可靠性設計

   時間:2014-03-07 10:34:06
可靠性設計簡介
現代製造已不僅僅是機械製造,它是一個廣義製造的概念。具有“大製造、全過程、多科學”的特點。現代製造是以製造科學為主體,多科學交叉、滲透、融合和不斷創造的產物。而且隨……
可靠性設計正文
現代製造已不僅僅是機械製造,它是一個廣義製造的概念。具有“大製造、全過程、多科學”的特點。現代製造是以製造科學為主體,多科學交叉、滲透、融合和不斷創造的產物。而且隨著人們對生活品質的越來越看重,對產品的要求也越來越高,在要求產品具有多功能等傳統條件下,產品的使用可靠性也越來越引起人們了關注。很多意義上,一個產品是否足夠可靠便定義了其真正的價值!
那麼可謂“可靠性”呢?產品的可靠性可定義為:在規定的條件和規定的時間內,完成規定功能的能力。所謂“規定的條件”包括環境條件、儲存條件以及受力條件等;“規定的時間”是指一定的時間範圍,因產品的可靠性水平經過一個較長的穩定使用或儲存階段后,便會隨時間的增長而降低,時間越長,故障、失效越多;“規定的功能”是指產品若干功能的全部,而不是指其中一部分。所謂可靠性設計就是為滿足用戶的合同的或潛在的可靠性定性、定量要求的設計方法。產品的成功使用,用戶對產品的滿意,以及產品製造企業的成就都取決於產品壽命周期內,特別是在產品的研製階段對可靠性及其有關因素的控制。
可靠性技術的發展有其深刻的社會和歷史的背景。近百年來,人類認識和改造自然的能力得到極大的增強。系統和設備日益向大型化、複雜化、集成化、高參數化和自動化方向發展。而可靠性技術是使這些大型複雜系統和設備實用化的技術關鍵。世界範圍內的市場競爭日益劇烈,可靠性技術已成為現代企業在競爭中獲取市場份額的有力工具。美國一些人士認為,今後能通過競爭留存於世界市場上的只是那些能掌握住自己產品的可靠性的企業。日本一些人士也認為今後世界市場上競爭的焦點是可靠性。社會和政府的干預也有利地推動了可靠性技術的發展。社會對服務的依賴日益增加,導致了用戶對服務質量更高的要求和期望。用於這些服務的設備和產品的可靠性是影響服務質量的一個重要因素。資源的缺乏,對安全和環境的關注,以及對產品壽命周期高費用的高度重視,都需強調可靠性要求及其保證。
第二次世界大戰,現實給美國大兵開了個不小的玩笑。休整期間,其飛機上的大量的設備沒有用上戰場,結果在等到要開戰了才發現這些設備中 60%已經不能使用了。顯然這是因為這些設備沒有足夠的可靠性而引起的災難。當代社會中因為產品可靠性問題引起的事故也筆筆皆是。在科技日益發達的現今,伴隨這新新技術的不斷發展,設計技術比如并行設計、反求工程、模塊化設計、模擬模擬與虛擬設計、動態設計、價值工程以及計算機輔助設計、優化設計等等這些技術越來越趨向成熟,但可靠性設計就像是一個安全閥一樣為產品質量把好這自己的關口。
對可靠性設計的目的也顯而易見。政治方面——任何國家的產品的先進性和可靠性對其國際貿易、國際聲譽和國際地位都有很大的影響,因此,各國政府都很重視產品的可靠性問題;經濟方面——對銷售而言,產品的質量和可靠性水平是其佔領市場份額和獲得信譽的關鍵性因素;對生產而言,生產設備的可靠性故障會影響生產,造成經濟損失;因此,各廠家和用戶都很重視產品的可靠性問題;軍事方面——軍用設備的可靠性直接關係到戰鬥的成敗,人員的傷亡,甚至國家的安全,因此,各國都很重視軍用產品的可靠性問題。
早期的可靠性只是一個抽象的、定性的概念,沒有定量的評價依據。例如,人們常說某產品很可靠、比較可靠、不可靠等。可靠性設計就是要將可靠性及相關指標定量化,從而具有可操作性,用以指導產品的開發過程。運用現代化的計算、統計等手段,可將可靠性用幾個指標來表示,常用的有可靠度R(t)、累計失效概率F(t)、失效概率密度f(t)、失效率λ(t)、平均壽命θ等。現代的可靠性設計往往先從現實實體中抽離出相似的物理模型,然後對這模型進行數學上的計算驗證,用這些指標定量的描述出該產品一般的可靠性。我們都知道一個複雜產品可定義為一個能完成特定功能的綜合體,是若干協調工作單元的有機組合,我們也可以稱其為是一個系統。當我們對現實實體,也就是一系統,進行模型化時就要搞清楚該系統屬於何種類型,是串聯繫統、並聯繫統、混聯繫統還是N中取K的表決系統又或是儲備系統等。分析估計系統中每一個單元的可靠度最後通過計算便能得出系統的可靠度來。顯然這是大量壽命實驗后得到了單元件的可靠度才能做到的,然而,在工業生產中,採用產品製成后測的可靠度的方法來保證產品的可靠度,是一種很不經濟的方法,同時,為期太晚。特別是一些大型昂貴的複雜產品,根本不能採用這種方法。因為一方面,由於產量很少的大型複雜系統的同類產品的成敗記錄數據甚少,而在其中又包括了許多有特殊原因的失效,不屬於隨機失效,即沒有統計的價值,故很難根據很少的數據來推斷其可靠性。