可靠性预计是一种常用的可靠性指标定量评估方法，可以预估产品可靠性指标的达成程度，一般用可靠度或MTBF表示。可靠性预计在各个领域应用都比较广泛，预计的方法也多种多样。前几天，一位朋友让我写一下可靠性预计的内容，坦白讲，可靠性我不是很懂，详细的理论和计算搞不明白，今天就从“使用”的角度说一下自己对可靠性预计的看法，希望对各位朋友有所裨益。

 

1、引言

 

众所周知，军工行业对武器装备的可靠性非常重视，在装备的研制合同中，基本上都会提出可靠性的要求，比如：MTBF ≥ 10000h，使用寿命不低于15年等等。针对这些可靠性指标，研制单位不能等产品研制生产出来后再进行可靠性验证，无论周期、经费方面都不允许，怎么办呢？

 

这就要求企业运用以往的工程经验、故障数据等，结合当前的技术水平，根据组成系统的元件、组件、分系统的可靠性来推测系统可靠性，这就是可靠性预计。可靠性预计是一个由局部到整体，从小到大、由下向上的综合过程，在装备寿命周期的前几个阶段（包括方案论证、工程研制阶段）要反复进行多次（敲黑板，这和很多企业只进行一次预计是不同的）。

 

2、可靠性预计的目的和参数

 

如前所述，可靠性预计不是为了了解产品什么时候将发生什么样的失效，而是在于从设计开始就用定量的方法粗略评价可靠性设计是否满足要求，当然，这只是一个方面，在不同的研制阶段，可靠性预计的目的和作用是不同的：

 

1）在论证阶段，评估系统可靠性，审查是否能达到要求的可靠性指标；

 

2）在方案阶段，对不同设计方案的可靠性水平进行比较，为设计决策提供依据；

 

3）在设计中，发现影响系统可靠性的主要因素，找出薄弱环节，为设计改进或生产过程控制提供依据；

 

4）为可靠性试验方案设计、验证及费用核算等方面的研究提供依据；

 

5）可靠性预计还可为不能直接进行可靠性验证的大型产品进行系统的可靠性估计；

 

6）对可靠性分配、维护使用提供有益信息。

 

从可靠性预计的目的出发，预计工作应在研制阶段的早期进行，以便于设计评审，并为产品可靠性分配及拟定改进措施提供依据。当产品设计条件、环境要求、应力数据、失效率数据、工作模式发生重要变更时，应当及时修正可靠性模型和重做可靠性预计。

 

可靠性预计的内容是什么呢？各类可靠性参数，所以，在进入正式的可靠性预计工作之前，还需要了解一下可靠性参数。

 

通常来说，可靠性参数可分为三类：使用参数、合同参数和设计参数。在装备立项论证时，提出可靠性的使用参数（目标值和门限值），并纳入《装备立项综合论证报告》；在装备研制总要求综合论证时，确定可靠性的合同参数（规定值和最低可接受值），并作为装备定型考核或验证的依据；在装备研制生产过程中，确定可靠性的设计参数（预计值和评估值），并明确要求：评估值>最低可接受值>门限值，预计值>规定值>目标值。

 

从使用角度出发，很多企业是依据合同开展可靠性预计的，所以更关注的是合同参数和设计参数，合同参数主要包括平均故障间隔时间（MTBF）、首次大修期限（TTO）和平均严重故障间隔时间（MTBCF）（需要详细了解可靠性参数内容的朋友，请参照本公众号《学习 | 可靠性要求及验证》）。多说一点个人理解，通常而言，规定值是企业进行可靠性设计的依据，可用可靠性预计应对；最低可接受值是进行鉴定试验的依据，可用可靠性鉴定试验来验证。

 

3、可靠性预计的分类和方法

 

从研制阶段维度，GJB 813-90《可靠性模型的建立和可靠性预计》把可靠性预计分为三类：

 

1）I类，可行性预计：用于产品的方案论证阶段，在这个阶段，信息的详细程序一般只限于描述产品的总体情况。结构信息一般还限于从具有类似于所研制产品的功能和工作要求的现成产品类推出来的信息。

