可靠性实用技术

1、课程特点：p不求全面、系统的介绍可靠性工程的各个方面p尽量减少涉及可靠性数学知识和理论p有针对性的进行可靠性工程方法在实际运用中的探讨p实例来源于工程实际课程内容：课程内容：p 可靠性的基本概念p 可靠性设计与分析p 可靠性设计准则p 可靠性试验技术第第1 1章章 可靠性基本概念可靠性基本概念p可靠性的发展概况p可靠性工程的地位和作用p可靠性的基本概念p可靠性参数的几种表示方法 1.1 可靠性的发展概况可靠性最早的概念来源于航空领域，在两次世界大战期间，飞机已经成为一种新的交通工具，但是如果飞机发生了故障，特别是飞机的发动机等核心部件发生故障将造成比传统交通工具更为严重的后果。 在第二次世界大

2、战中雷达等各种复杂电子设备相继出现，对战局产生了重要的影响，但是由于设备故障率较高严重影响了武器装备的作战效能。 1.1 可靠性的发展概况n上世纪50年代开始，为了解决复杂导弹系统的可靠性问题，美国国防部成立了一个由军方、工业部门和学术界组成的可靠性咨询机构（AGREE），开始实施一个由设计、试验、生产到交付、贮存、使用的全面可靠性发展计划。 1.1 可靠性的发展概况AGREE提出的可靠性设计、试验和管理的方法被美国国防部及航空航天局（NASA）接受，并形成了一套较为全面的可靠性设计、试验和管理标准，这些标准至今仍然是开展可靠性工作的基础性文件。MIL-HDBK-217“电子设备可靠性预计手册

3、”MIL-STD-781“可靠性试验、指数分布”MIL-STD-785“系统与设备可靠性大纲要求”等。 可靠性在新研制的装备中得到了广泛的应用和迅速发展。1.1 可靠性的发展概况成功的范例成功的范例上世纪60年代美国成功的实施了阿波罗登月工程美国空军主力战斗机如F-16C/D、F-15E的可靠性较其前期机型有了大幅度的提高1991年海湾战争中美国空军战机的战备完好性超过了95%。 1.1 可靠性的发展概况我国的可靠性工作起步于上世纪七十年代，1978年济南会议提出奋斗一年争取平均故障间隔时间大于1000小时的要求。1979年4月成立了中国电子学会电子产品可靠性与质量管理学会。军工领域于1974

4、年对重要的元器件生产提出了“七专”要求（专人、专机、专料、专批、专检、专卡）。从八十年代开始我国相继制定了成套的可靠性标准，可靠性理论和在工程上的应用得到迅速发展，在军用和民用领域取得了巨大的进展和显著效益。1.1 可靠性的发展概况几十年来可靠性的工程方法也有了较大的发展，主要表现在：几十年来可靠性的工程方法也有了较大的发展，主要表现在：研究对象从电子产品扩展到光电、机电、机械产品，提出一系列标准的方法和数据库；从研究硬件产品到提出软件可靠性的概念，并提出了工程的方法；可靠性试验不断深化，强调可靠性研制试验，大有替代可靠性验证试验之势；从初期简单的环境模拟，到开展强化试验，确保设计阶段产品达到

5、可靠性的优化；设计分析手段从手工计算到实现CAD，并向智能化发展；可靠性工程带动了维修性、测试性、保障性、安全性和环境适应性等综合保障工程技术的发展。1.2 1.2 可靠性工程的地位和作用可靠性工程的地位和作用可靠性是现代质量观的重要组成部分产品的基本质量目标包括： 性能 安全性 可靠性 维修性 适应性 经济性等可靠性是产品基本质量目标之一，是产品质量的重要组成部分。1.2 1.2 可靠性工程的地位和作用可靠性工程的地位和作用可靠性设计是提高费用/效能比的重要环节 研制费用随着可靠性的提高而增加 可靠性设计水平不高，极大的增加装备全寿命周期的使用费用。 武器装备是一种特殊的产品，质量不好，可靠

6、性不高损失的就不仅仅是经济效益，将决定官兵的生死存亡，决定着战争的成败！因此在武器装备的可靠性就显得更为突出，更为重要，这也是可靠性概念的提出源于武器装备的原因。 要在设计阶段做好可靠性的投入与整个产品寿命周期费用作综合平衡。 区：随着可靠性的提高，总成本逐渐下降；区：产品合格区，产品的允许限尽可能选择在A点处的可靠性为最佳可靠性；区：随着可靠性的增加，总成本就越高，若超过成本限，这时可靠性的提高就没有意义了。 1.3 可靠性的基本概念可靠性的定义可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定的功能的能力。可靠性的概率度量称为可靠度。规定的条件是指产品在其寿命周期内所处的预先规定的全部外部

7、条件。外部条件包括环境、使用、维修条件等。产品的可靠性与规定的时间密切相关,产品的可靠性水平经过一段时间的稳定使用后,随着时间的增加而降低。产品的可靠性与规定的功能密切相关,完成规定功能的能力是指完成产品规定的性能指标。1.3 可靠性的基本概念t1之前为产品的早期故障区 t2之后为耗损故障期 t1和t2之间的区域成为随机故障区 航空产品故障率曲线 1.3 可靠性的基本概念系统的可靠度系统在一定的时间内完成规定功能的概率，是在0，t内系统正常工作的概率。对于任意时刻t0，系统的可靠度函数是其正常工作的时间随机变量X大于t的概率 )()(tXPtR0t1.3 可靠性的基本概念系统的可靠度随机变量X

