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可靠性基礎知識-概論
1.1 研究可靠性的意義
可靠性問題存在于人們的日常生活中，人們在選購商品時，除了對商品的外觀及性能提出各種要求外，在很大程度上要考慮商品的經久耐用問題，這個“經久耐用”即為產品的可靠性問題。早在北宋，《武經總要》就記載了弓箭多次使用弓力不減弱，天氣冷熱弓力保持不變的問題，這就是早期的武器可靠性。盡管當時人們并沒有明確認識到可靠性問題，但可靠性問題存在于任何產品中。 一、可靠性是戰(zhàn)爭發(fā)展的需要 二、可靠性是企業(yè)的命脈 企業(yè)的興旺，決定于產品的競爭力，企業(yè)喪失競爭力，就難以生存，而決定產品競爭力的重要因素是產品的可靠性，對于軍用產品都要求達到一定的可靠性指標，否則產品將被拒收，成為廢品；或者返修找到故障所在，造成設計。生產和試驗費用的增加，有可能將失去用戶，導致企業(yè)破產。民用企業(yè)同樣有類似問題。日本人把可靠性當做國家興旺的大事，其產品可靠性相當高，博得世界用戶的稱贊，贏得了市場，成為經濟強國?？傊?，在科學技術迅速發(fā)展的今天，產品的可靠性顯得尤其突出，國家已把可靠性列為評價產品質量的主要指標，可靠性將直接關系到產品研制的成敗。產品可靠性與產品性能、成本以及研制周期等基本價值目標有著密切關系。
1.2 可靠性工程的發(fā)展
盡管作為產品基本屬性的可靠性隨著產品的存在而存在，但可靠性作為一門獨立的工程學科只有五、六十年的歷史，它是從概率論、系統工程、質量控制和生產管理等學科中脫穎而出，從而成為一門新興的工程學科。 一、國外可靠性工程的發(fā)展 1．美國的可靠性工程發(fā)展 可靠性工程誕生地在美國。40多年來發(fā)展十分迅速，特別是在軍事裝備和航天領域獲得廣泛應用，取得很大的成功。因此，了解可靠性工程的發(fā)展就必須首先了解美國的可靠性工程發(fā)展。
40到50年代——可靠性工程形成： 二次大戰(zhàn)期間，當時德國V—Ⅱ火箭的誘導裝置和美國軍用雷達與以往的電子設備相比，均達到更加精密程度，但在運輸、貯存和使用中卻大量出現因故障而喪失戰(zhàn)斗力，導致人員的傷亡，甚至導致戰(zhàn)役的失敗。如美國對日作戰(zhàn)的電子設備中有50%到達戰(zhàn)場不能工作；*電子設備在規(guī)定時間內，僅有30%的時間能有效工作。于是，德國火箭研制者之一R.Lusser首先利用概率乘積法則，認為N個部件組成的串統，其可靠度等于N個部件的可靠度的乘積，這就是現在常用的串統可靠性乘積定律，并以此算出V—Ⅱ誘導裝置可靠度為0.75，*次定量表示產品的可靠性。美國則從電子管開始可靠性研究。1952年美國國防部成立了電子設備可靠性咨詢小組，對電子產品的設計、制造、貯存、運輸、使用等各方面問題進行深入調查研究，經過5年時間的努力，于1957年6月發(fā)表了《軍用電子設備可靠性報告》，從此確定了美國可靠性工程發(fā)展的方向，成為美國可靠性工程發(fā)展奠基性文件。隨后制定了許多可靠性標準、規(guī)范等。如《電子設備可靠性》，《電子設備可靠性保證大綱》等。 1954年美國正式召開*屆可靠性與質量管理學術交流會。 60年代——可靠性工程全面發(fā)展： 美國由于推行阿波羅計劃，投入了大量的資金，對航天裝置提出了*的可靠性要求，大大推進可靠性工程的全面發(fā)展。例如，作為飛船的運載火箭，“火星”號共有760萬個零件和元件，要求其可靠性相當于2萬臺電視機同時工作而不允許有一臺發(fā)生故障。