费是设备采购费用的2倍!军方和制造公司及学术界都卷入了可靠性的研究工作。1950年12月美国成立了“电子设备可靠性专门委员会”,到1952年3月便提出了有深远影响的建议:
可靠性工程全面发展阶段:20世纪60年代,随着航空航天工业的迅速发展,可靠性设计和试验方法被接受和应用于航空电子系统中,可靠性工程得到迅速发展。主要表现在:
改善可靠性管理,建立了可靠性研究中心,美国于1965年颁发了《系统与设备的可靠性大纲要求》,可靠性工程活动与传统的设计、研制和生产相结合,获得了较好的效益。罗姆航空发展中心组建了可靠性分析中心,从事与电子设备有关的电子与机电、机械件及电子系统的可靠性研究,包括可靠性预计、可靠性分配、可靠性试验、可靠性物理、可靠性数据采集、分析等。
制定可靠性试验标准,发展可靠性试验方法。主要研究设计了统计试验方案及抽样方案,颁发了《失效率抽样方案和程序》、《可靠性试验,指数分布》(1967年修改为《可靠性设计鉴定试验及产品验收试验(指数分布)》)、《寿命和可靠性试验抽样程序和表格》等。
发展可靠性预计技术,颁发可靠性预计手册标准。在收集了大量现场和试验的失效数据后于1962年颁发了《电子设备可靠性预计手册》,次年修改后作为飞机、导弹、卫星及电子设备研制各阶段可靠性定量预计的标准。
建立了有效的数据系统。数据采集系统、可靠性数据中心、安全中心、相继在美国军队和科研机构建立,并且于1966年形成了全国数据交换网络。
重视维修性研究。20世纪50年代中美国每年用于武器系统维修的费用90亿美圆,占国防预算的1/4。罗姆航空发展中心在50年代末开始了3年的维修性研究计划,研究影响维修的因素、发展维修性验证和预计技术。1966年颁发了《维修性大纲要求》、《维修性鉴定、验证及评估》、《维修性预计》等标准。
各国相继开展全面的可靠性工程研究。20世纪60年代初,苏联从技术上、组织上采取措施促进了可靠性工程的发展,1962年出版了较完善的教科书《可靠性及质量控制的统计方法》,建立了由总工程师领导的可靠性组织机构和有关的试验室,研究成果K-S统计检验法和马尔可夫过程为国际公认,采用余度技术、降额技术、提高原材料和专门电路等措施保证产品的可靠性,弥补了电子元器件的不足。他们大量引用了美国的可靠性军用标准。法国的可靠性工程强调了集中管理,重视元器件的可靠性研究,成立了“电讯委员会”,以协调各部门对电子元器件的可靠性要求。建立中心验收试验系统,在电讯委员会监督下由制造商对批生产产品进行可靠性验收试验,以节省经费。1962年在国立电讯研究中心建立了可靠性中心,负责收集、综合、出版可靠性资料,收集、分析、处理及分配可靠性数据,研究可靠性试验方法。
可靠性工程深入发展阶段:20世纪70年代中,美国国防武器系统的寿命周期费用问题突出,人们更深切地认识到可靠性工程是减少寿命费用的重要工具,进一步得到发展,日趋成熟。阶段特点是:1建立统一的可靠性管理机构。2成立全国统一的可靠性数据交换网。3改善可靠性设计和试验方法。更严格、更符合实际、更有效的设计和试验方法被采用。发展了失效物理研究和分析技术,如FMEA发展为FMECA。更加严格的降额设计。
我国可靠性工程发展情况:引进早,引用较扎实,有活力。20世纪60年代初电子部成立了“中国电子产品可靠性与环境试验研究所”,进行了可靠性评估的开拓性工作。1965年在钱学森科学家的建议下7机部成立了可靠性质量管理研究所。航天产品采用严格筛选的“七专”元器件。20世纪70年代中因中日海缆需要,电子部开展了高可靠元器件验证试验,发展为加速寿命试验技术。自20世纪70年代后期始,不少大学举办了可靠性学习班培训在职人员,以后开设可靠性课程,招收本科生和研究生。自1984年起,组织制定、引进、颁发了可靠性和无限小标准,形成了比较完整的体系。军工企业开展了可靠性补课工作,进行产品可靠性增长工作,军方开展了可靠性评估和分析工作,电子部5所建立了可靠性数据中心。
可靠性工程展望:改革开放、建立现代企业制度,使国家与国家的竞争延伸为企业与企业的竞争,可靠性工程也相应快速发展,主要表现是:观念改变。企业领导的观念由过去的“要我重视可靠性工程”变为现在的“我要十分重视可靠性工程”。可靠性工程被社会广泛接受,大学把可靠性理论和技术列为许多专业的专业基础课程。可靠性知识将成为人们的基本常识。许多产品明确了可靠性定量指标和重要的广告词。
可靠性工程从军工企业发展到民用电子信息产业、交通、服务、能源等行业,从专业变成“普业”。在质量管理体系的ISO认证过程中可靠性管理被作为审查的重要内容。有关可靠性的专业技术标准被重新梳理,纳入到质量管理体系文件之中,成为“说到的必须做到”的管理条文。
在可靠性技术方面,发展十分迅速。我国载人航天工程自1992年起,至2003年10月“神舟”5号载人飞船圆满完成任务止,共投资190亿元。飞船的运载能力是3人、300千克、7天。可靠性为0.97,安全性为0.997。设计有自主故障判断、自主功能重组能力,在空间即使被撞击破裂,舱内压力仍可保持15分钟,确保航天员更换航天服的时间。参加研制的院所共110个,有3000多个单位参加了产品制造。总共生产了:一个试样、4个正样和5枚运载火箭。“神舟”5号飞船直径2.5米,其上共有600多台仪器、10万个元器件、8万个接点,软件共有70万条程序,其中20%用于正常运行使用,其余都是为出现故障时处置使用的。在发射上升段设计了8种故障模式,运行回收段设计了108种故障模式的处置方案。