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可靠性基礎(chǔ)知識(shí)-概論
1.1 研究可靠性的意義
可靠性問(wèn)題存在于人們的日常生活中，人們?cè)谶x購(gòu)商品時(shí)，除了對(duì)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(wèn)題，這個(gè)“經(jīng)久耐用”即為產(chǎn)品的可靠性問(wèn)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(wèn)題，這就是早期的武器可靠性。盡管當(dāng)時(shí)人們并沒(méi)有明確認(rèn)識(shí)到可靠性問(wèn)題，但可靠性問(wèn)題存在于任何產(chǎn)品中。 一、可靠性是戰(zhàn)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)力，企業(yè)喪失競(jìng)爭(zhēng)力，就難以生存，而決定產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素是產(chǎn)品的可靠性，對(duì)于軍用產(chǎn)品都要求達(dá)到一定的可靠性指標(biāo)，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(shè)計(jì)。生產(chǎn)和試驗(yàn)費(fèi)用的增加，有可能將失去用戶(hù)，導(dǎo)致企業(yè)破產(chǎn)。民用企業(yè)同樣有類(lèi)似問(wèn)題。日本人把可靠性當(dāng)做國(guó)家興旺的大事，其產(chǎn)品可靠性相當(dāng)高，博得世界用戶(hù)的稱(chēng)贊，贏得了市場(chǎng)，成為經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)?？傊诳茖W(xué)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(guó)家已把可靠性列為評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量的主要指標(biāo)，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(jià)值目標(biāo)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(mén)獨(dú)立的工程學(xué)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(xué)科中脫穎而出，從而成為一門(mén)新興的工程學(xué)科。 一、國(guó)外可靠性工程的發(fā)展 1．美國(guó)的可靠性工程發(fā)展 可靠性工程誕生地在美國(guó)。40多年來(lái)發(fā)展十分迅速，特別是在軍事裝備和航天領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)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(guó)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(dāng)時(shí)德國(guó)V—Ⅱ火箭的誘導(dǎo)裝置和美國(guó)軍用雷達(dá)與以往的電子設(shè)備相比，均達(dá)到更加精密程度，但在運(yùn)輸、貯存和使用中卻大量出現(xiàn)因故障而喪失戰(zhàn)斗力，導(dǎo)致人員的傷亡，甚至導(dǎo)致戰(zhàn)役的失敗。如美國(guó)對(duì)日作戰(zhàn)的電子設(shè)備中有50%到達(dá)戰(zhàn)場(chǎng)不能工作；*電子設(shè)備在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，僅有30%的時(shí)間能有效工作。于是，德國(guó)火箭研制者之一R.Lusser首先利用概率乘積法則，認(rèn)為N個(gè)部件組成的串統(tǒng)，其可靠度等于N個(gè)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(dǎo)裝置可靠度為0.75，*次定量表示產(chǎn)品的可靠性。美國(guó)則從電子管開(kāi)始可靠性研究。1952年美國(guó)國(guó)防部成立了電子設(shè)備可靠性咨詢(xún)小組，對(duì)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、貯存、運(yùn)輸、使用等各方面問(wèn)題進(jìn)行深入調(diào)查研究，經(jīng)過(guò)5年時(shí)間的努力，于1957年6月發(fā)表了《軍用電子設(shè)備可靠性報(bào)告》，從此確定了美國(guó)可靠性工程發(fā)展的方向，成為美國(guó)可靠性工程發(fā)展奠基性文件。隨后制定了許多可靠性標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等。如《電子設(shè)備可靠性》，《電子設(shè)備可靠性保證大綱》等。 1954年美國(guó)正式召開(kāi)*屆可靠性與質(zhì)量管理學(xué)術(shù)交流會(huì)。 60年代——可靠性工程全面發(fā)展： 美國(guó)由于推行阿波羅計(jì)劃，投入了大量的資金，對(duì)航天裝置提出了*的可靠性要求，大大推進(jìn)可靠性工程的全面發(fā)展。例如，作為飛船的運(yùn)載火箭，“火星”號(hào)共有760萬(wàn)個(gè)零件和元件，要求其可靠性相當(dāng)于2萬(wàn)臺(tái)電視機(jī)同時(shí)工作而不允許有一臺(tái)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(jìn)行充分的可靠性設(shè)計(jì)。到了60年代中期，對(duì)可靠性的一些誤解，例如“可靠性是電子領(lǐng)域的事情”。“搞可靠性要有高深的概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)”，“可靠性工程深?yuàn)W，一般企業(yè)搞不了”等被排除了，使可靠性技術(shù)進(jìn)入普及和全面發(fā)展時(shí)期。