可靠性设计基本准则.doc

可靠性设计基本准则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）。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。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。1.2 意义和作用 1.2.1 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。1.2.2 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。而设计准则是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。1.2.3 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。1.2.4 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。1.3 可靠性设计准则的主要内容可靠性设计准则的内容很多，主要包括以下几个方面：环境防护设计简化设计降额设计热设计密封设计新技术采用原则机械可靠性设计节能环保设计安全性设计工艺可靠性设计维修性设计2 可靠性设计准则的内容细分2.1 环境防护设计2.1.1 环境条件是指产品在贮存、运输和使用过程中可能遇到的一切外界影响因素。2.1.2 主要环境因素a) 气候环境温度（高低温）、湿度、气压（海拔高度）、太阳辐射（如紫外线）、风力等级、降水、降雪、冰冻、雨露、雾、霜等。b) 机械环境振动、冲击、碰撞、跌落、摇摆、翻倒、爆炸、冲击波等。c) 化学环境盐雾、腐蚀性气体（如CL2、H2S、SO2等，混合气体）。d) 生物环境霉菌、动物（如防老鼠）、植物（如表苔）。e) 电磁条件电场、磁场、闪电、雷击、电晕放电。f) 机械活性物质沙、尘g) 其它人为条件使用、维护、包装、保管不当等。2.1.3 环境防护设计的基本方法a) 收集分析产品在寿命周期中的环境应用情况。b) 根据相关标准转化为量化的设计要求。c) 按照要求进行设计材料防护：选用抵御有害环境因素的材料（金属类、非金属类）。工艺涂敷防护：表面进行电镀、油漆、塑料喷涂等。结构防护：结构上采取密闭措施、局部进行隔离防护等。防潮设计：采用吸湿性小的元器件和材料；采用喷涂、浸渍、灌封、憎水（具有良好的防污、防尘、防霉、防泛碱、防风化和析白、防止微生物滋生物、防老化等作用）等处理；局部采用密封结构；放入吸潮剂；改善整机使用环境（如采用空调、安装加热去湿装置）等。防霉设计：采用抗霉材料；采用密封装置；表面涂覆；采用防霉剂进行处理；控制环境温度和湿度，抑制霉菌生长（如通风、降温）。防盐雾设计：采用防潮和防腐能力强的材料；电镀；涂覆；采用密封结构；避免不同金属间的接触腐蚀，金属之间涂覆隔离或垫绝缘片；控制环境温度和湿度（注解：温度每升高10度，腐蚀速度提高23倍，电解质导电率提高1020%；相对湿度大于70%时，腐蚀速度加快。）2.1.4 环境防护设计的注意事项a) 采取密封措施后，必须注意解决散热问题。选择导热好的外壳材料；选择合理导热方式。b) 电镀和涂覆应注意工艺控制，保证质量。c) 结构上避免出现积水现象。d) 避免出现应力集中的结构形式。e) 产品的组装应当在干燥清洁的环境下进行，避免内部空气不洁或温度变化时产生凝露。2.2 简化设计2.2.1 概述：产品越复杂，可靠性越低。在确保满足其功能及不会给元器件、零部件造成过高应力的情况下，采用简化设计技术，可提高产品的可靠性。2.2.2 简化设计原则a) 深入进行功能分析，去掉不必要或多余功能，简化设计目标。b) 在保证必要的功能性能的前提下，尽量减少零件数量及软件指令数。c) 尽可能实现零部件的标准化、系列化与通用化，控制非标准零部件的比例。d) 压缩元器件、零部件、标准件的品种规格，争取用较少的零部件实现多种功能。e) 尽可能采用经过考验的可靠性有保证的零部件以至整机，即共用成熟的零部件或成熟的电路。f) 尽可能采用模块化设计。