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质量是一个全面的概念,现代质量管理的发展方向也是全面的质量管理,即TQC。
现代的质量观点认为,产品质量是产品满足使用要求的特性总和,即适用性。
适用性包括:
性能、可靠性、安全性、适应性、经济性和时间性[1]10。
可靠性是产品重要的质量指标之一,也是影响产品质量的活跃因素,已成为企业和军事部门之间竞争的关键点。
因此,提高电路板的可靠性对于提高电子产品的质量具有重要作用。
(2)现代电子产品结构的复杂化和使用环境的严酷化,使可靠性问题更加突出
通常对于结构简单的产品来说,可靠性问题并不是很突出,但是随着现代科技的发展,电子产品的结构日趋庞大,可靠性问题也就更加严峻;
另一方面,由于人类社会实践范围的扩大,各种电子产品都需要在严酷的环境下可靠地工作。
因此,为使各种电子产品适应严酷的环境,必须提高它们的可靠性。
(3)电子产品全寿命周期费用的增长,迫切要求提高可靠性
全寿命周期费用包括购买费用、使用费用和报废处理费用,其中使用费用中主要是维修保障费用。
如果产品的可靠性差,就必须经常维修,必然会导致高额的维修保障费用,进而增加了产品的全寿命周期费用,这也必然会增加企业的负担,因此,提高产品的可靠性就显得尤为重要了[1]12。
(5)电子产品的可靠性关系到国家和企业的经济利益
提高可靠性具有巨大的经济效益。
微观方面,可以提高企业的经济效益。
宏观方面,提高可靠性,有利于节约社会资源,有利于提高企业的市场竞争力,有利于保障社会效益和公众效益[1]13。
此外,产品可靠性的提高,可以防止重大事故的发生;
还可以减少停机时间,提高产品的可用性,从而来避免不必要的经济损失。
1.2可靠性研究的发展及现状
1.2.1国外可靠性研究的发展及现状
(1)20世纪40年代是可靠性工程的萌芽阶段。
第二次世界大战时期,由于德国V-1、V-2火箭的不可靠及美国运往远东的航空无线电设备有60%不能工作,引起了人们对可靠性问题的认识。
美国研究发现主要原因是电子管的可靠性太差,于是在1943年成立了电子管研究委员会,专门研究电子管的可靠性问题。
这标志着可靠性研究的起步[1]5。
(2)20世纪50年代是可靠性的兴起和形成阶段。
朝鲜战争期间,由于美国的舰船设备只有33%能有效工作,美国军方及工业界开始了系统的可靠性研究。
1952年,美国国防部成立了一个由军方、工业部门和学术界组成的“电子设备可靠性顾问委员会”(AdvisoryGrouponReliabilityofElectronicEquipment,AGREE)。
AGREE于1957年发表了“军用电子设备的可靠性”报告,该报告从9个方面阐述了可靠性设计、试验及管理的程序及方法,成为可靠性发展的奠基性文件,标志着可靠性已成为一门独立的学科。
前苏联从20世纪40年代后期,日本、原联邦德国从50年代后期也开始了可靠性的研究[1]6。
(3)20世纪60年代是可靠性全面发展的阶段。
美国在这一阶段迅速发展了可靠性设计和实验方法,并取得了很大成就,1965年颁布的MIL-STD-785军用标准就是其中之一。
在此期间,世界各国也普遍成立了可靠性机构,制定了可靠性标准。
英国在1961年成立了“可靠性与质量全国委员会”;
日本从美国引进并发展了可靠性技术,并取得了世界领先的地位[1]6。
(4)20世纪70年代以后是可靠性的深入发展阶段。
由于军事装备的使用观念发生了转变,从单纯要求高可靠性到要求可靠性、维修性等综合指标,并将可靠性、维修性作为减少全寿命周期费用的有力工具,因此可靠性分析、综合环境、可靠性增长及可靠性管理均得到了很大的发展。
其中最具代表性的成果就是1980年美国国防部指令DODD5000.40“可靠性及维修性”和修订的MIL-STD-785B标准[1]6。
目前,国外可靠性的研究处于领先水平。
已由手工定性的可靠性分析设计发展到了计算机辅助的可靠性分析设计,提高了分析设计精度,缩短了分析设计时间;
由重视可靠性统计试验到强调可靠性工程试验,通过可靠性增长试验来显现产品的缺陷,进而来提高产品的可靠性;
由单个可靠性参数指标发展到了多个参数和指标,已经建立了完善的可靠性参数和指标体系。