美國(guó)這一時(shí)期主要發(fā)展的是： （1）改善可靠性管理，建立可靠性研究機(jī)構(gòu)。1965年美國(guó)國(guó)防部頒布MIL—STD—785《系統(tǒng)與設(shè)備的可靠性大綱》，把可靠性與設(shè)計(jì)，試驗(yàn)及生產(chǎn)的工程活動(dòng)結(jié)合起來(lái)，以保證在產(chǎn)品研制初期能預(yù)測(cè)并排除潛在的不可靠問(wèn)題，從而獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過(guò)4年的實(shí)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展新的試驗(yàn)方法。1963年頒布MIL—STD—781《可靠性試驗(yàn)（指數(shù)分析）》，1965年修改為MIL—STD—781A，1967年進(jìn)一步修改為MIL—STD—781B，并改名為《可靠性鑒定試驗(yàn)及產(chǎn)品驗(yàn)收試驗(yàn)（指數(shù)分析）》。5年之內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)修改兩次，可見(jiàn)美國(guó)對(duì)可靠性研究的重視程度和研究的不斷深入。這一標(biāo)準(zhǔn)在上得到廣泛應(yīng)用。為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，又發(fā)展了兩種新的試驗(yàn)方法，即加速壽命試驗(yàn)和快速篩選試驗(yàn)。 發(fā)展新的可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)。1962年頒布MIL—HDBK—217《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)》，1965年修改為MIL—HDBK—217A，1979年修改為MIL—HDBK—217C。這本設(shè)計(jì)手冊(cè)提供了大量的電子元器件可靠性數(shù)據(jù)和預(yù)計(jì)方法，被人們譽(yù)為電子設(shè)備可靠性的“圣地”，在世界各國(guó)得到廣泛應(yīng)用。1961年頒MIL—STD—756《可靠性模型的建立與可靠預(yù)計(jì)》，1963年修改為MIL—STD—756A。60年代初，美國(guó)還頒布MIL—STD—721《可靠性和維修術(shù)語(yǔ)的定義》。
（4）開(kāi)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(kāi)了*屆電子設(shè)備失效物理年會(huì)，1967年改名為可靠性物理年會(huì)，深入研究設(shè)備失效的機(jī)理，制定了MIL—STD—1629《故障模式、影響及危害度分析程序》。此外，對(duì)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(shè)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(yàn)收及評(píng)價(jià)》和維修性手冊(cè)MIL—HDBK—472《維修性預(yù)計(jì)》，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(guó)十分重視可靠性知識(shí)的普及和教育，到60年代后期，美國(guó)40%的大學(xué)都設(shè)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(zhuān)家。 70年代——可靠性工程進(jìn)入成熟期，得到深入發(fā)展： （1）建立統(tǒng)一的可靠性管理機(jī)構(gòu)。1978年2月成立了直屬三軍聯(lián)合后勤司令部領(lǐng)導(dǎo)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(shè)高系統(tǒng)管理、電子設(shè)備設(shè)計(jì)、電子設(shè)備試驗(yàn)、機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)備試驗(yàn)和維修等六個(gè)分組。其工作是統(tǒng)一組織、協(xié)調(diào)國(guó)防部?jī)?nèi)各種可靠性工作，制定可靠性工作的政策和指導(dǎo)性文件。 （2）成立全國(guó)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(mén)數(shù)據(jù)交換網(wǎng)，到1980年已有220個(gè)政府機(jī)構(gòu)和404個(gè)工業(yè)組織參加該交換網(wǎng)。 （3）重視機(jī)械可靠性研究。 （4）改善可靠性設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法。例如，計(jì)算機(jī)可靠性輔助設(shè)計(jì)，研究設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)的軟件包，研究非電子設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法。1977和1978年先后成立機(jī)械設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)及可靠性試驗(yàn)研究組織，負(fù)責(zé)研究機(jī)械設(shè)備的可靠性。制定相應(yīng)的新設(shè)計(jì)程序和試驗(yàn)程序。在可靠性試驗(yàn)中采用綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)，加強(qiáng)環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)，發(fā)展可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，1978年頒布MIL—STD—1635《可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)》。 （5）廣泛運(yùn)用以可靠性為中心的維修思想以及自測(cè)試設(shè)備，提高維修水平。 （6）開(kāi)展軟件可靠性研究。70年代由于微機(jī)的出現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用出現(xiàn)高潮，軟件研究及應(yīng)用更加迅速，使一些計(jì)算機(jī)的軟件費(fèi)用已經(jīng)超過(guò)硬件。而軟件同樣存在可靠性問(wèn)題。于是1978年成立三軍軟件可靠性技術(shù)協(xié)調(diào)組來(lái)負(fù)責(zé)國(guó)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(zé)任法。產(chǎn)品責(zé)任（PL）問(wèn)題是指產(chǎn)品不可靠使消費(fèi)者蒙受損失，從而到法庭上起訴、為賠償損害而爭(zhēng)執(zhí)的問(wèn)題，為此制定產(chǎn)品責(zé)任法，使企業(yè)更感到可靠的重要性。據(jù)1975年美國(guó)《質(zhì)量進(jìn)展》雜志的預(yù)測(cè)，由于PL問(wèn)題，當(dāng)年請(qǐng)求賠償金額達(dá)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(guó)從實(shí)踐中認(rèn)識(shí)到過(guò)去的軍事裝備過(guò)分追求*的性能而對(duì)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(fèi)用大幅度猛增。這一教訓(xùn)使美國(guó)國(guó)防部政策發(fā)生了變化，即從過(guò)分追求*性能轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)調(diào)可靠性和維修性。于是國(guó)防部制定*個(gè)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(guó)防部各部門(mén)對(duì)可靠性和維修性的職責(zé)，規(guī)定所有武器裝備從一開(kāi)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(yīng)包括可用性、任務(wù)可靠性、維修人力和后勤支援四個(gè)方面的指標(biāo)。此外，還修訂和頒發(fā)了一批可靠性標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè)，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(jì)過(guò)因產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性問(wèn)題而損失1500~2000億盧布的事實(shí)，從而認(rèn)識(shí)到了可靠性工程的重要性。原蘇聯(lián)可靠性工作的特點(diǎn)：一是重視對(duì)工程師普及可靠性知識(shí)，建立在總工程師領(lǐng)導(dǎo)下的可靠性工作機(jī)構(gòu)，并把可靠性工作機(jī)構(gòu)設(shè)在質(zhì)量管理部門(mén)；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(jì)學(xué)家和可靠性理論專(zhuān)家，而且不少成果為*，如馬爾可夫過(guò)程就是可靠性維修性研究中常用的工具；三是注意研究實(shí)用的可靠性方法，如設(shè)計(jì)中采用降額與冗余以彌補(bǔ)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(guó)的經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)；五是原蘇聯(lián)對(duì)機(jī)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(guó) 表1-1 美國(guó)80年代以后頒發(fā)的部分可靠性軍用標(biāo)準(zhǔn)及手冊(cè)
標(biāo)準(zhǔn)代號(hào) 標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng) 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(yǔ)定義 可靠性模型及預(yù)計(jì) 系統(tǒng)及設(shè)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(zhǎng)管理 電子設(shè)備的可靠性預(yù)計(jì) 工程研制鑒定及生產(chǎn)的可靠性試驗(yàn)
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(mén)都設(shè)有可靠性信息系統(tǒng)，使用戶(hù)和工業(yè)主管部門(mén)有機(jī)起來(lái)，及時(shí)分析產(chǎn)品的可靠性變化趨勢(shì)，評(píng)定可靠性對(duì)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(diǎn)有四。一是把重點(diǎn)放在民用工業(yè)產(chǎn)品，不拘泥于理論研究，采取實(shí)用化應(yīng)用可靠性的觀點(diǎn)，這一點(diǎn)可以從我國(guó)近幾年翻譯的日本可靠性書(shū)籍中明顯看出。二是日本在成功的質(zhì)量管理基礎(chǔ)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(guó)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(biāo)的試驗(yàn)及評(píng)定的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)提高可靠性的程度，企業(yè)都有明確的目標(biāo)。比如對(duì)電子產(chǎn)品就著重于消除早期故障，對(duì)半導(dǎo)體和集成電路都制定了專(zhuān)門(mén)的可靠性保證計(jì)劃。對(duì)機(jī)械產(chǎn)品則解決壽命耐久性問(wèn)題，重點(diǎn)放在關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)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(xùn)工作，他們認(rèn)為只有職工具有的素質(zhì)，產(chǎn)品才能達(dá)到高可靠性的水平。除了高校開(kāi)設(shè)可靠性工程課外，全國(guó)不少學(xué)術(shù)組織也設(shè)立可靠性研究會(huì)，對(duì)可靠性技術(shù)普及起到了重要作用。 4．歐洲各國(guó)對(duì)可靠性也給予很大的關(guān)注
