可靠性增长技术及其应用

可靠性增长技术及其应用 可靠性增长技术及其应用 庚桂平 （三○一研究所） 摘要 说明可靠性增长技术包括可靠性分析技术、可靠性试验技术和可靠性管理技术；介绍了在产品寿命周期的早期和后期阶段所实施的不同可靠性增长技术；进行可靠性增长工作应制定可靠性增长大纲，确定可靠性研制／增长试验产品，全面开展可靠性增长工作并重视对有关人员的培训工作。

关键词 可靠性 可靠性增长 可靠性分析 可靠性试验 可靠性管理 作为装备综合性能之一的可靠性指标，已作为一项考核要求纳入到研制合同中。而达到可靠性指标要求，不是只靠图纸上的设计就能实现的，因为不管产品可靠性设计得多好，人们不可能预计到所有的错误和不足。据有关资料介绍，对于新研制的系统，大约有75％的系统性设计问题需要在研制和使用中逐步去发现和解决，而解决这些问题，除要采用一系列的工程专业技术外，还要采用提高可靠性增长的技术。因此，在系统寿命期的各阶段，尤其在研制阶段，通过暴露设计和工艺上的薄弱环节和缺陷，制定提高可靠性的措施，将有效的纠正措施纳入到系统的设计中去，实现系统的固有可靠性增长，是达到产品可靠性目标要求的有效途径。

提高复杂系统可靠性效费比的最佳方法，首先是进行可靠性预计，确定可靠性值比要求值低得多的关键设备，然后，用FMECA等可靠性分析技术，对设备中所有可能的故障模式进行分析，找出薄弱环节并确定相应的纠正措施，再通过可靠性研制／增长试验、试飞试验等，暴露设计和工艺上的薄弱环节，进行设计更改并验证纠正措施的有效性。通过这种对设备可靠性有重点的增长工作，来提高产品的可靠性水平。

1 实现可靠性增长的主要技术及有关标准 用于可靠性增长的技术包括可靠性分析、有关试验及可靠性管理。 1．1 可靠性分析技术 （1）可靠性预计 可靠性预计主要用于计算电子设备的可靠性水平。在计算过程中，通过计算各级系统的故障率，了解对预计值有明显影响的元器件（或故障率较高的元器件），找出薄弱环节，指导设计工作，实现可靠性增长。可靠性预计标准如MIL－HDBK－217《电子设备可靠性预计手册》和GJB／Z 299A《电子设备可靠性预计手册》。

（2）故障模式、影响及危害性分析（FMECA） FMECA分析用于确定系统所有可能的故障模式，根据对故障模式的分析，确定每一个故障模式对产品性能的影响，从而确定设计中的薄弱环节，指导可靠性增长工作。FMECA分析标准如MIL－STD－1629A《故障模式、影响及致命度分析程序》和GJB 1391《故障模式、影响及危害性分析程序》。

1．2 可靠性研制／增长试验 （1）可靠性研制试验 可靠性研制试验是在研制过程中，为消除设计及工艺上的薄弱环节和缺陷所进行的试验，该试验过程通常称为“试验－分析－改进（TAAF）”过程。可靠性研制试验的环境条件不受限制，可以是单应力环境，也可以是综合应力环境，其目的是剔除故障，而不强调评估结果。可靠性研制试验标准如MIL－STD－781D《工程研制、鉴定和产品可靠性试验》和MIL－STD－2068《可靠性研制试验》。

