可靠性设计论文
一、引言：
每年去看机床展和零件展，都会有不同的体会和感受。外国展区机床的精致，先进以及外观的大气，国内展区很多机器都有上个世纪的感觉。在展区内听到的一句话让我很伤心，“国内的机床虽然很便宜，但质量低，加工出来的产品不过关；国外的机床虽然价格很高，但是质量好，用起来可靠。”，虽然，这是一个不争的事实，但它很现实，现实得你不得不去关注它——可靠性问题。
现实生活中这样的事情更是多得数的数不清。在国外手机充满国内市场的时候，我决定买个国产手机，支持一下国产。然而，虽然它的功能很齐全，但大多数用不了多久就没用了。至于其他电器、生活用品也差不多。这一切的一切都开始让我注意到可靠性设计的重要性。
二、概念的定义：
2.1可靠性
可靠性的经典定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。
产品：指作为单独研究和分别试验对象的任何元件、设备或系统，可以是零件、部件，也可以是由它们装配而成的机器，或由许多机器组成的机组和成套设备，甚至还把人的作用也包括在内。在具体使用“产品”这一词时，其确切含义应加以说明。例如汽车板簧、汽车发动机、汽车整车等。
规定条件：一般指的是使用条件,环境条件。包括应力温度、湿度、尘砂、腐蚀等，也包括操作技术、维修方法等条件。
规定时间：是可靠性区别于产品其他质量属性的重要特征，一般也可认为可靠性是产品功能在时间上的稳定程度。因此以数学形式表示的可靠性各特征量都是时间的函数。这里的时间概念不限于一般的年、月、日、分、秒，也可以是与时间成比例的次数、距离。例如应力循环次数、汽车行驶里程。
规定功能：道德要明确具体产品的功能是什么，怎样才算是完成规定功能。产品丧失规定功能称为失效，对可修复产品通常也称为故障。怎样才算是失效或故障，有时很容易判定，但更多情况则很难判定。当产品指的是某个螺丛，显然螺栓断裂就是失效；当产品指的是某个设备，对某个零件损坏而该设备仍能完成规定功能就不能算失效或故障，有时虽有某些零件损坏或松脱，但在规定的短时间内可容易地修复也可不算是失效或故障。若产品指的是某个具有性能指标要求的机器，当性能下降到规定的指标后，虽然仍能继续运转，但已应算是失效或故障。究竟怎样算是失效或故障，有时要涉及厂商与用户不同看法的协商，有时要涉及当时的技术水平和经济政策等而作出合理的规定。
能力：只是定性的理解是比较抽象的，为了衡量检验，后面将加以定量描述。产品的失效或故障均具有偶然性，一个产品在某段时间内的工作情况并不很好地反映该产品可靠性的高低，而应该观察大量该种产品的工作情况并进行合理的处理后才能正确的反映该产品
的可靠性，因此对能力的定量需用概率和数理统计的方法。
按产品可靠性的形成，可靠性可分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是通过设计、制造赋予产品的可靠性；使用可靠性既受设计、制造的影响，又受使用条件的影响。一般使用可靠性总低于固有可靠性。
2.2可靠性设计
可靠性设计是指应用可靠应理论、技术和统计数据，为满足一定的可靠性目标，对零件、元器件、系统进行的专门设计，包括可靠性预计、分配、设计、评定等内容。目前，可靠性设计慨念已较为广泛的应用在一切包含可靠性理念的产品中。
2.2.1可靠性预计
在设计阶段对产品进行可靠性估计，以便在事前采取必要的措施。所谓预测就是根据迄今掌握的数据做出估计。进行可靠性预测时，必须要有可信的数据，能否使预测成立，是以过去积累的经验和数据为前提的。从以往的经验来看，知道了有发生问题的可能性时，则在事前应采取措施，即使在极坏的情况下，也能够充分达到目标。预测的准确性取决于过去的信息和积累的经验，与其看预测的绝对值与实际的数字是否准确，不如指出问题的原因更有意义。随着预测技术的不断发展，可靠性预测方法也是日趋增多，概括起来，有下列各种方法：
①系统或产品偶然故障的预测；
②系统或产品退化故障的预测；
③故障类型和影响致命度分析；
④维修性有效度(维修度、维修时间、维修费、维修策略等)的预测；
⑤可靠性成长(实际可靠度)曲线的预测。
2.2.2可靠性分配
根据用户对系统或设备提出的可靠性指标，对分系统、整机等组成部分提出相应的可靠性指标，逐级向下，直到元件、器件、工艺、材料等的可靠性指标。可靠性分配是系统或设备的总体部门的一项可靠性设计任务。
