可靠性概述

  • “可靠性”作为衡量产品质量的一个重要指标,早己不是一个新的概念。可靠性理论是以产品的寿命特征作为主要研究对象的一门综合性和边缘性科学,它涉及到基础科学、技术科学和管理科学的许多领域。长期以来,一切注重产品信誉的厂家,为了争取顾客都在追求其产品具有好的可靠性。因为只有那些可靠性好的产品才能长期发挥其使用性能而受到客户的欢迎。不仅如此,有些产品如汽车、轮船、飞机,如果其关键零部件不可靠,不仅会给用户带来不便,耽误时间、推迟日程,造成经济损失,甚至还可能直接危及使用者的生命安全。像美国“挑战者”号航天飞机、苏联切尔诺贝利核电站等发生的重大可靠性事故所引起的严重后果,都足以说明产品的可靠性差会引起一系列严重问题,甚至会危及国家的荣誉和安全。而1957年苏联第一颗人造卫星升天,1969年美国阿波罗11号宇宙飞船载人登月等可靠性技术成功的典范,不仅为其国家带来荣耀,而且说明了高科技的发展要以可靠性技术为基础,科学技术的发展又要求高的可靠性。

     

        早期人们对“可靠性”这一概念的理解仅仅从定性方面,而没有数值量度。但为了更好地表达可靠性的准确定义,不能只从定性方面来评价它,而应有定量的尺度来衡量它。在第二次世界大战后期,德国火箭专家R Lusser首先提出用概率乘积法则,将系统的可靠度看成其各子系统的可靠度乘积,从而算得VII型火箭诱导装置的可靠度为75,首次定量地表达了产品的可靠性。但只是从50年代初期开始,在可靠性的测定中更多地引进了统计方法和概率概念以后,定量的可靠性才得到广泛应用,可靠性问题才作为一门新的学科被系统地加以研究。60年代以来,空间技术和宇航技术的发展提高了可靠性的研究水平,扩展了其研究范围,对可靠性的研究,以及由电子、航空、宇航、核能等尖端工业部门扩展到电机与电力系统、机械、动力、土木等一般产业部门,扩展到工业产品的各个领域。对机械产品,尤其是对大批量生产的汽车产品的可靠性研究,已成为重要课题,并且取得了可喜的成果,例如,1959年在国际市场上小轿车的保用期为90天或4000英里,而到70年代初提高到5年或50000英里。当今,提高产品的可靠性己经成为提高产品质量的关键。今后只有那些可靠性高的产品及其企业,才能在竞争日益激烈的世界上幸存下来。不仅如此,国外还把对产品可靠性的研究工作提高到节约能源和资源的高度来认识。这不仅因为高可靠性产品的使用期长,而且通过可靠性设计,可以有效地利用材料,减少加工工时,获得体积小、重量轻的产品。

     

        利用概率论的方法可把产品发生故障的规律作为随机现象来研究。所以,通常所说的可靠度,一般不是指某一特定具体产品的可靠度,而是对该种型号产品总体可靠度而言。当然,就一些单个产品而言,如果能在其长期运行的条件下,观测其故障规律,则不仅能够估计出一些产品的可靠性,也能估计出该种产品总体的可靠性。在现代生产中,可靠性技术已贯穿于产品的开发研制、设计、制造、试验、使用、运输、保管及维修保养等各个环节。从经济的观点来讲,为了减少维修费用,提高产品的利用率,高可靠性是非常必要的。但也不是可靠性好时总的消耗费用一定低,因为还有产品的制造成本问题,需要综合考虑、优化选择,以找出使总费用低的优秀可靠度。

     

        产品的可靠性是设计出来的,生产出来的,管理出来的。这一思想越来越为人们所理解。多年来世界各国开展可靠性工作的经验证明,可靠性设计对产品可靠性有重要影响。据日本电子行业的统计,产品不可靠的原因中,设计占80%元器件占15%,制造工艺占5%。又据美国海军电子实验室统计,产品的不可靠的原因中,设计占40%,元器件占30%,使用和维护占20%,制造占10%。这些统计数据表明,要提高产品的可靠性和维修性,关键在于搞好产品的可靠性设计工作。由于产品复杂性的不断提高及新技术的不断应用,产品更新换代加速,设计一种产品,需要有一个不断深化认识、逐步改进和完善的过程。初始产品(或称为样机)在试验或运行中故障较多,存在许多设计和工艺方面的缺陷。通过有计划地改进设计和工艺,治疗故障产生的原因,提高产品的可靠性水平,逐步达到预期的目标。当然,使用中又会进一步发现设计和制造工艺的不足之处,同时还会不断地收到使用中故障信息的反馈,通过改进产品使可靠性进一步提高。实现可靠性的关键在于发现故障,分析原因,并采取纠正措施。

