产品可靠性设计与分析

我们知道产品的可靠性就是产品在指定条件下和指定时间内执行指定功能的能力。可靠性的可能性称为产品的可靠性。

产品可靠性可分为固有可靠性和服务可靠性。固有的可靠性由产品在设计和制造中给出，并且也由产品开发人员控制。使用的可靠性是产品在实际使用中性能保持能力的特征。它不仅考虑了固有的可靠性因素，还考虑了诸如产品安装，操作，使用和维护支持等因素的影响。因此，产品可靠性设计与分析是产品体现可靠性的前提，也是能否生产出可靠产品的有力保证。

从以上定义可以看出，产品的可靠性是经过设计，生产和管理的。产品开发人员的可靠性设计水平对产品固有的可靠性有重大影响，因此可靠性设计和分析在产品开发过程中具有非常重要的地位。接下来，我们将从产品可靠性技术，故障模式，影响和危害分析，故障（故障）树分析以及可维护性设计等方面对产品进行可靠性设计和分析。希望对从事产品设计和质量的人有所帮助。

一，可靠性设计的主要技术

1.指定定性和定量的可靠性要求。利用可靠性指标，有一个进行可靠性设计的目标，并且可以评估开发产品的可靠性，以避免由于客户在使用过程中频繁发生产品故障而损害开发人员和客户的利益。最常用的可靠性指标是平均故障间隔时间（MTBF）和使用寿命。

2.建立可靠性模型。建立产品级系统和子系统级可靠性模型可用于定量分配，估计和评估产品可靠性。

可靠性模型包括可靠性框图和可靠性数学模型。对于复杂产品的一个或多个功能模式，使用框图来指示每个组件或其组合的故障。框图分为串联模型和并联模型。

该方法是预测或估计设计产品可靠性模型的串联模型和并行模型框图，使用数学公式定量地找到产品的可靠性和失效率，最后得出可靠性指标。

3.可靠性分布。它是将产品总可靠性的定量要求分配到指定的产品级别。通过分配来协调整体和部分可靠性的量化要求。这是一个从整体到部分，从上到下的分解过程。有许多可靠的分配方法，例如得分分配方法和比例分配方法。下面我们以分数分配方法为例：

分数分配方法是常用的分配方法。在缺乏产品可靠性数据的情况下，可能会要求熟悉产品并具有实际工程经验的专家根据影响产品可靠性的几个因素的复杂性，技术成熟度，重要性和环境条件来给出每个因素。 -10点）。

复杂性：评估基于组成子系统的组件数量以及组装和调试的难易程度。最复杂的评分是10分，最简单的评分是1分。

技术成熟度：根据子系统的技术水平和成熟度进行评估。低技术成熟度可得10分，高科技成熟度可得1分

重要性：根据子系统的重要性。最低重要性等级是10分，最高重要性等级是1分。

环境条件：根据子系统的环境条件。恶劣条件下为10分，最佳环境条件下为1分。

使用数学公式定量计算可靠性指标的平均故障间隔时间（MTBF），以便可以使用得分分配方法将可靠性指标分配给每个组件。

4.可靠性预测。可靠性预测是在设计阶段对系统可靠性的定量估计。它基于类似产品的可靠性数据，系统的组成和结构特征以及系统的工作环境等因素来估计组成系统的组件和系统的可靠性。可以将可靠性预测结果与所需的可靠性进行比较，并可以估计设计是否满足要求。通过可靠性预测，还可以找到构成系统的每个单元中故障率较高的单元，并可以发现和改善薄弱环节。可靠性预测的方法有很多，例如构件计数法，应力分析法，上下限法等。

组件计数方法适用于产品设计和开发的早期阶段。它的优点是您可以快速估计产品的故障率，而无需详细了解每个组件的应用及其之间的逻辑关系，但是预期结果相对较粗略。

应力分析方法适用于电子产品的详细设计阶段。它已经有详细的文件列表，电应力比和环境温度信息。此方法比组件计数方法的结果更准确。应力分析方法分为三个步骤。第一步是找出各个组件的工作故障率；第二步是找出产品的工作失效率；第三步是找到产品可靠性指标的平均故障间隔时间（MTBF）。

注意：以上故障率，环境系数等可在国家军事标准GJB299B中检查

5.可靠性设计标准。总结同类产品的现有工程经验，使之具有组织性，系统性和科学性，已成为设计人员进行可靠性设计时应遵循的原则和要求。

可靠性设计准则通常是针对特定产品的，但是各种产品的可靠性设计准则的共同内容也可以集成到某种类型的可靠性设计准则中，例如直升机可靠性设计准则。当然，可以对这些通用的可靠性设计指南进行定制，并补充到特定于产品的特定可靠性设计指南。

