产品的可靠性设计与分析

我们知道产品的可靠性是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。可靠性的概率度称为产品的可靠度。

产品的可靠性又可分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是产品在设计、制造中赋予的，也是产品的开发者可以控制的。而使用可靠性则是产品在实际使用过程中表现出的一种性能的保持能力的特性，它除了考虑固有可靠性因素外，还要考虑产品安装、操作使用和维修保障等因素的影响。所以产品的可靠性设计与分析是产品体现可靠性的前提条件和能否生产出可靠产品的有力保障。

从上面的定义我们可以看出产品的可靠性是设计出来的，生产出来的，也是管理出来的。产品开发者的可靠性设计水平对产品固有的可靠性影响是重大的，因此可靠性设计与分析在产品的开发过程中具有很重要的地位。下面我们分别从产品的可靠性技术、故障模式、影响及危害性分析、故障（失效）树分析、维修性设计几个方面展开对产品的可靠性设计与分析。希望能给从事设计产品和从质量的人员有所帮助。

第一、可靠性设计的主要技术

1、 规定定性定量的可靠性要求。有了可靠性指标，开展可靠性设计才有目标，才能对开发的产品可靠性进行考核，避免产品在顾客使用中因故障频繁而使开发商和顾客利益受到损失。最常用的可靠性指标有平均故障间隔时间（MTBF）和使用寿命。

2、 建立可靠性模型。建立产品系统级、分系统级的可靠性模型，可用于定量分配、估计和评价产品的可靠性。

可靠性模型包括可靠性方框图和可靠性数学模型。对于复杂产品的一个或多个功能模式，用方框图表示各组成部分的故障或它们的组合。方框图分为串联模型和并联模型。

做法就是：预计或估计所设计产品可靠性模型的串联模型和并联模型框图，利用数学公式求定量求出该产品的可靠度与故障率，最后推导出可靠性指标。

3、 可靠性分配。就是将产品总的可靠性的定量要求分配到规定的产品层次。通过分配使整体和部分的可靠性定量要求协调一致。它是一个由整体到局部，由上到下的分解过程。可靠分配有很多方法，如评分分配法、比例分配法等。下面我们以评分分配法举例说明：

评分分配法是一种常用的分配方法。在产品可靠性数据缺乏的情况下，可以请熟悉产品、有工程实际经验的专家，按照影响产品可靠性的几种因素既复杂度、技术成熟度、重要度及环境条件，给每一种因素打分（1—10分之间）。

复杂度：根据组成分系统的元部件数量以及它们组装调试的难易程度评定。最复杂的评10分，最简单的评1分。

技术成熟度：根据分系统的技术水平和成熟程度评定。技术成熟度低平10分，技术成熟度高的评1分

重要度：根据分系统的得要性评定。重要性最低的评10分，重要性最高的评1分。

环境条件：根据分系统所处环境条件评定。经受恶劣条件的评10分，环境条件最好的评1分。 利用数学公式定量的算出可靠性指标平均故障间隔时间（MTBF），这样就可以利用评分分配法将可靠性指标分配到各部件中去了。

4、 可靠性预计。可靠性预计是在设计阶段对系统可靠性进行定量的估计，是根据相似产品可靠性数据、系统的构成和结构特点、系统的工作环境等因素估计组成系统的部件及系统的可靠性。可靠性预计结果可以与要求的可靠性相比较，估计设计是否满足要求，通过可靠性预计还可以发现组成系统的各单位中故障率高的单元，找到薄弱环节，加以改进。可靠性预计有很多方法，如元器件计数法、应力分析法、上下限法等。

元器件计数法适用于产品设计开发的早期。它的优点是不需要详尽了解每个元器件的应用及它们之间的逻辑关系就可以迅速估算出产品的故障率，但预计结果比较粗糙。

应力分析法适用于电子产品详细设计阶段，已具备了详细的文件清单、电应力比、环境温度等信息，这种方法比元器件计数法的结果要准确些。应力分析法分三步求出。第一步先求出各种元器件的工作故障率；第二步求产品的工作故障率；第三步求出产品的可靠性指标平均故障间隔时间（MTBF）。

注：以上故障率、环境系数等可查国军标GJB299B

5、 可靠性设计准则。是把已有的、相似产品的工程经验总结起来，使其条理化、系统化、科学化，

成为设计人员进行可靠性设计所遵循的原则和应满足的要求。

可靠性设计准则一般都是针对某种产品的，但也可以把各种产品的可靠性设计准则的共性内容，综合成某种类型的可靠性设计准则，如直升机可靠性设计准则等。当然，这些共性可靠性设计准则经剪裁、增补之后又可成为具体产品专用的可靠性设计准则。

