可靠性工學的基礎
可靠性工學的基礎 1. 緒論 1. 可靠性工學的歷史 可靠性即針對“物”的不容易損壞這一問題，是從古至今存在的并被考慮的問 題。人類制作石器，鐵器時代以來，為提高可靠性而做出了大量辛苦的勞動。 但是，可靠性用概率這個數(shù)學方式來表示是最近的事情，作為美國宇宙開發(fā)的推進者， 至今仍活躍著的費*布朗博士小組，在德國開發(fā)VI火箭的時候，就傳說他們算出了VI火箭 的可靠度是75%。 美國是進一步把可靠性作為工學，進行組織系統(tǒng)化的國家。直接的起因是在第2次世 界大戰(zhàn)時，在對日戰(zhàn)線中，發(fā)生了向前線輸送的電子機器半數(shù)以上發(fā)生了故障，在實際 作戰(zhàn)中，不耐用和慘痛經(jīng)驗。 根據(jù)那時候的統(tǒng)計，美軍在向遠東輸送的兵器中，60%的航空機不能用，50%的電子兵 器在儲藏中發(fā)生故障。還有，轟炸機的電子機器的壽命僅有20小時，海軍用電子機器的 70%發(fā)生故障的悲慘狀況。戰(zhàn)后，立中于這些教訓，在1952年8月設置了美國國防部的可 靠性咨詢機關AGREE（Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment）。然后，在1957年提出了有名的AGREE報告（電子機器可靠 性咨詢委員會報告書），在這個報告中，美軍宣布把定量化的、可靠性作為兵器購入的 基本準則。 在這之后，在1962年左右，在這個報告書的基礎上，又時MLL SPEC（美軍規(guī)格書）進行追加，改訂，完成了有關可靠性大系統(tǒng)的規(guī)格書。AGREE報告書 ，主要追求有關可靠性的提高，測定可靠度，這之后，維護性的研究和品質保證的研究 ，在阿波羅計劃的成立（1961年）前后不斷發(fā)展。那以后的研究，主要是在故障物理（ 故障的機理）的研究之前的探索性研究，這些研究的頂點就是人類借阿波羅衛(wèi)星成功到 達月面。 另一方面，日本在1960年日本科學技術聯(lián)盟（日科肢聯(lián)），設立了可靠性研究委員會 ， 舉行了會議，文獻的翻譯和出版活動。同年在電氣通信學會（現(xiàn)在是電了情報通信學會 ）上成立了可靠性研究專門委員會，發(fā)后，舉行發(fā)表會等活動。作為政府機關，舉行了 在 1965年設置了電氣試驗所可靠性研究室，1968年設置了工業(yè)技術院可靠性技術開發(fā)室公 開的活動，還有在1973年作為民間團體，在200多家公司加入的基礎上，設立了日本電子 零 部件可靠性中心。制定了有關可靠性的工業(yè)衡量標準，如JISC5003（故障率試驗法，19 69 年),JISZ8115(可靠性用語，1970年)等等，這以后又制定了如JISC5700（可靠性保證電 子零部件通則，1970年）等等很多的規(guī)格。 1- 2可靠性技術的心要性 對可靠性技術為什么會成為必要這個問題?有以下幾點考慮： 1. 系統(tǒng)和產品復雜化，組織復雜化的復雜程序的急速的增大，據(jù)說阿波羅衛(wèi)星由710萬個 零部件組成。 在如此巨大的系統(tǒng)中，必須充分確保每一個零部件和子系統(tǒng)的可靠性。 2. 由于故障造成的損害（金額）增大 隨著系統(tǒng)的復雜化，高技能化，系統(tǒng)價格也在上升。因此，假使發(fā)生故障，就會成巨大 的損失。還有，現(xiàn)在同樣的產品在全世界使用的情況很多，修復已出口產品的故障時需 花費很大的勞力。 3. 技術開的速度很快 最近的技校術開發(fā)日新月民，一旦產品到了市場以后，如果發(fā)生的故障和索賠反應遲緩 ， 就很難改變產生不良影響這樣的事情。所發(fā)確保產品在出市場之前有分的可靠性，就變 得非常重要了。 4. 人和機械的問題 隨著系統(tǒng)的復雜化，與此相關的對人類的可靠性也變行非常重要。因為人是最容犯錯誤 的，支除人易犯錯誤這一點的可靠性設計變得很有必要。 2. 可靠性和成本 “如果可靠性很高，制造成本必然也很高”這是不爭的事實。 但是，如果無視可靠性，僅僅傾注全力去減低制造成本，生產的產品一到市場故障就 不斷，產生巨大的維修費用。還有，因故障﹑欠陷，造成用戶喪失對產品的信用而造成 的無形的費用，可靠度和成本的關系 如圖1.1。 總費用 成 本 維修費 做到可靠性 所需費用 R=0 R=1 最適當?shù)目煽啃?圖 1.1 可靠性和成本 圖1.1中總費用值小的可靠度點是最適當?shù)目煽慷龋瑢嶋H由于這個曲線具體操起來 很少，求最適當可靠度很難。 