這樣高的可靠性要求，除了大力提高元器件的可靠性之外，重要的是進行充分的可靠性設計。到了60年代中期，對可靠性的一些誤解，例如“可靠性是電子領域的事情”。“搞可靠性要有高深的概率與數理統計”，“可靠性工程深奧，一般企業(yè)搞不了”等被排除了，使可靠性技術進入普及和全面發(fā)展時期。美國這一時期主要發(fā)展的是： （1）改善可靠性管理，建立可靠性研究機構。1965年美國國防部頒布MIL—STD—785《系統與設備的可靠性大綱》，把可靠性與設計，試驗及生產的工程活動結合起來，以保證在產品研制初期能預測并排除潛在的不可靠問題，從而獲得良好的經濟效益。經過4年的實踐，1969年修改為MIL—STD—78。此外在*羅姆航空發(fā)展中心組建可靠性分析中心。 （2）制定可靠性試驗標準，發(fā)展新的試驗方法。1963年頒布MIL—STD—781《可靠性試驗（指數分析）》，1965年修改為MIL—STD—781A，1967年進一步修改為MIL—STD—781B，并改名為《可靠性鑒定試驗及產品驗收試驗（指數分析）》。5年之內對標準修改兩次，可見美國對可靠性研究的重視程度和研究的不斷深入。這一標準在上得到廣泛應用。為了縮短試驗時間，又發(fā)展了兩種新的試驗方法，即加速壽命試驗和快速篩選試驗。 發(fā)展新的可靠性預計技術。1962年頒布MIL—HDBK—217《電子設備可靠性預計》，1965年修改為MIL—HDBK—217A，1979年修改為MIL—HDBK—217C。這本設計手冊提供了大量的電子元器件可靠性數據和預計方法，被人們譽為電子設備可靠性的“圣地”，在世界各國得到廣泛應用。1961年頒MIL—STD—756《可靠性模型的建立與可靠預計》，1963年修改為MIL—STD—756A。60年代初，美國還頒布MIL—STD—721《可靠性和維修術語的定義》。
（4）開展失效物理研究，發(fā)展新的失效模式分析技術。1962年召開了*屆電子設備失效物理年會，1967年改名為可靠性物理年會，深入研究設備失效的機理，制定了MIL—STD—1629《故障模式、影響及危害度分析程序》。此外，對安全性也深入研究并制定了MIL—STD—822《系統及有關分系統、設備的安全性大綱》。 （5）重視維修性研究。1963年頒布MIL—STD—470《維修性大綱要求》，1966年頒布MIL—STD—471《維修性鑒定、驗收及評價》和維修性手冊MIL—HDBK—472《維修性預計》，從而出現了以可靠性為中心的維修性理論。 （6）創(chuàng)建可靠性教育。美國十分重視可靠性知識的普及和教育，到60年代后期，美國40%的大學都設置了可靠性課程，培養(yǎng)了大批的包括碩士和博士在內的各種可靠性工程技術專家。 70年代——可靠性工程進入成熟期，得到深入發(fā)展： （1）建立統一的可靠性管理機構。1978年2月成立了直屬三軍聯合后勤司令部領導的可靠性、可用性和維修性聯合技術協調組，該組下設高系統管理、電子設備設計、電子設備試驗、機械設備設計、機械設備試驗和維修等六個分組。其工作是統一組織、協調國防部內各種可靠性工作，制定可靠性工作的政策和指導性文件。 （2）成立全國統一的可靠性數據交換網。1970年正式成立政府—工業(yè)部門數據交換網，到1980年已有220個政府機構和404個工業(yè)組織參加該交換網。 （3）重視機械可靠性研究。 （4）改善可靠性設計及試驗方法。例如，計算機可靠性輔助設計，研究設備可靠性預計的軟件包，研究非電子設備的可靠性設計與試驗方法。1977和1978年先后成立機械設備可靠性設計及可靠性試驗研究組織，負責研究機械設備的可靠性。