02可靠性基础

质量管理知识系列2-------可靠性基础知识部分1第一节可靠性定义一、可靠性定义产品的可靠性是指：产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力。从定义本身来说，它是产品的一种能力，这是一个很抽象的概念；我们可以用个例子（100个学生即将参加考试）来理解这个定义，可靠性就是指：100个学生的考分的平均是多少？对这个平均分的准确性有多大把握？分数越高、把握越大，可靠性就越高。我国的可靠性工作起步较晚，20世纪70年代才开始在电子工业和航空工业中初步形成可靠性研究体系，并将其应用于军工产品。其他行业可靠性工作起步更晚，差距更大，与先进国家差距20～30年，虽然国家已制订可靠性标准，但尚未引起所有企业的足够重视。对产品而言，可靠性越高就越好。可靠性高的产品，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，就是产品的可靠性越高，产品可以无故障工作的时间就越长。二、可靠性的重要性调查结果显示（如某公司市场部2001年调查记录）：“对可靠性的重视度，与地区的经济发达程度成正比”。例如，英国电讯（BT）关于可靠性管理/指标要求有产品寿命、MTBF报告、可靠性框图、失效树分析（FTA）、可靠性测试计划和测试报告等；泰国只有MTBF和MTTF的要求；而厄瓜多尔则未提到，只是提出环境适应性和安全性的要求。产品的可靠性很重要，它不仅影响生产公司的前途，而且影响到使用者的安全（前苏联的“联盟11号”宇宙飞船返回时，因压力阀门提前打开而造成三名宇航员全部死亡）。可靠性好的产品，不但可以减少公司的维修费用，而且可以很快就打出品牌，大幅度提升公司形象，增加公司收入。随着市场经济的发展，竞争日趋激烈，人们不仅要求产品物美价廉，而且十分重视产品的可靠性和安全性。日本的汽车、家用电器等产品，虽然在性能、价格方面与我国彼此相仿，却能占领美国以及国际市场。主要的原因就是日本的产品可靠性胜过我国一筹。美国的康明斯、卡勃彼特柴油机，大修期为12000小时，而我国柴油机不过1000小时，有的甚至几十小时、几百小时就出现故障。我国生产的电梯，平均使用寿命（指两次大修期的间隔时期）为3年左右，而国外的电梯平均寿命在10年以上，是我们的3倍；故障率，国外平均为0.05次，而我国为1次以上，高出20倍，这样的产品怎么有竞争力呢！因此要想在竞争中立于不败之地，就要狠抓产品质量，特别是产品可靠性，没有可靠性就没有质量，企业就无法在激烈的竞争中生存和发展。因此，可靠性问题必须引起政府和企业的高度重视，抓好可靠性工作，不仅是关系到企业生存和发展的大问题，也是关系到国家经济兴衰的大问题。（呵呵，这是唱高调的内容，可以不看的……）三、可靠性指标衡量产品可靠性水平有好几种标准，有定量的，也有定性的，有时要用几种标准（指标）去度量一种产品的可靠性，但最基本最常用的有以下几种标准。1.可靠度R（t）；它是产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的概率。一批产品的数量为N，从t=0时开始使用，随着时间的推移，失效的产品件数逐渐增加，而正常工作的产品件数n(t)逐渐减少，用R(t)表示产品在任意时刻t的可靠度。2.可靠寿命[CR(tr)]；它与一般理解的寿命有不同含义，概念也不同，设产品的可靠度为R(t)，使可靠度等于规定值r时的时间tr的，即被定义为可靠寿命。3.失效率（故障率）λ（t）；它是指某产品（零部件）工作到时间t之后，在单位时间△t内发生失效质量管理知识系列2-------可靠性基础知识部分2λttIIIIII的概率。4.有效寿命与平均寿命；有效寿命一般是指产品投入使用后至达到某规定失效率水平之前的一段工作时间。而平均寿命MTTF对于不可修复产品，指从开始使用直到发生失效这一段工作时间的平均值；对于可修复的产品，是指在整个使用阶段和除维修时间之后的各段有效工作时间的平均值。5.