可靠性基礎(chǔ)知識部分
第一節(jié) 可靠性定義 一、可靠性定義 產(chǎn)品的可靠性是指：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定的功能的能力。 從定義本身來說，它是產(chǎn)品的一種能力，這是一個很抽象的概念；我們可以用個例子（ 100個學(xué)生即將參加考試）來理解這個定義，可靠性就是指：100個學(xué)生的考分的平均是 多少？對這個平均分的準(zhǔn)確性有多大把握？分?jǐn)?shù)越高、把握越大，可靠性就越高。 我國的可靠性工作起步較晚，20世紀(jì)70年代才開始在電子工業(yè)和航空工業(yè)中初步形成 可靠性研究體系，并將其應(yīng)用于軍工產(chǎn)品。其他行業(yè)可靠性工作起步更晚，差距更大， 與先進(jìn)國家差距20～30年，雖然國家已制訂可靠性標(biāo)準(zhǔn)，但尚未引起所有企業(yè)的足夠重 視。 對產(chǎn)品而言，可靠性越高就越好?？煽啃愿叩漠a(chǎn)品，可以長時間正常工作（這正是所 有消費者需要得到的）；從專業(yè)術(shù)語上來說，就是產(chǎn)品的可靠性越高，產(chǎn)品可以無故障 工作的時間就越長。 二、可靠性的重要性 調(diào)查結(jié)果顯示（如某公司市場部2001年調(diào)查記錄）：“對可靠性的重視度，與地區(qū)的 經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度成正比”。例如，英國電訊（BT）關(guān)于可靠性管理/指標(biāo)要求有產(chǎn)品壽命、 MTBF報告、可靠性框圖、失效樹分析（FTA）、可靠性測試計劃和測試報告等；泰國只有 MTBF和MTTF的要求；而厄瓜多爾則未提到，只是提出環(huán)境適應(yīng)性和安全性的要求。 產(chǎn)品的可靠性很重要，它不僅影響生產(chǎn)公司的前途，而且影響到使用者的安全（前蘇 聯(lián)的“聯(lián)盟11號”宇宙飛船返回時，因壓力閥門提前打開而造成三名宇航員全部死亡）。 可靠性好的產(chǎn)品，不但可以減少公司的維修費用，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。 隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，競爭日趨激烈，人們不僅要求產(chǎn)品物美價廉，而且十分重視產(chǎn) 品的可靠性和安全性。日本的汽車、家用電器等產(chǎn)品，雖然在性能、價格方面與我國彼 此相仿，卻能占領(lǐng)美國以及國際市場。主要的原因就是日本的產(chǎn)品可靠性勝過我國一籌 。美國的康明斯、卡勃彼特柴油機(jī)，大修期為12000小時，而我國柴油機(jī)不過1000小時， 有的甚至幾十小時、幾百小時就出現(xiàn)故障。我國生產(chǎn)的電梯，平均使用壽命（指兩次大 修期的間隔時期）為3年左右，而國外的電梯平均壽命在10年以上，是我們的3倍；故障 率，國外平均為0.05次，而我國為1次以上，高出20倍，這樣的產(chǎn)品怎么有競爭力呢！因 此要想在競爭中立于不敗之地，就要狠抓產(chǎn)品質(zhì)量，特別是產(chǎn)品可靠性，沒有可靠性就 沒有質(zhì)量，企業(yè)就無法在激烈的競爭中生存和發(fā)展。因此，可靠性問題必須引起政府和 企業(yè)的高度重視，抓好可靠性工作，不僅是關(guān)系到企業(yè)生存和發(fā)展的大問題，也是關(guān)系 到國家經(jīng)濟(jì)興衰的大問題。（呵呵，這是唱高調(diào)的內(nèi)容，可以不看的……） 三、可靠性指標(biāo) 衡量產(chǎn)品可靠性水平有好幾種標(biāo)準(zhǔn)，有定量的，也有定性的，有時要用幾種標(biāo)準(zhǔn)（指 標(biāo)）去度量一種產(chǎn)品的可靠性，但最基本最常用的有以下幾種標(biāo)準(zhǔn)。 1.可靠度R（t）；它是產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。一批產(chǎn)品的 數(shù)量為N，從t = 0時開始使用，隨著時間的推移，失效的產(chǎn)品件數(shù)逐漸增加，而正常工作的產(chǎn)品件數(shù)n(t )逐漸減少，用R(t)表示產(chǎn)品在任意時刻t的可靠度。 