制定相應的新設計程序和試驗程序。在可靠性試驗中采用綜合環(huán)境應力試驗，加強環(huán)境應力篩選試驗，發(fā)展可靠性增長試驗，1978年頒布MIL—STD—1635《可靠性增長試驗》。 （5）廣泛運用以可靠性為中心的維修思想以及自測試設備，提高維修水平。 （6）開展軟件可靠性研究。70年代由于微機的出現，使計算機的應用出現高潮，軟件研究及應用更加迅速，使一些計算機的軟件費用已經超過硬件。而軟件同樣存在可靠性問題。于是1978年成立三軍軟件可靠性技術協調組來負責國防部范圍內的可靠性研究與協調工作。 （7）制定產品責任法。產品責任（PL）問題是指產品不可靠使消費者蒙受損失，從而到法庭上起訴、為賠償損害而爭執(zhí)的問題，為此制定產品責任法，使企業(yè)更感到可靠的重要性。據1975年美國《質量進展》雜志的預測，由于PL問題，當年請求賠償金額達5000億美元。 80年代以后——可靠性工程更受重視且更加成熟：
美國從實踐中認識到過去的軍事裝備過分追求*的性能而對可靠性和維修性重視不夠，致使裝備完好率下降和后勤保障費用大幅度猛增。這一教訓使美國國防部政策發(fā)生了變化，即從過分追求*性能轉變?yōu)閺娬{可靠性和維修性。于是國防部制定*個可靠性及維修性條令，即1980年正式頒布的5000.40條令《可靠性及維修性》。該條令規(guī)定發(fā)展各種武器的可靠性及維修性政策，規(guī)定國防部各部門對可靠性和維修性的職責，規(guī)定所有武器裝備從一開始就要考慮可靠性和維修性，條令還規(guī)定武器裝備可靠性應包括可用性、任務可靠性、維修人力和后勤支援四個方面的指標。此外，還修訂和頒發(fā)了一批可靠性標準和手冊，如表1-1。 2．原蘇聯的可靠性工程發(fā)展 原蘇聯早在1958年就曾統計過因產品的質量和可靠性問題而損失1500~2000億盧布的事實，從而認識到了可靠性工程的重要性。原蘇聯可靠性工作的特點：一是重視對工程師普及可靠性知識，建立在總工程師領導下的可靠性工作機構，并把可靠性工作機構設在質量管理部門；二是重視可靠性理論研究，原蘇聯不僅培養(yǎng)了一批如莫戈洛夫、斯米爾諾夫和馬爾可夫那樣的統計學家和可靠性理論專家，而且不少成果為*，如馬爾可夫過程就是可靠性維修性研究中常用的工具；三是注意研究實用的可靠性方法，如設計中采用降額與冗余以彌補原蘇聯自己生產的電子元器件可靠性較差的不足；四是積極吸收和引用美國的經驗和標準；五是原蘇聯對機械可靠性理論和方法都做了較深入的研究，不少研究著作為各國 表1-1 美國80年代以后頒發(fā)的部分可靠性軍用標準及手冊
標準代號 標準名稱 頒發(fā)日期 MIL—STD—721C MIL—STD—756B MIL—STD—785B MIL—STD—1629A MIL—HDBK—189 MIL—HDBK—217D MIL—STD—781D
可靠性及維修性的術語定義 可靠性模型及預計 系統及設備研制與生產階段可靠大綱 失效模式、影響及危害度分析程序 可靠性增長管理 電子設備的可靠性預計 工程研制鑒定及生產的可靠性試驗
1981．6．21 1981．11．18 1980．9．15 1980．11．24 1981．2．13 1982．2．15 1987．7．12
