制造装备可靠性及可靠性分析

夏志伟 岳云 纪伟

摘要：本文主要介绍了研究装备可靠性分析的目的和意义，以及我國装备的可靠性现状及发展趋势。

关键词：装备；可靠性；可靠性分析

中图分类号：TB114.3

文献标识码：A

文章编号：2095-6487 （2018） 01-0033-03

1 绪论

1.1 可靠性分析的目的和意义

可靠性分析就是要控制装备的失效，在装备全寿命过程中同故障（失效）做斗争，研究装备故障的发生、发展，故障发生后的修理、保障，以及如何预防故障的发生、直到消灭故障的规律[1]。其目的是提高装备的完好性和任务的成功性、减少维修保障开支。

1.2我国装备可靠性现状

我国的可靠性工作起始于20世纪50年代末期，但因为种种条件，我国可靠性分析并没有专门进行研究，不具备相应人才储备和学科研究，后期在一系列问题之后，我们才知道可靠性的重要性，才开始发展可靠性研究并使其步入正轨。20世纪80年代，我国的各种可靠性研究才迅速发展。但是，可靠性技术的应用还不广泛，但随着国力增强，经济发展，我们开始有能力有条件的发展可靠性研究，并且可靠性研究还给我们带来了重大利好，国家继续加大力度增加在可靠性方向的研究，如重点元器件的可靠性上。

为了跨进国际市场，得到更多用户的使用和认可，不仅要求装备有好的性能，还要求装备有更高的可靠性水平，这是装备的最基本要求，也是装备的核心竞争力，是设备得到用户认可的先决条件，是我们设备逐步走出国门的必由之路。我国的装备制造业要想逐步摆脱廉价、低端的标签，获得高端市场的青睐，装备制造的可靠性研究是不可或缺的。

2 装备的可靠性分析

2.1 可靠性的概念

系统可靠性一般是指在规定的时间内、规定条件下，系统完成规定功能的能力。完成指定功能的能力又可以表述为一定概率，这种概率就叫可靠度。可靠性定义的因素是3个基本内容：规定时间、规定条件和规定功能。（1）规定时间：可靠性定义的核心。可靠性是装备的时间质量指标，是表示质量能维持多长的时间，离开时间可靠性就无从谈起。可靠度一般随时间增加而减小。可靠度R（t）为时间函数，R （t）随时间增加减小[2]。（2）规定条件：可靠性比较的前提。可靠度的大小随规定条件的不同而不同。不规定具体条件，就失去可靠性比较的前提。这种条件包括广泛的含义包括但不限于环境条件、动力条件、负载条件等等。条件规定不同，可靠度大小就截然不同。脱离具体规定谈可靠性毫无意义可言。（3）规定功能：可靠性的实质。功能是反映装备的技术性能和质量的指标，它反映装备所能完成的任务以及各种参数性能指标。不同的装备完成的功能不同。失效的准确判断与规定功能的清晰认识密切相关。装备可靠性指标的高低受装备功能的多少和其技术指标的高低的影响。

2.2可靠性的特性

可靠性主要有三大特性，即耐久性、可维修性、设计可靠性[3]。

耐久性：长时间无故障或者可以长时间使用可以表述为耐久性。通常来说，装备是不可能纯在零故障的可能性。

可维修性：由于装备不能存在100%的无故障率，一旦装备产生故障，我们要能够迅速而且方便快捷的完成设备故障的排除，使其正常使用，这就是可维修性。当然这种可维修性是基于装备的设计结构和加工的一致性来保证，即装备制造的可靠性。