8、的分布规律可以用其分布函数或分布密度函数 来表示 tF tf 11R tP XtP XtF t t0 F(t)称之为不可靠度，或t时刻累计故障率1.3 可靠性的基本概念系统的可靠度( )( )tR tfx dx 1tRtF( )( )dF tf tdtf(t) 为失效密度1.3 可靠性的基本概念故障密度函数(t)称为产品的故障率函数或瞬时故障率( )( )( )1( )( ( )( )( )( )f tR tdR tdtR tR tR tdtR tdt 0( )( )(0)tt dtR tRe若假设，在t=0时，产品绝对可靠，R(0)=1 0( )( )tt dtR te1.3 可靠性的基本概

9、念平均故障间隔时间（MTBF）MTBF是故障间隔时间的期望值，即 对于指数分布，失效密度 即，在指数分布下，MTBF是其失效率的倒数 00( )( )MTBFtf t dtR t dt 0( )tdttR tee1 MTBF( )tf te1.3 可靠性的基本概念基本可靠性和任务可靠性基本可靠性 产品在规定的条件下无故障的持续时间或概率任务可靠性 产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。1.3 可靠性的基本概念基本可靠性和任务可靠性基本可靠性应关注以下几点：基本可靠性与规定的环境有关，即产品所处的环境条件、应力条件、寿命周期有关，也就是与“寿命剖面”确定的事件有关。基本可靠性是“无故障的持续

10、时间或概率”，它说明产品要经过多长的时间可能发生故障。“时间”是一个广义的概念，可以是小时、也可以是里程或其它寿命单位。基本可靠性一定是串联模型，而不管产品中是否有冗余。1.3 可靠性的基本概念基本可靠性和任务可靠性任务可靠性应关注以下几点：任务可靠性仅考虑任务期间那些影响任务完成的故障。所以在进行任务可靠性分析时，首先要确定什么是任务的基本功能，什么是危及任务的故障。提高任务可靠性的途径之一是采用冗余或替代工作模式等，但冗余会降低基本可靠性，增加维修和综合保障费用。在产品设计中应综合权衡。任务可靠性模型能反映冗余或替换工作模式的复杂串、并联模型或网络模型。1.4 可靠性参数的几种表示方法 平

11、均寿命MTTF（不可修复系统）或平均故障间隔时间MTBF 适用于长寿命系统规定时间内正常工作的概率，可靠度 当在任务期间要求设备具有高的可靠性，而超出任务期间的平均故障间隔没有实际意义。1.4 可靠性参数的几种表示方法成功率（与时间无关） 适用于一次使用的设备和装置。也适用于短时间使用的产品的可靠性，如发射可靠性、导弹的可发射率等。规定时间内的故障率 适用于长寿命或故障间隔时间的元器件、设备。1.4 可靠性参数的表示方法连续负载长寿命（可修复）间断负载短期任务（可修复）连续或间断负载（不可修复）一次使用（与时间无关）复杂系统R(t)或MTBFR(t)或MTBFR(t)或MTTFP(s)或P(F

12、)系统、分系统、设备、组合件R(t)或MTBFR(t)或MTBFR(t)或P(s)或P(F)装置、组件、元器件P(F)P(s)成功概率P(F)故障概率第2章 可靠性设计与分析可靠性主要包括： 可靠性管理、可靠性设计与分析、可靠性试验与评价 可靠性设计与分析是产品可靠性工程的重要内容，产品的可靠性是设计出来的，因此可靠性设计与分析是保证产品可靠性的重要途径，GJB450A中300系列工作项目就是可靠性设计与分析的内容。可靠性设计与分析的内容可靠性建模可靠性分配 FTA电路的容差分析元器件、原材料和零部件的选择与控制确定功能测试、包装、贮存、装卸、运输及维修对可靠性的影响可靠性预计FMECA潜在通

13、路分析制定可靠性设计准则确定可靠性关键产品有限元分析耐久性分析2.1 可靠性建模建立可靠性模型是重要的可靠性工作项目，是进行可靠性分配、预计的依据。建立可靠性模型的要求：可靠性模型应以产品功能为基础，分别给出可靠性框图和可靠性数学模型。可靠性框图应与产品的功能框图相协调。应分别建立基本可靠性框图和任务可靠性框图。 2.1 可靠性建模n注意：不要将可靠性框图与功能原理相混淆。 功能图 LC 可靠性框图 2.1 可靠性建模串联模型 设系统S由n个独立的单元A1，A2，An组成，若n个单元中至少有一个单元失效时，则整个系统就失效，则称为串联系统 A1A2An图3-4串联系统1( )( )nsiiR

14、tR t)()(0tRtRis串联系统的可靠度小于或等于部件的可靠度 。对于寿命服从指数分布 tiietR1nsii ttniissniieetRtR11111snsiiMTBF2.1 可靠性建模并联系统 组成系统的所有单元故障时系统才故障的系统称为并联系统，显然并联系统属于工作储备模型。 tFtFniis1A1A2An图3-5 并联系统 niistRtR1112.1 可靠性建模并联系统当单元寿命为指数分布时 nitsietR111对于最常见的两单元并联系统，有 1212tttsRteee 21210111dttRss当1=2=时32s ndttRss12110当n个相同的单元并联时2.1 可

15、靠性建模并联系统的可靠度高于每一个单元的可靠度，并联系统是一个冗余系统，工作贮备系统 串联系统和并联系统具有相互对偶性 1( )( )nsiiR tR t tFtFniis1串联系统 并联系统 2.1 可靠性建模串联系统的可靠度好似链条的可靠度，构成链条的链环只要有一个断开链条就坏了，一条链条的寿命是由寿命最短、强度最弱的链环决定的。并联系统的可靠度好似有许多钢丝编成的钢丝绳的可靠度，钢丝绳的寿命由具有寿命最长，强度最大的钢丝决定。串并联混合系统串并联混合系统1123SRR R R245SRR R36767671 (1)(1)SRRRRRR R 串并联混合系统串并联混合系统41212SSSSS

