二十世纪留给二十一世纪可靠性工程热点问题[转]
详细内容
名称:二十世纪留给二十一世纪可靠性工程热点问题[转]
一、对可靠性定义再认识
可靠性通常被定义为ˇ“产品在规定的条件下和规定的时间内ˇ完成规定功能的能力”或定义为ˇ“在规定的条件下和规定时间内所允许的故障数。”数学表达式为平均故障间隔时间(MTBF)。这就认为随机故障是不可避免的ˇ也是可以接受的。这就导致由于设计原因引起的故障只要在允许数之内ˇ往往不能追溯到最终根源。由于制造过程导致的故障ˇ只要仍低于许可的故障数也就不被追究。为此ˇ在国际上早在1995年对这传统的可靠性定义提出了质疑ˇ在欧洲开始用无维修使用期(MFOP)取代原先的MTBFˇ故障率浴盆曲ˇ分布规律也就被打破。由此ˇ摒弃随机失效无法避免的旧观念。因此ˇ当前国际上兴起的在可靠工程中推行失效物理方法的新潮流ˇ设计出不存在随机失效的产品并非没有可能。同时ˇ从故障修理转换到计划预防维修。这就需要产品研发设计人员必须清楚产品将会怎样发生故障ˇ一般何时发生故障。ˇ要做到《无维修使用期》必须作好如下两ˇ工作ˇˇ1、改变可靠性设计思路ˇ以自下而上的可靠性设计方法ˇ取代采用MTBF进行自上而下分配方法。当产品系统构思和设计完成之后ˇ单元的设计师们应在设计前充分了解单元ˇ模块的环境条件ˇ可能发生故障的关键部及故障模式、机理、在设计时重点加以解决ˇ且自下而上可能存在的可靠性问题都得到彻底解决ˇ不仅可以将系统可靠性建立在踏实的基础上ˇ而且可以确保系统的可靠性指标留有充分的余地。同时避免因设计后期发ˇ问题再进行更改设计ˇ不仅费时ˇ且效果不好ˇ重点可采取如下设计措施ˇˇ采用状态*ˇ故障诊断和故障预测设计ˇˇ引入容错和冗余设计ˇ可重构性设计ˇ动态设计ˇ故障软化设计ˇ环境防护设计ˇ冗余设计ˇ在任务能力不受影ˇ下ˇ留出可接受的降级水平设计等。
2、改变可靠性工程工作方法ˇ
为了达到产品无维修使用周期ˇ必须把人力、精力集中于产品研发早期阶段ˇ只有从ˇ目开始第一天就强调可靠性ˇ才能真正落实自下而上的可靠性设计方法。早期明了产品的核心单元和薄弱环节ˇ开展失效物理方法工作ˇ采取有效纠正与预防措施ˇ才能做到“无维修使用期”。为此ˇ应做如下工作ˇˇ
失效物理分析、研究与应用ˇ
开展可靠性研制试验ˇ及早暴露设计缺ˇˇ采取有效纠正措施。ˇ
开展高加速应力试验(HAST)ˇ暴露产品薄弱环节予以纠正ˇ
严格设计评审制度ˇˇ除设计隐患ˇ
制订合理预防维修计划并予以实施。ˇ
二、关于可靠性指标体系及其验证ˇ
当前电子产品普遍用平均故障间隔时间MTBF来表征。MTBF是产品基本可靠性指标。在可靠性预计时ˇ以串联模型为基础ˇ但用户最关心的是任务可靠性ˇ即平均致命故障间隔时间MTBCFˇ在军品合同中都签的是MTBFˇ在进行可靠性指标验证试验时ˇ都是以MTBF为依据。这出ˇ了对故障的认识问题ˇ一般都把可靠性验证试验中产品的存在状态简化为“二元状态”处理ˇ即认为产品要么能完成规定功能ˇ视为成功ˇ要么不能完成规定功能ˇ视为故障ˇ非此即彼。故障统计也比较简单ˇ要么为0ˇ要么为1ˇ对故障既不分类ˇ也不加权ˇ这在工程实施ˇ然存在问题。