可靠性设计准则一般应根据产品类型、重要程度、可靠性要求、使用特点和相似产品可靠性设计经验以及有关的标准、规范来制定。

6、耐环境设计。产品使用环境对产品可靠性的影响十分明显。因此，在产品开发时应开展抗振、抗冲

击、抗噪音、防潮、防霉、防腐设计和热设计。

7、元器件选用与控制。电子元器件是完成产品规定功能而不能再分割的电路基本单元，是电子产品可

靠性的基础。要保证产品可靠性对所使用的元器件进行严格控制是极为重要的一项工作。制定并实施元器件大纲是控制元器件的选择和使用的有效途径。

8、电磁兼容性设计。对电子产品来说，电磁兼容设计是很重要的。它包括静电抗扰性，浪涌及雷击抗

扰性，电源波动及瞬间跌落抗扰性，射频电磁场辐射抗扰性等。

9、降额设计与热设计。元器、零部件的故障率是与其承受的应力紧密相关的，降低其承受的应力可以

提高其使用中的可靠性，因此设计时应将其工作应力设计在其规定的额定的值之下，并留有余量。产品特别是电子产品周围的环境温度过高是造成故障率增大的重要原因。因此应利用热传导、对流、热辐射等原理结合必要的自然通风、强制通风、以致水冷及热管等技术进行合理的热设计，以降低其周围的环境温度。

以上就是我们设计产品可靠性设计的一些主要技术，如果在设计时考周全，那么研发出来的产品可靠性水平将会大大的提高。

第二、产品故障模式、影响及危害性分析（FMECA）

故障模式，影响及危害性分析（FMECA）是针对产品所有可能的故障，并根据对故障模式的分析，确定每种故障模式对产品工作的影响，找出单点故障，并按故障模式的严酷度及其发生概率确定其危害性。FMECA包括故障模式及影响分析（FMEA）和危害性分析（CA）。FMECA分析方法可用于整个系统到零部件任何一级，一般根据要求和可能在规定的产品层次上进行。

FMECA的实施步骤通常为：

（1） 掌握产品结构和功能的有关资料。

（2） 掌握产品启动、运行、操作、维修资料。

（3） 掌握产品所处环境条件的资料。

这些资料在设计的初始阶段，往往不能同是都掌握。开始时，只能作某些假设，用来确定一些很明显的故障模式。即使是初步FMECA也能指出许多单点失效部位，且其中有些可通过结构的重新安排而消除。随着设计工作的进展，可利用的信息不断增多。FMECA工作应重复进行，根据需要和可能应把分析扩展到更为具体的层次。

（4）定义产品及其功能和最低工作要求。一个系统的完整定义包括它的主要和次要功能、用途、、预期的性能、环境要求、系统的约束条件和构成故障的条件等。由于任何给定的产品都有一个或多个工作模式，并且可能处于不同的工作阶段，因此，系统的定义还包括产品工作的每个模式及其持续工作期内的功能说明。每个产品均应有它的功能方框图，表示产品工作及产品各功能单元之间的相互关系数。

（5）按照产品功能方框图画出其可靠性方框图。

（6）根据所需要的结构和现有资料的多少来确定分析级别，即规定分析到的层次。

（7）找出故障模式，分析其原因及影响。

（8）找出故障的检测方法。

（9）找出设计时可能的预防措施，以防止特别不希望发的事件。

（10）确定各种故障模式对产品产生危害的严酷程度。

（11）确定各种故障模式的发生概率等级。

（12）填写FMEA表，并绘制危害性矩陈，如果需要进行定量FMECA，则需填写CA表。如果仅进行FMEA则第（11）步骤和绘制危害矩阵不必进行。

以上所述概括了进行FMECA所需要的基本输入信息，在此基础上进一步参照相关标准来完成分析工作，可参照的标准有国家标准GB 7826—87《系统可靠性分析技术 失效模式和效应分析（FMEA）程序》，国际电工委员会标准IEC 60812 Ed.2（2003）56/797及国家军用标准GJB1391《故障模式、影响及危害性分析程度》，在这些标准中都提供了相应的表格供分析者使用。