 

2）II类，初步预计：用于产品工程研制阶段的早期，在这个阶段中，书面形式的设计结构信息是工程图和初步草图，可利用的信息详细程度可以达到产品的组成单元，但没有可利用的应力分析信息。

 

3）III类，详细预计：用于产品工程研制阶段中期和后期，这个阶段的特点是产品的各个组成单元都具有工作环境信息和盈利信息。

 

从元器件使用状态维度，可靠性预计可分为工作状态和非工作状态。目前国内的标准主要是GJB/Z 299C-2006《电子设备可靠性预计手册》和GJB/Z 108A-2006《电子设备非工作状态可靠性预计手册》。国外的标准主要有MIL-HDBK-217F《电子设备可靠性预计》、Telcordia SR-332《电子设备可靠性预计程序》、以及汽车行业的PERL《电子设备可靠性预计方法》等。

 

从可靠性类型维度，可靠性预计可分为基本可靠性预计和任务可靠性预计，基本可靠性预计和任务可靠性预计通常结合进行，任务可靠性预计表明产品成功地实现任务目标的设计能力，而基本可靠性预计表明，由于产品不可靠给预期的维修和后勤保障增加的负担。

 

考虑不同类型的产品特点和研制阶段，可靠性预计的方法多种多样，每一种都有一定的适用范围，表1列出了常用的几种，供大家参考。

 

表1  常用可靠性预计的方法

 

4、可靠性预计的程序和实施

 

4.1 可靠性预计程序

 

根据GJB/Z 299C-2006《电子设备可靠性预计手册》，电子设备可靠性预计的一般程序包括：

 

1）根据产品的功能原理，将产品划分为功能相对独立、内部为串联结构的可靠性预计单元，然后建立可靠性模型（可靠性模型的方法另做介绍，本文不再展开）；

 

2）确定各预计单元所用元器件的种类、数量、质量等级、工作环境类别、工作温度、降额等详细设计资料；

 

3）根据不同的元器件类型，查阅GJB/Z 299C或MIL-HDBK-217F预计手册，得到各元器件的工作故障率计算模型及各种修正系数；

 

4) 根据预计手册提供的计算模型计算元器件的工作故障率（可根据具体情况，采用不同的可靠性预计方法）；

 

5）将预计单元内各种类元器件的工作失效率相加，由此得出预计单元的失效率；

 

6）按设备、系统的可靠性模型逐级预计设备、系统的平均故障间隔时间等可靠性指标。

 

4.2 可靠性建模

 

从可靠性预计程序可知，可靠性建模是可靠性预计的前提和基础，和可靠性预计一样，可靠性建模分为基本可靠性建模和任务可靠性建模。

 

基本可靠性建模包括一个可靠性框图和一个相应的可靠性数学模型，基本可靠性模型是一个串联模型，包括那些冗余和代替工作模式的单元都按串联处理，用于估计产品及其组成单元引起的维修及后勤保障要求。

 

任务可靠性模型包括一个可靠性框图和一个相应的数学模型。任务可靠性模型应该能描述在完成任务过程中产品各单元的预定用途。预定用于冗余或代替工作模式的单元应该在模型中反映为并联结构，或适用于特定任务阶段及任务范围的类似结构。任务可靠性模型的机构比较复杂，用于估计产品在执行任务过程中完成规定功能的概率。

 

4.3 应用环境分类

 

某些电子设备可能会在不同的应用环境中应用，所以实际的可靠性预计要根据不同的应用环境来计算，表2给出了电子设备的应用环境分类列表，供参考。

 

表2 环境分类

 

4.4 质量等级和质量系数

 

在元器件的标准中一般都规定了元器件在制造、检验及筛选过程中的质量控制水准，按此不同控制水准组织生产和管理的产品，具有不同的质量档次，代表着不同的质量等级。元器件质量等级直接影响其失效率，不同质量等级对元器件失效率的影响程度以质量系数πQ 来表示。

 

4.5 国产元器件与进口元器件

 