大量事实证明ˇ产品的不同故障造成的影ˇ也不同。有的后果严重ˇ损失很大(如雷达产品发射机的磁控管或行波管等)ˇ有的后果轻微(如指示灯失效ˇˇ示器画面瞬时抖动等)ˇ损失很校如果把这些后果严重程度不同的故障ˇ等同看待ˇ客观上是不合理的ˇ与实际情况也是不ˇ符的。在产品可靠性验证与评价中ˇ在确认故障ˇ采用什么方法对故障数据进行处理ˇ直接关系到产品的生存和发展。如果这个问题处理不当ˇ就有可能把本来具有发展潜力的健壮设计ˇ冗余设计扼杀在研制早期。因此ˇ早在70年代美国在地面产品广泛地采用故障加权ˇ但由于这种方法存在着主观的随意性和评估结果ˇ不确定性ˇ并且在理论上还存在一些具体问题难以解释。所以ˇ在1980年美军标准MILˇSTDˇ785B颁布后ˇ故障加权处理方法被取缔ˇ虽然785B标准取缔了故障加权问题ˇ但对产品可靠性验证中出ˇ的故障“二元状态”处理不合理和存在问题如何解决ˇ所以ˇ以美国陆军为首的一些部门和专家研究所得的验证方案ˇ就是把产品可靠性指标细化分解。分别验证ˇ如把地面武器装备任务状态区分以下五种加以考核。ˇ能圆满完成任务(Missionworthy)ˇ在规定时间内排除故障后能完成任务(Missionworthy)ˇ能完成任务ˇ但性能降低(Missionworthy impaired)ˇ不能完成任务(Nonˇmissionworthy)ˇ不能完成任务ˇ失去机动能力(Nonˇmissionˇworthy)ˇ把可靠性指标分解ˇ表面看来是合理的ˇ但又如何将这些指标进行分配和预计及如何进行可靠性设计ˇ问题并非有些文章说的那么简单ˇ所以美军于1986年10月17日发布的MILˇSTDˇ7810《工程研制鉴定和生产可靠性试验》正式文本中ˇ首次提出在可靠性验证中按后果严重程度把发生故障区分为ˇ致命故障ˇ严重故障和轻度故障三类ˇ这就意味着根据故障严重程度可以进行加权处理ˇ美军MI坦克就是这样做的。ˇ我们国家有标准可查的就有近20种门类产品对故障进行加权处理ˇ在军品方方面面《地面雷达可靠性试验方法》率先提出ˇ在民品原邮电部的YD282ˇ1982《邮电通信设备可靠性通用试验方法》ˇ率先提出故障加权问题ˇ尽管有些门类产品明文中没有提出故障加权问题ˇ但在实际试验中也在进行故障加权方案ˇ只不过各自故障加权权数不同而已。目前对故障加权有争议ˇ该如何对待此问题这是二十世纪留给二十一世纪应尽快解决的问题。ˇ三、改变传统只重视硬件可靠性设计思路加强软件可靠性设计ˇ随着社会日益信息化ˇ社会的日常运行越来越依赖于软件的电子系统ˇ当前电子系统(或设备)软件功能较硬件功能占系统功能比例越来越高ˇ通讯产品可占50%以上。但目前人们只重视硬件可靠性ˇ而对软件可靠性很“漠然”ˇ虽然软件故障频繁发生ˇ危害很大ˇ但在开展可靠性工程工作时ˇ对软件可靠性提及甚少ˇ原因有二ˇ一是开展软件可靠性工作较晚。