2.可靠壽命[CR(tr)]；它與一般理解的壽命有不同含義，概念也不同，設(shè)產(chǎn)品的可靠 度為R(t)，使可靠度等于規(guī)定值r時的時間tr的，即被定義為可靠壽命。 3.失效率（故障率）λ（t）；它是指某產(chǎn)品（零部件）工作到時間t之后，在單位時 間△t內(nèi)發(fā)生失效的概率。 4.有效壽命與平均壽命；有效壽命一般是指產(chǎn)品投入使用后至達(dá)到某規(guī)定失效率水平 之前的一段工作時間。而平均壽命MTTF對于不可修復(fù)產(chǎn)品，指從開始使用直到發(fā)生失效 這一段工作時間的平均值；對于可修復(fù)的產(chǎn)品，是指在整個使用階段和除維修時間之后 的各段有效工作時間的平均值。 5.平均無故障工作時間MTBF；是指相鄰兩次故障之間的平均工作時間，也稱為平均故 障間隔。它僅適用于可維修產(chǎn)品。同時也規(guī)定產(chǎn)品在總的使用階段累計工作時間與故障 次數(shù)的比值為MTBF。其他如可靠度、有效度、維修度、平均維修時間等也是衡量產(chǎn)品可 靠性水平的一種標(biāo)準(zhǔn)，但是一般以可靠壽命失效率就足以說明產(chǎn)品可靠性程度了。 1. 平均故障間隔時間； 可維修的產(chǎn)品，其可靠性主要的參數(shù)是MTBF（Mean Time Between Fail），即平均故障間隔時間，也就是兩次維修間的平均時間；不可維修的產(chǎn)品，用MT TB（Mean Time To Fail）；兩個參數(shù)的計算沒有區(qū)別，下文只提到MTBF。MTBF越大，說明產(chǎn)品的可靠性越 高。 可以用以下理想測試來精確測試一批產(chǎn)品的MTBF；即將該批產(chǎn)品投入使用，當(dāng)該批 產(chǎn)品全部出現(xiàn)故障以后（假如第1個產(chǎn)品的故障時間為t1，第2個產(chǎn)品的故障時間為t2， 第n個產(chǎn)品的故障時間為tn），計算發(fā)生故障的平均時間，則 由上式可以看出，理想測試就是用全部的時間和全部的故障數(shù)來算出精確的MTBF； 2、失效密度λ 另外一個常用的參數(shù)是λ，它是指在產(chǎn)品在t時刻失效的可能性，是失效間隔時間的倒 數(shù)，也就是：λ＝1/MTBF。 對某一類產(chǎn)品而言，產(chǎn)品在不同的時刻有不同的失效率（也就是失效率是時間的函數(shù)） ，對電子產(chǎn)品而言，其失效率符合浴盆曲線分布（如下圖）： 浴盆曲線，分為三部份（I、II、III三部份）： 第I部份是早期失效階段。這段時間內(nèi)，從外形上看，在失效率從一個很高的指標(biāo)迅 速下降；從物理意義上理解，由于少數(shù)產(chǎn)品在制作后，存在一些制程、運(yùn)輸、調(diào)試等問 題，產(chǎn)品有比較明顯的缺陷，在投入使用的最初期，這缺陷很快就顯露出來，隨著時間 的增長，這些明顯的缺陷越來越少，也就形成了“失效率迅速下降”的現(xiàn)象； 第II部份是中期穩(wěn)定階段。這段時間內(nèi)，產(chǎn)品的失效率穩(wěn)定在一個較低水平；從物理 意義上理解，當(dāng)少數(shù)產(chǎn)品的明顯缺陷顯露出來后，剩下的就是正常的產(chǎn)品，這部份產(chǎn)品 可以較穩(wěn)定、持久地工作，所以失效率也穩(wěn)定在一個較低水平； 第III部份是后期失效階段；這段時間內(nèi)，產(chǎn)品的失效率迅速上升；從物理意義上理 解，到了后期，產(chǎn)品經(jīng)過長時間的工作、磨損、老化，慢慢接近壽命終點，隨著時間的 增加（Tmax以內(nèi)），到達(dá)壽命終點的產(chǎn)品越來越多，失效率也就隨之上升； 知道了λ，就可以找到產(chǎn)品連續(xù)工作 了t時間后、還正常的概率為R(t)=e-λt，此時已經(jīng)失效的概率為F(t)＝1- R(t)＝1－e-λt。 R(t)=e-λt是一個經(jīng)驗公式，一般電子產(chǎn)品的壽命服從這一指數(shù)分布，其它分布下文 再敘； 第二節(jié) 可靠性測試 可靠性測試應(yīng)該在可靠性設(shè)計之后，但目前我國的可靠性工作主要還是在測試階段， 這里將測試放在前面（目前大部分公司都會忽略最初的可靠性設(shè)計，比如我們公司，設(shè) 計的時候，從來都沒有考慮過可靠性，開發(fā)部的兄弟們不要拿磚頭仍我……這是實話，只 有在測試出現(xiàn)失效后才開始考慮設(shè)計）。 