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标题: 可靠性设计准则 [打印本页]

作者: 艾萨克 时间: 2012-5-17 23:46
标题: 可靠性设计准则
1 概述
可靠性设计是为了在设计过程中挖掘和确定隐患(和薄弱环节),并采取设计预防和设计
改进措施有效地消除隐患(和薄弱环节).定量计算和定性分析(例如FMEA,FTA)等主要是评
价产品现有的可靠性水平或找出薄弱环节,而要提高产品的固有可靠性,只有通过各种具体
的可靠性设计方法.
随着武器装备的发展,装备的自动化,智能化,电子化水平的不断提高,系统工作环境
更趋复杂和恶劣,因而带来一系列新的问题.例如,由于存在"潜在通路"而引起系统功能
异常或抑制正常功能,因此要进行潜在通路的分析;由于系统,设备工作后产生的热量积累,
使它们周围环境温度急骤上升而导致元器件故障率的增大,从而降低了它们的可靠性,这就
需要进行热设计;武器装备上装了许多完成不同功能的计算机,如果它们的软件发生故障,
计算机就无法完成其规定的功能,这就需要进行软件可靠性的研究等等;此外,除了研究产
品工作状态的可靠性问题外,对于非工作状态对产品可靠性的影响亦应进行研究.
1.1 含义
可靠性设计准则是把已有的,相似的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个型号或产品的,建立设计准则是工程项目可靠性工作
的重要而有效的工作项目.除型号的设计准则外,有一些某种类型的可靠性设计准则,例如:
军飞机可靠性设计准则,民用飞机可靠性设计准则,直升机可靠性设计准则,机载设备可靠
性通用准则等等.但是,这些共性的可靠性设计准则不能代替工程项目的设计准则,应将其
剪裁,增补成为各型号或产品专用的可靠性设计准则.
1.2 意义和作用
① 可靠性设计准则是进行可靠性定性设计的重要依据.在可靠性设计工作中,当产品
的可靠性要求难于规定定量要求时,就应该规定定性的可靠性设计要求,为了满足定性要求,
必须采取一系列的可靠性设计措施,而制定和贯彻可靠性设计准则是一项重要内容.例如:
由于元器件是系统的基本组成单元,因此,在设计中最关键的一个环节是选择,规定和控制
用于该系统的元器件,这就需要制定元器件选择和控制的规范,准则以及优选元器件清单.
② 贯彻设计准则可以提高产品的固有可靠性.产品的固有可靠性是设计和制造赋予产
品的内在可靠性,是产品的固有属性.而设计准则为设计人员在可靠性设计中必须遵循的原
则.
按此准则设计,就可以避免一些不该发生的故障,从而提高产品的可靠性.如:采用余度可
提高任务可靠性.
③ 可靠性设计准则是使可靠性设计和性能设计相结合的有效办法.在设计过程中,设
计人员只要认真贯彻设计准则,就能把可靠性设计到产品中去,从而提高产品的可靠性.如:
简化设计准则是指在达到产品性能要求的前提下,把产品尽可能的设计得简单,这样也可减
少故障的发生,同时又有利于实现成本,质量,尺寸等其他性能指标要求.
④ 工程实用价值高,费效比低.可靠性设计准则主要是经验的积累,不需要花费金钱
去做试验或进行复杂的数学运算.但贯彻了设计准则,避免不少故障的发生,取得的效益是
很大的,因此它的费用比较低.而且,贯彻设计准则,设计人员不需要深厚的数学基础和对
可靠性理论的深刻理解,简单易懂,只要按设计准则逐条贯彻即可,因而它受到工程技术人
员的欢迎.
1.3 制定可靠性设计准则的依据及主要内容
1.3.1 依据
编制可靠性设计准则的主要依据,一般有:
① 合同规定的可靠性定性,定量要求.
② 合同规定引用的有关规范,标准,手册等提出的可靠性设计要求或准则.
③ 同类型产品的可靠性设计经验以及可供参考采用的通用可靠性设计准则.
④ 产品的类型,重要程度及使用特点等.
1.3.2 可靠性设计准则的主要内容
可靠性设计准则的内容很多,主要包括:
·制定元器件大纲
·降额设计
·简化设计
·余度设计
·热设计
·防腐蚀,老化设计
·其他
下面仅对几个主要问题进行介绍.