英國(guó)在標(biāo)準(zhǔn)局成立電子設(shè)備可靠性委員會(huì)，并從1968年起開(kāi)始出版可靠性序列標(biāo)準(zhǔn)，如頒發(fā)BS5760《設(shè)備、系統(tǒng)、元件可靠性標(biāo)準(zhǔn)》，闡明可靠性管理程序和試驗(yàn)方法，并列舉26個(gè)工程應(yīng)用實(shí)例。并已召開(kāi)了三屆全英可靠性學(xué)術(shù)會(huì)議。其可靠活動(dòng)基本上也和質(zhì)量管理活動(dòng)起來(lái)。法國(guó)在國(guó)立通訊研究所成立“可靠性中心”，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集分析研究工作，1963年法國(guó)開(kāi)始出版《可靠性》雜志。 二、國(guó)內(nèi)可靠性工程發(fā)展 我國(guó)可靠性工作雖在50年代就有重視，例如錢(qián)學(xué)森同志提出用兩個(gè)不太可靠的元件組成一個(gè)可靠的系統(tǒng)。電子工業(yè)領(lǐng)域開(kāi)始建立可靠性與環(huán)境試驗(yàn)研究機(jī)構(gòu)。到80年代，我國(guó)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(jī)”（電視機(jī)、錄音機(jī)、收音機(jī)）可靠性為中心，大大促進(jìn)了電子產(chǎn)品可靠性的提高，黑白電視機(jī)的MTBF從只有250小時(shí)提高到5000小時(shí)，彩電提高到1萬(wàn)小時(shí)以上。航空工業(yè)以飛機(jī)的定壽延壽為中心，推動(dòng)了航空領(lǐng)域可靠性的發(fā)展。90年代我國(guó)可靠性技術(shù)得到進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品的可靠性有了明顯提高，大量產(chǎn)品已進(jìn)入市場(chǎng)，為國(guó)家贏得了榮譽(yù)。 我國(guó)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(jī)構(gòu)。 2．建立可靠性數(shù)據(jù)交換網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫(kù)。 3．加緊制定可靠性標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局幾年來(lái)十分重視可靠性標(biāo)準(zhǔn)的制定和貫徹，已頒布一批可靠性標(biāo)準(zhǔn)，如GB3187《可靠性基本名詞術(shù)語(yǔ)及定義》，GB1772《電子元器件失效率試驗(yàn)方法》，GB2689.1《恒定應(yīng)力壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)方法總則》，GB2689.2《壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)圖估計(jì)法》，GJB373A《引信安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》，GJB2199《炮兵引信戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)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(yù)計(jì)》，GJBZ299B《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》等。 4．可靠性學(xué)術(shù)活動(dòng)十分活躍，可靠性專(zhuān)業(yè)學(xué)術(shù)組織相繼成立。例如中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)可靠性專(zhuān)業(yè)委員會(huì)、中國(guó)航空學(xué)會(huì)可靠性專(zhuān)業(yè)委員會(huì)、中國(guó)電子學(xué)會(huì)可靠性與質(zhì)量管理專(zhuān)業(yè)委員會(huì)、中國(guó)宇航學(xué)會(huì)可靠性與質(zhì)量管理專(zhuān)業(yè)委員會(huì)、中國(guó)兵工學(xué)會(huì)可靠性工程專(zhuān)業(yè)委員會(huì)、中國(guó)數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)可靠性專(zhuān)業(yè)委員會(huì)、中國(guó)航空學(xué)會(huì)維修工程委員會(huì)、中國(guó)軍械維修工程學(xué)會(huì)、全國(guó)軍事技術(shù)裝備可靠性標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)、國(guó)防科工委質(zhì)量與可靠性研究中心等等。這些學(xué)會(huì)有的每年召開(kāi)一次學(xué)術(shù)會(huì)，有的兩年召開(kāi)一次學(xué)術(shù)交流會(huì)。 5．可靠性工程教育蓬勃發(fā)展，許多高等院校開(kāi)設(shè)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(mén)的短期可靠性培訓(xùn)班更是難以計(jì)數(shù)。