淺談電子設(shè)備的可靠性評(píng)估

劉梓君

南京萊斯電子設(shè)備有限公司 江蘇 南京 210000

引言

可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下，完成規(guī)定功能的能力，而這種能力的標(biāo)識(shí)通常歸結(jié)于一個(gè)概率值。在現(xiàn)代產(chǎn)品的質(zhì)量中，可靠性占有突出的重要地位，所以在產(chǎn)品是全生命周期都需要開展可靠性管理工作。目前可靠性的管理工作貫穿于產(chǎn)品研制、試驗(yàn)、生產(chǎn)、使用和維修的全過程，通過對(duì)產(chǎn)品的可靠性評(píng)估，可發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性水平是否滿足要求，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化，提升產(chǎn)品的質(zhì)量水平。

1 可靠性評(píng)估的概述

由于生產(chǎn)階段產(chǎn)品數(shù)量和試驗(yàn)數(shù)量大大增加，此時(shí)所進(jìn)行的可靠性數(shù)據(jù)的分析和評(píng)估，反映了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造水平；而使用階段收集和分析的可靠性數(shù)據(jù)，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造的評(píng)價(jià)最權(quán)威，因?yàn)樗从车氖褂眉碍h(huán)境條件最真實(shí)，參與評(píng)估的產(chǎn)品數(shù)量較多，其評(píng)估結(jié)果反映了產(chǎn)品趨向成熟期或達(dá)到成熟期時(shí)的可靠性水平，是該產(chǎn)品可靠性工作的最終檢驗(yàn)，也是今后開展新產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)和改進(jìn)原產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最有價(jià)值的參考。由此看來，可靠性評(píng)估是可靠性工作的重中之重，發(fā)揮著無可替代的作用。

針對(duì)目前市面上使用最多的電子設(shè)備，進(jìn)行可靠性試驗(yàn)的費(fèi)用很大，或者沒有足夠的條件進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，所以需要對(duì)設(shè)備在使用過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析，以完成電子設(shè)備的可靠性評(píng)估工作，不僅可以實(shí)現(xiàn)成本大幅降低的目標(biāo)，還發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行分析、改進(jìn)設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性水平不斷改進(jìn)和提高[1]。

2 可靠性評(píng)估流程

電子設(shè)備可靠性評(píng)估流程一般包括：①明確產(chǎn)品可靠性要求，包括可靠性參數(shù)和指標(biāo)；②明確產(chǎn)品的故障判據(jù)和故障統(tǒng)計(jì)原則；③按大綱要求和故障判據(jù)、故障統(tǒng)計(jì)原則進(jìn)行使用數(shù)據(jù)的收集與整理；④根據(jù)數(shù)據(jù)情況選取適合的可靠性數(shù)據(jù)分析方法、對(duì)產(chǎn)品或系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評(píng)估；⑤對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行分析，并得出相應(yīng)的結(jié)論和建議；⑥完成可靠性數(shù)據(jù)分析報(bào)告。

3 詳細(xì)要求

3.1 確定可靠性要求

一般情況下，依據(jù)用戶要求，綜合考慮使用要求、精度、技術(shù)水平及相似產(chǎn)品的可靠性水平等因素，將可靠性要求（規(guī)定值）提高一定裕度，作為產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3.2 故障判據(jù)

故障具體表現(xiàn)為在規(guī)定的條件下工作時(shí)，產(chǎn)品的一個(gè)或者幾個(gè)性能該參數(shù)不能保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，或者其結(jié)構(gòu)部件、組件、元件等在工作條件下破損、斷裂、喪失完成規(guī)定功能的能力。故障判據(jù)就是判定產(chǎn)品故障的標(biāo)準(zhǔn)，具體指故障的界限，超過此界限就是故障。

3.2.1 關(guān)聯(lián)故障與非關(guān)聯(lián)故障。在可靠性分析中，凡被判定為非關(guān)聯(lián)故障的故障，應(yīng)不計(jì)入故障，而每一次關(guān)聯(lián)故障都應(yīng)當(dāng)記錄。

3.2.1.1 如果試驗(yàn)或使用中發(fā)生以下故障，應(yīng)記為關(guān)聯(lián)故障：①設(shè)計(jì)缺陷或制造工藝缺陷造成的故障；②零部件及元器件缺陷造成的故障；③損耗件在壽命期內(nèi)發(fā)生的故障；④故障原因不明的故障。