设计可靠性：这是装备制造质量的根本，可靠性设计是维持一台装备正常工作的基本条件，是基础，如果基础不牢的话，任何上层建筑都是处于危险状态无论你对上层怎么保护和维护，都不能根本解决这种危险的存在。人机系统的本身具备很高复杂性，对于同一种装备，不同的操作人员很可能采取不同操作方式，加之复杂环境的影响，设备出现故障的可能性会大大提高，所以我们在设计装备的开始，就必须考虑可靠性在设备中的必要性，是设备具备简易性和防呆操作，使其在任何条件下能具备同样的生产模式，这就是设备的设计可靠性。通常来说，操作越少越简单，发生操作失误的可能性就越小，这就避免了由于人为造成的装备故障，提高了装备的生产能力和安全性。或者说这种可靠性的设计，是提前预防可能造成的故障的各种问题而再设计中引入的各种措施。

2.3可靠性评价

可靠性是一项质量的重要指标，仅仅定性描述就显然不够，必须使之形成数量化，这样才能进行精确的描述和比较。可靠性的定量表示有其自己的特点，由于使规定条件不同，很难用一个固定的指标进行完全的评价。

2.3.1 可靠度

可靠度指装备在特定的时间并指定工作条件，完成装备设计目标的概率；通常用R来表示。

其中：，（t）一一概率密度，T——装备发生故障（失效）的时间，t——规定时间。

当t=0时，R（O） =1； t=oo时，R（oo）=O。

2.3.2失效概率

装备在特定的时间并指定工作条件，不能完成装备设计目标的概率概率，也称为不可靠度，通常用F或F（t）。

2.3.3失效率

是指在指定时刻t正常工作的装备，在该时刻后指定的时间内发生设备故障的概率，也称为瞬时失效率。通常为λ，是一个时间系数的函数，记为λ（t）称为失效率函数。

失效率曲线：即浴盆曲线，是指装备在整个生命周期（开始生产一最终报废）内可靠性表现出的一定规律。如果取装备的失效率作为装备的可靠性特征值，它是以使用时间为横坐标，以失效率为纵坐标的一条曲线。曲线的呈两头高，中间低，有些像浴盆，所以称为“浴盆曲线”。该曲线具有明显的阶段性，可划分为3个阶段：早期故障期，偶然故障期，严重故障期。

MTTF和MTBF：对于不可维护的装备来说，其平均寿命统计方法是从装备正式投入生产开始直至装备最终失效的时间的均值，也称平均失效前时间，记以MTTF，它是英文（Mean Time To Failure）的缩写。假设我们有Ⅳn个实验样品在相同的特定条件下进行失效实验（均为不可修复的装备），测得其全部失效时间为tl，t2，…tN。。其平均失效前时间（MTTF）为：

由于对不可修复的装备，失效时间即是装备的寿命，故MTTF也为平均寿命。

对可维修装备而言，出现一次故障之后的到下一次故障之前的时间的均值，称平均故障间隔时间，通常称平均无故障工作时间，用MTBF记之，它是英文（Mean Time Between Failures）的缩写。

假设我们有一个测试装备，在相同的环境下特定的条件下进行生产测试（可修复设备），在这一个过程中一共出现了Ⅳn次故障，故障排除后可以进行继续生产，把每次生产的时间记为t1，t2，…tn，其平均故障間隔时间MTBF为：

当装备的寿命服从指数分布时，装备的故障率为常数λ，则MTBF=MTTF=l/λ。

2.3.4维修性指标

平均维修时间，相对于可维修装备而言，每次出现故障开始到故障维修结束的时间的平均值，即维修设备所花费时间的平均值。记以MTTR，它是英文（Mean Time To Repair）的缩写。

其中：m（t）是指故障排除时间的概率密度函数，对应可靠性的失效概率密度函数。

维修度（对应可靠度）M（t）：指在特定环境下制定条件使用的装备，采用制定的维修方式规定的时间内，把故障设备维修好或者恢复到使用状态的概率。修复率μ（t）（对应失效率）：定义为已经进行一段时间的修理，但是装备未达到使用状态，但是在该时刻之后，装备能够修复到使用状态的概率。

