可靠性设计基本程序

出处：按学科分类—工业技术 南京大学出版社《工程师实用手册》第102页（5190字）

进行可靠性设计，先要定出产品的功能和结构方面的设计，然后进行可靠性评价，对其薄弱环节进行修正，再评价，再修正，如此反复多次，使设计具有适当的可靠性。可靠性设计内容很多。若对象不同，设计程序亦不相同。概括起来，最主要的程序有以下三项：

第一，进行可靠性预测；

第二，根据预测的系统可靠性指标，对各个分系统直至零部件(元器件)作出可靠性分配；

第三，根据分配和要求的可靠性指标，采取相应的可靠措施。下面分别加以介绍。

(一)可靠性预测

产品的可靠性预测是指在设计阶段，根据产品使用的元件、功能、使用环境以及它们的相互关系，来推测和计算产品可靠性指标的方法。

(1)串联系统可靠性预测。串联系统是在功能关系上系统各部件是串联的，只要有一个部件发生故障，就会导致整个系统发生故障。由概率统计原理可知，这种串联系统的可靠度是相乘的。即

R系统=R₁×R₂×R₃×…

例：一台设备由一个电源、一个接收机和一个放大器组成，它各部分失效率(即故障率)如下，工作1000小时，求它的可靠度。

λ电源=25次失效／10⁶小时

λ接收机=30次失效／10⁶小时

λ_放大器=15次失效／10⁶小时

解：R_电源 e^{－25×10－6}×1000=0．97531。

R_接收机 e^{－30×10－6}×1000=0．97045，

R_放大器 e^{－15×10－6}×10000=0．9851

R_设备=R_电源×R_接收机×R_放大器

=0．97531×0．97045×0．98511=0．93

(2)并联贮备系统可靠性预测。所谓并联贮备系统是指在系统的某个功能部件上，并联了几个可以相互替换的部件，只有在这些部件全部发生故障，系统才不能正常工作。

分系统可靠度相同的并联贮备的可靠性预测公式为：

R_系统=1－Fⁿ

式中 R——系统可靠度；

F——每个并联贮备部件或分系统的不可靠度；

n——并联贮备分系统数量。

例：一个系统包括三个相同的并联贮备分系统，他们的可靠度均为0．8，求此系统的可靠度。

解：按公式R=1－Fⁿ计算，n=3

F_分系统=1－R_分系统=1－0．8=0．2

则 R_系统=1－0．2³=0．992

(3)串－并联贮备系统可靠性预测。如图3－8。

图3－8 串－并联贮备系统

其可靠度预测公式为：

R_系统=1－(1－R_A·R_B)(1－R_C·R_D)

当分系统的可靠度相同时，上式可简为：

R_系统=1－(1－R²)²

例：图3－8系统中 R_A=R_B=R_C=R_D=0．9

求此系统的可靠度。

R_系统=1－(1－0．9²)²=0．9639

(4)非工作储备并联系统可靠性预测。非工作贮备系统亦称待机工作系统或冷贮备系统。是指在工作的部件未失效之前，它们不参加工作，处于等待状态，当工作的单元一旦失效，它们马上接上去工作。这种系统的可靠性可大大提高。

对于只有一个非工作贮备单元的情况(见图3－9)，系统的可靠度预测公式为：

图3－9 非工作贮备并联系统

R=e^－λt+λte－^λt

对于有两个非工作贮备单元的情况，则预测公式为：

例：有两个单元，每个单元的失效率为：λ=0．001次失效／小时，其中一个工作，一个非工作贮备，100小时工作期间，求它的可靠度。

解1按公式有：

R=e^－λt+λte^－λt=e^－λt(1+λt)

而 λt=0．001×100=0．1

故 R=e^－0．1(1+0．1)=1．1×e^－0．1≈0．995

(二)可靠性分配

所谓可靠分配就是使用一定的数学方法，把系统的可靠性指标合理地分配给分系统、部件的过程。可靠性分配的目的，主要是落实系统的可靠性指标和各分系统或部件的可靠要求，或通过分配找出薄弱环节，为改进设计提供依据。

可靠性分配是按系统→分系统→部件→元器件这样自上而下的分配。它正与可靠性预测相反。一般地说，可靠预测是可靠性分配的基础，它先于可靠性分配。但由于某种原因，在分配过程中也会有预测→分配→再预测→再分配的循环过程。

下面仅以串联系统的可靠性分配为例，说明可靠性一般步骤：

(1)用F=1－R公式求出各部件预测的不可靠度。

(2)把系统允许的不可靠度与各部件预测的不可靠度的和作比较。

(3)将第(2)项所得的比例因子与各部件预测的不可靠度相乘，求出各部件允许的不可靠度。

(4)用R=1－F公式，求出对各部件所需求的可靠度。

例：有一个由A，B，C，D四个分系统组成的系统(图3－10)要求其可靠为0．9，现把这个指标分配给这四个系统，看是否满足要求。

图3－10 由四个分系统组成的系统

解：此系统的可靠度为0．9，则不可靠度为：

F=1－0．9=0．1

1)先求出各分系统的不可靠度：

A=1－0．960=0．040

B=1－0。920=0．080

C=1－0．980=0．020

D=1－0．940=0．060

各个分系统不可靠度之和为：

0．040+0．080+0．020+0．060=0．20

(2)将各分系统预测的总不可靠度与系统允许的不可靠度进行比较，结果为0．10／0．20=0．5。

(3)把所得的比例因子(0．5)与各分系统预测的不可靠度相乘，得出各分系统允许的不可靠度，即：

A→0．04×0．5=0．02

B→0．08×0．5=0．04

C→0．02×0．5=0．01

D→0．06×0．5=0．03

(4)应用R=1－F公式，求出各分系统所要求的可靠度指标，即：

A→1－0．02=0．98

B→1－0．04=0．96

C→1－0．01=0．99

D→1－0．03=0．97

再用串联可靠性预测公式得系统可靠度：

0．98×0．96×0．99×0．97=0．9035

满足例意可靠度为0．90的要求，至于多余量0．0035一般不再分配。

(三)提高可靠性的具体措施

提高可靠性设计的措施很多，这里只介绍对任何设计都具有普遍意义的措施。

1．耐环境设计

在耐环境设计中，首先要估计或确定设备的工作环境，然后看在该环境下设备和元器件、零部件能不能满足可靠性要求，如果不能，就要在设计上采取防护措施。耐环境设计包括耐振设计、防热设计、防腐蚀和防潮设计、防辐射设计、防霉菌设计以及防盐雾设计。

2．维修性设计

维修性设计是考虑便于维修保养所采取的设计措施和方法。它考虑的方面有可达性、装配方法、部件的组件化与小型化、测试点和检测设备方便等。可达性是指在维修时容易看到维修的目标点，并能将手或工具伸进去操作的性质。从装配方法看，要考虑把故障率高的零部件放在装拆时间短的位置。复杂设备在设计中需合理配置测试点。

3．人－机系统设计

人和机器之间有着极为密切的相互配合、相互制约和相互作用的关系。在设计中合理考虑人的因素，对提高系统的可靠性起着重要的作用。如一个由单人单机组成的系统其可靠度为：

R_S=R_HR_M

式中R_H为人的可靠度；R_M为机器的可靠度。为了提高系统的可靠性，设计中需要从空间方面、动力学方面、信息方面去考虑人的因素，对提高系统的可靠性起着重要的作用。

现在，我们把可靠性设计所涉及到的各个方面编制成表3－2。

可靠性设计要求、因素表