DhillonBS在“MiningEquipmentReliability,MaintainabilityandSafety”较系统地介绍了采矿设备的可靠性,维修性和安全性的概念[2];
PoongHyunSeong在“ReliabilityandRiskIssuesinLargeScaleSafety-criticalDigitalControlSystems”介绍了电子系统的可靠性分析[3];
AjitKumarVerma,AjitSrividya,DurgaRaoKaranki在编著的“ReliabilityandSafetyEngineering”一书中介绍了可靠性与安全性工程的方法与概念[4]。
1.2.2国内可靠性研究的发展及现状
我国的可靠性工作开始于1956年成立的“环境实验所”,1965年原七机部建立了“可靠性质量管理研究所”,进行了奠基性的工作。
1978年代开展了电子元器件“七专”(专人、专机、专料、专批、专检、专技、专卡)活动,1979年中国电子学会成立了“可靠性与质量管理专业学会”,1981年又成立了“中国电子元器件质量认证委员会”,1982年国家标准局成立了“全国电工电子产品可靠性与维修性标准化技术委员会”,这些机构对我国可靠性工程的发展起了积极的促进作用,并制定了一系列的国家标准[1]6。
从20世纪80年代中期至今,我国电子产品可靠性研究在电力电子、电机、变压器等领域做了很多工作,通过理论分析和大量试验数据统计分析了产品的失效机理,研制出了一些可靠性试验的装置,提出了这些产品的可靠性指标及评价方法。
迄今为止,我国已制订了国家标准GB/T15510《控制用电磁继电器可靠性试验通则》,国家军用标准GBl0962《机床电器可靠性通则》,国家军用标准GJB65B—99《有可靠性指标的电磁继电器总规范》等一些可靠性方面的规范与标准[1]6。
目前,我国的可靠性研究范围也更加广泛,已从电子产品已扩大到了非电子产品。
经过不懈的努力,我国的可靠性研究工作已取得了显著成果。
但是,由于我国的可靠性研究起步晚于西方国家,与国际先进水平尚有差距:
我国的电子产品设计人员普遍缺乏可靠性设计的理论知识与工程实践经验;
可靠性分析软件大多注重元件与子系统的可靠性分析,对整个系统的可靠性分析较少,并且通用性也较差。
此外,可靠性工作由于耗时长,费用高,整体上还处于初级阶段,很多企业对可靠性的意识还比较淡薄。
因此,我国如果要赶上西方发达国家还有很长的一段路要走。
可靠性研究主要有以下成果:
(1)长沙航空职业技术学院的欧阳斌在《电路系统的可靠性计算》中论述了电子元器件与电路系统可靠性的计算方法[5];
(2)湖南工程学院的刘美俊在《电子产品的可靠性设计》中论述了常用的电子产品可靠性设计的三种方法:
热设计、降额设计和电磁兼容设计[6];
(3)陕西凌云电器总公司的张生延《可靠性分配中的问题及对策》中详细论述了可靠性分配的工程加权因子分配法,对其应用有一定指导意义[7];
(4)程凯、王晓丹等在《监控系统硬件电路板可靠性计算》中总结出了计算印刷电路板可靠性指标的方法和步骤[8]。
1.3本文的研究内容及目标
1.3.1研究的内容
本论文主要研究的是多功能教学开发与控制板电路的可靠性分析与设计。
第一部分是前言,主要论述了可靠性在国内外的产生与发展历程,可靠性工作的新进展和成就,以及目前我国可靠性工作面临的问题。
除此之外,还对选题的背景与意义进行了简要的论述。
第二部分主要论述了可靠性的基本理论。
介绍了可靠性的基本概念,可靠性的衡量指标,常用的寿命分布以及可靠性模型。
第三部分主要论述了可靠性设计的内容。
介绍了可靠性的分配方法,即工程加权分配法;
简单枚举归纳推理可靠性快速预计法及元器件计数预计法这两种可靠性的预计方法。
第四部分主要以多功能的教学开发与控制板电路为例介绍了电路可靠性的分析与设计的全过程。
第五部分是结论部分,主要对多功能教学开发与控制板电路的可靠性分析与设计的全过程进行了总结,并介绍了可靠性工程其他的一些知识。
1.3.2研究的目标
本文主要研究电路板的可靠性问题,需要达到以下几个目标:
(1)找到适合衡量电路板可靠性的指标。
(2)通过分析电路板的功能,建立可靠性框图,进而预计电路板的可靠性。
