可靠性預(yù)計(jì)是一種常用的可靠性指標(biāo)定量評估方法，可以預(yù)估產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的達(dá)成程度，一般用可靠度或MTBF表示。可靠性預(yù)計(jì)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用都比較廣泛，預(yù)計(jì)的方法也多種多樣。前幾天，一位朋友讓我寫一下可靠性預(yù)計(jì)的內(nèi)容，坦白講，可靠性我不是很懂，詳細(xì)的理論和計(jì)算搞不明白，今天就從“使用”的角度說一下自己對可靠性預(yù)計(jì)的看法，希望對各位朋友有所裨益。

NO.1

引言

眾所周知，軍工行業(yè)對武器裝備的可靠性非常重視，在裝備的研制合同中，基本上都會(huì)提出可靠性的要求，比如：MTBF ≥ 10000h，使用壽命不低于15年等等。針對這些可靠性指標(biāo)，研制單位不能等產(chǎn)品研制生產(chǎn)出來后再進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，無論周期、經(jīng)費(fèi)方面都不允許，怎么辦呢？

這就要求企業(yè)運(yùn)用以往的工程經(jīng)驗(yàn)、故障數(shù)據(jù)等，結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)水平，根據(jù)組成系統(tǒng)的元件、組件、分系統(tǒng)的可靠性來推測系統(tǒng)可靠性，這就是可靠性預(yù)計(jì)?？煽啃灶A(yù)計(jì)是一個(gè)由局部到整體，從小到大、由下向上的綜合過程，在裝備壽命周期的前幾個(gè)階段（包括方案論證、工程研制階段）要反復(fù)進(jìn)行多次（敲黑板，這和很多企業(yè)只進(jìn)行一次預(yù)計(jì)是不同的）。

NO.2

可靠性預(yù)計(jì)的目的和參數(shù)

如前所述，可靠性預(yù)計(jì)不是為了了解產(chǎn)品什么時(shí)候?qū)l(fā)生什么樣的失效，而是在于從設(shè)計(jì)開始就用定量的方法粗略評價(jià)可靠性設(shè)計(jì)是否滿足要求，當(dāng)然，這只是一個(gè)方面，在不同的研制階段，可靠性預(yù)計(jì)的目的和作用是不同的：

1）在論證階段，評估系統(tǒng)可靠性，審查是否能達(dá)到要求的可靠性指標(biāo)；

2）在方案階段，對不同設(shè)計(jì)方案的可靠性水平進(jìn)行比較，為設(shè)計(jì)決策提供依據(jù)；

3）在設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)可靠性的主要因素，找出薄弱環(huán)節(jié)，為設(shè)計(jì)改進(jìn)或生產(chǎn)過程控制提供依據(jù)；

4）為可靠性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及費(fèi)用核算等方面的研究提供依據(jù)；

5）可靠性預(yù)計(jì)還可為不能直接進(jìn)行可靠性驗(yàn)證的大型產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性估計(jì)；

6）對可靠性分配、維護(hù)使用提供有益信息。

從可靠性預(yù)計(jì)的目的出發(fā)，預(yù)計(jì)工作應(yīng)在研制階段的早期進(jìn)行，以便于設(shè)計(jì)評審，并為產(chǎn)品可靠性分配及擬定改進(jìn)措施提供依據(jù)。當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)條件、環(huán)境要求、應(yīng)力數(shù)據(jù)、失效率數(shù)據(jù)、工作模式發(fā)生重要變更時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)修正可靠性模型和重做可靠性預(yù)計(jì)。

可靠性預(yù)計(jì)的內(nèi)容是什么呢？各類可靠性參數(shù)，所以，在進(jìn)入正式的可靠性預(yù)計(jì)工作之前，還需要了解一下可靠性參數(shù)。

通常來說，可靠性參數(shù)可分為三類：使用參數(shù)、合同參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)。在裝備立項(xiàng)論證時(shí)，提出可靠性的使用參數(shù)（目標(biāo)值和門限值），并納入《裝備立項(xiàng)綜合論證報(bào)告》；在裝備研制總要求綜合論證時(shí)，確定可靠性的合同參數(shù)（規(guī)定值和最低可接受值），并作為裝備定型考核或驗(yàn)證的依據(jù)；在裝備研制生產(chǎn)過程中，確定可靠性的設(shè)計(jì)參數(shù)（預(yù)計(jì)值和評估值），并明確要求：評估值>最低可接受值>門限值，預(yù)計(jì)值>規(guī)定值>目標(biāo)值。