可靠性设计标准通常应根据产品类型，重要性，可靠性要求，使用特性，类似产品的可靠性设计经验以及相关标准和规范来制定。

6.环保设计。产品使用环境对产品可靠性的影响是显而易见的。因此，在产品开发过程中，应进行防振，防撞击，防噪声，防潮，防霉，防腐蚀和散热设计。

7.组件的选择和控制。电子元件是电路的基本单元，可以完成产品的指定功能，不能再划分。它是电子产品可靠性的基础。严格控制用于确保产品可靠性的组件非常重要。制定和实施组件轮廓是控制组件选择和使用的有效方法。

8.电磁兼容性设计。对于电子产品，电磁兼容性设计非常重要。它包括静电抗扰度，电涌和雷击抗扰度，电源波动和瞬时跌落抗扰度，射频电磁场辐射抗扰度等。

9.降额设计和热设计。组件和组件的故障率与它们承受的压力密切相关。减轻它们承受的压力可以提高其使用的可靠性。因此，在设计时，应将工作应力设计在规定的额定值以下。并留有余地。产品（尤其是电子产品）周围的环境温度过高是导致故障率增加的重要原因。因此，应将导热，对流，散热等原理与必要的自然通风，强制通风，水冷和热管技术结合使用，以进行合理的散热设计以降低周围温度。

以上是我们设计产品可靠性设计的一些主要技术。如果设计经过深思熟虑，那么所开发产品的可靠性将大大提高。

二，产品失效模式，影响与危害分析（FMECA）

故障模式，影响和危害分析（FMECA）用于产品的所有可能故障，并根据故障模式的分析，确定每种故障模式对产品工作的影响，找出故障的单点。失效，并根据失效模式的严重程度及其发生的可能性来确定其危害。FMECA包括故障模式和影响分析（FMEA）和危害分析（CA）。FMECA分析方法可以在整个系统到零件和组件的任何级别上使用，通常可以根据要求使用，也可以在指定的产品级别使用。

FMECA的实现步骤通常是：

（1）掌握有关产品结构和功能的相关信息。

（2）掌握产品的启动，运行，运行和维护数据。

（3）掌握有关产品环境条件的信息。

在设计的初始阶段，这些材料通常不会全部掌握。开始时，只能做出某些假设来确定一些明显的故障模式。即使是初步的FMECA，也可以指出许多单点故障，并且可以通过重新排列结构来消除其中的一些故障。随着设计工作的进行，可用信息继续增加。FMECA的工作应重复进行，并应根据需要和可能将分析扩展到更具体的水平。

（4）定义产品及其功能和最低工作要求。系统的完整定义包括其主要功能和辅助功能，用途，预期性能，环境要求，系统约束以及构成故障的条件。由于任何给定的产品都有一个或多个工作模式，并且可能处于不同的工作阶段，因此系统的定义还包括在连续工作期间产品工作的每种模式及其功能描述。每个产品都应具有其功能框图，以显示产品工作以及产品各个功能单元之间的相关性。

（5）根据产品的功能框图，绘制其可靠性框图。

（6）根据所需的结构和现有数据量确定分析级别，即分析级别。

（7）识别故障模式并分析其原因。

（8）找出故障检测方法。

（9）确定设计过程中可能采取的预防措施，以防止特别不利的事件。

（10）确定由各种故障模式导致的产品损坏的严重性。

（11）确定各种故障模式的发生概率。

（12）填写FMEA表格并绘制危险说明。如果需要定量的FMECA，则需要填写CA表格。如果仅执行FMEA，则无需执行步骤（11）和绘制危害矩阵。

上面概述了FMECA所需的基本输入信息，并在此基础上进一步参考相关标准以完成分析，参考标准包括国家标准GB 7826-87“系统可靠性分析技术的失效模式和影响分析（FMEA）”。 ”程序），国际电工委员会标准IEC 60812 Ed.2（2003）56/797和国家军事标准GJB1391“故障模式，影响和危害分析程度”，其中提供了这些表供分析人员使用。

三，故障（FAILURE）树分析（FTA）

与FMECA相似，故障树分析（FTA）是另一个重要的可靠性分析工具，用于分析产品故障原因与结果之间的关系。故障树表示针对那些组件故障模式或外部事件或它们的组合的产品给定故障模式的逻辑图。它使用一系列事件符号，逻辑符号和传输符号来描述系统中各种事件之间的因果关系。