2.3 降额设计2.3.1 定义：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产品规定的额定值，从而达到降低故障率，提高使用可靠性的目的。2.3.2 意义a) 延缓器件参数退化，增加工作寿命。b) 防止瞬态应力过载，降低失效率。c) 防止电路参数容差和变异带来不利影响。2.3.3 降额设计的基本要求a) 使元器件在安全区内工作。b) 特别强调符合系统权衡确定的重量、体积、成本及可靠性的要求。c) 降额是有限度的。2.3.4 主要降额的项目a) 温度敏感器件：降低热应力（相对于额定值）。b) 电阻器：降低工作功率，实际使用中要低于极限电压、温度。c) 电容器：降低施加的电压值，应用的最高额定环境温度降额。d) 二极管器件：降低功耗和结温。e) 三极管器件：降低电流、电压、功耗和结温。f) 集成电路：结温、输出负载。g) 电感元件：热点温度、瞬态电压/电流。h) 开关：触点电流、电压、功率。i) 连接器：工作电压、额定工作电流、温度降额。j) 导线和电缆：电压、电流、应用温度降额。k) 继电器：触点电流根据负载性能降额。l) 镇流器：工作电压、额定工作电流、应用温度降额。m) 触发器：工作电压、应用温度降额。n) 光源：触点电流、电压、功率（有限度的）、应用温度降额。o) 电池：充放电电压、电流、应用温度降额。2.4 热设计2.4.1 目的：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，控制产品内部所用元器件的工作温度，使其在产品内部能在所处的工作环境条件下不超过规定的最高允许温度，以保证产品正常、可靠地工作。2.4.2 温度是影响产品可靠性主要因素之一a) 热和冷成为化学变质和物理变质的重要作用因素，几乎所有已知的材料的物理性能都会因为温度的改变而有巨大的变化。b) 反应物的温度显著影响几乎所有化学反应的变化率。对于化学反应，常见的经验估计法是温度上升10，许多反应的变化率是加倍的，大约等于0.6eV（电子伏特）的激活能。c) 对大部分元器件而言，温度每升高十度，寿命下降一倍。2.4.3 热设计的主要内容a) 热设计方法的选择要考虑的因素是：元器件的热耗散密度（即热耗散量与产品组装外壳体积之比），元器件工作状态，产品的复杂积蓄，产品用途和使用环境条件(如电网电压、海拔高度、气温等)以及经济性等。b) 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。c) 印制板的热设计。主要是有效地把印制板上的热引导到外部（散热器或外壳的大气中）。d) 壳体的热设计。主要是在保证产品承受外部各种环境和机械应力的前提下，充分保证对流换热、传导、辐射,最大限度地的把产品产生的热散发出去。2.4.4 热设计的基本原则a) 减小发热源。选择效率高的器件，减少发热源。b) 缩短散热途径。热通路尽可能短，横截面尽可能大；尽可能利用金属机箱或底盘散热；尽量降低接触面的热阻；应选择导热系数大的材料制造传导零件。c) 合理选择器件材料选用耐温高的器件材料；尽量采用温漂小的器件。2.4.5 通过结构设计加快散热的措施a) 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。b) 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。流体通常指的是空气。加快对流散热的措施有: 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，如把散热器或壳体表面做成肋片，直尾形，叉指形等多种形状的散热筋；加大周围介质的流动速度，使它带走更多的热量，如散热窗设计。c) 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。2.5 密封设计2.5.1目的：通过外壳件之间的密封，从而达到设计所要求的防水、防尘以及防腐的作用，以保证能在所处的工作环境条件下正常、可靠地工作。2.5.2 密封的原理（要素）：压缩量、压力、接触面积。2.5.3 密封的结构形式：径向密封、端面密封、胶封。2.5.4 常用合理的密封结构a) 轴与孔之间的径向密封最好用0型圈。b) 对于用螺钉联接固定的壳体端面密封应该根据具体的结构设计不同，应选用合理截面形状的密封条和密封条的材料。