由于可靠度達到100%是不可能的，當故障發(fā)生時，如短時間內不費成本進行修復變得很 重要。這就是維護性。如果能很好地調整可靠性和維護性，就越靠近產品的最適當設計 。 還有，產品運轉所需的費用不產品的制作費（購入費）、周轉費，維護費等，并且 產品在廢棄費用也很費錢。這個產品（生命周期）一生中的總費用（全壽命費用）是否 最小要看生命周期價格。 4. 可靠性的定義 可靠性和可靠度用英語表示都是同一個詞（reliability）,可靠性是講抽象的，定性 的表達方式，可靠度是指定量的表現(xiàn)。這些概念的嚴密定義將在第2章中闡述，一般所 說的可靠性是表示“不容易損壞”的意思。 從廣義上說，可靠性有2個要素構成，這就是 1. 有發(fā)生故障 2. 即使發(fā)生故障，馬上可以修復 以上第1 點是狹義意義上的可靠性，可靠度；第2點是指維護性，維護度。這兩 素相加在一起，由可靠性+維護度構成可靠性的指標可動率（availability:可動率） 一發(fā)生故障立即能修復的產品在實際使用中可靠性就很就，這就是可動率很高的表現(xiàn)。 為了便于便用可靠性概念，經(jīng)常在銷售時說“本公司的第體可靠性是最高的”；這用可靠 度來表示是“本公司箱體的MTBF是8000小時，在客戶手里一年無故障的概率是37%， 這種說法相當澀。在這里如果用“本公司可靠性很高，有完整的維修制度，即使發(fā)生故障 也能馬上修復“來表達，說明本公司產品的可動率很高。 在可靠性的定義中加入時間概念已很普通，針對不同的場所，使用時間以外參數(shù)的方 法也有很好的一面。例如，繼電電流連續(xù)流通期間故障很少，往往由于開關動作次數(shù)多 少而變?yōu)閱栴}，針對開關回數(shù)，把導通不良率 說成PPM。還有汽車的輪胎等等，行車距離比 使用時間更成為問題。像這樣，可靠性的定義由于對像不同而發(fā)生變化。 1-5 可靠性的衡量標準 可靠性的高低程度如果不用數(shù)量表示的話，就無法明確。還有如果各公司，各國使用 了隨便下定義的數(shù)值，會招致很多混亂。因此，對可靠性的衡量標準而言，必須定出世 界通用的定義，現(xiàn)在有很多已被定義了。 這樣的分類有以下幾大類： 1. 可靠度 2. 維護度 3. 可動率 這樣不論對哪個概率有相對應的定義。可動率 就像前述的一樣，包含可靠度和 維護度。 3. 以時間為衡量標準 1) MTBF(mean time between failures) 2) MTTF(mean time to failure) 3) MTTR(mean time to repaer) 4) MDT(mean down time) 雖說可靠性是僅僅對時間品質而言的，但衡量標準也有很多。MTBF是平均故障間隔 ，MTTR是平均修 理時間，MDT是平均故障時間，這些衡量標準適用于像箱體這樣的反復修理仍在使用的產 品。 MTTF是適用于在平均壽命上像 電親一樣不能時行修理的零部件的衡量標準。 4. 以率為銜衡量標準 1. 不良率 2. 成功率 3. 故障率，事故率 這是指像產品的成品率一樣的一種QC的衡量標準。 2. 可靠性工學用語定義與使用 可靠性用語有很多，但并不都有明確的定義。在這里，對用JIS來定義的用語，發(fā)此 為中民時行解說（“內是依據(jù)JIS對定義進行說明”） 1. 可靠性 · 可靠性（reliability） “系統(tǒng)，機器，零部件等的，表示功能在使用時間上能安定發(fā)揮的程度和性質。” 對不易引起故障的物品，我們說它可靠性很高。系統(tǒng)，機器，零部件等等歸攏到一起稱 為item(項目)的場合很多。 · 可靠度（reliability） “系統(tǒng)，機器，零部件等，在規(guī)定的條件下，在期望期間中，完成規(guī)定功能的概率?！?為了用數(shù)值對可靠度進行定量的表示，明確規(guī)定了條件。據(jù)說阿羅的可靠度是99.99999 99% （也就是9.9），這是從地面發(fā)射再回到地面期間的可靠度。 · 故障（failure） “系統(tǒng)，機器，零部件等等，失去了規(guī)定的功能 這里重要的是，故障是指失去了規(guī)定的功能，僅外觀受了點傷，不能稱為故障。電阻和 電等，如果不明確其數(shù)值變化了多少才發(fā)生故障，對可靠性試驗的結果就不能正確評價 。 · 初期故障（initial failure,early failure） “ 使用開始后，在較早期由于設計，制造上的欠缺而發(fā)生和使用環(huán)境不適當?shù)墓收稀?