平均无故障工作时间MTBF；是指相邻两次故障之间的平均工作时间，也称为平均故障间隔。它仅适用于可维修产品。同时也规定产品在总的使用阶段累计工作时间与故障次数的比值为MTBF。其他如可靠度、有效度、维修度、平均维修时间等也是衡量产品可靠性水平的一种标准，但是一般以可靠寿命失效率就足以说明产品可靠性程度了。1.平均故障间隔时间；可维修的产品，其可靠性主要的参数是MTBF（MeanTimeBetweenFail），即平均故障间隔时间，也就是两次维修间的平均时间；不可维修的产品，用MTTB（MeanTimeToFail）；两个参数的计算没有区别，下文只提到MTBF。MTBF越大，说明产品的可靠性越高。可以用以下理想测试来精确测试一批产品的MTBF；即将该批产品投入使用，当该批产品全部出现故障以后（假如第1个产品的故障时间为t1，第2个产品的故障时间为t2，第n个产品的故障时间为tn），计算发生故障的平均时间，则由上式可以看出，理想测试就是用全部的时间和全部的故障数来算出精确的MTBF；2、失效密度λ另外一个常用的参数是λ，它是指在产品在t时刻失效的可能性，是失效间隔时间的倒数，也就是：λ＝1/MTBF。对某一类产品而言，产品在不同的时刻有不同的失效率（也就是失效率是时间的函数），对电子产品而言，其失效率符合浴盆曲线分布（如下图）：浴盆曲线，分为三部份（I、II、III三部份）：第I部份是早期失效阶段。这段时间内，从外形上看，在失效率从一个很高的指标迅速下降；从物理意义上理解，由于少数产品在制作后，存在一些制程、运输、调试等问题，产品有比较明显的缺陷，在投入使用的最初期，这缺陷很快就显露出来，随着时间的增长，这些明显的缺陷越来越少，也就形成了“失效率迅速下降”的现象；第II部份是中期稳定阶段。这段时间内，产品的失效率稳定在一个较低水平；从物理意义上理解，当少数产品的明显缺陷显露出来后，剩下的就是正常的产品，这部份产品可以较稳定、持久地工作，所以失效率也稳定在一个较低水平；第III部份是后期失效阶段；这段时间内，产品的失效率迅速上升；从物理意义上理解，到了后期，产品经过长时间的工作、磨损、老化，慢慢接近寿命终点，随着时间的增加（Tmax以内），到达寿命终点的产品越来越多，失效率也就随之上升；知道了λ，就可以找到产品连续工作了t时间后、还正常的概率为R(t)=e-，此时已经失效的概率为F(t)＝1-R(t)＝1－e-。R(t)=e-是一个经验公式，一般电子产品的寿命服从这一指数分布，其它分布下文再叙；nnntMTBF1/Tmax质量管理知识系列2-------可靠性基础知识部分3第二节可靠性测试可靠性测试应该在可靠性设计之后，但目前我国的可靠性工作主要还是在测试阶段，这里将测试放在前面（目前大部分公司都会忽略最初的可靠性设计，比如我们公司，设计的时候，从来都没有考虑过可靠性，开发部的兄弟们不要拿砖头仍我……这是实话，只有在测试出现失效后才开始考虑设计）。为了测得产品的可靠度（也就是为了测出产品的MTBF），我们需要拿出一定的样品，做较长时间的运行测试，找出每个样品的失效时间，根据第一节的公式计算出MTBF，当然样品数量越多，测试结果就越准确。但是，这样的理想测试实际上是不可能的，因为对这种测试而言，要等到最后一个样品出现故障――需要的测试时间长得无法想象，要所有样品都出现故障——需要的成本高得无法想象。为了测试可靠性，这里介绍：加速测试（也就增加应力*），使缺陷迅速显现；经过大量专家、长时间的统计，找到了一些增加应力的方法，转化成一些测试的项目。如果产品经过这些项目的测试，依然没有明显的缺陷，就说明产品的可靠性至少可以达到某一水平，经过换算可以计算出MTBF（因产品能通过这些测试，并无明显缺陷出现，说明未达到产品的极限能力，所以此时对应的MTBF是产品的最小值）。其它计算方法见下文。