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可靠性基础

可靠性增长

作者:admin 时间:2022-12-26

可靠性增长可从多个不同的角度来看。早期有关可靠性增长的一些工作主要集中在管理方面。1970年Selby和Miller研制的可靠性计划与管理(RPM)模型是联系可靠性要求和实施计划的管理工具,可帮助确定所需样品数和设计方案通过增长过程的成熟时间,并可监测进展情况,评价对原计划进行调整的性。


  1. 1 概述

  2. 2 可靠性增长更广泛的概念

  • 设计反复

  • 开发试验

  • 专门的可靠性增长试验

  • 可靠性增长试验结果的使用

  • 可靠性增长试验的计划和评价



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    超越 降额 – 值得现代工程师参考的可靠性概念


1 概述

--可靠性增长可从多个不同的角度来看。早期有关可靠性增长的一些工作主要集中在管理方面。1970年Selby和Miller研制的可靠性计划与管理(RPM)模型是联系可靠性要求和实施计划的管理工具,可帮助确定所需样品数和设计方案通过增长过程的成熟时间,并可监测进展情况,评价对原计划进行调整的性。

--但大多数情况下提及可靠性增长这一话题时,讨论的重点都是可靠性增长试验。一般而言,为了证明设计的正确性以及设计中使用的模型和分析工具的有效性,试验是开发的标准、部分。对于可靠性增长试验,大量的工作被用于研制各种统计模型,以便计划和跟踪通过试验所取得的可靠性增长。由于试验费用很高,因此自然会把很多精力放在研制好的模型和注重可靠性增长过程上。

--我们知道最常用的模型是Duane模型。Duane的观点是把整个重点放在试验中发现失效,然后通过重新设计予以排除。

--在1994年10月召开的“可靠性与风险分析课题”系列专题会议的第三次会议上,分组讨论中有一组的主题是“可靠性增长的范围和目的”。会上讨论了把试验作为实现可靠性增长方法的状况。其中一位成员提出,象卫星这样的产品,由于成本高,供试验的物品有限,因而少可能进行那种和可靠性增长有关的试验。对这种系统如何实现可靠性增长呢?


2 可靠性增长更广泛的概念

--为解决不用试验能否实现可靠性增长的问题,讨论小组对设计经过演变最终形成样品的过程进行了评审。一般来说,这是一个反复的过程。由于不同性能要求常相互矛盾,因而需要反复的设计过程;设计优化时满足了一个要求但可能另一个要求就得不到满足。要求间的平衡是艰苦的工作。

--不能同时进行所有的分析是需要进行反复的另一个原因。因此一次分析所带来的设计变更在下一次分析后有可能又要改变。随着这些反复过程,设计得到了。在设计过程中进行的某些分析直接涉及到设计的可靠性,因此设计的可靠性随着每次以分析评价为基础的设计变化而得到了提高。

--讨论小组用上述的推理过程确定了一个范围更广的可靠性增长定义:即最初设计的可靠性提高的过程。这种设计反复所带来的提高既可以以分析评价和评估为基础,也可以以试验结果(失效数)为基础。在理想情况下,当产品进入试验时,所有的缺陷都已经通过分析后的设计更改而予以消除。而实际则很少做得到,对在开发试验中发现的设计缺陷(即失效)仍需要进行一些设计变更。常用于可靠性增长过程的一种开发试验就是可靠性增长试验。

设计反复

--许多初步设计都是由过去的设计外推而得;而有些则是全新的。两者在制作样品或实验模型进行试验之前以及在关键设计评审之前都要进行认真的研究推敲,即通过分析对设计进行评价和评估。有许多种可靠性分析可用于评价和评估产品的可靠性,包括失效模式和效应分析、故障树分析、潜通电路分析、最差情况分析和有限元分析。分析中发现初步设计中的弱点后,对设计进行更改,然后进行分析。我们将此设计—分析—再设计过程称为纯设计。