c) 隔爆型防爆灯具的透明件最好用胶粘的形式，但要考虑环氧树脂胶封时玻璃破裂的情况。d) 外壳固定用的螺钉的密封可以采用平垫密封或O型圈密封方式，但要从结构上考虑密封圈不被拧出。2.6 新技术采用原则2.6.1 新技术的范畴：新电路的应用和扩展、新工艺、新器件等。2.6.2 设计原则a) 合理的继承设计：拿来主义，风险小、投入少。b) 限制对不成熟技术的应用。主要电路、工艺、器件等技术需经过充分预研；只有当不存在大的不确定因素的情况才进入产品设计阶段；降低技术风险和计划风险。c) 使用集成化高、可靠性高的新型器件，集成降低了整体的复杂度。2.7 机械可靠性设计2.7.1 概述：机械可靠性主要包含产品的抗振动、冲击、跌落等性能以及机械强度方面的可靠性。通过机械可靠性设计，以保证产品能在所处的机械环境下正常、可靠地工作。2.7.2 常见的易损部件a) 灯泡：强度薄弱，容易受振动或跌落而造成松动或泡壳破碎。b) 灯座：容易因振动或跌落等产生接触不良或破碎。c) 镇流器/电容器/触发器/电池：质量较大，容易受振动而松动。d) 灯具的固定支架：是受力最大的部位，受振动产生的冲击及其它外力冲击而造成疲劳损坏。e) 电气连接及电气触点：容易因振动或跌落等因素产生接触不良或松动脱落。f) 透明件：易受外力冲击或跌落而造成破碎。g) 外壳：易受外力冲击或跌落或爆炸等情况而造成变形或开裂。h) 开关件：易受多次按压或拨动等机械力而造成接触不良或损坏。2.7.3 设计要求和方法a) 收集和分析产品使用场所的机械环境情况：振动、冲击、碰撞、跌落、摇摆、翻倒、爆炸、冲击波等。b) 对产品内部器件加强硬性固定。c) 对灯泡/灯座类易损件可采用加强硬性固定或采用柔性连接，两端支撑，避免悬臂。d) 质量大的器件可考虑胶粘固定，如印制板上的电容。e) 连接件均要用弹性元件防松。f) 合理选择材料和厚度。g) 透明件采用合理选材和钢化工艺，外部增加防护网罩。h) 结构设计避免应力集中，如采用圆角过渡。i) 外壳表面设计考虑增加加强筋，增加刚性。j) 设计要注意产品系统的重心合理，以避免在受到风力或外力冲击时变形、断裂或翻倒。2.8 节能环保设计2.8.1 概述：“节约能源，环境保护”已成为全球照明技术的新主题和发展趋势。其结果能直接给企业和社会带来巨大的经济效益和社会效益。2.8.2 设计的要求和措施a) 提高反射率和透光率。反射器和透明件选用反射效率和透光效率高的材料，采用合理的加工工艺和表面处理工艺。b) 反射器设计避免光线多次反射。c) 设计要避免出现眩光。d) 采用光效高寿命长的光源（如HID、LED、无极荧光灯等）。e) 选用匹配的配套电器件，提高元器件功率因素、采用低功耗元件、采用无功损耗的电路，以提高电气效率。f) 选用环保材料。如用可充电电池代替一次性电池，不用石棉隔热等。g) 增加消声装置，降低噪音污染。如降低发电机的噪音。2.8.3 设计注意事项a) 配光设计时避免光线反射或折射到灯泡上。b) 选材和表面处理工艺时要考虑耐温、耐紫外线、耐气候等性能。2.9 安全性设计2.9.1 基本危害的防治措施a) 电击：绝缘等级，距离绝缘，温度绝缘，漏电流，接地设计，外壳材料。b) 能量危险：隔离，屏蔽，安全互锁。c) 起火：阻燃材料，降低温升，隔离氧气。d) 过热：过热过温保护，警告标记。e) 机械伤害：限制接触，互锁开关，警告标记。f) 辐射：屏蔽，互锁开关，警告标记。g) 磁铁：防止夹手，贴警告标记。h) 电磁干扰：屏蔽，滤波。i) 爆炸：增加外壳强度，降低热源温度，加长隔爆面长度。j) 玻璃破裂：合理设计透明件形状和尺寸，改善玻璃钢化工艺，增加防护网罩。2.10 工艺可靠性设计2.10.1 目的：通过合理的分析和设计降低生产加工、组装和测试等环节对产品的可靠性影响。2.10.2 设计的内容a) 工艺过程对产品可靠性的影响，如波峰焊时的短时高温对产品的影响。b) 印制电路板的可靠性设计，如机械强度应力、铜箔的宽度。c) 生产加工过程的环境防护，如车间的温度、湿度。d) 静电防护。e) 工艺可靠性试验，如PCB板上的焊点是否牢固。f) 尽量考虑标准化、通用化、模块化设计，简化装配工艺，尽量不用复杂的专用装配工装和夹具。g) 多设计定位装置，少固定。h) 尽量共用成熟简单的器件，减少零部件品