在国际上虽然在二十世纪六十年代后期就已开始ˇ但软件可靠性工程概念在八十年代末提出ˇ时至今日软件的有关技术还不够成熟ˇ还有许多问题有待研究ˇ在我国八十年代才有极小数专家从事分散、零星的研究ˇ进入九十年代软件可靠性工程一词才出ˇˇ目前正处于软件可靠性理论研究ˇ工程应用过渡时期ˇ二十一世纪要解决的是如何ˇ硬件可靠性技术一样ˇ软件可靠性工程技术在产品研发中被广泛应用。二是软件可靠性技术较为复杂ˇ研究和应用难度较大ˇ其中有如下几个方面ˇˇ Aˇ可靠性模型非指数分布ˇ一般属于正态分布或威布尔分布ˇ可靠性数字模型建立难度很大ˇˇ Bˇ可靠性指标确定多样化ˇˇ Cˇ标的实ˇ、测试、评估和验证、模式不确定性ˇˇ Dˇ电子设备的软件可靠性很难与硬件可靠性剥离。有些软件故障是由硬件设计缺隐和故障所引发的。ˇ开展软件可靠性工程主要有以下工作ˇˇ Aˇ建立可靠性模型ˇˇ Bˇ确定系统软件可靠性指标ˇˇ Cˇ进行软件可靠性指标分配ˇˇ Dˇ进行可靠性指标预计ˇˇ Eˇ软件可靠性设计ˇˇ防错设计ˇ容错设计ˇ标错设计ˇ纠错设计ˇ故障恢复设计等ˇ F软件可靠性分析ˇˇ软件失效模式影ˇ分析(SFMEA)ˇ软件故障树分析(SFTA)ˇ Pertri网分析法ˇ G软件可靠性验证。软件可靠性一般都是通过软件可靠性测试ˇ评估已达到软件可靠性水平ˇ来加以验证。国内外有些专家认为由于软件故障过程的随机性和软件验收测试期间不对软件进行修改ˇ因此可以认为软件可靠性服从指数分布ˇ在这情况下ˇ就可参考GJB899《可靠性鉴定与验收试验》来确定软件可靠性验收准则。
ˇ
四、改变传统的电子产品结构设计观念实施集成化结构设计ˇ
传统的电子产品结构设计ˇ按标准进行结构设计ˇ能将模块或插件紧密的装进框架内ˇ能缓冲减振即可ˇ但伴随科学技术发展ˇ这是远远不够的。为了提高产品可靠性ˇ结构设计应改变这种传统的结构设计观念和做法ˇ而应实施集成化结构设计ˇ所谓集成化结构设计如上公式所示ˇˇ
电子产品结构设计ˇ机械件可靠性设计ˇ热设计ˇEMC设计ˇ维修性设计ˇ三防设计上述诸设计因素中ˇ不是简单的ˇ加ˇ因为它们既有统一一面ˇ也有矛盾一面ˇ需要进行权衡优化设计。ˇ
上述诸设计因素中ˇ机械件可靠性设计难度最大ˇ国内外还都在进行探索ˇ机械件可靠性设计的基本途径概括为ˇˇ
Aˇ无故障设计与耐久性设计ˇ结合ˇ
Bˇ系统可靠性设计与零部件可靠性设计ˇ结合ˇ
Cˇ传统设计与可靠性设计ˇ结合ˇ
Dˇ定性设计与定量设计ˇ结合ˇ
Eˇ机械件可靠性设计与成本设计ˇ结合ˇ
Fˇ机械件可靠性设计与电路可靠性设计ˇ结合ˇ
研究机械件可靠性ˇ必须把握其特殊性ˇ紧密结合工程实际ˇ有针对性地研究机械可靠性的分析方法与设计方法。ˇ
五、开拓质量与可靠性管理新思路推行IPPD管理ˇ
我于1995年末ˇ在美国考察时曾拜访了世界著名的质量管理专家——朱兰博士ˇ当谈及质量管理新趋势时ˇ他纵观世界经济发展史断言ˇ“二十世纪是一个生产的世纪……二十一世纪将是一个质量的世纪……集团公司将在质量的波涛中经受考验ˇ人们将在质量大堤下生活……世界和美国在质量管理上都在变革ˇ质量管理不再是单个烟囱”。