第三、故障（失效）树分析（FTA）

与FMECA类似，故障树分（FTA）是分析产品故障原因和结果之间关系的另一重要的可靠性分析工具。 故障树表示产品的那些组成部分的故障模式或外界事件或它们的组合导致产品的一种给定故障模式的逻辑图。它用一系列事件符号、逻辑符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。

（1）故障树分析的准备工作

分析者必须熟悉设计说明书、设计图、运行规定、维修规程和其他有关资料。掌握系统的设计意图、结构、功能和环境情况。根据系统复杂程度和要求，必要时应进行系统的FMEA或FMECA以帮助确定顶事件及各级故障事件，根据系统的任务要求和对系统的了解确定分析目的，根据系统任务功能确定系统故障判据。

（2）故障树的建造

完成（1）中的准备工作后，即可从确定的顶事件出发，遵循建造故障树的基本规则和方法建造出所需要的故障树。

（3）故障树的定性分析

故障树的定性分析主要包括以下内容：故障树的规范华；故障的规范化；故障树的简化及模块分析；计算故障树的最小割集。

（4）故障树的定量分析

根据故障树中各底事件的发生概率，计算出顶事件发生概率。

（5）编写故障树分析报告

由于故障树分析已成为系统可靠性分析的重要工具，并被可靠性工程师门广泛地使用，国内外也发布了相应的标准，这些标准有：国家标准GB/T 7829—1987《故障树分程序》，国家军用标准GJB768《故障树分析》，国际电工委员会标准IEC 61025 Ed.1—1990—10《故障树分析》。

第四、维修性设计

产品的维修性是设计出来的，只有在产品设计开发过程开展维修性设计与分析工作，才能将维修性设计到产品中，维修性设计的主要方法有定性和定量两种方法，维修性的定性设计是最主要的，只要设计人员有维修性的意识和工程经验就能将维修性设计进产品。维修性定性设计主要有简化设计、可达性设计、标准化互换与模块化设计、防差错及识别标志设计、维修安全设计、故障检测设计、维修中人素工程设计等。

（1）简化设计是在满足性能要求和使用要求的前提下，尽可能采用最简单的结构和外形，以降低对使用和维修人员的技能要求。简化设计的基本原则是尽可能简化产品功能，合并产品功能 和尽量减少零部件的品种和数量。

（2）可达性设计是当产品发生故障进行维修时容易接近需维修部位的设计。可达性设计的要求“看

得见”——视觉可达；“够得着”——实体可达，比如身体的某一部位或借助工作能够接触到维修部位，同时留有足够的维修操作空间。合理设置维修窗品和维修通道是解决“看得见、够得着”的重要途径。

（3）标准化、互换性与模块化设计。标准化设计是近代产品设计的特点，设计时尽量采用标准件有利于零部件的供应储备和调剂，使产品的维修更为简便。

互换性设计指同种产品之间在实体上，功能上能够彼此互相替换的性能。互换性设计可简化维修作业和节约备品费用，提高产品的维修性。

模块化设计是实现部件互换通用、快速更换修理的有产途径。模块是指从产品中单独分离出来，具有相对独立功能的结构整体，先进的硬件设计的模块化系数达70%～80%以上，先进和软件设计的模块化系数达50%以上。

（4）防差错及识别标志设计。防差错设计就是要保证在结构上只允许装对了才能装得上，装错了或者装反了就装不上，或者发生差错时就能立即发现并纠正。识别标志设计就是在维修的零部件、备品、专用工具、测试器材等上面做出识别，以便于区别辨认，防止混乱，避免因差错而发生事故，同时也可以提高工效。

（5）维修安全性设计。维修安全性设计是指能避免维修人员伤亡或产品损坏的一种设计。例如，在可能发生危险的部件，应提供醒目的标记、警告灯、声响警告等辅助预防手段。对盛装高压气体、弹簧、带有高压电等储有很大能量且维修时间需要拆卸的装置，应设有备用释放能量的结构和安全可靠的拆装设备、工具，以保证拆装安全。同时在维修性设计时应考虑防机械损伤防电击、防火、防爆和防毒等，以保证维修人员的安全。

（6）故障检测设计。产品故障检测诊断是否准确快速、简便对维修有重大影响。因此在设计时，应充分考虑测试方式、检测设备、测试点配置等一系列问题，以此来提高故障的定位的速度。

（7）维修中的人因工程设计。维修中的人的因系工程，是研究在维修中人的各种因素，包括生理因素，心理因素和人体的几何尺寸与产品的关系，以提高维修工作效率，减轻维修人员疲劳等方面的问题。

