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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(jīng)久耐用問題，這個“經(jīng)久耐用”即為產(chǎn)品的可靠性問題。早在北宋，《武經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)品的競爭力，企業(yè)喪失競爭力，就難以生存，而決定產(chǎn)品競爭力的重要因素是產(chǎn)品的可靠性，對于軍用產(chǎn)品都要求達到一定的可靠性指標，否則產(chǎn)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(chǎn)和試驗費用的增加，有可能將失去用戶，導致企業(yè)破產(chǎn)。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(chǎn)品可靠性相當高，博得世界用戶的稱贊，贏得了市場，成為經(jīng)濟強國?？傊?，在科學技術(shù)迅速發(fā)展的今天，產(chǎn)品的可靠性顯得尤其突出，國家已把可靠性列為評價產(chǎn)品質(zhì)量的主要指標，可靠性將直接關(guān)系到產(chǎn)品研制的成敗。產(chǎn)品可靠性與產(chǎn)品性能、成本以及研制周期等基本價值目標有著密切關(guān)系。
1.2 可靠性工程的發(fā)展
盡管作為產(chǎn)品基本屬性的可靠性隨著產(chǎn)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(tǒng)工程、質(zhì)量控制和生產(chǎn)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(xiàn)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(nèi)，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(tǒng)，其可靠度等于N個部件的可靠度的乘積，這就是現(xiàn)在常用的串統(tǒng)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(chǎn)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(chǎn)品的設計、制造、貯存、運輸、使用等各方面問題進行深入調(diào)查研究，經(jīng)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(zhì)量管理學術(shù)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(shù)理統(tǒng)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(shù)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(gòu)。1965年美國國防部頒布MIL—STD—785《系統(tǒng)與設備的可靠性大綱》，把可靠性與設計，試驗及生產(chǎn)的工程活動結(jié)合起來，以保證在產(chǎn)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(jīng)濟效益。經(jīng)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(shù)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(chǎn)品驗收試驗（指數(shù)分析）》。5年之內(nèi)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(shù)。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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)。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(tǒng)及有關(guān)分系統(tǒng)、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(xiàn)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(nèi)的各種可靠性工程技術(shù)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(tǒng)一的可靠性管理機構(gòu)。1978年2月成立了直屬三軍聯(lián)合后勤司令部領導的可靠性、可用性和維修性聯(lián)合技術(shù)協(xié)調(diào)組，該組下設高系統(tǒng)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(tǒng)一組織、協(xié)調(diào)國防部內(nèi)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(tǒng)一的可靠性數(shù)據(jù)交換網(wǎng)。1970年正式成立政府—工業(yè)部門數(shù)據(jù)交換網(wǎng)，到1980年已有220個政府機構(gòu)和404個工業(yè)組織參加該交換網(wǎng)。 （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(xiàn)，使計算機的應用出現(xiàn)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(jīng)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(shù)協(xié)調(diào)組來負責國防部范圍內(nèi)的可靠性研究與協(xié)調(diào)工作。 （7）制定產(chǎn)品責任法。產(chǎn)品責任（PL）問題是指產(chǎn)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(chǎn)品責任法，使企業(yè)更感到可靠的重要性。據(jù)1975年美國《質(zhì)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(zhuǎn)變?yōu)閺娬{(diào)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(lián)的可靠性工程發(fā)展 原蘇聯(lián)早在1958年就曾統(tǒng)計過因產(chǎn)品的質(zhì)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(lián)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(gòu)，并把可靠性工作機構(gòu)設在質(zhì)量管理部門；二是重視可靠性理論研究，原蘇聯(lián)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(tǒng)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(lián)自己生產(chǎn)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(jīng)驗和標準；五是原蘇聯(lián)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(shù)語定義 可靠性模型及預計 系統(tǒng)及設備研制與生產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)，使用戶和工業(yè)主管部門有機起來，及時分析產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)量管理基礎上引入可靠性工程，兩者緊密結(jié)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(tǒng)互相保證，企業(yè)有內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)品則解決壽命耐久性問題，重點放在關(guān)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(shù)的啟蒙和培訓工作，他們認為只有職工具有的素質(zhì)，產(chǎn)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(shù)組織也設立可靠性研究會，對可靠性技術(shù)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(guān)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(tǒng)、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(shù)會議。其可靠活動基本上也和質(zhì)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(shù)據(jù)收集分析研究工作，1963年法國開始出版《可靠性》雜志。 二、國內(nèi)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(tǒng)。電子工業(yè)領域開始建立可靠性與環(huán)境試驗研究機構(gòu)。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(chǎn)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(shù)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(chǎn)品的可靠性有了明顯提高，大量產(chǎn)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(xiàn)有： 1．相繼建立可靠性研究機構(gòu)。 2．建立可靠性數(shù)據(jù)交換網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫。 3．加緊制定可靠性標準。國家技術(shù)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(shù)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(shù)技術(shù)指標通用要求》。GJB450《裝備研制與生產(chǎn)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(shù)活動十分活躍，可靠性專業(yè)學術(shù)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(zhì)量管理專業(yè)委員會、中國宇航學會可靠性與質(zhì)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(shù)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(shù)裝備可靠性標準化技術(shù)委員會、國防科工委質(zhì)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(shù)會，有的兩年召開一次學術(shù)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(shù)。