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二十世纪留给二十一世纪可靠性工程热点问题

2004-4-12 来源:转载 作者:zhuhaipf

一、对可靠性定义再认识

可靠性通常被定义为:“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”或定义为:“在规定的条件下和规定时间内所允许的故障数。”数学表达式为平均故障间隔时间(MTBF)。这就认为随机故障是不可避免的,也是可以接受的。这就导致由于设计原因引起的故障只要在允许数之内,往往不能追溯到最终根源。由于制造过程导致的故障,只要仍低于许可的故障数也就不被追究。为此,在国际上早在1995年对这传统的可靠性定义提出了质疑,在欧洲开始用无维修使用期(MFOP)取代原先的MTBF,故障率浴盆曲线分布规律也就被打破。由此,摒弃随机失效无法避免的旧观念。因此,当前国际上兴起的在可靠工程中推行失效物理方法的新潮流,设计出不存在随机失效的产品并非没有可能。同时,从故障修理转换到计划预防维修。这就需要产品研发设计人员必须清楚产品将会怎样发生故障,一般何时发生故障。
   要做到《无维修使用期》必须作好如下两项工作:
  1、改变可靠性设计思路
   以自下而上的可靠性设计方法,取代采用MTBF进行自上而下分配方法。当产品系统构思和设计完成之后,单元的设计师们应在设计前充分了解单元,模块的环境条件,可能发生故障的关键部及故障模式、机理、在设计时重点加以解决,且自下而上可能存在的可靠性问题都得到彻底解决,不仅可以将系统可靠性建立在踏实的基础上,而且可以确保系统的可靠性指标留有充分的余地。同时避免因设计后期发现问题再进行更改设计,不仅费时,且效果不好,重点可采取如下设计措施:
   采用状态监控,故障诊断和故障预测设计;
   引入容错和冗余设计
   可重构性设计
   动态设计
   故障软化设计
   环境防护设计
   冗余设计
   在任务能力不受影响下,留出可接受的降级水平设计等。
  2、改变可靠性工程工作方法
   为了达到产品无维修使用周期,必须把人力、精力集中于产品研发早期阶段,只有从项目开始第一天就强调可靠性,才能真正落实自下而上的可靠性设计方法。早期明了产品的核心单元和薄弱环节,开展失效物理方法工作,采取有效纠正与预防措施,才能做到“无维修使用期”。为此,应做如下工作:
   失效物理分析、研究与应用
   开展可靠性研制试验,及早暴露设计缺陷,采取有效纠正措施。
   开展高加速应力试验(HAST),暴露产品薄弱环节予以纠正
   严格设计评审制度,消除设计隐患
   制订合理预防维修计划并予以实施。

二、关于可靠性指标体系及其验证 

当前电子产品普遍用平均故障间隔时间MTBF来表征。MTBF是产品基本可靠性指标。在可靠性预计时,以串联模型为基础,但用户最关心的是任务可靠性,即平均致命故障间隔时间MTBCF,在军品合同中都签的是MTBF,在进行可靠性指标验证试验时,都是以MTBF为依据。这出现了对故障的认识问题,一般都把可靠性验证试验中产品的存在状态简化为“二元状态”处理,即认为产品要么能完成规定功能,视为成功;要么不能完成规定功能,视为故障,非此即彼。故障统计也比较简单,要么为0,要么为1,对故障既不分类,也不加权,这在工程实施显然存在问题。大量事实证明,产品的不同故障造成的影响也不同。有的后果严重,损失很大(如雷达产品发射机的磁控管或行波管等),有的后果轻微(如指示灯失效,显示器画面瞬时抖动等),损失很小。如果把这些后果严重程度不同的故障,等同看待,客观上是不合理的,与实际情况也是不相符的。在产品可靠性验证与评价中,在确认故障,采用什么方法对故障数据进行处理,直接关系到产品的生存和发展。如果这个问题处理不当,就有可能把本来具有发展潜力的健壮设计,冗余设计扼杀在研制早期。因此,早在70年代美国在地面产品广泛地采用故障加权,但由于这种方法存在着主观的随意性和评估结果,不确定性,并且在理论上还存在一些具体问题难以解释。所以,在1980年美军标准MIL-STD-785B颁布后,故障加权处理方法被取缔,虽然785B标准取缔了故障加权问题,但对产品可靠性验证中出现的故障“二元状态”处理不合理和存在问题如何解决?所以,以美国陆军为首的一些部门和专家研究所得的验证方案,就是把产品可靠性指标细化分解。分别验证,如把地面武器装备任务状态区分以下五种加以考核。
   能圆满完成任务(Missionworthy)
   在规定时间内排除故障后能完成任务(Missionworthy)
   能完成任务,但性能降低(Missionworthy impaired)
   不能完成任务(Non-missionworthy)
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