--这种反复的纯设计过程一般进行到设计者对设计达到某种满意程度为止,即设计者不经过样品试验,而是仅凭分析后认为再反复设计已没有多少价值时为止。显然,我们不想把有限的资源花在潜在回报很小的设计反复中,但如果过早停止纯设计过程,又会过分依赖开发试验过程来发现设计缺陷。

--对于象卫星这样的产品,要制作整个产品的样品和试验物品是非常昂贵的。可以制作分系统和关键元器件的试验物品,但很少对整个产品进行程度很高的试验。在端情况下甚至产品的“全面”(full-up)试验要在发射时才进行。在这种情况下显然需要“全面”的纯设计过程。即使在制作试验物品和试验资金不成问题的时候,在完成设计过程之前就制作和试验硬件也是不明智的。

开发试验

--如定义所述,理想的情况是有的纯设计过程,不需要试验来提高可靠性以满足要求。但分析工具、模型和工程判断并不,因而其结果也不会。因此在某种程度上,要填补知识和了解上的空白,开发试验总是需要的。在发现性能缺陷和失效时,要采取两种不同的措施。

--第一,工程师要检查其使用的模型和工具,对其进行修改、或改进。这样可从试验中获取经验,用改进后的工具和模型来改进下一个纯设计过程。

--第二,根据对试验数据分析获得的信息改进设计。对每个失效都进行全面分析。对下列有关失效的信息要记录:

失效发生的条件(环境、操作等)失效是如何发现的(现象)失效的效应实际使用中失效的可能后果。分析本身回答下述问题:

潜在的失效机理是什么?在实际使用中再发生的概率是多少?应采取什么修改措施来防止再发生或最大程度降低失效的效应?----如果确认需要对设计进行修改,那么在实行了修改和修改是有效的前提下可实现可靠性增长。这两个前提是很关键的。以计划变化为依据来作判断是有风险的;把变化真正结合到系统或设备中,并验证这些变化在改正问题上的有效性。

--前面的讨论都是把纯设计过程和设计—试验过程当作依次发生的独立过程,但实际上两个过程往往有部分重叠,不过纯设计阶段确实要在所有的试验之前就开始进行。

专门的可靠性增长试验

----可靠性增长试验仅仅是开发试验中的一种。传统上是用一的试验或系列试验作为专门的可靠性增长试验,对试验中出现的失效要进行分析,并找出修改措施防止或减缓失效再次发生的影响。进行这类试验的时间和资源是有限的。一个开发项目还要进行许多其他的开发试验,包括功能、环境和验证试验。实际上可靠性增长过程的基本原则并不排斥对这些开发试验中出现的失效进行分析。增长过程要取决于失效源的发现和及时修正。如果可以合理收集数据,对失效进行全面分析,那么各种类型的试验都是失效信息的潜在来源。能对各种开发试验的失效进行分析,以验证设计和设计中使用的工具和模型,这是非常重要的。

--利用各种开发试验的失效数据来估计可靠性水平会有困难。结合非类似试验的数据在统计上是复杂的问题还没有得到解决。要避免这一问题,方法之一就是利用为工程目的(即验证设计和设计中使用的工具和模型)而进行的所有试验的失效,可靠性估计则只以专门增长试验的数据为基础。

可靠性增长试验结果的使用

--增长试验的主要目的是验证设计和设计中使用的工具和模型。各公司经理主要是根据可靠性增长试验来确定是否符合合同规范的。这一在增长跟踪目的上的变化,部分原因在于取消了大部分的鉴定或验证试验。

--而这一变化也改变了试验的方式。原先,失效并非一件“坏事”,因为它可向设计者提供有关设计充分程度的有价值的信息。通过设计—试验过程,设计者可对使用的工程和设计工具及模型进行,并改进设计。当可靠性增长试验被用于确定是否满足合同时,它就成了合格—不合格(pass-fail)试验,失效是不受欢迎的。有关某个失效是否“相关”或者某个事件是否真是失效的争论往往成为失效分析过程的常见部分。试验用于发现问题的初衷大打折扣,失去了试验的真正价值。