(3)对电路板可靠性的指标进行分配,得到各子系统的可靠性指标。
(4)根据各系统的可靠性指标,选择元器件,对电路板进行可靠性设计。
(5)通过对电路板的可靠性进行分析与设计,最终提高电路板的可靠性,满足用户对电路板质量指标的要求。
2可靠性的基本理论
2.1可靠性的基本概念
2.1.1可靠性
可靠性是产品质量的一项重要指标,是质量的重要组成部分。
可靠性就是指产品在规定的条件下,规定的时间内,能够完成规定功能的能力[1]1。
对定义中的概念有:
(1)产品,是指可以单独研究、分别试验的任何部件、组件、设备或系统。
它可以由硬件、软件或兼有二者组成。
根据产品的性质可分为可修产品和不可修产品[1]1。
(2)规定的条件,是指产品使用时的应力条件(载荷条件)、环境条件以及存储条件等[1]1。
规定的条件不同,产品的可靠性也不相同。
比如,温度、湿度等不同的环境条件,对产品的可靠性都有很大影响,一个温度测量设备在室外和室内的使用条件下的可靠性肯定是不同的。
因此,谈某一产品的可靠性时,必须指明规定的条件。
(3)规定的时间,是指产品的工作时间,任何一种产品经过一段时间的稳定性工作后,随着时间的延长,可靠性就会下降,故障发生的次数显著增加,最终直至报废[1]1。
规定时间的单位可用分、秒、小时、年、月、次数、里程等表示。
在不同的时间段内,产品的可靠性是不同的,所以在讨论可靠性时不能脱离规定的时间。
(4)规定的功能,是指产品应具有的技术指标[1]1。
不同的产品有不同的功能,研究可靠性时是针对某一规定功能的,而不是对产品的所有功能。
对于这个规定的功能指标必须是明确而清晰的,只有这样才能准确判断产品是否处于正常的工作状态,才能明确其可靠性。
2.1.2可靠性的分类
(1)狭义可靠性与广义可靠性
狭义可靠性是指产品在规定的条件下,规定的时间内,能够完成规定功能的能力。
它表示产品在某一规定时间内发生故障的难易程度[1]2。
广义可靠性是指产品整个寿命周期内完成规定功能的能力。
它包括了狭义可靠性与维修性。
维修性是产品设计和装配的一种特性,是指产品在规定的条件下和规定的时间内,按规定的程序和方法进行维修时,保持或恢复到能完成规定功能的能力[1]2。
广义可靠性实质就是指产品的有效性。
有效性定义为:
可以维修的产品在某时刻具有或维持规定功能的能力。
它表示产品正常工作的能力,将可维修产品的可靠性和维修性有机地结合了起来[1]2。
一般情况下,可靠性通常指广义可靠性,而做定量计算时多指狭义的可靠性。
(2)固有可靠性与使用可靠性
根据可靠性的形成过程,可将其分为固有可靠性与使用可靠性。
固有可靠性是指由设计决定、制造实现和保证的可靠性,记作RI。
它所关心的主要是狭义可靠性。
固有可靠性是产品的固有属性,是使用可靠性的基础。
设计阶段对可靠性的影响最大,制造只能保证设计可靠性的实现,使用则是维持其可靠性,尽量减少其降低[1]2。
使用可靠性是指产品在使用过程中,因受环境条件、维修方式及人为因素的影响所能达到的可靠性,记作RU[1]2。
它所关心的主要是广义可靠性。
一般,有RU<
RI,随着使用时间的增加,RU逐渐降低。
当降低到规定的界限时,产品就要报废或进行检修后继续使用,直至报废[1]2。
2.2可靠性的衡量指标
可靠性作为质量的重要指标,提高产品的可靠性对于提高产品的质量具有重要意义。
因此,为了便于质量的管理与控制,可靠性除了有定性的描述外,必须可以定量的表示。
只有这样,可靠性才有了其实用意义,才能在设计阶段进行预测,在制造阶段进行控制,在使用中能够维护。
由于产品有可修产品和不可修产品之分,所以可靠性指标也分为两类。
对于可修复产品,常用的指标有可靠度、失效率、平均寿命等;
对于不可修复产品,常用的指标有维修度、可用度和平均修复时间等[1]21。
2.2.1可靠度
(1)可靠度定义。
可靠度是产品在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的概率。
它是时间的函数,常记作R(t),称为可靠度函数[1]21。
并有下式:
(2.1)
式中,T—产品失效前的工作时间;
t—规定的时间。
由可靠度的定义有:
(2.2)
