电子设备可靠性设计PDF

电子设备可靠性设计杨志飞整机设备可靠性设计�装备研制与生产的可靠性通用大纲�可靠性设计工作内容第一章装备研制与生产的可靠性通用大纲�大纲内容简介第二章可靠性设计工作内容�建立可靠性模型�可靠性分配�可靠性预计�故障模式、影响及危害度分析�潜在电路分析�电子元器件和电路容差分析�制定元器件大纲�确定可靠性关键件和重要件�确定功能测试、包装、贮存、装卸、运输及维修对可靠性的影响�可靠性降额设计�可靠性热设计可靠性设计评审1建立可靠性模型�目的�可靠性模型与产品原理框图的区别�建立可靠性模型的前提条件�产品及其单元只具有正常与失效两种状态�产品及其单元的邦命特征服从指数分布�产品所包含各单元的失效是相互独立的1建立可靠性模型�几种典型的可靠性数学模型�串联模型�模型框图(如图1-2)�数学模型1建立可靠性模型a.产品失效率1建立可靠性模型�并联模型模型框图(如图1-3)数学模型1建立可靠性模型�n中取r模型(r/n模型)�原理�数学模型1建立可靠性模型�旁联模型�原理�模型框图�数学模型1建立可靠性模型�a.假设条件�产品的n个单元完全相同。1建立可靠性模型�基本可靠性与任务可靠性模型�基本可靠性�产品在规定的条件下无故障的持续时间。�任务可靠性�产品在规定的任务剖面中完成规定功能的能力。�建立可靠性模型的工作程序�确定产品的定义�建立产品可靠性基本可靠性模型�确定产品任务功能�建立任务可靠性模型�规定产品失效判据�用占空系数进行修正1建立可靠性模型�对任务可靠性模型进行环境条件处理�建立和完善产品各级可靠性模型2可靠性分配�目的与要求�目的�要求�方法与内容�工程加权分配法�适用范围�原理�分配公式2可靠性分配2可靠性分配�加权因子的数据估计a.重要性因子Ki1b.复杂性因子Ki2c.环境因子Ki3d.标准化因子Ki4e.其它因子�分配程序可靠性分配2可靠性分配�工程加权分配法举例某舰载综合火控雷达系统�经过加权分配给予搜索雷达的可靠性指标MTBF�40小时。该雷达由电源、发射、接收、显示、天馈及伺服共六个分机组成�试对其进行加权分配。(如表2-1)2可靠性分配�代数分配法�适应范围�分配公式2可靠性分配�分配因子的确定�重要性因子Wi�复杂性因子Ki�分配程序a.确定重要性因子Wib.计算复杂性因子Kic.按公式计算分系统的可靠性指标MTBFi或Ri*�代数分配法举例一套远程警戒雷达系统的可靠度指标要求为0.9�持续工作时间为12小时�系统设有固定目标对消器�清除波段覆盖区域内30�的地物反射杂波。天馈�发射机�接收机�对消器�视频处理�显示与控制(见下表)2可靠性分配2可靠性分配�顺序分配法(提高薄弱环节分配法)�适用范围�原理�在方案阶段对串联系统内的各分系统进行预计后�发现系统达不到规定的可靠性指标时�在预计的基础上对各分系统进一步分配可靠性指标。�分配程序�计算已定方案系统的可靠度�把系统内各分系统的可靠度按大小顺序排列2可靠性分配�按顺序将各分系统的可靠度R1(t)�Rk(t)提高到Rk�其他分系统不变�即��验算改进后系统可靠度是否满足要求3可靠性预计�目的�任务可靠性预计和基本可靠性预计�按产品研制阶段的可靠性预计�可行性预计�初步预计�详细预计�可靠性预计的要求1.在产品进行可靠性预计前�必须建立产品的可靠性模型�根据产品的模型和任务剖面或寿命剖面进行可靠性预计�当上述剖面不明确时应按最恶劣工作情况和环境条件进行可靠性预计。2.当产品设计更改或失效数据变更时�必须及时修正可靠性模型�重新进行产品的可靠性预计。3可靠性预计3.产品的可靠性预计应按GJB/Z299A《电子设备可靠性预计手册》规定进行或者按用户认可的其它数据来源进行。4.预计方法可以根据用途和研制阶段进行选择。5.应当强调建模和预计工作的及时性�应在计划决策之前提供有用信息。6.基本可靠性预计是依据寿命剖面的要求�使用串联模型来估计产品所有部件对维修和后勤保证的要求。