（*应力：就是指外界各种环境对产品的破坏力，如产品在85℃下工作受到的应力比在25℃下工作受到的应力大；在高应力下工作，产品失效的可能性就大大增加了）；一、环境测试产品在使用过程中，有不同的使用环境（有些安装在室外、有些随身携带、有些装有船上等等），会受到不同环境的应力（有些受到风吹雨湿、有些受到振动与跌落、有些受到盐雾蚀侵等等）；为了确认产品能在这些环境下正常工作，国标、行标都要求产品在环境方法模拟一些测试项目，这些测试项目包括：1).高温测试（高温运行、高温贮存）；2).低温测试（低温运行、低温贮存）；3).高低温交变测试（温度循环测试、热冲击测试）；4).高温高湿测试（湿热贮存、湿热循环）；5).机械振动测试（随机振动测试、扫频振动测试）；6).汽车运输测试（模拟运输测试、碰撞测试）；7).机械冲击测试；8).开关电测试；9).电源拉偏测试；10).冷启动测试；11).盐雾测试；12).淋雨测试；13).尘砂测试；上述环境试验的相关国家标准如下（部分试验可能没有相关国标，或者是我还没有找到）：1、低温试验按GB/T2423.1—89《电工电子产品环境试验第二部分：试验方法低温试验》；GB/T2423.22—87《电工电子产品环境试验第二部分：试验方法温度变化试验方法》进行低温试验及温度变化试验。温度范围：-70℃～10℃。2、高温试验按GB/T2423.2—89《电工电子产品环境试验第二部分：试验方法高温试验》；GB/T2423.22—87《电工电子产品环境试验第二部分：试验方法温度变化试验方法》进行高温试验及温度变化试验。质量管理知识系列2-------可靠性基础知识部分4温度范围：10℃～210℃3、湿热试验按GB/T2423.3—93《电工电子产品环境试验第二部分：试验方法恒定湿热试验》；GB/T2423.4—93《电工电子产品环境试验第二部分：试验方法交变湿热试验》进行恒定湿热试验及交变湿热试验。湿度范围：30%RH～100%RH4、霉菌试验按GB/T2423.16—90《电工电子产品环境试验第二部分：试验方法长霉试验》进行霉菌试验。5、盐雾试验按GB/T2423.17—93《电工电子产品环境试验第二部分：试验方法盐雾试验》进行盐雾试验。6、低气压试验按GB/T2423.21—92《电工电子产品环境试验第二部分：试验方法低气压试验》；GB/T2423.25—92《电工电子产品环境试验第二部分：试验方法低温/低气压试验》；GB/T2423.26—92《电工电子产品环境试验第二部分：试验方法高温/低气压试验》；进行低气压试验，高、低温/低气压试验。试验范围：-70℃～100℃0～760mmHg20%～95%RH。7、振动试验按GB/T2423.10—95《电工电子产品环境试验第二部分：试验方法振动试验》进行振动试验。频率范围（机械振动台）：5～60Hz（定频振动5～80Hz），最大位移振幅3.5mm（满载）。频率范围（电磁振动台）：5～3000Hz，最大位移25mmP-P。8、冲击试验按GB/T2423.5—95《电工电子产品环境试验第二部分：试验方法冲击试验》进行冲击试验。冲击加速度范围：（50～1500）m/s2。9、碰撞试验按GB/T2423.6—95《电工电子产品环境试验第二部分：试验方法碰撞试验》进行碰撞试验。10、跌落试验按GB/T2423.7—95《电工电子产品环境试验第二部分：试验方法倾跌与翻到试验》；GB/T2423.8—95《电工电子产品环境试验第二部分：试验方法自由跌落试验》进行跌落试验。说明：上面13项比较全面地概括了产品在实现使用过程中碰到的外界环境；实际测试时，因为各产品本身属性的相差较远、使用环境相差也很大，各公司可以根据产品的特点，适当选取、增加一些项目来测试（此产品对应的国/行标中要求的必测试项目，当然是必须测试的）；也可以根据产品特定的使用环境与使用方法，自行设计一些新测试项目，以验证产品是否能长期工作。测试条件：不同的产品测试条件不一样；就拿高温测试来说，有些产品要求做高温贮存测试，有些要求做高温运行测试，有些产品的高温用85℃做测试，有些产品的高温是用65℃做测试。但是，宗旨只有一个，那就是至少满足国/行标。要测试一种产品的可靠性，找到这种产品的国/行标