另一方面,大型複雜系統的可靠性要求極高,如:大型導彈、人造衛星、運載火箭或載人飛行器等,只根據很少的實驗數據不可能經過統計推斷獲得如此高的可靠性。因此,在產品製造之前就要控制它的可靠性,即在產品的設計階段進行可靠性預計。尤其是對大型複雜系統更需要在設計階段進行可靠性控制,要有定量的指標。在可靠性預計過程中,要依靠經驗數據,分析過去同類產品實際達到的可靠性水平時,要對不用階段的實驗結果加以區別,這樣可以分析可靠性增長的情況。確認已排除了各種早期故障,產品已進入相對穩定的使用壽命時,其可靠性應達到或接近設計的可靠性水平。預計的結果要儘可能準確,但是當經驗數據不足而可靠性要求又很高時,系統可靠性相對關係比絕對數字的準確性就更為重要。
可靠性預計可分為基本可靠性預計和任務可靠性預計。基本可靠性預計用於估計由於產品不可靠將導致對維修與後勤保障的要求;任務可靠性預計用於估算產品在執行任務的過程中完成其規定功能的概率。不論採用何種預計方法,所得結果的精度均取決於兩個因素:(1)所用模型與實際的符合程度,換句話說,所建立的模型與實際系統越相同,其可靠性預計越準確;(2)模型參數的準確性。因為預計的參數多數為統計數據,產品的實際工作條件與統計條件不盡相同,所以預計結果與真實結果相差了50%—200%都是正常的。但即使是這樣,科學的預計仍然有其不可動搖的價值。而可靠性預計的發展方向也便是運用更好的方法將這些偏差儘可能的降低。
現今人們常用的預計計算方法一般是數學模型法、上下限法和蒙德卡洛法3種。3者中上下限法對複雜系統,特別是那些難以繪製準確可靠框圖的系統尤其適用,同時能保證一定精度。對於一些很複雜的系統,採用數學模型很難得到可靠性的函數表達式。而蒙德卡洛法又僅適用於難以寫出概率關係式的複雜系統。此時可以不採用直接推導的辦法,而是忽略一些次要因素,用近似的數值來逼近系統可靠度真值,從而使繁瑣的過程變的簡單。這便是上下限法的基本思想。對一個系統,首先假定系統中非串聯部分的可靠度為1,從而忽略了它的影響,即第一次簡化上限值。然後假設非串聯單元不起多餘作用,全部作為串聯單元處理,即第一次簡化下限值。考慮一些非串聯單元同時失效對可靠度上限的影響,並以此來修正上述的上限值,使上限值更逼近真值。考慮某些非串聯單元失效不引起系統失效的情況,使系統的可靠度下限值提高而接近真值。最後通過綜合公式得到近似的系統可靠度。上下限法因為不苟求單元之間是否相互獨立,且對各種系統都可以使用,也適用於多種目的和階段工作的可靠性預計,而且通過許多的實踐也證明了其預測精度相當的高。比如美國已經將這種方法用在像阿波羅飛船這樣複雜系統的可靠性預計上,並且也受到了現實的肯定。
計算可靠性另一個重要地方便是對可靠度的分配。如果說可靠性預計是根據系統中最基本單元的可靠度來推測系統可靠性的順過程,則可靠性分配就是根據系統要求的總指標由上而下規定最基本單元可靠度的逆過程。按照不同的系統類型採用不同的更加符合實際的分配方法來進行分配。比如對於串聯繫統可採用等分配法、利用預計值的分配法、阿林斯分配法、代數分配法和“努力最小演算法”分配法等等。
對於可靠性還有很多分析方法,比如失效模式、後果與嚴重度分析和故障樹分析等等許多許多。但可以說沒有一個方法會盡善盡美,就好像人類解釋不了許多世界的奇觀一樣,預計本就是一種對未來的猜測,誰也不能像對1隻羊加2隻羊等於3隻羊一樣去肯定這種猜測結果,只不過通過一定的推理使得這個結果能接近真實而已。各種不同的方法也是針對典型的模型,一旦模型與現實有偏差,那麼這個預測便會存在其不真實性。矛盾的是人們需要越簡單的模型來簡化問題,如果把整個系統從現實中抽離出來而不加簡化,那麼根本就沒有意義。未來世界也許做不到像神話故事中的穿越時空,也許不會有故事中占卜術的玄妙,但至少我們可以看到,通過對現實系統的分析,採用科學的方法,我們可以將預測變為一種科學。當將來這種科學成熟起來的時候,世界上是不是會少很多很多的災難與不幸。或許那時人們口中所謂的“很可靠、比較可靠、不可靠”等等,都已經轉變成一種定量的描述涵義。
總而言之,可靠性設計因為其價值已成為人們越來越重視的一門技術,而對於未來其發展前途也是不可估量的。當代的我們應該將這種技術更多的了解和掌握,不僅僅對現實產品系統的可靠性分析,也要將這種理論用在對自己人生可靠性的分析上。有的人也許一生都是條串聯繫統,當挫折大於承受力時這個系統便會崩潰。有的人或者是個並聯繫統,永遠不在乎跌倒,因為在他的心裡,自己永遠有條路會暢通著而不堵塞,可是也許到最後才會發現自己已無路可逃……

 

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