（2）可靠性增长试验 可靠性增长试验是在模拟实际使用环境条件下，为系统地发现和消除设计及工艺上薄弱环节和缺陷，提高产品的固有可靠性水平而进行的试验。可靠性增长试验中由于是模拟了实际使用环境，暴露出的故障更可信，使得评估结果更真实，是目前国内外实现可靠性增长最广泛采用的方法。可靠性增长试验标准如MIL－STD－781D《工程研制、鉴定和产品可靠性试验》、MIL－STD－1635《可靠性增长试验》、GJB 1407《可靠性增长试验》和HB／Z 214．3《航空产品可靠性增长试验》。 （3）其他试验 有些试验，如环境试验和环境应力筛选等，也可获取有用的故障信息，为改进设计提供依据。环境试验的目的是考核军用产品是否能耐受其寿命周期内将遇到的极端环境条件；环境应力筛选的目的是剔除制造过程中引入产品的工艺缺陷。在试验过程中，将收集到的故障信息纳入到故障报告、分析和纠正措施系统（FRACAS）中，为可靠性增长提供信息。环境试验标准如MIL－STD－810E《环境试验方法和工程导则》、GJB 150《军用设备环境试验方法》和HB 5830《机载设备环境条件及试验方法》。环境应力筛选标准如MIL－STD－2164《电子设备环境应力筛选方法》、MIL－STD－344A《电子设备定量环境应力筛选指南》、GJB 1032《电子设备环境应力筛选方法》、GJB／Z 34《电子产品定量环境应力筛选指南》

1．3 可靠性管理技术 （1）可靠性增长管理 可靠性增长管理在系统全寿命期内进行，目的在于对资源进行合理分配，有效利用各种技术，控制可靠性增长过程。例如，在经费宽裕的情况下，可以在研制阶段多安排几次可靠性研制试验，或集中进行一次长时间的可靠性增长试验，或多选择几个系统开展可靠性增长工作；而在经费不宽裕的情况下，可以结合其他试验或工作进行，利用一切可利用的手段，获取故障信息，不失时机地开展可靠性增长工作。可靠性增长管理标准如MIL－HDBK－189《可靠性增长管理手册》、MIL－HDBK－338《电子产品可靠性设计手册》和HB／Z 214．2《航空产品可靠性增长管理》。

（2）故障报告、分析和纠正措施系统（FRACAS） FRACAS系统在故障审查组织的监控下，完成从故障发现到确定纠正措施直到完善产品设计。它的信息来源很广，不局限于特定试验。FRACAS系统标准如MIL－STD－2155《失效报告、分析和纠正措施系统》和GJB 841《故障报告、分析和纠正措施系统》。

可靠性增长使用的技术还包括故障树分析、热分析、功能与性能试验、试飞试验、可靠性鉴定试验、可靠性验收试验等工程项目，这些项目都可提供有用的可靠性信息。当然，各种技术的目的和强调重点不一样，有的用于验证设计上是否匹配，有的用于鉴定对环境的适应性，有的专门用于暴露故障等。虽然出发点不同，但是，它们都是实现可靠性增长非常好的信息来源，当这些信息用于设计更改时，系统的可靠性水平得到提高。

系统寿命阶段可靠性增长 一个产品从方案论证到退役，其寿命周期可分成图1所示的5个阶段，其中前3个阶段称为早期阶段，后2个阶段称为后期阶段。不同阶段所使用的可靠性增长技术不同。如何以最低的费用实现所要求的可靠性增长，或在给定的费用下尽快达到所要求的可靠性水平，要看可靠性增长使用的技术在不同阶段所发挥的程度，即各种技术信息利用及实施的程度而定

2．1 早期阶段的可靠性增长 寿命周期的早期阶段包括战术技术指标论证、方案论证及确认和工程研制等3个阶段。此阶段开展可靠性增长的主要优点是进行设计更改容易、费用低。其不足之处是设计更改所依据的信息往往包含着许多未知因素，如工作条件及元器件间的相互影响等尚不十分明了。

（1）利用外部经验实现可靠性增长 根据现役相似系统的使用信息、经验数据、各种数据库及出版物所提供的信息等来获取故障信息，指导可靠性设计。 （2）利用分析实现可靠性增长 通过对新研制系统进行分析、研究及评审等获得有关信息，指导可靠性设计，实现可靠性增长。其中包括可行性研究、权衡分析、可靠性预计、FMECA分析、故障树分析、热分析、潜在通路分析以及设计评审等。值得指出的是，分析本身并不能改善系统的可靠性，只有实施防止在使用中重复出现故障的纠正措施，才能提高可靠性。