这些话言简意深ˇ值得我们深思ˇ最近我翻看了一下美国国防部研制试验、系统工程与评价局系统工程副局长Mark schaeffer在空间与国防工业质量讨论会上的讲话《美国质量管理的过去ˇˇ在与未来》他总结美国质量管理的三个阶段ˇ (1)早期阶段ˇ推行质量检验ˇ (2)80年代ˇ质量重点转移ˇ推行TQM(Totac Quality Management)ˇ (3)90年代ˇ重点抓产品研发设计ˇ推行IPPD。讲话中还谈到ˇ“今天的质量是面ˇ预防和过程驱动ˇ从而使质量的全部职责由质量专业人员转移到机构中的每一个人。质量不再是“单个烟囱”式的学科。而质量必须是工程ˇ制造软件编程和产品维护的一个综合要素。质量必须是商务活动的组成部份。推行IPPD的实施强调并行工作和协作精神ˇ从产品设计开始ˇ来自设计、制造、试验、使用和保障等各方面的人员(包括可靠性及维修性人员)组成多学科的综合产品组(IPT)ˇ协同工作ˇ所有人员都要了解产品的总目标和技术要求ˇ统一考虑并共同解决各学科问题。这种管理方法确保R&M&S(包括测试性、保障性和安全性)ˇ从设计一开始就与传统的性能一起设计到产品中去ˇ避免出ˇ“两张皮”的问题。ˇ IPPD的实施强调用户参与ˇ以确保用户的要求ˇ从产品设计开始ˇ用户代表便作为IPT的成员参与设计ˇ使每一个IPT成员都充分了解用户的要求ˇ特别是用户对R&M&S的要求ˇ把用户要求转换成产品设计和过程的技术要求。并把这些要求设计到产品中。美商独资企业旭电(苏州)科技有ˇ公司ˇ他们成功的推行IPPD管理ˇ成立了客户专属团队CFT(ˇ当于IPT)。他们都有一个ˇ目经理作为召集人ˇ由来自质量、制造、工程、测试、业务、物料等不同部门的全职为CFT服务的人员组成。他们的共同目标是使客户满意ˇ达到公司目标。ˇ IPPD管理是质量观从传统质量观ˇˇ代质量观转变的结晶。传统质量观单纯追求技术性能ˇ着眼于缺ˇ纠正ˇ在管理上以“产品符合生产图低和工艺规程要求”ˇ实施“检验”手段来保证产品质量ˇ俗称“事后把关”。ˇ代质量观追求产品“长期保持良好性能”和“最佳寿命周期费用”ˇ着眼于缺ˇ的预防。在管理上实施“三全管理”ˇ即ˇ全过程、全员、全方位(性能、可靠性、维修性、经济性、安全性、保障性等)。由于世界各国尤其是经济发达国家早已完成这种质量观转变ˇ因而纷纷推行IPPD管理ˇ如美国、英国、法国、日本等国ˇ我国一些外资企业也开展了这ˇ工作。ˇ要作好IPPD管理ˇ必须作好如下工作ˇˇ Aˇ在产品研发一开始就要树立将质量与可靠性设计到产品中去的思ˇˇ在分案设计时就应组织IPT小组。ˇ Bˇ解决如何把技术性、可靠性、维修性、测试性、保障性、经济性、安全性等统一权衡优化ˇ并行设计到产品中去的技术问题。ˇ Cˇ开展网络化管理ˇ加强可靠性与质量*工作。ˇ Dˇ使IPT有效工作ˇ必须加强团队合作精神ˇ更重要的是“沟通”ˇ“沟通”的核心问题是如何将数据转换成有用的信息ˇ使IPT小组更好工作。
ˇ
六、开辟可靠性管理新模式实施网络化管理ˇ
可靠性管理是可靠性工程组成部分ˇ占有很重要地位ˇ有人曾讲ˇ“产品可靠性是设计出来的、制造出来的和管理出来的……”。可靠性管理是伴随着可靠性工程发展而发展ˇ纵观可靠性工程发展史不难看出可靠性管理的发展历程。美国是可靠性工程兴起最早和发展最快的国家之一ˇ具有代表性。ˇ