16、RRRR R53SSRR451212512345123456767()() ()SSSSSSSSRR RRRR RRRR RR RRR R R RRRR R2.1 可靠性建模n中取r模型（r/n（G）模型） 组成系统的n个单元中，不故障的单元数不少于r（r介于1和n之间的某个数）则系统就不会故障，这样的系统称之为r/n系统。它属于工作贮备模型。如4台发动机的飞机，必须有2台或2台以上的发动机正常工作，飞机才能安全飞行，这就是4中取2系统。n中取r模型（r/n（G）模型） 当n个单元都相同时，其可靠度可以按二项展开式计算 0( )( )1( )n riin isniR tC RtR t11222

17、( )( ) 1( )( ) 1( )( ) 1( )nnnn rrn rnnnRtC RtR tC RtR tCRtR tn系统的单元数； r系统正常工作所必须的最少单元数 当r=1时即为并联模型 当r=n时即为串联模型 n中取r模型（r/n（G）模型）n当n个单元寿命都服从指数分布时011111( )(1)(2)nssi rMTBFR t dtnnnri2.1 可靠性建模选择可靠性模型的原则 大型系统和分系统一般都是串联系统 元器件、零部件的可靠性是系统可靠性的基础，必须努力提高元器件、零部件的可靠性，只有在这种方法不能奏效时，或者当提高元器件、零部件可靠性所花的费用高于使用贮备的费用时，

18、使用贮备模型才是唯一有效的办法。 2.1 可靠性建模若要用贮备时，尽量在低级别上采用贮备，避免在高级别上进行贮备。对于简单并联模型来说，当贮备单元超过一定数量时，可靠性提高的速度大为减慢。 nMnMMTBF提高倍数相对增加倍数单元数n11.0021.50.531.830.3342.080.2552.280.20实例1 某型装备任务剖面 实例2 不同任务阶段的可靠性框图导弹准备阶段可靠性框图 实例2 不同任务阶段的可靠性框图实例2 不同任务阶段的可靠性框图实例3 r/n（G）模型固态相控阵天线的结构形式：T/R模块组件：一般4个T/R模块组成子阵：4个组件，即16个模块组成实例3 r/n（G）模

19、型天线的主要参数天线增益 天线增益是雷达的一个重要指标，决定了雷达的威力。对于固态阵来说，随着失效单元数目增多，天线实际的有效辐射口径减小，因此天线增益会逐渐降低。 副瓣电平实例3 r/n（G）模型单元级失效的影响 由于单元数目很多，单元失效往往呈随机分布 1%单元失效 实例3 r/n（G）模型10%单元失效-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.4-1.8-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.20X: -0.02999Y: -0.9167 (=0)AF (dB)归一化方向图正常工作1%失效2%失效3%失效4%失效5%失效6%失效7%失效8%失效9%失效10

20、%失效单元失效对天线增益的影响 当单元级失效率为10%时，增益下降约0.92dB。实例3 r/n（G）模型-20-1001020-50-45-40-35-30-25-20-15-10-50 (=0)AF (dB)归一化方向图正常工作10%单元失效-20-1001020-50-45-40-35-30-25-20-15-10-50 (=0)AF (dB)归一化方向图正常工作10%单元失效单元失效对发射方向图（法线）影响 单元失效对接收和方向图（法线）影响 实例3 r/n（G）模型组件级失效的影响： 假设固态阵天线中4个T/R模块构成一个组件。组件共用一个电源模块，当长时间工作后，电源模块会有一定的

21、故障概率，一旦电源供电不正常，将会影响4个模块的工作，这种失效情况称之为组件级失效。组件级失效相比较单元级失效而言，对天线性能的影响较大。 实例3 r/n（G）模型1%组件失效10%组件失效 实例实例3 r/n3 r/n（G G）模型）模型-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.4-2-1.8-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.20 (=0)AF (dB)归一化方向图正常波束1%组件失效5%组件失效10%组件失效实例3 r/n（G）模型-20-15-10-505101520-50-45-40-35-30-25-20-15-10-50 (=0)AF (dB)

22、归一化方向图正常波束10%组件失效-20-1001020-50-45-40-35-30-25-20-15-10-50 (=0)AF (dB)归一化方向图正常工作10%单元失效组件级失效对接收差方向图（法线）的影响 组件级失效对发射方向图（法线）的影响 实例3 r/n（G）模型当10%组件级失效时，天线增益下降约0.9dB，与单元级10%失效情况一致。10%组件级失效时，与正常状态相比，发射波束第一副瓣电平无明显变化， 但是由于4个模块为一组，组件级失效时所引起的随机性幅相误差要大于单元级失效时所带来的误差，远区副瓣电平有一定的抬升，同时副瓣零点深度有退化的迹象。虽然副瓣电平有一定劣化，但是方向

23、图整体包络形状并不明显改变，因此亦不会严重影响雷达整体性能。实例3 r/n（G）模型子阵级失效 为了减少馈电网络、电源、控制等的复杂程度，天线阵面往往要划分为多个子阵。 将4x4单元组成一小子阵。 子阵级失效对阵面幅相误差有较大影响，会造成阵面某一片区域16个单元幅相出现较大的误差。 实例3 r/n（G）模型1%子阵失效 10%子阵失效 实例3 r/n（G）模型n子阵级失效对天线增益的影响 0-2-1.8-1.6-1.4-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.20 (=0)AF (dB)归一化方向图正常工作1%子阵失效5%子阵失效10%子阵失效实例3 r/n（G）模型结论结论通过上述分析固态