利用分析实现可靠性增长的主要优点是，它可以减少或避免一些费用昂贵和费时的试验。特别是对于高可靠性的设备及系统，通过各种分析取得信息特别有价值。为了保证分析的准确性，第一，必须对新研制系统有深入的了解；第二，必须具有可供使用的分析及设计技术，或根据新产品的研制需要而开发的专用的分析工具；第三，必须建立一个完善的数据库，保证为各种分析提供有效的输入信息。 可靠性分析方面我们开展得较好的工作是可靠性预计工作。从几个型号产品可靠性预计看，各产品的可靠性水平大多低于预计值的40％，有的只有25％，而按美国空军《R＆M 2000》规定，研制阶段的可靠性阶段目标值应达到规定值的80％～90％，我们产品的可靠性远远没有达到要求，迫使有关人员采取可靠性增长技术，提高系统的可靠性水平，使得增长后起码达到预计值的70％～80％，然后再经过后期阶段的逐步增长，达到系统的规定值。

（3）利用试验实现可靠性增长 内外场试验是实现可靠性增长必不可少的方法。寿命周期早期阶段可利用的试验种类很多、范围很广。试验包括原理样机试验、研制试验、性能试验、环境试验、环境应力筛选、试飞试验以及可靠性研制／增长试验和鉴定试验等；其次，受试产品的成熟程度不同，包括试验板、F型样机、C型样机及S型样机；第三，受试产品的层次不同，包括元器件、部件、组件、设备及系统；第四，试验环境不同，包括室内环境、高空环境，高低温、高湿度以及加速、振动、冲击等各种环境条件。

利用试验实现可靠性增长的主要优点是具有较高的真实性。试验的经济性主要取决于产品的特性。对于复杂的高可靠性产品，通过试验实现可靠性增长的费用很高；对于可靠性低且其零部件或元器件故障易于进行分析的产品，则通过试验实现可靠性增长的费用较低，效益高。尽管利用试验实现可靠性增长的费用较大，但在实现可靠性增长的过程中，最有效的方法仍是合理安排各种试验。

（4）通过管理实现可靠性增长 可靠性增长使用的管理技术，有FRACAS系统、可靠性增长管理及质量控制等。 2．2 后期阶段的可靠性增长 寿命周期后期阶段包括生产阶段和使用阶段。在此阶段硬件设计已成熟，未知信息越来越少，进行设计更改更好控制。 （1）利用生产经验及有关试验实现可靠性增长 生产过程中的制造工艺及质量控制是影响系统可靠性的重要因素。通过消除制造过程中引入的系统性缺陷及设计上的某些薄弱环节，便可实现可靠性增长。复杂系统从研制到生产过程中出现可靠性下降，几乎是一种普遍现象，因此，越来越需要通过质量控制技术及通过生产过程的再设计来实现可靠性增长，增长结果有利于提高接收概率，顺利通过可靠性验收试验。在生产过程中，首先要利用各种工艺技术、最坏情况分析以及与生产有关的技术来解决生产过程中发现的工艺和质量控制问题；其次可通过生产过程的环境应力筛选和交付产品的可靠性验收试验来发现各种工艺缺陷及质量控制问题。

（2）利用经验及有关的试验实现可靠性增长 在系统投入服役之后，可利用使用中发现的设计缺陷，采取纠正措施，进行局部的设计更改来实现可靠性增长。不过这时实现可靠性增长更改费用高、经济性差。尽管如此，复杂系统如军用飞机，为全面深入开展可靠性工作，也经常使用这种方法。目前广泛采用的外场使用可靠性增长大致可分为如下4类：

a．自然增长——利用外场使用中获得的数据，提出工程更改建议，制定改进计划送到承制厂进行改进或改装。自然增长技术是一种被动的、无计划的方法，其增长周期较长。自然增长的例子如B－36飞机，从B－36A到B－36H持续5年多，其使用可靠性增长了82％。