2 制定元器件大纲

为了达到和保持设备的固有可靠性,减少元器件,零部件品种,降低保障费用和系统寿
命周期费用,必须控制标准元器件和非标准元器件的选择和使用.
元器件一般指的是电子,电气系统的基础产品,如:半导体,集成电路,电阻,电容,
变压器,继电器,电缆,光导纤维等.而零部件一般指的是机械系统的基础产品,如:螺栓,
螺帽,轴承,销子,弹簧,软管,齿轮,密封件等.装备(如一台电子设备,一颗卫星,一
架飞机,一艘潜艇等)就是由各种基础产品即由各种元器件,零部件构成的.由于其数量,
品种众多,所以它们的性能,可靠性,费用等参数对整个系统性能,可靠性,寿命周期费用
等影响极大.如果承制方在研制早期就开始对元器件,零部件的应用,选择,控制予以重视,
并贯彻于系统寿命周期,就能大大提高系统的优化程度.一个有效的元器件大纲所需要的投
资,可以从降低系统寿命周期费用,提高系统效能得到补偿.比如使用标准件可以提高产品
的固有可靠性和互换性,消除使用非标准件所需的设计,制造和试验费用,从而降低产品的
成本.
元器件大纲的主要内容包括:元器件控制大纲,元器件的标准化,元器件应用指南,元
器件的筛选等.
制定元器件大纲应考虑装备任务的关键性,元器件的重要性,生产的数量,装备的维修
方案,元器件的供应,所占新元器件的百分比,元器件的标准化状况等.
元器件大纲中的各项工作与其他分析有关.如与安全性,质量控制,维修性和耐久性等
分析有关.上述任何一种分析都可能提出对不同元器件,零部件的要求.在某些情况下,为
了满足系统的要求,需要质量更高的新设计的元器件.而在另一种情况下,为了减少系统寿
命周期费用和保证供应,则需要采用标准件.因而元器件大纲的制定和执行必须充分体现权
衡分析的精神.
3 降额设计
降额设计就是使元器件或设备工作时承受的工作应力适当低于元器件或设备规定的额
值,从而达到降低故障率,提高使用可靠性的目的.电子产品和机械产品都应做适当的降额
设计,因电子产品的可靠性对其电应力和温度应力敏感,故而降额设计技术对电子产品则显
得尤为重要,成为可靠性设计中必不可少的组成部分.
对于各类电子元器件,都有其最佳的降额范围,在此范围内工作应力的变化对其失效率
有较明显的影响,在设计上也较容易实现,并且不会在设备体积,重量和成本方面付出过大
的代价.过度的降额并无益处,会使元器件的特性发生变化或导致元器件数量不必要的增加
或无法找到适合的元器件,反而对设备的正常工作和可靠性不利.
4 简化设计
简化设计就是在保证产品性能要求的前提下,尽可能使产品设计简单化.简化设计可以
提高产品的固有可靠性和基本可靠性.例如:作为替代F-4,A-T的美国F/A-18A战斗机在
设计中,对雷达,发动机和液压系统采用了简化设计,取得了高可靠性的成效.F/A-18A的
发动机F-404只有14300个元件,而F-4的发动机J-79有22000个元件,也就是说F-404
所有元件数为J-79的三分之二,但推力两者几乎相等,而F-404的可靠性却比J-79提高了
4倍.
为了实现简化设计,可采取以下措施:
① 尽可能减少产品组成部分的数量及其相互间的联接.例如可利用先进的数控加工及
精密铸造工艺,把过去要求很多零部组件装配成的复杂部件实行整体加工及整体铸造,成为
一个部件;
② 尽可能实现零,部,组件的标准化,系列化与通用化,控制非标准零,部,组件的
比率.尽可能减少标准件的规格,品种数.争取用较少的零,部,组件实现多种功能;
③ 尽可能采用经过考验的可靠性有保证的零,部,组件以至整机;
④ 尽可能采用模块化设计.
5 余度设计
余度技术是系统或设备获得高可靠性,高安全性和高生存能力的设计方法之一.特别是
当元器件或零部件质量与可靠性水平比较低,采用一般设计已经无法满足设备的可靠性要求
时,余度技术就具有重要的应用价值.