如交貨時有合格之類的故障。初期故障的時間是多少，因產品，零部件的種類不同而各 不相同，對塔巴依愛期佩克的恒溫恒濕箱來說，推定大約為1000小時程度。 · 偶發(fā)故障（random failure,chance failure） “已經(jīng)過了初期故障期，中磨損故障期到來之前這段期間內偶爾發(fā)生的故障” · 摩損故障（wear out failure） “由于疲勞，摩損，老化現(xiàn)象，隨著時間增長故障率不斷增加這個時期的故障”是 產品和零部件的壽命。主要在送風機的軸承、壓縮機等的機械部分發(fā)生。 · 突變故障（catastrophic failure） “突發(fā)的，開且全失去功能的故障” · 衰變故障（degradation failure） “特性逐漸劣化產生故障 鋁屯解屯容器，出于屯解質的蒸發(fā)，逐漸產生容量消失，這就是所謂的衰變故障。 · 波及故障，二次故障（secondary failure） “由其他部分的故障原因，產生的故障 · 間歇故障（intermittent failuer） “ 在一定的時間里呈故障狀態(tài)，然后又回復到對的有功能 ，如此重復的故障” 這對維修業(yè)說是最關痛的故障。 · 故障類型（failure mode） 故障的狀態(tài)的形式分類。例如斷線，短路，折損，特性的衰退等等。” · 故障判定基準（failure criterion） “判定是否為故障的基準功能的極限值。” 如果產品完本不能工作，是故障就很明顯了，因溫度下降，速度誚慢的情況下，就很 難確定故障判定基準。 · 故障率（failure rate） “到某一時點為止，工作著的系統(tǒng)，機器、零部件等等，在隨后的一定單位期間內發(fā)生故 障的比例。 一般，故障率包瞬間故障率和平均，但是稱故障率指前者。這個JIS的定義也是瞬間故障 率。 平均故障率 平均故障率=（這個期間中的）總故障、總工作時間 因此，產品在購入后5年間（總工作時間20000小時），發(fā)生10次故障，平均是1/20000 小時（hr-1）。 這個（瞬間）故障率隨時間變化，由于這個縱斷面很像洋式的浴盆的開頭，所以被 叫做浴盆曲線（bath-tub curve）.在偶發(fā)故障期間率是一定的，由于知道了可靠度函數(shù)隨指數(shù)進行分布，用簡單 的計算可以求出MTBFT 和故障率。 沒維護的系統(tǒng)、機器、零部件等的典型的故障率λ（t），就如下面的圖，隨 著時間的推移而前進，分成初期故障、偶發(fā)故障、摩損個期間。故障率的單位有（1/hr ），[%100hr]，[fit ]等。Fit [failure unit ]=10-9/hr。 耐用壽命 故 障 率 λ 規(guī)定的故障率 （t） 時間t 初期故障 偶發(fā)故障期間 磨損故障 期間 期間 浴盆曲線 o MTBF、平均故障間隔（mean time between failures） “反復修理的系統(tǒng)、機器、零部件等的相鄰故障期間的工作時間的平均值?！?注：故障間隔在依據(jù)指數(shù)分布的情況下，在什么期間發(fā)生故障率是一定的，MTBF 是故障率的倒數(shù)。 MTBF 是總工作時間除以那個其間中總得到的值。 o 故障率水準（failure rate level） “故障率分為幾個群，也就是區(qū)分水準，注上記號，方便的區(qū)分。例如故障率1%103 時間稱為M水準（JJS C5003 參照）?！案鶕?jù)JIS C5003，故障水準如下所示。 | 記號 |故障率（%103h又是10-6/ |記號 |故障（%在103h又是1| | |回） | |0-6/回） | |L |5 |R |0.01 | | | | | | |M |1 |E |0.005 | | | | | | |N |0.5 |S |0.001 | | | | | | |P |0.1 |H |0.0005 | | | | | | |Q |0.05 |T | | | | | |0.0001 | o MTBF、至發(fā)生故障為止的平均時間（mean time to failure） 不修理的系統(tǒng)、機器、零部件等等至發(fā)生故障為止的工作時間的平均值?！斑m用于像密 閉型壓縮機一樣，在發(fā)生故...
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