当同一设备中同时采用进口元器件和国产元器件时，对国产元器件采用GJB/Z 299C第5章或第6章的方法进行预计，获得其失效率λ国产；然后用GJB/Z 299C附录A或MIL-HDBK-217F标准对进口元器件进行预计，获得其失效率λ进口；再依据设备的可靠性模型计算其总的失效率。

 

4.6 可靠性预计范例

 

例如：某电子设备由4个调整二极管、2个合成电阻器、4个云母电容器组成，所有器件都是国产的，质量等级都是 B1；设备的工作环境为战斗机座舱；用元件技术法（应力分析法等其他方法步骤类似）计算该设备的基本可靠性MTBF。

 

1）设备结构相对简单，可作为一个可靠性预计单元处理，因为计算的是基本可靠性，所以所有元器件是一个串联模型；

 

2）设备中共用到3种元器件（调整二极管、合成电阻器、云母电容器），数量分别为4、2、4，质量等级均为B1、工作环境类别为AIF（设备工作环境为战斗机座舱，查表2可知）；

 

3）器件均为国产器件，使用GJB/Z 299C-2006，查各元器件的失效率和修正系数；

 

查 GJB/Z 299C-2006的表6-19，确定调整二极管的通用失效率：λ1 = 1.3×10-6/h；同样的方法（表6-21、表6-22）得到合成电阻器的通用失效率：λ2 = 0.0351×10-6/h，云母电容器的通用失效率：λ3 = 0.0802×10-6/h。

 

 

查 GJB/Z 299C-2006中的表6.3，确定调整二极管的质量系数：πQ1 = 0.5；同样的方法（查表6-4），确定合成电阻器的质量系数：πQ2 = 0.6；云母电容器的质量系数：πQ3= 0.5。

 

 

4）用元件计数法计算元器件的工作失效率：

 

调整二极管：λGS1 = N1×λ1×πQ1 = 4×1.3×0.5 = 2.6×10-6/h

 

合成电阻器：λGS2 = N2×λ2×πQ2 = 2×0.0351×0.6 = 0.04212×10-6/h

 

云母电容器：λGS3 = N3×λ3×πQ3 = 4×0.0802×0.5 = 0.1604×10-6/h

 

5）计算预计单元的失效率

 

λGS3 = λGS1+ λGS2 + λGS3 = 2.6 + 0.04212 + 0.1604 ≈ 2.803×10-6/h

 

6）因设备相对简单，预计单元的失效率就是设备的失效率，对于复杂设备/系统而言，按可靠性模型逐级预计即可。

 

7）计算MTBF值：我们知道，当产品的寿命服从指数分布时，其失效率的倒数就是MTBF，所以：MTBF = 1/λ = 356760.6（h）≈ 41年。

 

4.7 注意事项

 

1）产品定义、故障定义、产品的工作环境、工作时间等均必须予以明确，它们是可靠性预计的基础；

 

2）根据预计的不同要求，正确选择可靠性模型、数据及预计方法；

 

3）要及早进行预计以便尽早发现问题，在整个研制过程中，预计要反复迭代多次；

 

4）可靠性预计的相对值比绝对值更重要，因为它可以提供设计决策的依据，但不能作为确定产品是否达到可靠性要求的依据。

 

5、最后的话

 

可靠性预计是根据组成系统的元件、组件、分系统的可靠性来推测系统可靠性的过程，一般在研制阶段的早期进行，以便于设计评审，并为可靠性分配及拟定改进措施提供依据，可靠性预计在研制过程中需要多次迭代。

 

最重要的，可靠性预计是为了评估设计可靠性能否满足规定要求，确定设计的薄弱环节，为优化设计方案提供依据，绝对不是为了应付检查，那种为预计而预计的形式没有任何意义。

 

参考文献：

 

1）杨为民、阮镰等《可靠性.维修性.保障性总论》

 

2）市场部  TILVA丨STIEE检测认证《电子产品可靠性预计技术》

 

2）徐步陌上行 永恒之地《可靠性预计及元器件计数法案例》