式中,N0是当t=0时在规定条件下进行工作的产品数;
n(t)是在0~t的工作时间间隔内,发生故障的产品数(不修复)。
可靠度函数具有如下性质:
①是非增函数;
②R(0)=1,R(∞)=0;
③0≤R(t)≤1。
(2)失效累积分布函数
产品在规定的条件下和规定的时间内,丧失规定功能的概率称为累积失效概率(又称不可靠度)。
它也是时间的函数,常记作F(t),常称失效累积分布函数[9]4,并有:
(2.3)
式中,各符号的含义同式(2.1)。
由不可靠度的定义有:
(2.4)
显然,由概率的知识可得:
(2.5)
(3)失效密度函数
由式(2.4)可得
(2.6)
令
,则有
(2.7)
称f(t)为失效密度函数[9]4。
由式(2.5)可得
(2.8)
2.2.2失效率
(1)失效率的定义。
失效率也是衡量产品可靠性的重要指标之一。
定义为:
工作到某时刻t尚未失效的产品,在该时刻t以后单位时间内发生失效的概率,称为产品在时刻t的失效率(故障率),也称为失效率函数,记作λ(t)[1]22,即
(2.9)
式中,dn(t)—t时刻后,dt时间内失效的产品数;
dt—t时刻后的时间间隔。
其有如下含义:
产品的失效率近似等于产品在时刻t后的单位时间[t,t+Δt]内失效数Δn(t)/Δt与尚在工作的产品数N0-n(t)的比值,即
(2.10)
由失效率的定义可知,失效率λ(t)越大,t时刻后产品的可靠性越低;
反之,可靠性就越高。
(2)失效率λ(t)与可靠度R(t)及失效密度函数之间的关系
由式(2.2)、(2.9)可得
(2.11)
式(2.11)表明了失效率λ(t)、可靠度R(t)及失效密度函数f(t)三者之间的关系,即产品在t时刻的失效率λ(t)是在时刻t尚未发生失效的条件下,在下一个单位时间内可能发生失效的条件概率[1]23。
又由式(2.8)两边对t求导,得
(2.12)
将f(t)代入式(2.11)得
(2.13)
将等式两端对t积分,并由R(0)=1得
故有
(2.14)
式(2.14)表明了失效率λ(t)与可靠度R(t)之间的关系。
当失效率λ(t)=λ为常数时,有
[1]24。
(3)失效率λ(t)的图形
失效率λ(t)是时间t的函数,随着时间的变化而变化。
通过理论研究和对大量实验数据的分析,人们发现大多数电子产品的失效率λ(t)随时间t的变化曲线形状与浴盆类似,故称为浴盆曲线[10,11]。
如下图2.1所示,曲线明显分为三段:
t
耗损失效期
偶然失效期
早期失效期
λ(t)
图2.1浴盆曲线
(1)早期失效期
这个时期的失效率较高,主要发生在产品工作的初期,随着工作时间的增加,失效率会迅速下降。
这个时期的失效主要是由产品设计、原材料和制造过程中的缺陷等原因造成的。
为缩短这一阶段的时间,在产品投入工作之前必须进行试运行,以便提前发现、维修和排除故障。
此外,还可以通过试验对产品进行筛选,排除不合格的产品,严格控制产品质量以及等产品老化之后再投入使用等措施来降低早期失效率[9]41。
(2)偶然失效期
偶然失效期也称为产品的使用寿命期,这一阶段的失效主要是由于产品中无法排除的缺陷所引起的,具有随机性。
该时期内,失效率较低,且基本保持稳定,可近似认为是一个常数。
产品可靠性的考核也在此阶段进行。
产品主要在这一阶段进行使用,应该注意维护,以延长这一阶段的时间[9]42。
(3)耗损失效期
这一阶段失效率随着工作时间的增加而增加,主要是因为产品工作时间已有一定长度,元件老化,已经耗损严重,到了寿命的终点。
当失效率达上升到一定界限时,产品就必须进行更换元件并维修或报废[9]42。
2.2.3平均寿命MTTF或MTBF
平均寿命就是寿命的平均数,也就是寿命这一随机变量的数学期望。
平均寿命表征产品的平均工作时间。
(1)对于不可修复产品来说,产品的寿命是指产品发生失效前的工作时间或工作次数。
因而,产品的平均寿命是指产品发生失效前的平均工作时间,也称为产品在失效前的平均时间,记作MTTF(meantimetofailure)[1]23。
设有N0个产品在相同的条件下试验,测得失效前时间分别为t1,t2,t3,…,tN0,则失效前的平均时间MTTF可用下式求得:
(2.15)