"余度"就是指系统或设备具有一套以上完成给定功能的单元,只有当规定的几套单元
都发生故障时,系统或设备才会丧失功能,这就使系统或设备的任务可靠性得到提高.各种
余度系统可靠性模型已在第二章介绍.但是余度使系统或设备的复杂性,重量和体积增加,
使系统或设备的基本可靠性降低.系统或设备是否采用余度技术,需从可靠性,安全性指标
要求的高低;元器件和成品的可靠性水平;非余度和余度方案的技术可行性;研制周期和费
用,使用,维护和保障条件,质量,体积和功耗的限制等方面进行权衡分析后确定.
为提高系统或设备的可靠性而采用余度技术时,需与其他传统工程设计相结合.因为不
是各种余度技术在各类系统和设备上都可以实现,因此应根据需要与可能来确定.可以较全
面的采用,也可以局部地采用,不过一般在系统的较低层次单元中采用余度技术,针对系统
中的可靠性关键环节采用余度技术时对提高系统可靠性,减少系统的复杂性更有效.同时需
注意,采用某些余度技术时会增加若干故障检测和余度通道切换装置,它们的不可靠度应保
证低于受控部分的50%,否则采用余度布局所获得的可靠性增长将会被它们的故障所抵消.
此外,余度技术也不能用来解决设备超负荷之类的问题.
余度设计的任务包括:
① 确定余度等级(根据任务可靠性和安全性要求,确定余度系统抗故障工作的能力);
② 选定余度类型(根据产品类型及约束条件和采用余度的目的来确定);
③ 确定余度配置方案;
④ 确定余度管理方案.
6 热设计
6.1 概述
制造电子器件时所使用的材料有一定的温度极限,当超过这个极限时,物理性能就会发
生变化,器件就不能发挥它预期的作用.器件还可能在额定温度上由于持续工作的时间过长
而发生故障,故障率的统计数据表明电子器件的故障与其工作温度有密切关系.由图4-19
可看出温度对电子设备的可靠性有着重要的影响.由经验也得知,在高温或负温条件下器件
或电路容易发生故障.对温度最为敏感的器件 ,是大量使用的半导体器件和微电路.半导
体器件故障率随温度的增加而指数地上升,其电性能参数,如耐压值,漏电流,放大倍数,
允许功率等均是温度的函数.一般地说,其他器件的性能参数也都受温度的影响.
图4-19 各种电子器件的温度与故障
率的关系曲线
热设计就是要考虑温度对产品的影响问题.热设计的重点是通过器件的选择,电路设计
(包括容差与漂移设计和降额设计等)及结构设计来减少温度变化对产品性能的影响,使产品

作者: 艾萨克 时间: 2012-5-17 23:46
能在较宽的温度范围内可靠地工作.其中结构设计主要是加快散热.
加快散热的措施:
① 加快传导.在固体材料中,热流是由分子之间相互作用产生的,这就是传导.加快
传导散热的措施有:
·选用导热系数大的材料制造传导零件;
·加大与导热零件的接触面积;
·尽量缩短热传导的路径,在传导路径中不应有绝热或隔热元件.
② 加快对流.对流是固体表面与流体表面的热流动,有自然对流和强迫对流之分.在
电子设备中流体通常指的是空气.对流散热的措施有:
·加大温差,即降低周围对流介质的温度;
·加大流体与固体间的接触面积,如把散热器做成肋片,直尾形,叉指形等.
·加大周围介质的流动速度,使它带走更多的热量.
③ 加快辐射.热由物体沿直线向外射出去是辐射.加快辐射散热的措施有:
·在发热体表面涂上散热的涂层;
·加大辐射体与周围环境的温差,亦即周围温度愈低愈好;
·加大辐射体的表面面积.
3 热设计的主要内容
电子设备冷却方法的选择要考虑的因素是:电子元器件(设备)的热耗散密度(即热耗散
量与设备组装外壳体积之比),元器件工作状态,设备的复杂积蓄,设备用途,使用环境条
件(如
海拔高度,气温等)以及经济性等.通常主要考虑电子设备的热耗散密度.
① 元器件的热设计.主要是减小元器件的发热量,合理地散发元器件的热量,避免热
量蓄积和过热,降低元器件的温升.
② 印制板的热设计.主要任务是有效地把印制板上的热引导到外部(散热器的大气中).
③ 机箱的热设计.主要任务是在保证设备承受外部各种环境,机械应力的前提下,充
分保证对流换热,传导,辐射,最大限度地的把设备产生的热散发出去.

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