（1）故障树分析准备

分析人员必须熟悉设计规格，设计图纸，操作规定，维护程序和其他相关信息。掌握系统的设计意图，结构，功能和环境。根据系统的复杂性和要求，应在必要时执行系统的FMEA或FMECA，以帮助确定各个级别的主要事件和故障事件，根据系统的任务要求和对系统的了解确定分析目的。系统，并根据系统的任务功能确定系统的故障准则。

（2）故障树的构建

完成（1）中的准备工作后，您可以从确定的最高事件开始，并遵循构建故障树的基本规则和方法来构建所需的故障树。

（3）故障树的定性分析

故障树的定性分析主要包括以下内容：故障树的规范；故障的归一化；故障树的简化和模块分析；以及故障树最小割集的计算。

（4）故障树定量分析

根据故障树中每个底部事件的发生概率，计算出顶部事件的概率。

（5）编制故障树分析报告

由于故障树分析已经成为系统可靠性分析的重要工具，并被可靠性工程师广泛采用，因此相应的标准也已在国内外发布。这些标准是：国家标准GB / T 7829-1987“故障树子程序”，国家军事标准GJB768“故障树分析”，国际电工委员会标准IEC 61025 Ed.1-1990-10“故障树分析”。

四，可维护性设计

设计产品的可维护性。只有在产品设计和开发过程中执行可维护性设计和分析工作时，才能将可维护性设计到产品中。可维护性设计的主要方法是定性和定量。可维护性是定性的。设计是最重要的，只要设计者具有维护意识和工程经验，就可以将维护设计到产品中。可维护性定性设计主要包括简化设计，可访问性设计，标准化互换和模块化设计，错误预防和识别标记设计，维护安全设计，故障检测设计，维护人员工程设计等。

（1）简化设计是在满足性能要求和使用要求的前提下，尽可能采用最简单的结构和形状，以降低使用和维护人员的技术要求。简化设计的基本原理是尽可能简化产品功能，合并产品功能并最大程度减少组件的种类和数量。

（2）可达性设计是一种在产品无法维修时易于维修的零件的设计。无障碍设计要求“可见”-视觉上可到达；“足够的”物理上可到达的位置，例如身体的一部分或进入维护部分的工作通道，同时保留足够的维护操作空间。合理设置维修窗口和维修渠道是解决“可见和可及”的重要方法。

（3）标准化，互换性和模块化设计。标准化设计是现代产品设计的特征。设计中尽可能使用标准零件，有利于储备和调整零部件，使产品维护更加容易。

互换性设计是指可以在物理上和功能上互相替换的同类产品的性能。可互换设计可以简化维护操作并节省备件成本，提高产品可维护性。

模块化设计是一种实现通用互换以及快速更换和维修组件的有效方法。模块是指与产品分开并具有相对独立功能的结构。高级硬件设计的模块化系数超过70％至80％，高级和软件设计的模块化系数超过50％。

（4）反错误识别标志设计。反错误设计是为了确保只有正确安装该结构才能安装该结构。如果它是错误的或反向的，则无法安装，或者在发生错误时可以立即找到并纠正它。识别标记的设计是识别维修零件，零件，专用工具，测试设备等，以便区分它们，防止混淆，避免由于错误而引起的事故，并提高工作效率。

（5）维护安全设计。维护安全设计是指可以避免维护人员伤亡或产品损坏的设计。例如，在可能发生危险的零件中，应提供辅助预防措施，例如撞击标志，警告灯和声音警告。对于储能较大且需要在维护期间拆卸的包含高压气体，弹簧，高压电等的设备，应采用能释放待机能量的结构以及安全可靠的拆装设备和工具。提供以确保拆卸和组装的安全。同时，维护设计中应考虑防止机械损伤，电击，火灾，爆炸和防病毒等因素的影响，以确保维护人员的安全。

（6）故障检测设计。产品故障检测和诊断是否准确，快速和简单，对维护有重要影响。因此，在设计中应充分考虑测试方法，测试设备，测试点配置等一系列问题，以提高故障定位的速度。

（7）维护过程中的人为因素工程设计。维修的人为因素工程是研究维修中人为因素之间的关系，包括生理因素，心理因素以及人体和产品的几何尺寸，以提高维修工作的效率，减少维修问题。人员疲劳。