以上就是产品可靠性设计与分析的主要内容，当然有很多定义性、程序性的东西，都是通过大量的质量方面的书籍罗列整理所得，希望能给本公司从事质量的人员和设计人员对产品全新的认识和操作的依据，为我公司质量管理提高尽一点微薄之力！希望大家多多支持，大家的支持就是我的动力，如果反映好的话，我还会努力为大家写下去……

编辑：王维家

2010-03-04

产品的可靠性设计与分析

第二篇：可靠性论文

可靠性工程实例分析

数控机床的可靠性及如何提高

数控机床可靠性分析方法

摘要：

我国数控机床制造水平与国外先进水平还有很大的差距，当前我国数控机床较之国外的可靠性差、故障率高上。由于随着我国数控机床市场的不断扩大，许多国外品牌大量进入中国，国内企业要想和这些国外的品牌竞争的话，必须提高国产数控机床的可靠性。数控机床可靠性的提高可以直接减少机床生产厂家的售后服务费用和三包费用以及机床使用厂家的停机损失、机床维修费用。数控机床可靠性的提高还可以抵制进口 ，扩大出口，曾加外汇收入。此经济效益十分的显著。

关键词：数控技术  数控机床  可靠性  可靠性指标 数控机床故障 

一、数控机床可靠性指标 

平均无故障时间MTBF、平均故障修复时间MTTR、可用度A。 平均无故障时间（Mean Time Between Failure，简称 MTBF），是指产品从一次故障到下一次故障的平均时间。 

平均故障修复时间（Mean Time To Repair，简称MTTR)，是随机变量恢复时间的期望值。它包括确认失效发生所需的时间，和维护所需要的时间，获得配件的时间，维修团队响应的时间，记录所有任务的时间，还有将设备重新投入使用的时间，即指系统修复一次故障所需要的时间。它是衡量一个产品可靠性的指标，它的值越小说明该系统的可靠性越高。 数控机床常用平均无故障时间MTBF作为可靠性的定量指标。

二、可靠性的计算方法

利用故障频次主次图、故障比重比主次图及危害度的综合分析方法,对所采集的某系列加工中。心现场故障信息进行了统计分析,找出了其可靠性的薄弱环节,进一步明确了加工中心可靠性工作的改进方向,为其他机电产品的可靠性研究提供了较实用的方法。

（一）          故障比重比

加工中心整机可靠性是由各子系统的可靠性来保证的,而各子系统的可靠性指标是不同的。故障比重比主次图可以更准确地反映各系统可靠性与其指标之间的差距,可以更科学地确定故障纠正的主攻方向。

                  故障比重比

式中: 为故障频次百分比,表示第i个子系统实际发生故障数占整机发生故障总数的百分比;i为故障率百分比,表示第i个子系统的故障率在可靠性分配中占整机故障率的百比。

(二)、传统故障频次主次图和故障比重比主次图。为了可靠性分析工作的需要对数据进行有效地组织和管理,数控机床行业建立较完善的可靠性数据库显得非常重要。本文应用VISUALFOXPRO6. 0数据库管理系统对某数控机床生产厂家生产的6台加工中心建立了独立的可靠性数据库。所有故障数据均来自20##年和20##年生产的6台机床在现场使用过程中的真实故障记录。考核时间为20##年11月至20##年9月,共有30条记录。为方便检索查询,对各部分规定了相应的代码。

对该型加工中心的整机中各子系统的故障频次统计如表1和图1所示:

　由表1和图1可以看出,该加工中心的冷却系统故障率最高,为20%;其次为刀库为16. 67%;然后是主轴箱和电气系统均为13. 33%;再次之是润滑系统为10%; CNC系统是6. 7%;其余的子系统影响较小。由此可知冷却系统、刀库、主轴箱、电气系统及润滑系统是影响该系列机床可靠性的主要因素。

利用数控机床可靠性信息管理系统软件及故障比重比可作下表2及图2。通过表2和图2可以看出:加工中心发生故障的比重比主次图与频次主次图相比发生很大变化,比

重比主次图中润滑系统的比重比最大为1. 299,对加工中心运行的影响最严重,电器系统与冷却系统相当分别为1. 079和1. 059,其影响程度也不容忽视,再其次为CNC系统为0. 939,刀库为0. 859,整体防护为0. 787,主轴箱为0. 443,其影响较小,其他的部位比重比更小。