從使用角度出發(fā)，很多企業(yè)是依據(jù)合同開展可靠性預(yù)計(jì)的，所以更關(guān)注的是合同參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)，合同參數(shù)主要包括平均故障間隔時(shí)間（MTBF）、首次大修期限（TTO）和平均嚴(yán)重故障間隔時(shí)間（MTBCF）（需要詳細(xì)了解可靠性參數(shù)內(nèi)容的朋友，請參照本公眾號《學(xué)習(xí) | 可靠性要求及驗(yàn)證》）。多說一點(diǎn)個(gè)人理解，通常而言，規(guī)定值是企業(yè)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)的依據(jù)，可用可靠性預(yù)計(jì)應(yīng)對；最低可接受值是進(jìn)行鑒定試驗(yàn)的依據(jù)，可用可靠性鑒定試驗(yàn)來驗(yàn)證。

NO.3

可靠性預(yù)計(jì)的分類和方法

從研制階段維度，GJB 813-90《可靠性模型的建立和可靠性預(yù)計(jì)》把可靠性預(yù)計(jì)分為三類：

1）I類，可行性預(yù)計(jì)：用于產(chǎn)品的方案論證階段，在這個(gè)階段，信息的詳細(xì)程序一般只限于描述產(chǎn)品的總體情況。結(jié)構(gòu)信息一般還限于從具有類似于所研制產(chǎn)品的功能和工作要求的現(xiàn)成產(chǎn)品類推出來的信息。

2）II類，初步預(yù)計(jì)：用于產(chǎn)品工程研制階段的早期，在這個(gè)階段中，書面形式的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)信息是工程圖和初步草圖，可利用的信息詳細(xì)程度可以達(dá)到產(chǎn)品的組成單元，但沒有可利用的應(yīng)力分析信息。

3）III類，詳細(xì)預(yù)計(jì)：用于產(chǎn)品工程研制階段中期和后期，這個(gè)階段的特點(diǎn)是產(chǎn)品的各個(gè)組成單元都具有工作環(huán)境信息和盈利信息。

從元器件使用狀態(tài)維度，可靠性預(yù)計(jì)可分為工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)。目前國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)主要是GJB/Z 299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊》和GJB/Z 108A-2006《電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計(jì)手冊》。國外的標(biāo)準(zhǔn)主要有MIL-HDBK-217F《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)》、Telcordia SR-332《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)程序》、以及汽車行業(yè)的PERL《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)方法》等。

從可靠性類型維度，可靠性預(yù)計(jì)可分為基本可靠性預(yù)計(jì)和任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)，基本可靠性預(yù)計(jì)和任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)通常結(jié)合進(jìn)行，任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)表明產(chǎn)品成功地實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)的設(shè)計(jì)能力，而基本可靠性預(yù)計(jì)表明，由于產(chǎn)品不可靠給預(yù)期的維修和后勤保障增加的負(fù)擔(dān)。

考慮不同類型的產(chǎn)品特點(diǎn)和研制階段，可靠性預(yù)計(jì)的方法多種多樣，每一種都有一定的適用范圍，表1列出了常用的幾種，供大家參考。

表1  常用可靠性預(yù)計(jì)的方法

NO.4

可靠性預(yù)計(jì)的程序和實(shí)施

4.1 可靠性預(yù)計(jì)程序

根據(jù)GJB/Z 299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊》，電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)的一般程序包括：

1）根據(jù)產(chǎn)品的功能原理，將產(chǎn)品劃分為功能相對獨(dú)立、內(nèi)部為串聯(lián)結(jié)構(gòu)的可靠性預(yù)計(jì)單元，然后建立可靠性模型（可靠性模型的方法另做介紹，本文不再展開）；

2）確定各預(yù)計(jì)單元所用元器件的種類、數(shù)量、質(zhì)量等級、工作環(huán)境類別、工作溫度、降額等詳細(xì)設(shè)計(jì)資料；

3）根據(jù)不同的元器件類型，查閱GJB/Z 299C或MIL-HDBK-217F預(yù)計(jì)手冊，得到各元器件的工作故障率計(jì)算模型及各種修正系數(shù)；