     

    可靠性定义

     

        最早的可靠性定义由美国AGREE在1957年的报告中提出,19“年美国的MILSTD-721 B又较正规地给出了传统的或经典的可靠性定义:“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”。它为世界各国的标准所引证,我国的GB3187-82给出的可靠性定义也与此相同。但在实际应用中己经感到了上述定义的局限性,因为它只反映了任务成功的能力。于是美国于1980年颁发的MIL-STD-785B按照DODD5000.40指令(国防重要武器系统采办指令)将可靠性分为任务可靠性基本可靠性。任务可靠性的定义:“产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力”。它反映了产品的执行任务成功的概率,它只统计危及任务成功的致命故障。基本可靠性的定义:“产品在规定条件下,无故障的持续时间或概率”。它包括了全寿命单位的全部故障,它能反映产品维修人力和后勤保障等要求。例如MTBF(平均无故障间隔时间),MCBF(平均故障间的使用次数)。把可靠性概念分为两种不同用途的可靠性概念,是美国国防部对可靠性工作实践经验总结和对这一问题认识的深化。这无疑是一个新的重要发展。我国1988年颁布的军标GJB450-88就引用这两种新的可靠性定义。

     

        产品的可靠性可用其可靠度((Reliability)来衡量。可靠度是用概率表示的产品的可靠性程度的。

     

    可靠性工程

     

    可靠性工程是对产品(零部件,元器件,总成,设备或系统)的失效及其发生的概率进行统计、分析,对产品进行可靠性设计、可靠性预测、可靠性试验、可靠性评估、可靠性检验、可靠性控制、可靠性维修及失效分析的一门包含了许多工程技术的边缘性工程学科。它是立足于系统工程方法,运用概率论与数理统计等数学工具(属可靠性数学),对产品的可靠性问题进行定量的分析;采用失效分析方法(可靠性物理)和逻辑推理对产品故障进行研究,找出薄弱环节,确定提高产品可靠性的途径,并综合地权衡经济、功能等方面的得失,将产品的可靠性提高到满意的程度的一门学科。它包含了对产品可靠性进行工作的全过程,即从对零件、部件和系统等产品的可靠性方面的数据进行收集与分析做起,对失效机理进行研究,在这一基础上对产品进行可靠性设计;采用能确保可靠性的制造工艺进行制造;完善质量管理与质量检验以保证产品的可靠性;进行可靠性试验来证实和评价产品的可靠性;以合理的包装和运输方式来保持产品的可靠性;指导用户对产品的正确使用、提供优良的维修保养和社会服务来维持产品的可靠性。即可靠性工程包括了对零件、部件和系统等产品的可靠性数据的收集与分析、可靠性设计、预测、试验、管理、控制和评价。

     

        在可靠性工程中,很重视对现场使用的数据和试验数据的收集与交换。许多国家都有全国性的数据收集与交换组织,建立有各种数据库。因为数据是可靠性设计和可靠性研究的基础。在整个可靠性工程中,都是通过可靠性数据和信息反馈来改进产品的可靠性。

     

        可靠性设计是可靠性工程的一个重要分支,因为产品的可靠性在很大程度上取决于设计的正确性。在可靠性设计中要规定可靠性和维修性的指标,并使其达到最优。

     

        可靠性预测是可靠性设计的重要内容之一,它是一种预报方法,在设计阶段即从所得的失效率数据预报零部件和系统实际可能达到的可靠度,预报这些零件、部件和系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。在设备设计的初期,及时完成可靠性预测工作,可以了解该设备中各零件、部件之间可靠度的相互关系,找出提高整个设备的可靠度的有效途径。

     

        可靠性设计的另一重要内容是可靠性的分配,它是将系统规定的容许失效概率合理地分配给该系统的零、部件。在可靠性设计中采用最优化方法进行系统的可靠性分配,是当前可靠性研究的重要方向之一,称为可靠性优化设计。

     

        在可靠性设计中有时采用冗余设计法或贮备法。冗余法或贮备法是在系统中配置作贮备用的零件或部件,当原有零件或设备出现故障时,贮备件立即替换上去。并联冗余即并行工作贮备法是使完成同一职能的一批零、部件或设备同时(并行)工作,且当其中某个或部分失效时,其余的仍能保证系统的正常工作。在系统设计中采用贮备法,可成倍地提高系统的可靠度。对系统贮备的分配,也广泛地采用最优化方法。

     

        由于在不同领域中可靠性工程所处理的具体问题有所不同,内容也会有差异,但都是以系统的方法、综合的方法,以长远的眼光来研究问题,不仅重视技术,也重视管理,以取得系统的大经济效益和运行的安全可靠为目的。