品质的基本保证——可靠性

发布人：传感器技术时间：2023-12-17 来源：工程师发布文章

可靠性工程是表征产品（系统•元件•器件等）无故障工作能力的指标，是产品的重要内在属性之一，是衡量产品质量的重要指标之一。

可靠性是抑制产品故障的一门新兴学科，它涉及的范围广泛，综合了系统工程、管理工程、价值工程、人机工程、电子计算机技术、产品测试技术以及概率、统计、运筹、物理等多种学科成果的应用科学。

可靠性工程起源于军事领域，经过半个多世纪的迅速发展，现在已成为涉及面非常广的综合性学科。随着科技发展，用户对民用产品的要求也越来越高，不仅要求价格便宜，功能齐全，而且要求产品安全可靠，经久耐用。因此产品借助可靠性预计技术来标明产品可靠性指标，将有利于增强自身竞争力，也能让用户放心购买。所以可靠性研究对于现代企业来说有着弥足重要的作用，可以说可靠性已经扩展到我们生活和生产的方方面面。

可靠性的历史

二十世纪四十年代被认为是可靠性萌芽时期。到了20世纪中期，是可靠性兴起和形成的重要时期。

为了解决电子设备和复杂导弹系统的可靠性问题，美国展开了有组织的可靠性研究。其间，在可靠性领域最有影响力的事件是1952年成立的电子设备可靠性咨询小组（AGREE），它是由美国国防部成立的一个由军方、工业领域和学术领域三方共同组成的、在可靠性设计、试验及管理的程序及方法上有所推动的、并确定了美国可靠性工程发展方向的组织。

AGREE组织在1955年开始制订和实施从设计、试验、生产到交付、储存和使用的全面的可靠性计划，并在1957年发表了《军用电子设备可靠性》的研究报告，从9方面全面阐述可靠性的设计、试验、管理的程序和方法，成为可靠性发展的奠基性文件。这个组织的成立和这份报告的出现，也标志着可靠性学科发展的重要里程碑，此时，它已经成为一门真正的独立的学科。

上世纪四十年代初期到六十年代末期，是结构可靠性理论发展的主要时期；六十年代到八十年代，是结构可靠性理论得到了发展并已较为成熟的时代九十年代，人可靠性分析方法的研究趋于活跃，许多学者将人工智能、随机模拟、心理学、认知工程学、神经网络、信息论、突变论、模糊集合论等学科的思想应用到人可靠性分析中，出现了人可靠性心理模型、人可靠性分析综合认知模型、人模糊可靠性模型、人机系统人失误率评估的动态可靠性技术以及计算机辅助人可靠性分析等。

可靠性在电力系统中也得以广泛应用，目前的研究几乎涉及到电力系统发电、输电、配电等各方面，可靠性分析也正逐步成为电力系统规划、决策的一项重要的辅助工具。

在电子领域，现有的绝大多数可靠性数学模型和研究方法是以电子产品为最初对象产生和发展起来的，所以目前对电子产品的可靠性研究不论从可靠性建模理论、可靠性设计方法、失效机理分析、可靠性试验技术及数据统计方式等均已趋向成熟。另外，在机械、汽车、电力等领域，可靠性也发挥着不可替代的作用。

可靠性的相关定义和概念

1、可靠性

是表征产品（系统，元件，器件等）无故障能力工作的指标，是产品的重要内在属性，是衡量产品质量的重要指标之一。可靠性是产品在整个生命周期中，保证完成规定功能的能力，是产品质量好坏的一项重要指标，是产品生命的一部分，我国国家标准GB3187-1982(可靠性基本名词术语及定义)中对可靠性的定义是“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”。可靠性是产品生命周期中具有完成规定功能的能力。可靠性的基本概念即：可靠度，故障概率，故障（失效）率，故障概率密度，寿命等的表示与数量指标，以及他们之间的相互关系，他们代表了产品可靠性的基本内容。

2、可靠度R(t)

是产品在寿命周期内完成规定功能的指标。按我国国标规定，可靠度的定义是“在规定条件下，规定时间内完成规定功的概率”。即产品在规定条件下规定时间内的可靠性。

可靠度函数可用关于时间 t 的函数表示，可表示为

R（t）=P(T>t)

其中，t 为规定的时间，T表示产品的寿命。

由可靠度的定义可知，R(t)描述了产品在（0，t）时间内完好的概率，且R(0)=1，R（+∞）=0。

3、故障（失效）概率

F(t)=P(T>t)

F(t)=1-R(t)或F(t)+ R(t)=1

其中，t 为规定的时间，T表示产品的寿命

4、故障概率密度函数

等于单位实际的故障概率函数的变化。

Ft=[F(t+dt)-F(t)]/dt

5、失效率

是指工作到某一时刻尚未失效的产品，在该时刻后，单位时间内发生失效的概率。一般记为λ，它也是时间t的函数，故也记为λ(t)，称为失效率函数，有时也称为故障率函数或风险函数。

Λ(t)=dr/Nsdt

其中λ(t)——瞬时失效率；

dr——失效数的增量

Ns——剩余产品数

dt——时间增量

6、可靠性寿命

平均故障间隔时间 mean time between failures (MTBF) 可修复产品的一种基本可靠性参数。其度量方法为：在规定的条件下和规定的期间内，产品寿命单位总数与故障总次数比。