--要保证不失掉试验的原目的,在试验开始之前确定好试验的基本原则。

可靠性增长试验的计划和评价

--专门的可靠性增长试验需要认真计划,以避免评价数据时出问题。下面主要讨论较为流行的Duane模型。但要注意的是已研制出了许多模型,有些在评价和跟踪上更优越(如AMSAA模型)。Duane模型由于假设MTBF和试验时间之间的关系在对数纸上是一条直线,因此在评价和跟踪上并不特别好。这种假设可简化计算,但也要求在失效后和试验继续之前马上进行设计修改(修正)。而在实际中,设计修改常常拖延至较方便和合理的时候,一次进行几个修改。尽管如此,Duane模型仍然是很有用的计划工具。

Duane模型有下列参数:

a 是增长率,等于MTBF的变化除以变化发生的时间A常数是MTBF初始值的函数T是试验时间。


可靠性增长研究现状

可靠性增长主要是指研制生产过程的可靠性增长,在使用过程中,产品的可靠性也有可能不断增长,例如有些产品在小批量生产阶段实行了可靠性增长。可靠性增长试验是工程试验工作项目,它能够使产品可靠性得到确实的提高,并能用数理统计方法进行评估。可靠性增长技术的迅速发展,引起了国内外工程界和从事可靠性研究的科技人员的广泛关注。

1、国外可靠性增长技术的发展:

早在20世纪50年代,就已经开始可靠性增长技术的研究。1956年,H. K. We i s s在Operations Research上发表的学术论文“具有Poisson型失效模式的复杂系统中的可靠性增长估计”中,提出了第一个可靠性增长模型。

1962年,通用电器公司的工程师J. T. Duane分析了两种液压装置及三种飞机发动机的试验数据,发现只要不断地对产品进行改进,累计失效率与累计试验时间在双对数坐标纸上使一条直线。Duane的经验模型是可靠性增长技术发展中第一个重要的里程碑。

1972年,陆军装备系统分析中心的L. H. Crow在Duane模型的基础上提出了可靠性增长的AMSAA模型或称为Crow模型,Crow给出了模型参数的大似然估计与无偏估计、产品MTBF的区间估计、模型拟合优度检验方法、分组数据的分析方法及丢失数据时的处理方法,系统的解决了AMSAA模型的统计推断问题。AMSAA模型时可靠性增长技术发展中的第二个重要里程碑。

1989年,电工委员会颁发标准IEC61014《可靠性增长大纲》,2002年10月在电工委员会第66届大会上对前两个标准进行研讨,拟增加用于可靠性增长计划Krasich模型和Bayes模型、用于可靠性增长评估的IBM/Rosner模型等。

2、国内可靠性增长技术的发展:

1975年,钱学森同志向我国可靠性工程界指出:搞变动统计学的研究。后来进一步指出:变动统计学时可靠性工程界的三大研究方向之一。

20世纪70年代末期,航天系统开展了可靠性增长技术的研究。

1992年5月,国防科工委颁发军用标准GJB1407《可靠性增长试验》,并指出该标准主要用语各类军用电子系统或设备的工程研制阶段,其它阶段和其它设备也可参照执行。可靠性增长试验时实现可靠性增长的一个正规途径,其目的在于有计划地激发故障、分析故障和改进设计并证明改进的有效性。

1994年8月,技术监督局颁发标准GB/T15174《可靠性增长大纲》,等效采用标准IEC61014a

1995年10月,国防科工委颁发军用标准GJB/Z77《可靠性增长管理手册》,主要参照美军标MIL-HDBK-189。后者指出,陆军装备系统分析中心(AMSAA)模型也可用于高可靠性的试验次数足够多的一次性使用产品的成败型离散数据的可靠性增长分析。MIL-HDBK-189并没强调限定词“高可靠的试验次数足够多的”,直接给出了AMSAA模型方程选择指南。但是,这两者既没有详细讨论成败型离散数据库与连续的时间故障数据间的对应关系,也没有给出成败型离散数据应用AMSAA模型的实例。