可维修装备的有效度A，它表示设备处于完好状态的概率：

2.4可靠性设计

可靠性设计包括规定定性定量的可靠性要求，建立可靠性模型，可靠性分配，可靠性预计，可靠性设计准则，耐环境设计，元器件选用与控制，电磁兼容设计和降额设计余热设计等等。

2.4.1 可靠性模型

装备的可靠性模型可分为串联模型和并联模型。

（1）串联模型：组成系统的所有单元中任一单元的失效就会导致整个系统失效的逻辑关系。其数学模型为：

（2）并联模型：组成系统的所有单元都失效时系统才失效的逻辑关系。其数学模型为：

2.4.2可靠性分配

可靠性分配是指在设计阶段，将装备的可靠性定量要求按规定的准则分配到规定的装备层次的过程。

首先采用评分分配法为故障率进行评分。评分分配法：首先为故障率分配参数，需考虑的四种影响因素：复杂度由高到低评为10～1分；技术成熟度由高到低评为1～10分；重要度高到低评为1分～10分；环境条件由好到差评为1～10分。

再采用比例分配法进行计算。分配给第i个分系统的故障率^，为：

其中：Ci：第i个分系统的评分系数；λi：系统规定的故障率指标。

2.4.3可靠性预计

可靠性预计就是根据装备各组成部分的可靠性预测装备在规定的工作条件下的可靠性所进行的工作。可采用元器件计数法和应力分析法。

（1）元器件计数法：是把装备内所有零件采取串联模式加以模组化，再把所有经品质因子及使用环境因子修正过的零件失效率累加就可以初步的估计装备失效率。其数学模型为：

其中：λi：装备总的故障率；λi：第i种元器件的通用故障率；πi：第i种元器件的通用质量系数；N：第f种元器件的数量；n：装备所用元器件的种类数目。

（2）应力分析法：用于装备详细设计阶段的电子元器件故障预计。对某种电子元器件在实验室的标准应力与环境下，通过大量实验，并对其实验结果进行统计而得出该种元器件的故障率，我们把这种故障成为“基本故障”。

第一步先求出各种元器件的工作故障率^。：

其中：λb：元器件基本故障率，πE：环境系数，K：降额因子，其值小于等于l。第二步求装备的工作故障率λ：

其中：λ：第i中元器件的工作故障率；Ni：第i种元器件的数量；n：装备中元器件的种类数。

第三步求装备的MTBF：

2.4.4可靠性分析

可靠性分析方法有失效模式和效果分析FMEA和故障树分析FTA等方法。

潜在的失效模式和后果分析（FMEA）作为一种策划用作预防措施工具，最大限度的通过分析、总结设备的故障表现极其原因，找出潜在的设备失效极其后果，并且完善设备的可控性设计，找到避免或者减少这种原因的措施，保证装备的正常生产。

故障树分析法（FTA）就是在系统（过程）设计过程中，通过对可能造成系统故障的各种因素（包括硬件、软件、环境、人为因素等）进行分析，画出逻辑框图（即故障树），目的就是通过系统分析故障原因，找出各种条件组合下故障的放生概率，并通过计算概率的可能性，才赢对应措施，纠正设计过程中的不合理因素，避免故障的产生，提高装备可靠性的一种技术性方法。

3 结论

从装备的可靠性设计到可靠性分析以及可靠性试验，可以及时提前发现装备的设计、原材料、零部件、安装调试与工艺等方面的各种缺陷，可以提供改善装备的完整性、提高任务完成率、减少保障与维修费用的信息，可以确认装备是否符合可靠性设计要求，取得更大的经济效益。

参考文献

[1] 陆廷孝，郑鹏洲.可靠性设计与分析[M].北京：国防工业出版社，19 95.

[2] 赵东元，樊虎，任志久，可靠性工程与应用[M].北京：国防工业出版社，2009.

[3] 贾利民，林帅.系统可靠性方法研究现状与展望[J].系统工程与电子技术，2015，（12）：2887-2893.