三、提高国产数控机床设计可靠性的主要途径

数控机床主要由数控系统、伺服系统、机床本体三大部分组成。数控机床的设计可靠性，主要取决于数控系统的设计可靠性。现代数控机床的数控系统，趋向于采用模块化硬件的结构形式。根据不同机床的数控功能需要，可选择不同功能的模块进行组合。在优化、通用化、标准化的原则指导下，进行功能模块的设计与制造，能大大地提高数控系统的可旅性。目前我国设计开发的数控系统，其功能还循进一步完善，除直接用于加工的功能外，还应包括人机对话功能，机床故障自诊断功能，机床保护功能，刀具管理功能等.这些功能的配备，既能降低机床使用与维护方面的复杂性，又能极大地提高数控机床使用的可靠性。“九五”期间，我国数控机床骨干制造企业联合完成了国家重点科研项目《数控技术与装配工程化的研究》课题，以提高数控机床设计可靠性为抓手，积极消化吸收FANUC、SIENIENS等国外数控系统的先进技术，使国产数控机床的MTBF值提高到大于400小时，己接近国外数控机床的可霏性。伺服系统是数控系统和机床本体间的电传动联系环节随着数控系统可靠性的迅速提高，而数控机床的最高运动速度，跟踪及定位精度，零件加工的质量、生产率及工作可霏性等技术指标，往往又主要决定于伺服系统的动态和静态性能，可见提高伺服系统的设计可布性对提高数控机床整机的可靠性有着孟要惫义。目前，伺服技术取得了重大的突破，交流驱动取代了直流驱动、数字控制取代了模拟控制，产生了交流数字驱动系统特别是DSP的推广和应用，可使伺服系统的计算速度提高，采样时间减少，调试方便、柔性增强，可旅性大大提高。数控机床的机床本体(主要是机械传动结构及功能部件)的设计可靠性在很大程度上也决定了整机的可靠性。我国历来只重视主机的设计和制造，造成我国数控机床的功能部件(如滚珠丝杆，滚动导轨，数控车床转塔刀架，加工中心刀库和机械手)，要么质量差、可靠性不及国外名牌，要么还是空白。为此，我国应该大力开展功能部件的设计和研究。发展功能部件产业，对于精密机械部件性质的功能部件，如高速滚珠丝杆、高速滚动导轨、刀库和机械手等，要在短期内争取在质量性能、可霏性上赶上和超过国外名牌产品。此外，还要把技术发展远比机床落后的数控机床刀具产业上去，开展新颖刀具材料的研究，设计新颖的数控机床刀具，提高刀具耐用度，延长数控机床的精度保持时间。

四、持续改进，实现可靠性增长

数控机床的可靠性受多种因素的共同影响。高可靠性的实现决不是一蹴而就的事情。只有不断地寻找可靠性薄弱环节，持续地消除产品设计或制造中的缺陷，才是提高产品可靠性的惟一途径，上述过程称为可靠性增长。

在产品研发初期，由于结构设计不合理、材料选择不合适、制造工艺不成熟、操作方式不正确以及管理维护不及时等原因，致使产品缺陷多、故障频繁、可靠度偏低。可靠性增长就是通过“试验-分析纠正-再试验-再分析-再纠正”的循环过程，不断暴露产品在设计、制造工艺以及使用维护等方面的缺陷，并加以改进，使产品可靠性不断提高。

可靠性增长是反复进行的循环过程，其中发现故障源是实现可靠性增长的关键和前提。发现故障源的途径包括数值计算、仿真分析、故障推理、产品历史数据、类似产品的经验数据、性能试验、环境试验、寿命试验、现场跟踪数据等。在发现故障源后，需要将所暴露的缺陷反馈给设计人员，以便制定改进措施，完成产品改进，并通过测试验证改进措施的有效性，直至产品达到可靠性设计目标。值得指出的是，应正确理解可靠性增长，主要注意以下几点：(1)可靠性试验本身并不能提高产品的可靠性。它只能用来暴露产品缺陷或得到产品性能数据。(2)简单地修理或更换零部件无法消除产品的薄弱环节，不能实现可靠性增长。(3)可靠性增长是不断改进的过程，只有通过改进，才能达到可靠性增长的目的。(4)改进措施是用来消除薄弱环节的，但改进措施本身也可能会引入新的薄弱环节，因此对改进措施本身也要进行试验验证。

五、参考文献

[1] 金伟娅，张康达，可靠性工程，化学工业出版社，2005

[2] 张曙，数控机床发展的新趋势，机电新产品导报，2004

[3]贾亚洲1急需提高机床可靠性的紧迫感[J]1机床,1992,