预计应考虑产品所有单元(包括备件)在执行任务和准备执行任务过程中发生的所有要求维修或更换的失效�并对这些零部件的故障提出维修和后勤保障。7.任务可靠性预计是依据任务剖面的要求采用串--并联模型估计产品成功地完成规定任务的能力。任务可靠性预计应考虑产品各单元在执行任务过程中发生的足以影响任务成功的各种故障。3可靠性预计8.随着产品从电路设计进入硬件生产阶段�这时已有许多实际试验信息可以利用�此时可靠性计算便从预计进展到硬件设备的评估阶段。预计值与估计值的真实性都取决于模型的假设和资讯的质量。及时证实和正确分析没有达到规定的可靠性指标的原因�可为改进措施提供依据。改进措施确定得越及时�对实现改进措施受计划的限制就越小�对提高产品的可靠性所产生的效果就越大。9.为了在早期阶段确定可靠性要求的可行性和在研制生产阶段确定可靠性要求的可接受性�订购方应当规定承制方必须进行可靠性预计与评估。这些工作与可靠性指标论证、分配、产品方案分析等活动有密切联系�有时需交错和反复地进行。10.任务可靠性预计应该考虑产品规范中规定的每一种工作模式�并对它们加以区分。预计工作应该表明产品是否满足了订购方规定的所有可靠性要求。3可靠性预计�可靠性预计的方法步骤�相似设备法�原理�程序a.相似设备进行比较时应该考虑的要点产品的结构和性能比较�设计的相似性�制造工艺的相似性�产品寿命剖面的相似性(后勤保证、工作和环境条件)�程序与计划的相似性�已达到并经验证的可靠性值。b.相似设备法的真实性决定于两个产品间的等效程度�而不仅仅决定于用来描述产品的一般术语。3可靠性预计�相似电路法�原理�程序a.进行相似电路的比较要点3可靠性预计电路的结构和性能的相似性�设计的相似性�制造工艺的相似性�电路寿命剖面的相似性�程序与计划的相似性�已达到并经验证的可靠性值。b.利用公式将单个电路的可靠性综合为整个产品的可靠性预计值。c.相似电路法的真实性取决于电路之间的等效程度�而不仅仅决定于用来描述电路的一般术语。d.各承制方和订购方共同认可的附有有关失效率数据的电路手册或文件�可以用于相似电路法进行可靠性预计。3可靠性预计�简单枚举归纳推理快速预计法�元件计数法�元件应力分析法4故障模式、影响及危害度分析.�目的�工作性质及方法�有关定义a.故障模式�是故障的表现形式。如短路、开路、断裂、过度耗损等。b.故障影响�故障模式对产品的使用、功能或状态所导致的后果。一般分为局部的、高一层次的和最终的影响三级。c.危害度�对某种故障模式的后果及其出现频率的综合度量。4故障模式、影响及危害度分析�实施步骤a.掌握必要的资料b.画出功能框图和可靠性框图�按功能级别给产品编制代号。c.确定分析的级别。d.列出故障模式�分析原因及影响。e.列出故障检测、隔离措施和方法�提出设计预防措施�防止故障事件发生。f.确定各种故障对产品的危害度等级。g.确定各种故障发生的概率等级�一般分成A�E级。4故障模式、影响及危害度分析�危害度矩阵图的作法及用途a.原理与作用�危害度矩阵图是对产品每一故障模式的危害程度与发生概率等级的显示图�可为比较故障模式�排出采取措施的顺序提供依据。b.做法�用横座标表示故障的危害严酷程度�自左至右表示由轻至重�即由Ⅳ�Ⅰ类��纵座标表示故障的发生概率等级�自下而上表示发生概率由小至大�即由E�A级�。把每个故障的危害严酷等级和发生概率等级标于图上形成许多故障等级点�再用直线把每个点与座标原点相连�形成以原点为出发点的矢量距图。c.比较与判断�由作图规则可知�离原点越远的故障�其危害度越严重。因此�应按故障点与原点连线的长短排出采取措施的顺序�连线越长越需优先采取措施。4故障模式、影响及危害度分析试对某雷达系统的接收机分系统进行故障模式、影响及危机度分析。a.雷达功能框图绘于图1-1。b.由于已经指明对接收分系统进行分析�雷达系统级代号为0�接收机代号为1�故总代号为01。分析表见表1-1。4故障模式、影响及危害度分析c.矩阵图见图1-2。d.