為了測得產(chǎn)品的可靠度（也就是為了測出產(chǎn)品的MTBF），我們需要拿出一定的樣品， 做較長時間的運(yùn)行測試，找出每個樣品的失效時間，根據(jù)第一節(jié)的公式計算出MTBF，當(dāng) 然樣品數(shù)量越多，測試結(jié)果就越準(zhǔn)確。但是，這樣的理想測試實際上是不可能的，因為 對這種測試而言，要等到最后一個樣品出現(xiàn)故障――需要的測試時間長得無法想象，要所 有樣品都出現(xiàn)故障——需要的成本高得無法想象。 為了測試可靠性，這里介紹：加速測試（也就增加應(yīng)力*），使缺陷迅速顯現(xiàn)；經(jīng)過 大量專家、長時間的統(tǒng)計，找到了一些增加應(yīng)力的方法，轉(zhuǎn)化成一些測試的項目。如果 產(chǎn)品經(jīng)過這些項目的測試，依然沒有明顯的缺陷，就說明產(chǎn)品的可靠性至少可以達(dá)到某 一水平，經(jīng)過換算可以計算出MTBF（因產(chǎn)品能通過這些測試，并無明顯缺陷出現(xiàn)，說明 未達(dá)到產(chǎn)品的極限能力，所以此時對應(yīng)的MTBF是產(chǎn)品的最小值）。其它計算方法見下文 。（*應(yīng)力：就是指外界各種環(huán)境對產(chǎn)品的破壞力，如產(chǎn)品在85℃下工作受到的應(yīng)力比在 25℃下工作受到的應(yīng)力大；在高應(yīng)力下工作，產(chǎn)品失效的可能性就大大增加了）； 一、環(huán)境測試 產(chǎn)品在使用過程中，有不同的使用環(huán)境（有些安裝在室外、有些隨身攜帶、有些裝有 船上等等），會受到不同環(huán)境的應(yīng)力（有些受到風(fēng)吹雨濕、有些受到振動與跌落、有些 受到鹽霧蝕侵等等）；為了確認(rèn)產(chǎn)品能在這些環(huán)境下正常工作，國標(biāo)、行標(biāo)都要求產(chǎn)品 在環(huán)境方法模擬一些測試項目，這些測試項目包括： 1). 高溫測試（高溫運(yùn)行、高溫貯存）； 2). 低溫測試（低溫運(yùn)行、低溫貯存）； 3). 高低溫交變測試（溫度循環(huán)測試、熱沖擊測試）； 4). 高溫高濕測試（濕熱貯存、濕熱循環(huán)）； 5). 機(jī)械振動測試（隨機(jī)振動測試、掃頻振動測試）； 6). 汽車運(yùn)輸測試（模擬運(yùn)輸測試、碰撞測試）； 7). 機(jī)械沖擊測試； 8). 開關(guān)電測試； 9). 電源拉偏測試； 10).冷啟動測試； 11).鹽霧測試； 12).淋雨測試； 13).塵砂測試； 上述環(huán)境試驗的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)如下（部分試驗可能沒有相關(guān)國標(biāo)，或者是我還沒有 找到）： 1. 低溫試驗 按GB/T 2423.1—89 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第二部分：試驗方法 低溫試驗》； GB/T 2423.22—87 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第二部分：試驗方法 溫度變化試驗方法》 進(jìn)行低溫試驗及溫度變化試驗。 溫度范圍：-70℃～10℃。 2. 高溫試驗 按GB/T 2423.2—89 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第二部分：試驗方法 高溫試驗》； GB/T 2423.22—87 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第二部分：試驗方法 溫度變化試驗方法》 進(jìn)行高溫試驗及溫度變化試驗。 溫度范圍：10℃～210℃ 3. 濕熱試驗 按GB/T 2423.3—93 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第二部分：試驗方法 恒定濕熱試驗》； GB/T2423.4—93 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第二部分：試驗方法 交變濕熱試驗》 進(jìn)行恒定濕熱試驗及交變濕熱試驗。 