24、阵天线单元级、组件级和子阵级随机失效对天线性能的影响。对于发射或接收状态，失效率为10%时，天线增益下降约0.9dB。单元级失效时，天线发射、接收天线方向图与正常状态相比无明显变化；组件级、子阵级失效时，天线发射、接收天线方向图远区副瓣略有抬升，但是方向图整体包络形状不变，不影响使用。相控阵天线系统是一个r/n(G)模型，其中r=0.9n。实例4 r/n（G）任务可靠性计算 某相控阵天线由400个天线阵子、馈线和收发模块（T/R ）以及功分器组成 实例4 r/n（G）任务可靠性计算 1个天线与收发单元的失效率； 天馈与数字收发系统的总失效率4 0 03 6 11=/sii s天馈分系统与数字收

25、发系统的任务可靠性为：1 /=0.1052/sMTBCF实例5 r/n（G）任务可靠性计算已知，1个数字T/R模块的MTBF为100000h，1个天线阵子+馈线的MTBF为1000000h，因此，1个天线与收发单元的MTBF为90909.1h。根据计算，天馈与数字收发分系统的MTBCF为9564h。天馈与数字收发分系统基本可靠性模型是400个组件的串联形式。400/400MTBFh实例5 冗余设计实例某产品的供电系统采用分布式的结构形式，共5个机柜，每个机柜内安装10个电源模块。系统对供电分系统的可靠性要求是3000h。如果电源模块的MTBF为80000h，则，每个机柜的MTBF=80000/

26、10=8000h。而5个机柜的MTBF=8000/5=1600h。无法满足系统的要求。 实例5 冗余设计实例n为了提高供电系统的可靠性，进行冗余设计。n方案方案A A在机柜级进行冗余，增加了1个电源机柜作为冗余，形成5/6（G）模型。n采用冗余设计后，供电系统的可靠性从1600h提高到2930h,增加了83%，代价是增加了10个电源模块，设备量增加了20%。 651s=/2 9 3 0jihi实例5 冗余设计实例n方案方案B B 仍用5个电源机柜，组成串联模型，在各机柜内部增加1组电源模块，即在机柜内电源模块从10个，增加到11个。 电源机柜的可靠性框图 1 1j101=/ii实例5 冗余设计

27、实例每个机柜的 供电系统 供电分系统的可靠性框图 1/15273jjMTBFh/515273 /53054.6sjMTBFMTBFhh实例5 冗余设计实例当采取电源模块冗余后，供电系统的可靠性比不采用冗余时提高了91%（从1600h提高到3054h），比在机柜级采用冗余时的可靠性（2930h)又提高了4.3%。满足了系统提出的可靠性要求。在电源模块级采用冗余技术，效率更高，也更加经济，比增加一个电源机柜减少了5个电源模块。在较低的产品层次上进行冗余设计效率更高，更经济，而且在大多数情况下更容易实现。 2.2 可靠性分配和预计可靠性预计和可靠性分配的关系可靠性预计和可靠性分配的关系可靠性分配和可

28、靠性预计是可靠性设计过程中必不可缺少的两项工作。可靠性分配是可靠性设计过程的第一步，可靠性预计是可靠性设计的重要环节。可靠性分配是按照系统分系统设备或部件这样自上而下地进行。而可靠性预计则是按照元器件或零件设备或部件分系统系统自下而上的进行。可靠性分配和预计是密不可分的，贯穿于整个工程研制过程。分配给某级产品的可靠性指标作为该产品的可靠性指标成为产品可靠性设计的基础，如果在现有的技术条件下经过努力仍难以达到所分配的可靠性指标，则需要调整技术方案，如果经过多种设计方案都无法达到规定可靠性要求时，则可以考虑在保证系统可靠性要求的前提下，重新进行可靠性分配。经过分配预计再分配再预计的过程，达到并协调

29、好可靠性指标要求。2.2 可靠性预计和分配 可靠性分配可靠性分配可靠性分配是产品在设计阶段，根据系统的组成及以给定的条件，把系统的可靠性指标合理地分配给分系统或部件的过程。可靠性分配是一个从整体到局部、由大到小、自上而下的分解过程。可靠性分配应包括基本可靠性分配和任务可靠性分配。可靠性指标分配通常要留有余量。2.2 可靠性预计和分配可靠性分配应遵循以下原则：复杂程度高的系统或产品，应分配较低的可靠性指标；技术上不成熟的产品，应分配较低的可靠性指标；处于恶劣工作环境的产品，应分配较低的可靠性指标；当对可靠度进行分配时，对于工作时间长的产品，应分配较低的可靠性指标；重要度高的产品，应分配较高的可靠

30、性指标；不便于维修的产品，应分配较高的可靠性指标；可靠性分配是一个权衡过程，为了实现系统设计优化，还应考虑其它约束条件。系统的可靠性分配就是求解不等式：RRRRfn),(21常用的可靠性分配方法 1) 等分配法 将系统的可靠性指标均匀的分配给各个分系统，即 i=1,2n 等分配法计算简单，应用方便。缺点是没有按照系统的复杂程度进行分配，误差大，有些分系统的可靠性指标可能难以实现。 niRR1常用的可靠性分配方法2）AGREE分配法既考虑了每一个分系统的复杂性，又考虑了其重要性。 ln( )i iiiNtnR tiiiittRexp)(i分配给第i个分系统的平均致命故障间隔时间 )(iitR分配