4) 根據(jù)預(yù)計(jì)手冊提供的計(jì)算模型計(jì)算元器件的工作故障率（可根據(jù)具體情況，采用不同的可靠性預(yù)計(jì)方法）；

5）將預(yù)計(jì)單元內(nèi)各種類元器件的工作失效率相加，由此得出預(yù)計(jì)單元的失效率；

6）按設(shè)備、系統(tǒng)的可靠性模型逐級預(yù)計(jì)設(shè)備、系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間等可靠性指標(biāo)。

4.2 可靠性建模

從可靠性預(yù)計(jì)程序可知，可靠性建模是可靠性預(yù)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，和可靠性預(yù)計(jì)一樣，可靠性建模分為基本可靠性建模和任務(wù)可靠性建模。

基本可靠性建模包括一個(gè)可靠性框圖和一個(gè)相應(yīng)的可靠性數(shù)學(xué)模型，基本可靠性模型是一個(gè)串聯(lián)模型，包括那些冗余和代替工作模式的單元都按串聯(lián)處理，用于估計(jì)產(chǎn)品及其組成單元引起的維修及后勤保障要求。

任務(wù)可靠性模型包括一個(gè)可靠性框圖和一個(gè)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。任務(wù)可靠性模型應(yīng)該能描述在完成任務(wù)過程中產(chǎn)品各單元的預(yù)定用途。預(yù)定用于冗余或代替工作模式的單元應(yīng)該在模型中反映為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，或適用于特定任務(wù)階段及任務(wù)范圍的類似結(jié)構(gòu)。任務(wù)可靠性模型的機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，用于估計(jì)產(chǎn)品在執(zhí)行任務(wù)過程中完成規(guī)定功能的概率。

4.3 應(yīng)用環(huán)境分類

某些電子設(shè)備可能會(huì)在不同的應(yīng)用環(huán)境中應(yīng)用，所以實(shí)際的可靠性預(yù)計(jì)要根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境來計(jì)算，表2給出了電子設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境分類列表，供參考。

表2 環(huán)境分類

4.4 質(zhì)量等級和質(zhì)量系數(shù)

在元器件的標(biāo)準(zhǔn)中一般都規(guī)定了元器件在制造、檢驗(yàn)及篩選過程中的質(zhì)量控制水準(zhǔn)，按此不同控制水準(zhǔn)組織生產(chǎn)和管理的產(chǎn)品，具有不同的質(zhì)量檔次，代表著不同的質(zhì)量等級。元器件質(zhì)量等級直接影響其失效率，不同質(zhì)量等級對元器件失效率的影響程度以質(zhì)量系數(shù)π_Q 來表示。

4.5 國產(chǎn)元器件與進(jìn)口元器件

當(dāng)同一設(shè)備中同時(shí)采用進(jìn)口元器件和國產(chǎn)元器件時(shí)，對國產(chǎn)元器件采用GJB/Z 299C第5章或第6章的方法進(jìn)行預(yù)計(jì)，獲得其失效率λ_{國產(chǎn)}；然后用GJB/Z 299C附錄A或MIL-HDBK-217F標(biāo)準(zhǔn)對進(jìn)口元器件進(jìn)行預(yù)計(jì)，獲得其失效率λ_進(jìn)口；再依據(jù)設(shè)備的可靠性模型計(jì)算其總的失效率。

4.6 可靠性預(yù)計(jì)范例

例如：某電子設(shè)備由4個(gè)調(diào)整二極管、2個(gè)合成電阻器、4個(gè)云母電容器組成，所有器件都是國產(chǎn)的，質(zhì)量等級都是 B1；設(shè)備的工作環(huán)境為戰(zhàn)斗機(jī)座艙；用元件技術(shù)法（應(yīng)力分析法等其他方法步驟類似）計(jì)算該設(shè)備的基本可靠性MTBF。

1）設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單，可作為一個(gè)可靠性預(yù)計(jì)單元處理，因?yàn)橛?jì)算的是基本可靠性，所以所有元器件是一個(gè)串聯(lián)模型；