濕度范圍：30%RH～100%RH 4. 霉菌試驗 按GB/T 2423.16—90 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第二部分：試驗方法 長霉試驗》進(jìn)行霉菌試驗。 5. 鹽霧試驗 按GB/T 2423.17—93 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第二部分：試驗方法 鹽霧試驗》進(jìn)行鹽霧試驗。 6. 低氣壓試驗 按GB/T 2423.21—92 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第二部分：試驗方法 低氣壓試驗》； GB/T2423.25—92 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第二部分：試驗方法 低溫/低氣壓試驗》； GB/T2423.26—92 《電工電子產(chǎn)品 環(huán)境試驗 第二部分：試驗方法 高溫/低氣壓試驗》； 進(jìn)行低氣壓試驗，高、低溫/低氣壓試驗。試驗范圍：-70℃～100℃ 0～760mmHg 20%～95%RH。 7. 振動試驗 按GB/T 2423.10—95 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第二部分：試驗方法 振動試驗》進(jìn)行振動試驗。 頻率范圍（機(jī)械振動臺）：5～60Hz（定頻振動5～80Hz），最大位移振幅3.5mm（滿 載）。頻率范圍（電磁振動臺）：5～3000Hz，最大位移25mmP-P。 8. 沖擊試驗 按GB/T 2423.5—95 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第二部分：試驗方法 沖擊試驗》進(jìn)行沖擊試驗。沖擊加速度范圍：（50～1500）m/s2。 9. 碰撞試驗 按GB/T 2423.6—95 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第二部分：試驗方法 碰撞試驗》進(jìn)行碰撞試驗。 10. 跌落試驗 按GB/T 2423.7—95 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第二部分：試驗方法 傾跌與翻到試驗》； GB/T2423.8—95 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第二部分：試驗方法 自由跌落試驗》進(jìn)行跌落試驗。 說明：上面13項比較全面地概括了產(chǎn)品在實現(xiàn)使用過程中碰到的外界環(huán)境；實際測試 時，因為各產(chǎn)品本身屬性的相差較遠(yuǎn)、使用環(huán)境相差也很大，各公司可以根據(jù)產(chǎn)品的特 點，適當(dāng)選取、增加一些項目來測試（此產(chǎn)品對應(yīng)的國/行標(biāo)中要求的必測試項目，當(dāng)然 是必須測試的）；也可以根據(jù)產(chǎn)品特定的使用環(huán)境與使用方法，自行設(shè)計一些新測試項 目，以驗證產(chǎn)品是否能長期工作。 測試條件：不同的產(chǎn)品測試條件不一樣；就拿高溫測試來說，有些產(chǎn)品要求做高溫貯 存測試，有些要求做高溫運(yùn)行測試，有些產(chǎn)品的高溫用85℃做測試，有些產(chǎn)品的高溫是用 65℃做測試。但是，宗旨只有一個，那就是至少滿足國/行標(biāo)。要測試一種產(chǎn)品的可靠性 ，找到這種產(chǎn)品的國/行標(biāo)是必需的，按照國/行標(biāo)的要求和指引找出必須的測試項目與 各項目的測試方法，從而進(jìn)行環(huán)境測試； 同一種產(chǎn)品，在不同的階段，測試條件也不一樣；一般而言，產(chǎn)品會經(jīng)過研發(fā)、小批 量試產(chǎn)、批量生產(chǎn)三個不同的階段。在研發(fā)階段，測試條件最嚴(yán)（應(yīng)力最大）、測試延 續(xù)的時候最短；小批量試...
可靠性基礎(chǔ)知識部分