31、给第i个分系统在其任务时间内的可靠度 it规定的第i个分系统的任务时间 i第i个分系统发生故障将会导致系统发生故障的概率，表示的重要性因子 in第i个分系统中组装件的个数，表示复杂性的因子 kiinN1系统中组装件的总数 常用的可靠性分配方法2）AGREE分配法AGREE分配法是以任务可靠性为分配目标的，考虑了任务时间，产品的复杂性和重要性等因素。适用于k个分系统组成的串联模型，且每个分系统均为指数分布。常用的可靠性分配方法3） 加权因子分配法分系统的可靠度按照相关因素得分多少来分配，应考虑哪些因素，每项因素的得分多少，由系统工程师根据经验估计。为了便于统计，得分等级分为为了便于统计，得分等级

32、分为110110分。分。一般可考虑如下因素：重要性因子复杂性因子环境因子标准化因子维修性因子元器件质量因子等。常用的可靠性分配方法分配模型iiiicciimikmirc1niicc1mir每一分系统相关因素得分 m相关因素项数 k待分配的分系统个数 分配给第i个分系统的故障率 第i个分系统的加权因子 例：某舰载火控系统是由搜索雷达、跟踪制导雷达和计算机系统组成，系统要求的MTBF=40h，将此指标分配给各分系统。指挥控制系统搜索雷达跟踪制导雷达复杂因子 123重要性因子 111环境因子 122标准化因子 122维修因子 122元器件质量因子 1221324881ir1ir2ir3ir4ir5i

33、r661mmiirc31iicc某火控系统可靠性分配结果：指控系统 搜索雷达 制导雷达 hMTBFZK324040181hMTBFSS25.101403281hMTBFZD5 .67404881实例6 某型指挥系统的可靠性分配1）系统功能及组成p 指挥系统功能 指挥系统指挥若干个作战单元拦截空中目标。p 指挥系统组成 系统配置数据处理与显控设备、通信设备、导航定位定向设备、作战维护软件、供配电设备。实例6 某型指挥系统的可靠性分配2） 任务剖面实例6 某型指挥系统的可靠性分配3）指挥系统基本可靠性和任务可靠性框图n指挥系统的基本任务模式为正常接收上级指挥所的作战命令及空情信息、上报作战单元的状

34、态及空情；接收目标指示雷达站的空情信息，通过有线或无线通道对作战单元发出指挥控制命令及目标指示信息，接收作战单元的作战状态和它所掌握的空情。在这种状态下指挥系统处于停止状态，定位定向系统工作已完成， 2个综合信息显控台只要1个正常即可完成基本指挥控制任务。 实例6 某型指挥系统的可靠性分配n基本可靠性框图 作战显控台2车通设备超短波电台(2个）综合电源柴油发电机2中心计算机通信控制器定位导航系统通信控制台通信处理机短波电台2超短波电台（2个）2网络交换机实例6 某型指挥系统的可靠性分配n任务可靠性框图 实例6 某型指挥系统的可靠性分配4）可靠性分配n指挥系统平均故障间隔时间为300h。采用加权

35、因子分配法 iiniiii1序号设备名称分配值（h）1综合电源65002柴油发电机228003中心计算机机80004作战显控台238005通信控制台50006车通设备55007超短波电台组合224008通信控制器60009短波接收电台300010超短波电台组合2240012定位导航系统300014网络交换机10000指挥系统任务可靠性分配指挥系统任务可靠性分配 2.2 可靠性预计与分配可靠性预计可靠性预计可靠性预计的意义可靠性预计是对设备可靠性进行定量的估算根据电子元器件可靠性经验数据设备的构成和结构特点设备工作环境等因素来估计设备的可靠性。在方案设计和工程研制阶段及时地预计系统、分系统或设备

36、的基本可靠性和任务可靠性，并实施“预计改进再设计再预计”的循环，找出设备的薄弱环节，优化电路设计、逐步使设备达到规定的可靠性要求。2.2 可靠性预计与分配可靠性预计是设备可靠性指标得以实现的基本保证，可靠性预计是自下而上地预计设备各层次可靠性水平，判断各层次设计是否满足规定的可靠性指标，为下一步工作提供指导。可靠性预计是电子设备可靠性从定性考虑转入定性分析的关键，是“设计未来”的先导，是确保电子设备满足可靠性指标不可缺少的技术手段。 2.2 可靠性预计与分配可靠性预计的作用可靠性预计的作用从可靠性工程的角度来看，进行可靠性预计可以检查产品研制方案及技术设计的合理性，比较不同设计方案的可靠性水平

37、，发现薄弱环节。对高故障率和承受过高应力部分引起注意，同时与可靠性分配工作相结合，把规定的可靠性指标合理地分配给各个组成部分，并为制定研制计划、验证方案以及维修、后勤保障方案提供依据。可靠性预计不去追求绝对准确。采用统一尺度预计，为可靠性的可靠性预计不去追求绝对准确。采用统一尺度预计，为可靠性的定量分析提供可比的相对度量。定量分析提供可比的相对度量。2.2 可靠性预计与分配可靠性预计的作用：在设计阶段定量预测产品可靠性水平，评价产品是否能够达到要求的可靠性指标；在设计中，通过可靠性预计发现影响产品可靠性的主要因素，从而改进设计，实现产品的可靠性要求；在方案设计阶段，通过可靠性预计，可以对不同方