3.2.1.2 如果使用中發(fā)生以下故障，應(yīng)記為非關(guān)聯(lián)故障：①產(chǎn)品在使用過程中，由于安裝不當(dāng)造成的故障；②試驗(yàn)設(shè)備、監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)生的故障，以及由此引起的產(chǎn)品的故障；③使用過程中由于意外事故或誤操作引起的故障；④由其他產(chǎn)品引起的從屬故障；⑤由使用程序、規(guī)程等方面的錯(cuò)誤引起的故障；⑥在同一部件第二次或相繼出現(xiàn)的間歇故障；⑦在篩選、尋找故障、修復(fù)驗(yàn)證或正常維護(hù)調(diào)整中發(fā)生的故障；⑧由于超過設(shè)計(jì)要求的過應(yīng)力所造成的故障；⑨超壽命期工作時(shí)出現(xiàn)的故障；⑩批準(zhǔn)的試驗(yàn)程序中明確的其他非關(guān)聯(lián)故障；? 其他任何非系統(tǒng)的獨(dú)立故障引起的失敗或故障。

3.2.1.3 至于關(guān)聯(lián)故障與非關(guān)聯(lián)故障的變更，當(dāng)滿足下列條件時(shí)，已判定為關(guān)聯(lián)故障的，可以重新判定為非關(guān)聯(lián)故障。①經(jīng)過故障分析、采取了相應(yīng)的有效的糾正措施，并有足夠證據(jù)證明糾正措施對(duì)消除故障完全有效；②已得到訂購方對(duì)故障進(jìn)行重新分類的批準(zhǔn)。

3.2.2 故障統(tǒng)計(jì)原則。在確定故障判據(jù)之后，需要按照一定的故障統(tǒng)計(jì)原則，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和篩選。對(duì)故障進(jìn)行分類后，應(yīng)按下面的原則對(duì)關(guān)聯(lián)故障次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：

3.2.2.1 在一次工作中出現(xiàn)的同一部件或設(shè)備的間歇性故障或多次報(bào)警，只記錄一次故障；

3.2.2.2 當(dāng)可證實(shí)多個(gè)故障模式是由同一器件的失效引起的時(shí)候，整個(gè)事件記錄一次故障；

3.2.2.3 在有多個(gè)零部件或單元同時(shí)失效的情況下，當(dāng)不能證明是一個(gè)失效引起了另一些失效時(shí)，每個(gè)元器件的失效各記錄為一次獨(dú)立的故障；

3.2.2.4 已經(jīng)報(bào)告過的故障由于未能真正修復(fù)而又再次出現(xiàn)的，應(yīng)和原來報(bào)告過的故障合并，記錄一次故障；

3.2.2.5 由于獨(dú)立故障引起的從屬故障不計(jì)入裝備的故障次數(shù)；

3.2.2.6 試驗(yàn)對(duì)象或其部件計(jì)劃內(nèi)的拆卸時(shí)間不計(jì)入故障次數(shù)；

3.2.2.7 零部件的輕微缺陷，若不喪失規(guī)定功能，并且能夠按照維修規(guī)程通過工作前檢查和工作后檢查等予以原位修復(fù)（不引起拆卸）的時(shí)間，如松動(dòng)、漂移、滲漏等，不計(jì)入故障次數(shù)；

3.2.2.8 已確認(rèn)為非關(guān)聯(lián)故障的故障不計(jì)入故障次數(shù)；

3.2.2.9 其他要求。

3.3 數(shù)據(jù)收集

可靠性數(shù)據(jù)主要從兩方面得到：一是從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的可靠性試驗(yàn)中得到，二是從產(chǎn)品實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)得到。從實(shí)驗(yàn)室得到的數(shù)據(jù)，稱為試驗(yàn)數(shù)據(jù)或內(nèi)場(chǎng)數(shù)據(jù)；而在現(xiàn)場(chǎng)得到的數(shù)據(jù)，則稱為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)或外場(chǎng)數(shù)據(jù)[2]。

在產(chǎn)品故障頻發(fā)（可靠性低）的狀態(tài)下，通過實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)可以很容易地獲得數(shù)據(jù)。但當(dāng)產(chǎn)品的可靠性提高之后，故障并不輕易發(fā)生，通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)取得數(shù)據(jù)就很困難。當(dāng)產(chǎn)品的可靠性較高，無法在實(shí)驗(yàn)室獲得數(shù)據(jù)，采取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)更為合適。其中記述產(chǎn)品開始工作至故障的時(shí)間（故障時(shí)間）及開始工作至統(tǒng)計(jì)之時(shí)尚未故障的工作時(shí)間（無故障工作時(shí)間）的數(shù)據(jù)是用來評(píng)估使用可靠性參數(shù)的主要數(shù)據(jù)，應(yīng)特別注意收集。數(shù)據(jù)收集數(shù)量越多，則可靠度評(píng)估的準(zhǔn)確性越高，應(yīng)盡量多收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

3.4 失效分布類型確定

失效分部類型是各種各樣的，某一類型分布可適用于具有共同失效機(jī)理的某些產(chǎn)品。常用的失效分部有指數(shù)分布、正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、威布爾分布、二項(xiàng)分布、泊松分布等。