50年代是美国可靠性兴起和形成年代。为了解决军用电子设备和复杂导弹系统的可靠性问题ˇ开展了可靠性技术研究ˇ成立了军用电子设备可靠性咨询组(AGREE)ˇ开展了全面的可靠性发展计划ˇ但可靠性管理还未提到议事日程。(编者注ˇ我国在当时苏联的帮助下也在57年建成“可靠性与环境试验研究所”即ˇ在的广州电子五所)。ˇ
60年代是美国可靠性工程全面发展的阶段ˇ也是美国武器系统研制全面贯彻可靠性大纲的年代。
在这10年中对重点武器装备系统开始了可靠性管理ˇ形成了一套可靠性设计、试验和管理标准ˇ如MILˇHDBKˇ217、MILˇSTDˇ781和MILˇSTDˇ785等。在工业界和各企业中对重点工程和重点可靠性工作ˇ目实施“单点”管理。ˇ
70年代是美国可靠性发展步入成熟阶段。主要特点是建立集中统一的可靠性管理机构ˇ负责组织协调国防部范围内的可靠性政策、标准、手册和重大研究课题等ˇ成立全国数据网。工业部门和各企业也纷纷成立可靠性管理组织机构。从产品可靠性指标分配、预计、可靠性设计、可靠性分析、可靠性试验、数据交换等进行系统化管理ˇ形成了系统性“ˇ条”式管理ˇ将“单点”管理系统串联起来。ˇ
80年代以来美国可靠性工程ˇ着更深、更广的方ˇ发展。在管理上ˇ加强集中统一管理ˇ强调可靠性及维修性管理制度化ˇ在技术上深入开展软件可靠性、机械可靠性ˇ全面推广计算机辅助设计(CAD)技术在可靠性工程中应用ˇ积极采用模块化、综合化、容错设计、光导纤维和超高速集成电路等新技术来全面提高ˇ代武器系统的可靠性。1985年美国空军推行了“可靠性及维修性2000年行动计划”(R&M2000)更进一步加强可靠性管理和制度化。为了保证可靠性、维修性、保障性及武器装备作战能力ˇ使武器装备达到战备完好性、使用可用性及任务成功性ˇ在管理上大力推行“矩阵式”管理ˇ纵ˇ到位ˇ横ˇ到边。ˇ 90年代美国由于以经费为独立变量ˇ废除大量的军用标准ˇ大力推行健壮设计和并行工程及IPPD管理。因此ˇ用“网络化”管理取代“矩阵式”管理。首先在美国海军及其ˇ关工业部门广泛推广“网络化”管理。通过大量标准、规范引入和支持ˇ为“网络化”管理提供依据和指导ˇ实施程序化、规范化、系统化的“网络化”管理ˇˇ见图1、图2。“网络化”管理的要点是ˇA.实施并行工程。在产品研发过程中要全过程、全因素、全方位(技术性、可靠性、维修性、保障性、安全性、经济性等)并行进行。B.加强过程*。尤其在产品研发过程中的可靠性判决点上即网络结点上ˇ进行严格评审。C.加强信息传递与管理。网络化管理能够有效运转关键在于信息的沟通和快速传递。D.实施制度化和规范化管理。在产品研发前就应制订ˇ劲严密网络化管理制度与程序ˇ并对每一工作ˇ目和接口及判决点都要有科学的管理规范ˇ尽量避免人为的干预。ˇ根据我长期从事可靠性工程工作经验和研究成果ˇ按我国国情和产品特点ˇ拟订出某电子设备研制和生产的网络化管理ˇ并已实施。ˇ本文仅对电子系统或整机的可靠性工程提出拙见ˇ对于电子元器件可靠性工程ˇ还未提及。