38、案的产品可靠性水平进行比较，指导元器件的合理选用，为方案优化提供依据；可靠性预计的作用 通过可靠性预计为可靠性分配奠定基础，并为拟定改进措施的优先顺序提供依据。将产品可靠性自上而下逐级分配给产品的各个层次，借此落实相应层次的可靠性要求，并使整体与各部分之间的可靠性相互协调，尽可能的做到既避免出现薄弱环节又避免局部“质量过剩”而带来的浪费。可靠性预计为实施可靠性分配提供了直接的定量依据。 可靠性预计的方法基于数理统计的可靠性预计法基于失效物理的可靠性分析法相似设备比较法其中，基于数理统计的传统方法应用最广，是当前可靠性预计的主流方法。 可靠性预计的方法基于数理统计的可靠性预计法组成产品的各个元器

39、件的可靠性决定了产品的可靠性在串联可靠性模型的前提下，通过各个元器件失效率的叠加得出产品的总失效率。这一方法的主要假设是：元器件的失效率是恒定不变的或元器件的寿命分布服从指数分布。这种方法包括应力分析法和元器件计数法。可靠性预计的方法基于失效物理的可靠性预计法失效物理分析法的焦点是关注主要的失效模式，在对有关物理现象及失效机理深入认识的基础上，利用仿真方法或推导出定量模型进行预计。失效物理分析方法由于计算量大，普遍适用性差，该方法必须同实际产品所采用的元器件、原材料相结合，在量化整个产品的可靠性方面存在困难，主要体现在产品设计师对所有的元器件物理结构和信息难以充分的理解和掌握。 可靠性预计的方

40、法相似设备预计法相似产品法是利用有关相似产品所得到的特定经验的预计方法。相似产品预计法是一种经验预计法。以与其相似产品的可靠性水平作为所研制的新产品可靠性参照值，借此对新产品可能达到的可靠性水平作粗略的预测，进而评估新产品总体方案的可行性。相似法的预计精度取决于现有产品可靠性数据的可信程度及现有产品与新产品的相似程度。可靠性预计标准的发展及主要分类基于数理统计的可靠性预计方法是以恒定失效率为基础的，这一方法最初是由于美国军用手册MIL-HDBK-217引入（1975年公布）主要的标准有：美国军用标准MIL-HDBK-217F电子设备可靠性预计手册；英国电信HRD5 英国电子元器件可靠性数据手册

41、；IECTR62380-2004 可靠性数据手册电子元器件、PCB和设备可靠性预计通用模型；可靠性预计标准的发展及主要分类中国军用标准GJIB/Z299电子设备可靠性预计手册1987年 GJB/Z2991991年 GJB/Z299A1998年，GJB/Z299B2006年，GJB/Z299C基于GJB299的可靠性预计的一般程序划分可靠性预计单元，预计单元在电路功能上应相对独立，其可靠性模型一般为串联结构；计算各预计单元内元器件的工作失效率；将预计单元内的各类元器件的工作失效率相加，由此得出预计单元的失效率；按照可靠性模型逐级预计最终得到系统的失效率或MTBF。 与可靠性预计有关的几个术语和定

42、义1 1）元器件的工作失效率模型）元器件的工作失效率模型 工作失效率包含：基本失效率元器件质量控制等级环境应力应用状态性能额定值种类、结构等失效率影响因素。 工作失效率由基本失效率乘以上述各因素的调整系数来表示。与可靠性预计有关的几个术语和定义例：普通双极型晶体管的工作失效率模型CrSAQEbp2基本失效率，10-6/h bE环境系数 A应用系数 ，不同功能对失效的影响程度，开关、放大、检波、电压基准等2S电压应力系数，外加电压对器件失效率的影响 r额定应力系数 C结构系数 ，单管、匹配对、达林顿对、结性、MOS场效应管等与可靠性预计有关的几个术语和定义2 2）元器件的基本失效率）元器件的基本

43、失效率 ：n元器件在电应力和温度应力作用下的失效率，是元器件未考虑其质量控制等级、环境应力、应用状态、性能额定值和种类、结构等影响因素，仅计温度和电应力比（工作电应力/额定电应力）影响时的失效率 b例：硅NPN晶体管基本失效率（299C表5.3.21）T/S0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.000.0300.0360.0420.0490.0580.0670.0790.0950.1180.15450.0310.0380.0440.0520.0610.0710.0840.1020.1280.171100.0330.0400.0470.0550.0640.0750.0890.

44、1090.1400.192400.0470.0550.0640.0750.0890.1090.1400.1920.291600.0580.0670.0790.0950.1180.1540.218850.0750.0890.1090.1400.1920.2911000.0890.1090.1400.1920.2911500.218钽电容的b随工作温度和应力比变化曲线 3）环境类别和环境系数 环境类别符号说 明地面良好GB能保持正常气候条件，机械应力接近于零的地面良好环境，其维护条件良好，如有温湿度控制的实验室或大型地面站等导弹发射井GMS发射井中的导弹及其辅助设备所处的环境。一般地面固定GF1在

45、普通的建筑物内或通风较好的固定机架上，受振动冲击影响很小的环境条件，如固定雷达、通讯设备、电视机等家用电器所处的环境。恶劣地面固定GF2只有简陋气候防护设施的地面环境或地下坑道，其环境条件比较恶劣，如高温、低温、温差变化大、高湿、霉菌、盐雾和化学气体等。平稳地面移动GM1在比较平稳的移动状态下,有所振动与冲击,如在公路上行驶的专用车辆及火车车厢环境.恶劣地面移动GM2安装在履带车上，在较剧烈的移动状态下工作，受阵动、冲击影响较大，通风及湿度控制条件受限制，使用中维修条件差，如装甲车内的环境条件。背负MP由人携带的越野环境，维护条件差潜艇NSB潜艇内的环境条件舰船良好舱内NS1行驶时较为平稳，且

