质量工程师中级知识辅导：基本的可靠性设计与分析技术

考试网(www.examw.com) 2010年12月30日【大中小】

一、可靠性设计的基本内容
产品的可靠性是设计出来的，生产出来的，也是管理出来的。产品开发者的可靠性设计水平对产品固有的可靠性影响是重大的，因此可靠性设计与分析在产品开发过程中具有很重要的地位。可靠性设计的主要技术有：
(1)规定定性定量的可靠性要求。有了可靠性指标，开展可靠性设计才有目标，也才有开展可靠性工作的动力；有了可靠性指标也才能对开发的产品可靠性进行考核，以避免产品在顾客使用中因故障频繁而使开发商和顾客利益受到损失。最常用的可靠性指标是平均故障间隔时间，即MTBF，其次是使用寿命。
(2)建立可靠性模型。用于预计或估计产品可靠性的模型叫可靠性模型。建立产品系统级、分系统级或设备级的可靠性模型，可用于定量分配、估计和评价产品的可靠性。
可靠性模型包括可靠性方框图和可靠性数学模型。
在可靠性设计方案的研究过程中，常假定元件或分系统有某种可靠性，然后计算所设计的系统的可靠性。
产品典型的可靠性模型有串联模型和并联模型。
A、串联系统的可靠性：如果系统S是由n个分系统S1、S2、Sn组成，n个分系统中只要有一个失效，整个系统就失效，这样的系统就称为串联系统。
若以W表示系统S正常工作的事件，Wi表示分系统Si正常工作的事件，则
W=W1·W2·…·Wn
各分系统如果是相互独立的，则P﹛W﹜= P﹛W1﹜·P﹛W2﹜·…·P﹛Wn﹜则有

式中RS(t)表示S的可靠度，Ri(t)表示分系统Si的可靠度。
B、并联系统的可靠性：
如果系统S的n个分系统中只要有一分系统正常工作，系统就能正常工作，这样的系统就称为并联系统。也就是指组成产品所有单元同时工作时，只要有一个单元不发生故障，产品就不会发生故障，也称工作贮备模型。
对并联系统则存在：= 1· 2·…· n
各分系统如果是相互独立的则：
1-P﹛W﹜= P﹛﹜= P﹛1﹜·P﹛2﹜·…·P﹛n﹜
即

并联系统比串联系统可靠性大，可以近似认为串联取决于弱者，并联取决于强者。
产品的可靠性框图表示产品中各单元之间的功能逻辑关系，产品原理图表示产品各单元的物理关系，两者不能混淆。例如某振荡器电路由电感和电容组成，从原理图上看两者是并联关系，但从可靠性关系看两者只要其中一个发生故障，振荡器都不能工作，因此是串联模型。

例1、已知图5.2-1中电感和电容的故障率λL=λC= 10-8／h，求振荡器的MTBF。
解：λs=λL+λC=2×10-8／h
MTBF=1/λs=5×107h
例2、假设一个产品是由10个部件组成，若每一个部件工作10000小时的可靠度都为
0.9，求产品工作10000小时的可靠度

由例2可以看出，组成串联系统的单元越多，产品的可靠度越低。因此，提高产品可靠性的一个重要途径是在满足性能要求前提下尽量简化设计，越简单越可靠，同时提高组成产品的各单元的可靠性。
C:混合系统的可靠性计算：把若干个串联系统和并联系统重复的加以串联和并联的组合，就得到更复杂的可靠性结构模型，称为混合系统。混合系统的可靠性计算需要逐级进行。
例3：某产品由5个单元组成串联系统，若每个单元的可靠度均为0.95，该系统可靠度为(    )。
A．0.77    B．0.87    C．0.97    D．0.67
答案：A    即0.955。

(3)可靠性分配。可靠性分配是为了将产品总的可靠性的定量要求分配到规定的产品层次。通过分配使整体和部分的可靠性定量要求协调一致。它是一个由整体到局部，由上到下的分解过程。
可靠性分配有许多方法，如评分分配法、比例分配法等。
(4)可靠性预计。可靠性预计是在设计阶段对系统可靠性进行定量的估计，是根据相似产品可靠性数据、系统的构成和结构特点、系统的工作环境等因素估计组成系统的部件及系统的可靠性。系统的可靠性预计是一个自下而上，从局部到整体的系统综合过程。可靠性预计结果可以与要求的可靠性相比较，估计设计是否满足要求，通过可靠性预计还可发现组成系统的各单位中故障率高的单元，找到薄弱环节，加以改进。可靠性预计有许多方法，如元器件计数法、应力分析法、上下限法等。电子产品可靠性预计通常采用元器件计数法和应力分析法。
(5)可靠性设计准则。可靠性设计准则是把已有的、相似产品的工程经验总结起来，使其条理化、系统化、科学化；成为设计人员进行可靠性设计的所遵循的原则和应满足的要求。
可靠性设计准则一般都是针对某种产品的，但也可以把各种产品的可靠性设计准则的共性内容，综合成某种类型的可靠性设计准则，如直升机可靠性设计准则等。当然，这些共性可靠性设计准则经剪裁、增补之后又可成为具体产品专用的可靠性设计准则。
可靠性设计准则一般应根据产品类型、重要程度、可靠性要求、使用特点和相似产品可靠性设计经验以及有关的标准、规范来制定。
(6)耐环境设计。产品使用环境对产品可靠性的影响十分明显。因此，在产品开发时应开展抗振动、抗冲击、抗噪音、防潮、防霉、防腐设计和热设计。
(7)元器件选用与控制。电子元器件是完成产品规定功能而不能再分割的电路基本单元，是电子产品可靠性的基础。要保证产品的可靠性对所使用的元器件进行严格控制是极为重要的一项工作。制定并实施元器件大纲是控制元器件的选择和使用的有效途径。
(8)电磁兼容性设计。对电子产品来说，电磁兼容设计是不可缺少的。它包括静电抗扰性，浪涌及雷击抗扰性，电源波动及瞬间跌落抗扰性，射频电磁场辐射抗扰性等。
(9)降额设计与热设计。元器件、零部件的故障率是与其承受的应力紧密相关的，降低其承受的应力可以提高其使用中的可靠性，因此设计时应将其工作应力设计在其规定的额定值之下，并留有余量。产品特别是电子产品周围的环境温度过高是造成其故障率增大的重要原因。因此应利用热传导、对流、热辐射等原理结合必要的自然通风、强制通风、以致水冷及热管等技术进行合理的热设计，以降低其周围的环境温度。热设计软件是一种有效工具。

例4．产品固有可靠性与(    )无关。
A．设计B．制造C．管理D．使用
答案：D

来源:考试网-质量工程师考试

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