当N0趋向无穷大时,MTTF即为寿命这一随机变量的数学期望,所以有
(2.16)
由式(2.12)代入上式可得
(2.17)
(2)对于可修复产品来说,系统的寿命是指两次相邻失效之间的工作时间,而不是指产品由开始使用到报废的整个使用时间。
所以,产品的平均寿命是产品平均无故障时间,也称为产品平均失效间隔,记作MTBF(meantimebetweenfailure)[1]23。
当只考虑产品首次失效前的工作时间时,二者就没有区别了,统称为平均寿命。
2.2.4指数分布
在可靠性理论中,指数分布是最基本的、最常用的寿命分布,适用于失效率λ(t)为常数的产品,在电子产品的偶然失效期使用更为广泛。
若产品的寿命T具有如式(2.18)的失效密度函数,或者具有如式(2.19)的失效分布函数则称产品寿命T服从参数为λ的指数分布[1]25。
,t≥0(2.18)
,t≥0(2.19)
根据可靠性各指标之间的关系,可以得出产品寿命在服从指数分布情况下的可靠性特征量的表达式如下:
(1)可靠度
,t≥0(2.20)
(2)失效率
,t≥0(2.21)
(3)平均寿命
MTBF或MTTF=
(2.22)
由以上各式可知,寿命服从指数分布的产品有以下这些特征:
失效率λ为常数,反过来,当失效率为常数时,其寿命服从指数分布;
平均寿命与失效率互为倒数。
指数分布还具有“无记忆性”的性质[1]26,即:
(2.23)
这也就是说,若产品工作到t2时刻仍然正常,那么以后再工作就像新产品刚从t2时刻开始工作一样,以后的寿命仍服从指数分布。
2.3系统可靠性模型
产品有简单的,也有复杂的,结构简单的产品往往是单个元器件,而结构复杂的产品往往有大量的元器件组成,这样就构成了一个系统。
前面所讲述的可靠性理论当然适用于系统。
同样,系统的可靠性也是衡量系统质量的重要指标。
本节主要是建立可靠性的模型,把系统的可靠性特征量表示为单元可靠性特征量的函数,从而由单元的可靠性推知系统的可靠性。
2.3.1系统的可靠性
系统,是指为完成某一特定功能,由若干个有联系而又协调起作用的单元构成的整体。
系统和单元的区分是相对的,主要是根据研究对象的不同而确定的。
系统可以分为可修复系统与不可修复系统两类[1]3。
由于系统的相对性,系统可靠性的定义与可靠性的一般定义一样,即是指系统在在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力[1]4。
本文主要是分析电路板的可靠性,并且把电路板视为不可修复系统。
2.3.2系统的可靠性模型
可靠性模型的作用就是用于定量分配、估计和评价系统的可靠性。
系统的可靠性模型就是为预计系统的可靠性而建立的可靠性框图及其数学模型。
(1)可靠性框图
可靠性框图是从可靠性角度表示系统与单元之间逻辑关系的图[1]56。
由于可靠性是产品完成规定功能的能力,要建立系统的可靠性框图就必须先确定要研究的系统,分析系统要完成的功能,然后再划分单元并确定它们的功能,最后分析各个单元的功能与系统功能的关系,这样便可以确定系统的可靠性框图。
(2)可靠性框图的分类
根据可靠性框图的结构,常见的有串联系统的可靠性框图,并联系统的可靠性框图以及混联系统的可靠性框图。
根据各种可靠性框图,便可以建立表示各单元可靠性特征量与系统可靠性特征量之间关系的数学模型。
2.3.3串联系统的可靠性模型
设系统由n个单元组成,若其中任一个单元发生故障,系统就会出现故障,这样的系统称为串联系统[1]57。
其可靠性框图如图2.2所示。
n
1
2
…
图2.2串联系统可靠性框图
设第i个单元的寿命为Xi,可靠度Ri(t)=P{Xi>
t}(i=1,2…,n),累积失效率为F(t)。
假设各单元寿命的随机变量相互独立,在t=0时刻,各单元同时开始工作。
此时,系统的寿命X为
X=min{X1,X2,…,Xn}
t时刻系统的失效概率F(t)为
F(t)=P{X≤t}=1-P{X>
t}=1-P{X1>
t,X2>
t,…,Xn>
t}
=1-
(2.31)
系统的可靠度R(t)为
R(t)=P{X>
t}=P{X1>
t,X
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