46、受盐雾、水汽影响较小的舰船舱内，如今还大型运输船和内河船只的空调舱。舰船普通舱内NS2能防风雨的普通舰船内，常有较强烈的振动和冲击，如水面舰船舱内环甲板以下的环境。舰船舱外NU舰船甲板上的典型环境，经常有强烈的冲击和振动，包括无防护、暴露于风雨下的环境。战斗机座舱AIF战斗机飞行员座舱环境，无太高的温度、压力和过于强烈的冲击振动。战斗机无人舱AUF由高温、高压、强烈冲击与振动等恶劣环境条件，如战斗机机身、机尾、机翼等部位的设备舱、炸弹舱。运输机座舱AIC运输及空勤人员的座舱环境。运输机无人舱运输机上无环境条件控制的非载人区域环境。直升机在带转翼直升机机内火机内安装的环境宇宙飞行在地球轨道上飞行

47、，不包括动力飞行和重返大气层，如卫星中电子设备的安装环境导弹发射由于导弹发射、火箭飞行、射入轨道级重返大气层或降落伞着陆等引起的噪声、振动、冲击及其他恶劣的环境条件导弹飞行与吸气助燃推进导弹、巡航导弹的动力飞行和处于无动力自由飞行导弹相关的环境条件例 半导体单片集成电路的环境系数的E环境GBGMSGF1GF2GM1GM2MPNSBNS11.01.52.46.56.3116.87.54.5环境NS2NUAIFAUFAICAUCARWSFMLMF101415201013191.23215EE4 4）元器件的质量等级与质量系数）元器件的质量等级与质量系数国军标GJB299电子元器件可靠性预计手册中规

48、定了质量等级的定义： 元器件质量等级是指元器件装机使用之前，按产品执行元器件质量等级是指元器件装机使用之前，按产品执行标准或供需双方技术协议，在制造、检验及筛选过程中标准或供需双方技术协议，在制造、检验及筛选过程中其质量的控制等级。其质量的控制等级。 必须注意，国产元器件质量等级分为两类一类是用于元器件的生产控制、选用和采购的质量等级，亦可称为元器件质量保证等级；另一类是用于进行电子设备可靠性预计的质量等级。二者既有区别，又相互联系。 Q国产元器件的质量保证等级元器件质量保证等级一般指通过产品规范所规定的考核要求所规定的质量和可靠性水平。是按规定的质量保证要求和程序，对元器件质量和可靠性划分确

49、定的等级，决定了元器件的固有可靠性。质量保证等级有以下两种表征方式。国产元器件的质量保证等级以失效率水平表征的质量等级l固定电阻器l电位器l固定电容器l密封电磁继电器l混合继电器l射频固定电感器 失效率等级名称失效率等级代号最大失效率（1/h）亚五级L310-5五级M10-5六级P10-6七级R10-7八级S10-8国产元器件的质量保证等级元器件类别依据标准质量保证等级（从高到低）半导体集成电路GJB597A-96S 、B、 B1混合集成电路GJB2438A-2002K、H、G、D半导体分立器件GJB33A-97JY（宇航级）、JCT（超特军级）、JT（特军级）、JP（普军级）光电模块SJ20

50、642-97M2、M1晶体振荡器GJB1648-93S(宇航)、B（军）声表面波器件GJB2600-96S（宇航）、B（军）、B1固态继电器GJB1515A-2001Y（军）混合和固体延时继电器GJB1513-92X（特军）、Y（军）、W（工业） 以质量和可靠性保证水平表征的质量等级用于电子设备可靠性预计的质量等级 国产元器件当按照GJB299进行电子设备可靠性预计时，给出的与质量保证等级有对应关系的质量等级，而质量系数 Q是指不同质量等级的元器件对失效率影响的修正系数。 在GJB299中列出了A A、B B、C C三个质量等级，其中在每个等级中又细分了一些层次。 ()pbEQk 半导体单片集

51、成电路质量等级与质量系数Q、质量等级质量要求说明质量要求补充说明AA1符合GJB597A，且列入军用电子元器件合格产品目录（QPL）的S级产品。符合GJB597-1988且列入QPL的S级产品。A2符合GJB597A，且列入军用电子元器件合格产品目录（QPL）的B级产品。符合GJB597-1988且列入QPL的B级产品。0.08A3符合GJB597A，且列入军用电子元器件合格产品目录（QPL）的B1级产品。符合GJB597-1988且列入QPL的B1级产品。0.13A4符合GB/T4589.1的类产品，或经中国电子元器件质量认证委员会认证合格的类产品。按QZJ840614840615“七专”技

52、术条件组织生产的I、IA类产品，或符合SJ331的I、IA类产品。 0.25BB1按照军用标准筛选要求进行筛选的B2质量等级的产品，或符合GB/T4589.1的类产品。 按“七九零五”“七专”质量控制技术协议组织生产的产品，或符合SJ331的类产品。0.50B2GB/T4589.1的类产品。符合SJ331的类产品。1.0CC1符合SJ331的类产品。3.0C2低档产品10.0Q国产元器件质量保证等级和质量等级对应关系 元器件质量等级元器件总规范体系（质量保证等级）GJB299体系半导体集成电路S、B、B1、G+、GA1、A2、A3、A4、B1、B2、C1、C2半导体分立器件JY、JCT、JT、