对于有L个组成成分的系统,最简单的情况是这些组成成分的可靠性是互相独立的。若第i组成分不可靠,则系统就不可靠，系统可靠性为q＝q1q2…q L 〔若第i组成分的不可靠性为P i＝1－q i，则系统的不可靠性为P＝1-q＝1-(1－P1)(1－P2)…(1－P L)≈P1＋P2＋…＋
P L〕。这是系统可靠性分配的基本公式。可靠性分配本质上不是数学问题，而是人力、物力的统一调度和运用的工程管理问题。因为不同整机、元件、器件的现实可靠性水平是很不相同的，而把它们的可靠性提高到一定水平所需要的人力、物力和时间往往差别很大，因而不能采取均匀提高的纯数学方案。在实际工作中，需进行多个方案的协调、比较后才能决定。可靠度的分配是可靠性设计的核心。可靠性分配的原则：
①按重要程度分配可靠度。
②按复杂程度分配可靠度。
③按技术水平、任务情况等的综合指标分配可靠度。
④按相对故障率分配可靠度。
各部分有了明确的可靠性指标后，根据不同计算准则，进行零件的设计计算。主要的计算方法为：根据载荷和强度的分布计算可靠度或所需尺寸；根据载荷和寿命的分布计算可靠度或安全寿命；求出可靠度与安全系数间的定量关系，沿用常规设计方法计算所需尺寸或验算安全系数。与可靠性设计有关的载荷、强度、尺寸和寿命等数据都是随机变量，必须用概率统计方法进行处理。
三、提高可靠性的措施
为了使设计时能充分地预测和预防故障，把更多的失效经验设计到产品中，因而必须邦助设计人员掌握充分的故障情报资料和设计依据。采取以下措施：
（1）可靠性检查表，从可靠性观点出发，列出设计中应考虑的重点。设计时逐项检查。考虑预防的对策。
（2）推行FMEA，FTA方法。FMEA（失效模式影响分析）和FTA（故障树分析）是可靠性分析中的重要手段。FMEA是从零部故障模式入手分析，评定它对整机或系统发生故障的影响程度，以此确定关键的零件和故障模式。FTA则是从整机或系统故障开始，逐步分析到基本零件的失效原因。这两种方法在国外被看作是设计图纸一样重要，作为设计的技术标准资料，它收集总结了该种产品所有可能预料到的故障模式和原因。设计者可以较直观地看到设计中存在的问题。
（3）故障事例集。把过去技术上的失败和改进的事例作成手册，供设计者随进参考。通常用简图表示，将故障和改进作对比。对故障的原因、情况附有简单说明。这手册是各公司积累的技术财富，视同设计规范同等重要。
（4）数据库。广泛有效地收集设计、制造中的失败和改进经验，试验和实际用的数据形成检索系统和数据库，使设计者能超越本单位充分利用别人实践过的经验。如电子产品已形成世界性可靠性信息交换网。
（5）设计、试验规范的不断充实、改善。从使用实际得来的故障教训要反馈到设计、试验方法的改进中，要将这些改进效果作为产品设计规范（包括材料选定，结构形式，许用应力，安全系数值）和试验标准的改进依据，使它们成为设计技术的一部分。随着可靠性工作开展。必须加强设计、试验规范的研究，命名如试验规范的制定要以实地使用条件分析为基础，要调查出场的回收品和试验室加速试验件作对比，计算强化系数。通过失效分析反推，验证试验条件是否合适，从而不断改进试验方法和标准。因而这些规范都是公司的财富，对外不轻易泄密。如日本小松10年中试验标准增加三倍，丰田的试验标准有1500项之多。也可见各公司对试验的重视程度。
四、可靠性设计的意义
①可靠性贯穿于电子产品的整个寿命周期，从产品的设计、制造到安装、使用、维护的个阶段都有一个可靠性问题。但首先要抓好可靠性设计。产品可靠性的定量指标应该在设计过程就得到落实，为
产品的固有可靠性奠定良好的基础。反之，一个忽视可靠性设计的产品，必然是“先天不足，后患无穷”，在使用过程中大部会暴露出一系列不可靠问题。据统计，由于设计不当而影响产品可靠性的程度占各种不可靠因素的首位。所以，我们必须扭转只搞性能指标设计，忽视可靠性设的倾向，在产品研制、设计阶段，认真开展可靠性设计，为产品固有可靠性奠定基础。②随着科学技术的进步和经济技术发展的需要，电子产品日益向多功能、小型化、高可靠方向发展。功能的复杂化，使设备应用的元器件、零部件越来越多，对可靠性要求也越来越高。每一个元器件的失效，都可能使设备或电子系统发生故障。这就必须加强可靠性设计，正确选用元器件并采用降额、降温、冗余等设计技术，降低元器件的使用失效率，保证产品的可靠性。