2）設(shè)備中共用到3種元器件（調(diào)整二極管、合成電阻器、云母電容器），數(shù)量分別為4、2、4，質(zhì)量等級均為B1、工作環(huán)境類別為A_IF（設(shè)備工作環(huán)境為戰(zhàn)斗機(jī)座艙，查表2可知）；

3）器件均為國產(chǎn)器件，使用GJB/Z 299C-2006，查各元器件的失效率和修正系數(shù)；

查 GJB/Z 299C-2006的表6-19，確定調(diào)整二極管的通用失效率：λ₁ = 1.3×10^-6/h；同樣的方法（表6-21、表6-22）得到合成電阻器的通用失效率：λ₂ = 0.0351×10^-6/h，云母電容器的通用失效率：λ₃ = 0.0802×10^-6/h。

查 GJB/Z 299C-2006中的表6.3，確定調(diào)整二極管的質(zhì)量系數(shù)：π_Q1 = 0.5；同樣的方法（查表6-4），確定合成電阻器的質(zhì)量系數(shù)：π_Q2 = 0.6；云母電容器的質(zhì)量系數(shù)：π_Q3= 0.5。

4）用元件計(jì)數(shù)法計(jì)算元器件的工作失效率：

調(diào)整二極管：λ_GS1 = N₁×λ₁×π_Q1 = 4×1.3×0.5 = 2.6×10^-6/h

合成電阻器：λ_GS2 = N₂×λ₂×π_Q2 = 2×0.0351×0.6 = 0.04212×10^-6/h

云母電容器：λ_GS3 = N₃×λ₃×π_Q3 = 4×0.0802×0.5 = 0.1604×10^-6/h

5）計(jì)算預(yù)計(jì)單元的失效率

λ_GS3 = λ_GS1+ λ_GS2 + λ_GS3 = 2.6 + 0.04212 + 0.1604 ≈ 2.803×10^-6/h

6）因設(shè)備相對簡單，預(yù)計(jì)單元的失效率就是設(shè)備的失效率，對于復(fù)雜設(shè)備/系統(tǒng)而言，按可靠性模型逐級預(yù)計(jì)即可。

7）計(jì)算MTBF值：我們知道，當(dāng)產(chǎn)品的壽命服從指數(shù)分布時(shí)，其失效率的倒數(shù)就是MTBF，所以：MTBF = 1/λ = 356760.6（h）≈ 41年。

4.7 注意事項(xiàng)

1）產(chǎn)品定義、故障定義、產(chǎn)品的工作環(huán)境、工作時(shí)間等均必須予以明確，它們是可靠性預(yù)計(jì)的基礎(chǔ)；

2）根據(jù)預(yù)計(jì)的不同要求，正確選擇可靠性模型、數(shù)據(jù)及預(yù)計(jì)方法；

3）要及早進(jìn)行預(yù)計(jì)以便盡早發(fā)現(xiàn)問題，在整個(gè)研制過程中，預(yù)計(jì)要反復(fù)迭代多次；

4）可靠性預(yù)計(jì)的相對值比絕對值更重要，因?yàn)樗梢蕴峁┰O(shè)計(jì)決策的依據(jù)，但不能作為確定產(chǎn)品是否達(dá)到可靠性要求的依據(jù)。

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最后的話

可靠性預(yù)計(jì)是根據(jù)組成系統(tǒng)的元件、組件、分系統(tǒng)的可靠性來推測系統(tǒng)可靠性的過程，一般在研制階段的早期進(jìn)行，以便于設(shè)計(jì)評審，并為可靠性分配及擬定改進(jìn)措施提供依據(jù)，可靠性預(yù)計(jì)在研制過程中需要多次迭代。

最重要的，可靠性預(yù)計(jì)是為了評估設(shè)計(jì)可靠性能否滿足規(guī)定要求，確定設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)，絕對不是為了應(yīng)付檢查，那種為預(yù)計(jì)而預(yù)計(jì)的形式?jīng)]有任何意義。

 

參考文獻(xiàn)：

1）楊為民、阮鐮等《可靠性.維修性.保障性總論》

2）市場部  TILVA丨STIEE檢測認(rèn)證《電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)》

2）徐步陌上行 永恒之地《可靠性預(yù)計(jì)及元器件計(jì)數(shù)法案例》

轉(zhuǎn)自：西安融軍通用標(biāo)準(zhǔn)化研究院

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