53、JP、G+、GA1、A2、A3、A4、A5、B1、B2、C电容器S、R、P、M 、G+、GA1S、A1R、A1P、A1M、A2、B1、B2、C1、C2电阻器T、S(B)、R(Q)、P(L)、M(W)、G*A1T、A1S、A1R、A1P、A1M、A2、B1、B2、C国外电子元器件的质量等级 进口微电路的质量等级 质量等级说 明常用名称备注S符合MIL-M-38510的S级38510高可靠S-1 符合MIL-STD-975或MIL-STD-1547 JAN或军用B符合MIL-M38510的B级军标B-1 符合MIL-STD-883C的1.2.1节或符合DESC DrawingDESC883准高可靠

54、B-2 部分符合883C的1.2.1节准883D密封，有正规可靠性筛选和生产保证民用D-1有机材料封装微电路的级别与质量系数 质量等级说 明质量系数备 注S级完全按照MIL-M-38510 S级要求进行采购，列入QPL-38510的S级0.25通常也称为JANS级或“宇航级”，是最高质量等级S-1 级完全按照MIL-STD-975或MIL-STD-1547的要求进行采购，并具有采购机关批准的规范0.75MIL-STD-975:NASA标准的电子、电气和机电元器件清单MIL-STD-1547：宇航运载火箭用零件、设备和工艺技术要求B级完全按照MIL-M-38510 B级要求进行采购，列入QPL-

55、38510的B级1.0称为：JANB级或军用级、军标级或普军级。是列入QPL-38510的基本级。美国军用设备原则上都要使用JANB及其以上级的微电路。B-1级完全符合MIL-STD-883的1.2.1节的所有要求，并按照军用图纸、国防电子供应中心的图纸或政府批准的其他文件进行采购。2.0883级或DESC产品B-2级不完全符合MIL-STD-883的1.2.1节的要求，并按照政府批准的文件，包括卖方等效的B及要求进行采购。5.0 D级完全密封的具有正规可靠性筛选和制造厂质量保证措施的器件，非密封的有机材料封装的器件必须承受160 h，125老炼，10个温度循环（-55+125）。10.0属于

56、没有高可靠性要求的普通民品，这档器件可以按使用的温度范围更细分为：a)军用温度范围：-55125b)工业温度范围：-40+85c)商业温度范围：0+70D-1级用有机材料(如环氧树脂、硅和酚)封装或密封的民品（非军用标准）关于军品器件与“军用温度”“使用温度范围”只表明器件耐环境温度特性，与可靠性没有太大的关系，不能将“军用温度”与“军品”等同起来。“军品”是指建立了相应的军用规范，并按规范及有关军用标准生产和采购的具有可靠性要求的“标准军用”产品，即JAN（S、S-1、B级）产品。5) 通用失效率G元器件在某一环境类别中在通用环境温度和常用工作应力下的失效率。在元器件计数法进行可靠性预计时采

57、用通用失效率。niQiGiiGSN1例:半导体分立器件通用失效率G 种 类环 境GBGMSGF1GF2GM1GM2MPNSB小功率硅NPN0.0370.0450.0830.2080.2680.5670.3120.219大功率微波双极型0.6040.7241.2073.0183.3206.6404.5273.018各类元器件的通用工作温度 环境GBGMSGF1GF2GM1GM2MPNSBNS1NS2TA30304040556040454045环境NUAIFAUFAICAUCARWSFMLMFTA705570557055305555三种可靠性预计方法的比较及应用范围 使用阶段相似设备法元器件计数法

58、应力分析法方案论证阶段初步设计阶段详细设计阶段达到的目的与以往相似产品进行比对，对产品的可靠性进行粗略的估计。所采用元器件的品种、数量基本确定，对产品可能达到的可靠性水平进行初步计算元器件在设备中所处的各种电应力已经确定。对产品的可靠性进行较为精确的计算。2.3 降额设计降额设计目的 降额设计是使元器件在使用过程中所承受的电应力低于其额定值的设计方法。通过降低元器件所承受的应力，达到降低元器件的使用失效率，进而提高产品可靠性的目的。元器件在规定的额定值下是可以工作的，但在额定值下工作的元器件失效率往往较大，虽然元器件的设计有一定的安全余量，元器件在开始使用时正常工作，但由于始终处于极限的工作应

59、力下，性能退化较快，造成产品不可靠。 元器件降额准则及等级国产元器件的降额依据国军标GJB35/Z35 元器件降额准则GJB/Z35推荐三个降额等级：级降额（最大降额）级降额（中等降额）级降额（最小降额） 降额等级级降额最大等级的降额 对元器件的使用可靠性改善最大，超过它的更大的降额，通常对产品的可靠性的提高有限，而且可能是产品的设计难以实现。级降额主要适用于下述情况：产品的失效将导致人员伤亡或装备与保障设施的严重破坏；对产品有高可靠的要求、且采用了新技术、新工艺的设计；由于费用和技术原因，产品失效后无法或不易维修。由于级降额量值较大，可能导致产品的尺寸、重量将有所增加。降额等级级降额中等等级

60、的降额对元器件的使用可靠性有明显的改善，级降额在设计上较降额容易实现。 级降额适用于下述情况：产品的失效将可能引起装备与保障设施损坏；有高可靠性的要求；维修费用较高。级降额对系统或设备的尺寸、重量、体积增加不大。 降额等级级降额 最小等级的降额对元器件的使用可靠性改善的相对效益最大，但可靠性改善的绝对效果不如级和级降额。级降额在设计上最容易实现。 级降额适用于如下情况：设备的失效不会造成人员的伤亡和设施的破坏；设备采用较成熟的标准设计；失效的设备可迅速、经济的加以修复。 GJB/Z35推荐的降额等级 应用范围降额等级最高最低航天器与运载火箭战略导弹战术导弹系统飞机与舰船系统通讯电子系统武器与车