轉載；六是重視可靠性信息工作，各工業(yè)部門都設有可靠性信息系統，使用戶和工業(yè)主管部門有機起來，及時分析產品的可靠性變化趨勢，評定可靠性對策的有效性。 3．日本的可靠性工程發(fā)展 日本可靠性工作特點有四。一是把重點放在民用工業(yè)產品，不拘泥于理論研究，采取實用化應用可靠性的觀點，這一點可以從我國近幾年翻譯的日本可靠性書籍中明顯看出。二是日本在成功的質量管理基礎上引入可靠性工程，兩者緊密結合，效果十分顯著，歐美等國都贊嘆不如。三是日本可靠性工作主要是各大企業(yè)自成系統互相保證，企業(yè)有內控的可靠性指標的試驗及評定的規(guī)范標準。對提高可靠性的程度，企業(yè)都有明確的目標。比如對電子產品就著重于消除早期故障，對半導體和集成電路都制定了專門的可靠性保證計劃。對機械產品則解決壽命耐久性問題，重點放在關鍵零部件的設計與試驗的可靠性保證上。四是日本非常重視可靠性技術的啟蒙和培訓工作，他們認為只有職工具有的素質，產品才能達到高可靠性的水平。除了高校開設可靠性工程課外，全國不少學術組織也設立可靠性研究會，對可靠性技術普及起到了重要作用。 4．歐洲各國對可靠性也給予很大的關注
英國在標準局成立電子設備可靠性委員會，并從1968年起開始出版可靠性序列標準，如頒發(fā)BS5760《設備、系統、元件可靠性標準》，闡明可靠性管理程序和試驗方法，并列舉26個工程應用實例。并已召開了三屆全英可靠性學術會議。其可靠活動基本上也和質量管理活動起來。法國在國立通訊研究所成立“可靠性中心”，進行數據收集分析研究工作，1963年法國開始出版《可靠性》雜志。 二、國內可靠性工程發(fā)展 我國可靠性工作雖在50年代就有重視，例如錢學森同志提出用兩個不太可靠的元件組成一個可靠的系統。電子工業(yè)領域開始建立可靠性與環(huán)境試驗研究機構。到80年代，我國可靠性工作的發(fā)展已十分迅速了。電子工業(yè)以提高“三機”（電視機、錄音機、收音機）可靠性為中心，大大促進了電子產品可靠性的提高，黑白電視機的MTBF從只有250小時提高到5000小時，彩電提高到1萬小時以上。航空工業(yè)以飛機的定壽延壽為中心，推動了航空領域可靠性的發(fā)展。90年代我國可靠性技術得到進一步提高，航空、航天、船舶、兵器電子等均建立了可靠性研究中心，頒布了大量的可靠性標準，產品的可靠性有了明顯提高，大量產品已進入市場，為國家贏得了榮譽。 我國可靠性工作迅速發(fā)展具體表現有： 1．相繼建立可靠性研究機構。 2．建立可靠性數據交換網和數據庫。 3．加緊制定可靠性標準。國家技術監(jiān)督局幾年來十分重視可靠性標準的制定和貫徹，已頒布一批可靠性標準，如GB3187《可靠性基本名詞術語及定義》，GB1772《電子元器件失效率試驗方法》，GB2689.1《恒定應力壽命試驗和加速壽命試驗方法總則》，GB2689.2《壽命試驗和加速壽命試驗圖估計法》，GJB373A《引信安全設計準則》，GJB2199《炮兵引信戰(zhàn)術技術指標通用要求》。GJB450《裝備研制與生產的可靠性大綱》、GJB813《可靠性模型的建立與可靠性預計》，GJBZ299B《電子設備可靠性預計手冊》等。 4．可靠性學術活動十分活躍，可靠性專業(yè)學術組織相繼成立。例如中國機械工程學會可靠性專業(yè)委員會、中國航空學會可靠性專業(yè)委員會、中國電子學會可靠性與質量管理專業(yè)委員會、中國宇航學會可靠性與質量管理專業(yè)委員會、中國兵工學會可靠性工程專業(yè)委員會、中國數學學會可靠性專業(yè)委員會、中國航空學會維修工程委員會、中國軍械維修工程學會、全國軍事技術裝備可靠性標準化技術委員會、國防科工委質量與可靠性研究中心等等。這些學會有的每年召開一次學術會，有的兩年召開一次學術交流會。 5．可靠性工程教育蓬勃發(fā)展，許多高等院校開設了可靠性工程選修課，培養(yǎng)可靠性方面的碩士和博士研究生。各地區(qū)和各部門的短期可靠性培訓班更是難以計數。