由矩阵图可知�矢量距①�②�③�因此要优先解决①的故障模式。5潜在电路分析�目的�工作性质及定义潜在通路指的是在某种条件下�电路中产生不希望有的通路�引起功能异常或抑制了正常功能。�潜在通路分析工作的特点5潜在电路分析�方法及步骤①收集有关资料�包括电原理图、装配图、实际接线图等�②简化电路图�改绘成网络树图�③识别拓扑图形�④应用线索表进行分析。5潜在电路分析�实例6电子元器件和电路容差分析�目的�工作性质产品性能参数漂移的主要原因有�①元器件的实际值与标称值存在公差�有一定的精度等级�而设计的电路往往不考虑这个公差�只标明标称值。当装机的元器件参数离标称值较远时�一旦超过电路允许的范围�必然要发生电路参数的漂移�有的电路还将导致产品性能超差�②环境温度的变化�使元器件参数在原有公差的基础上发生新的漂移�导致产品性能参数超差�③元器件退化�这与施加于元器件各种应力能量的时间积累有关�主要发生在陈旧设备上。6电子元器件和电路容差分析�分析方法电子元器件和电路容差分析�其方法有最坏情况分析法、矩法、增量网络法、伴随网络法、蒙特卡罗法等。6电子元器件和电路容差分析�方法原理最坏情况分析法的基础工作是建立数学模型。就是要把电路性能的特征值Vi表示为设计参数P1、P2、…Pn的函数�即Vi��(P1�P2�…�Pn)。把这个函数在标称值上按台劳级数展开�取其第一项�略去高阶项�得到�i的变化量△Vi与设计参数变量△Pi之间的线性关系式。其核心是要确定电路性能特征对各个部件参数偏差的灵敏度。然后写出相应的偏差公式�求指标允许的相对偏差量�作比较�最后提出改进设计的意见。�举例(略)�分析结果的应用根据容差分析的原理和方法�考虑在确保产品性能稳定性和可靠性的前提下�设计者还应考虑尽量降低产品成本。6电子元器件和电路容差分析①指导设计师在设计电路时应充分考虑工作点的参数使电路允许元器件有较大的公差范围�这不仅可以降低产品成本�还可以减轻采购难度�②提示设计师对重要电路重要部位的元器件�要提出低公差、高精度等级的要求��注意事项①要尽早提出需要做电子元器件和电路容差分析的功能块和电路清单�③用于协调产品各单元的输入信号、电源电压、频率、带宽、相位及负载阻抗等特性�规定电路节点参数、电路元器件的过渡特性、时序及作用时间、电路消耗功率、匹配阻抗等参数。并明确其使用温度范围和元器件的选择原则�②由于本分析需要一定的技巧�工作量大�需要使用计算机�因此不可能也不必要对整机全部电路进行分析。7制定元器件大纲�目的元器件是整机产品基础件的统称�也可称为元器件、零部件。�大纲规定的内容�建立机构�元器件、零部件的控制方案�元器件、零部件优选清单内容及规则�对转承制方提出元器件、零部件的选用要求7制定元器件大纲�选用非标准元器件、零部件的控制程序�推荐��元器件、零部件的标准化�元器件、零部件的应用指南�元器件、零部件的筛选�参加可靠性信息交换网的要求�制订元器件大纲应考虑的因素①产品执行任务的关键性�②元器件的重要性�③产品的批量�批量越大�有关的控制要越严格�④维修因素�拆卸困难的产品对元器件、零部件的质量要求要格外严�⑤元器件、零部件的供应状况�易采购到的要求可适当放宽�7制定元器件大纲⑥新型元器件、零部件的比例�新型品比例越大�控制要越严�⑦元器件、零部件的标准化状况�非标的元器件、零部件要加严控制�⑧参考安全性、质量控制、维修性、耐久性分析报告�考虑对元器件、零部件的控制。8确定可靠性关键件和重要件�目的�定义关键特性是指如有故障�可能危及人身安全、导致武器系统或完成所要求使命的主要系统失效的特性。重要特性是指该特性虽然不是关键特性�但如有故障�可能导致最终产品不能完成所要求使命的特性。8确定可靠性关键件和重要件可靠性关键件和重要件指的是其故障将严重地影响系统安全性、可用性、任务成功、维修及寿命周期费用的产品。�判别准则�确定方法可以用故障模式、影响及危害度分析�故障树分析�热分析�电应力分析等方法来确定