確定產(chǎn)品的失效分布類型可通過失效物理分析，來證實(shí)產(chǎn)品的失效形式或失效機(jī)理近似地符合于某種類型的失效分部的物理背景。表1給出了常用產(chǎn)品在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中得到的對(duì)應(yīng)分布的舉例。

表1 常用產(chǎn)品的失效分布類型對(duì)照表

本文主要針對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)品進(jìn)行可靠性評(píng)估，通過上表可知失效分部選擇指數(shù)分布較為合適。

3.5 可靠性評(píng)估

3.5.1 平均壽命。當(dāng)產(chǎn)品為不可修復(fù)產(chǎn)品時(shí)，平均壽命又稱為平均故障時(shí)間（mean time to failure），簡(jiǎn)記為MTTF。

當(dāng)產(chǎn)品為可修復(fù)產(chǎn)品時(shí)，其平均壽命又稱為平均故障間隔時(shí)間（mean time between failure），簡(jiǎn)記為MFBT。一般的電子設(shè)備如顯示器、計(jì)算機(jī)等均為可修復(fù)產(chǎn)品，產(chǎn)品的平均壽命為平均故障間隔時(shí)間（MTBF），所以對(duì)產(chǎn)品MTBF的評(píng)估計(jì)算產(chǎn)品的平均壽命θ即可。

3.5.2 置信下限。在實(shí)際使用過程中，產(chǎn)品的可靠性越高越好，此時(shí)單側(cè)置信限的下限可作為可靠性評(píng)估的指標(biāo)，所以產(chǎn)品的可靠性評(píng)估計(jì)算出最優(yōu)置信下限即可。

3.5.3 有替換定時(shí)截尾時(shí)的指數(shù)分布可靠性評(píng)估。一般由于產(chǎn)品發(fā)生故障后回進(jìn)行維修，維修后進(jìn)行繼續(xù)工作，所以可看作有替換的試驗(yàn)，一般評(píng)估采用評(píng)估時(shí)作為截止時(shí)間收集數(shù)據(jù)，所以可看作定時(shí)截尾，因而考慮采用有替換的定時(shí)截尾時(shí)的指數(shù)分布類型進(jìn)行可靠性評(píng)估。

已知產(chǎn)品壽命服從指數(shù)分布，現(xiàn)從總體中抽取n個(gè)樣品進(jìn)行有替換試驗(yàn)，試驗(yàn)至t0時(shí)停止，其運(yùn)行時(shí)間的統(tǒng)計(jì)量為t1、t2……tn。可以得到，所有產(chǎn)品的使用時(shí)間之和T0為：

對(duì)于發(fā)生故障的設(shè)備，其使用時(shí)間為幾段使用時(shí)間相加，例如：某設(shè)備共發(fā)生2次故障，每次修復(fù)后繼續(xù)工作，具體的設(shè)備工作時(shí)間在圖1上進(jìn)行標(biāo)注，則該單個(gè)設(shè)備的總運(yùn)行時(shí)間t運(yùn)行為：

圖1 設(shè)備工作時(shí)間示意圖

進(jìn)行單側(cè)信限估計(jì)時(shí)，其置信度為（1－α）水平的平均壽命置信下限為：

式中，r－為故障次數(shù)。

注：置信水平（1－α）通常取0.9，即α為0.1。

3.5.4 結(jié)果分析。根據(jù)上文中平均壽命θ的（1－α）水平的單側(cè)置信下限可得出可靠性評(píng)估的MTBF值，通過與產(chǎn)品要求的MTBF值進(jìn)行對(duì)比，若超過產(chǎn)品的要求，則認(rèn)為該產(chǎn)品滿足可靠性設(shè)計(jì)要求，若小于等于產(chǎn)品的要求，則認(rèn)為該產(chǎn)品不滿足可靠性設(shè)計(jì)要求，則需要進(jìn)行故障進(jìn)一步分析，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)可靠性要求[3]。

3.6 輸出可靠性評(píng)估報(bào)告

根據(jù)上述評(píng)估流程，應(yīng)形成產(chǎn)品的可靠性評(píng)估報(bào)告，作為可靠性評(píng)估的輸出，報(bào)告中應(yīng)包含產(chǎn)品的概述、可靠性要求以及可靠性全部評(píng)估過程的內(nèi)容，報(bào)告應(yīng)翔實(shí)記錄產(chǎn)品試驗(yàn)及使用過程中收集的數(shù)據(jù)，以保證可靠性評(píng)估結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

本文僅是針對(duì)電子設(shè)備在試驗(yàn)或使用過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可靠性評(píng)估，作拋磚引玉之用。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，技術(shù)的不斷發(fā)展革新，需要我們?cè)趯?shí)際過程中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，持續(xù)優(yōu)化，不斷改進(jìn)數(shù)據(jù)的收集過程和分析過程，從而得到更加準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果，從而持續(xù)提升產(chǎn)品的質(zhì)量水平。