平均故障前时间 mean time to failures (MTTF) 不可修复产品的一种基本可靠性参数。其度量方法为：在规定的条件和规定的期间内，产品寿命单位总数与故障产品总数之比。

7、可靠寿命

由给定可靠度求出的与其相对应的工作时间，称为可靠寿命。设产品的可靠度为R(t)，使可靠度等于规定值r时的时间t,即为可靠寿命

8、中位寿命

中位寿命是指可靠度为0.5时的寿命，即t（0.5）的值，即表示为

t（0.5）=0.63915(1/λ)

9、特征寿命

即R(t)=1/e=0.368时对应的寿命,失效规律服从指数分布时，特征寿命就是平均寿命θ

t=1/λ=θ

10、贮存寿命

产品在规定条件下贮存时，仍能满足质量要求的时间长度。产品出厂后，不工作，在规定条件下贮存，产品也有一个非工作状态的偶然故障率，而此一般比工作故障率小得多，但贮存产品的可靠性也是在不断下降的。因此，贮存寿命是产品贮存可靠性的一种度量。

可靠性设计

可靠性要求是设计、分析、试验和验收的依据。可靠性设计要求可分为：定性要求; 定量要求。

定性要求内容有: 遵守一般可靠性设计和准则等。

定量要求内容有: 使用与合同参数和指标。

使用参数和指标：直接与产品完好性、任务成功性、维修人力和保障资源费用有关的一种度量。其度量值称指标（目标值与门限值）。合同参数和指标：在合同中表达订购方要求的，并且是承制方在研制和生产过程中可以控制的参数。其度量值称为合同指标（规定值和最低可接受值）。

目的：通过制定并贯彻型号可靠性设计准则，把有助于保证、提高产品可靠性的一系列设计要求设计到产品中去。

制定可靠性设计准则的依据

（1）型号《立项论证报告》、《研制总要求》及研制合同（包括工作说明）中规定的可靠性设计要求；

（2）国内外有关规范、标准和手册中所提出的可靠性设计准则等相关内容；

（3）类似型号中制定贯彻的可靠性设计准则中的有关条款；

（4）通过调研，了解使用人员在使用中对产品的可靠性方面需求，整理转化为可靠性设计准则；

（5）研制单位所积累的可靠性设计经验和失败所取得的教训。

按技术分类可靠性设计准则1.简化设计2.冗余设计3.热设计4.环境防护设计5.抗冲击、振动和噪声设计6.稳定性设计7.安装设计8、液压件设计9.原材料、零部件和元器件选用10. 包装、贮存、装卸与运输设计。

可靠性试验

1、可靠性增长试验：

可靠性增长试验是产品研制阶段中单独安排的一个可靠性工作项目，作为工程研制阶段的组成部分。保证产品进入批生产前的可靠性达到预期的目标。可靠性增长试验通常安排在工程研制基本完成之后和可靠性鉴定试验之前。可靠性增长试验是一种有目标、有计划、有增长模型的专项试验。可靠性增长试验耗费的资源相当巨大，试验总时间通常为产品预期MTBF目标值的5~25倍，所以,并不是任何一个产品都合适进行增长试验。

可靠性增长试验的一般方法是制定增长目标、确定增长模型, 通过试验发现产品故障, 根据故障分析,改进设计的这样一个不断反复试验改进过程

2、可靠性研制试验 (RDT)：

(1)目的通过对产品施加适当的环境应力、工作载荷,寻找产品中的设计缺陷,以改进设计,提高产品的固有可靠性水平。

(2)方法试验、分析、改进。

(3)类型可靠性强化试验(RET)、高加速寿命试验(HALT)、可靠性增长摸试验。

(4) 适用时机可靠性研制试验应在产品的研制阶段尽早开展，通过试验、分析与改进的过程来提高产品的固有可靠性水平。

可靠性验证试验目的：是确认产品是否符合合同规定的可靠性定量要求。

3、可靠性鉴定试验：

为了验证设备设计是否符合规定的可靠性要求，应用能代表具有批准的技术状态的设备, 在规定的环境试验条件下进行可靠性鉴定试验。若无其他规定，则至少要用两台设备进行定时截尾试验方案的鉴定试验。统计试验方案应是订购方规定或同意的GB5080中的方案

4、可靠性验收试验：

为了确定生产的设备是否符合规定的可靠性要求，应按规定的抽样原则从各生产批次中抽取设备, 在与可靠性鉴定试验相同的环境试验条件下进行可靠性验收试验，这些受试设备应能代表其所属批次的特征。验收试验统计试验方案应从GB5080中给出的序贯截尾试验方案或定时截尾试验方案。

验证试验(统计试验)方案的分类

指数寿命型：定时截尾、序贯截尾、定数等方案
成败型：一次抽样、序贯截尾等方案

EMC测试

随着电子产品越来越多地采用低功耗、高速度、高集成度的LSI电路，使得这些系统比以往任何时候更容易受到电磁干扰的威胁。而与此同时，大功率设备及移动通讯和无线寻呼的广泛应用等，又大大增加了电磁骚扰的发生源，因此我们应提高产品本身抗干扰能力，即要求产品必须具备在一定的电磁环境下能正常工作的能力。某些产品在EMC方面的测试是国家强制要求进行的。通常状况下，EMC需要测试如下项目：