③电子设备或系统广泛应用于各种场所，会遇到各种复杂的环境因素，如：高温、高湿、低气压、有害气体、霉菌、冲击、振动、辐射、电磁干扰……。这些环境因素的存在，都将大大影响电子产品的可靠性。只有通过可靠性设计，充分考虑产品在使用过程中可能遇到的各种环境条件，采取耐环境设计和电磁兼容性设计等各项措施，才能保证产品在规定环境条件下的可靠性。④在设计阶段采取提高可靠性的措施，比起以后各阶段采取措施耗资最少，收效也最显著。
五、可靠性设计技术的应用
1元器件选用与降额设计
选用元器件一般有二条原则：
①尽量选用经过质量认证或认定，并经现场使用证明质量良好，可靠性高的通用元器件。对于新研制的新型元器件则必须经过严格的质量和可靠性试验后方能使用。②必须根据不同电路的工作参数和整机的使用环境条件，选用能满足这些要求的相应元器件，以充分发挥元器件应有的功能提高元器件的使用可靠性。各种电子元器由于它们的材料、结构、设计和制造工艺等方面的原因，对外应力（包括电应力、热应力等）都有一定的耐受强度。当外应力超过元器件本身的应力承受强度（即额定应力）时，元器件就会损坏。
降额就是使元器件在低于其额定的应力条件下工作。降额能提高元器件和设备的可靠性。这是因为绝大部分元器件的失效率随着所施加的热应力和电应力的降低而下降。但是降额要适当，既不能使降额不足，对某些元件（如电解电容等）也不能让降额过了头，且要与体积、重量、成本综合考虑。(2) 热设计电子元器件及电子设备的可靠性与温度的关系极为密切。例如，当环境温度升高时，就会使晶体管内部材料的物理和化学反应的速率加快，从而使晶体管的性能参数（电流放大系数hfe、反向饱和电流Is 和噪声系数Nf 等）随温的升高而产生漂移；额定功率降低，热击穿概率上升。温度对电容器的可靠性也有极大影响，当使用温度超过电容器的额定温度时，温度每提高10℃电容器的使用寿命将下降一半。
此外，过高的温度还会使设备内的塑料件变形、变硬、变脆、老化，使材料的绝缘性能下降等。因此为了提高产品的可靠性，就必须充分重视并搞好热设计。
2.三防设计
三防指的是防潮湿、防盐雾、防霉菌。潮湿、盐雾和霉菌对电子设备有很大影响，它们会使机内凝聚水汽，降低绝缘电阻，元件的介电常数和介质损耗增大，塑料变形，金属腐蚀，材料变质，使所有有机材料和部分无机材料受到霉菌的侵蚀而降低强度，从而使设备的寿命和可靠性受到影响。
三防设计的主要途径和方法分列于下：
①防潮其方法包括：憎水处理；浸渍处理；灌封处理；塑料封装；金属封装。
②防盐雾其方法包括：电镀；表面涂敷；降低不同金属接触点问的电位差。③防霉菌其方法包括：密封；放置干燥剂；控制大气条件，降低环境相对湿度；选用不易长霉的材料；紫外线辐照；表面涂敷防霉剂、防霉漆；在密封设备中充以高浓度臭氧灭菌。
3.冗余设计
对于复杂和重要的电子设备或系统，往往采用冗余设计来进一步提高可靠性。所谓冗余设计，就是为完成规定的功能而额外附加所需
的装置或手段，即使其中某一部分出现了故障，但作为整体仍能正常工作的一种设计。
冗余设计虽能大幅度提高系统的可靠性、但要增加设备的体积、重量、费用和复杂度。因此，除了重要的关键设备，对于一般产品不轻易采用冗余技术。冗余的方法很多，最简单的是并联装置, 此外，冗余的方法尚有串并联或并串联混合装置、多数表决装置、等待装置等。
4.维修性设计
电子系统或设备一般都是可修复产品。对这类产品不但要求少出故障，而且要求一旦出了故障时能很快修复。只有故障少、修复快，才能有效地提高设备的利用率。维修性设计一般从以下几个方面考虑：维修时易装易拆；维修工具可靠；易检查易校正易恢复；互换性好;安全、经济、快速等。
具体可归纳为如下12条设计准则:
(1) 结构简单，零、部、整件采用快速解脱装置，如采用抽屉式结构等，易拆、易装、易换。
(2) 有分机故障隔离措施。
(3) 尽量采用标准件、通用件。
(4) 采用模块化设计以利故障检查和拆换。
(5) 推行故障诊断设计，使设备便于迅速、准确地判断出故障的结构特征。
(6) 需要经常检查、维修、拆装、调换之处需设计成便于操作者接近和操作。
(7) 应使维修人员能见到全部零件。
(8) 应使设计的产品尽量减少维修工具。
(9) 插头、插脚、连接线等都应有明显标记，容易辨别。
(10) 宁用少量大的紧固件，不用多量小的紧固件。
(11) 以快锁构件代替螺钉、螺母。
(12) 对维修人员要能保证人身安全。
参考文献：
1. 刘混举.机械可靠性设计.国防工业出版社2009
2. 芮延年，傅戈雁.现代可靠性设计国防工业出版社2011
3. 百度百科