可靠性預計標準簡介

Reliability Basics

可靠性預計標準簡介

可靠性預計標準是基於全球公認的軍用或商業標準發佈的故障率估計值，來預計系統和部件（大多數爲電子產品）可靠性的一種方法。在研發的早期階段，真實的故障數據還無法獲得，或製造商被用戶所迫使用公認的標準來做可靠性預計的時候，可靠性預計標準尤爲重要。本文介紹了可靠性預計標準一覽，以及如何藉助於 Lambda Predict 軟件來進行預計。

假設和適用性

Reliability HotWire 第50期中介紹了可靠性預計的標準，並討論了這一方法的適用性和用到的假設。第51期中介紹了一般預計標準和分析方法一覽。推薦讀者去回顧這些文章，來爲本文打好基礎。

預計標準

常用的預計標準有：MIL-HDBK-217, Bellcore/Telcordia (SR-332), NSWC-98/LE1 (針對機械部件),中國299B (GJB/z-299B) 以及RDF 2000 (IEC 62380)。

分析方法:

典型分析方法爲：

• 部件計數分析方法。
• 部件應力分析方法。
• 除了這些所有標準中都很常見的方法之外，Bellcore還使用了另外的三種方法(方法I, 方法II, 方法III)。

第51期介紹了上述分析方法。

計算和度量

標準一般根據系統中部件基本故障率來估計系統的可靠性。基本故障率描述了部件在“正常”（由標準確定）條件下工作的情況。基本故障率則可乘上各種因素（稱作pi因素，取值在0和1之間），這些因素描述了部件在使用中的特定條件/應力，在一些標準中（如MIL-217），還會有描述部件質量的因子。

可靠性預計標準計算故障率是通過相加，或累加所有部件和組件的故障率，直至系統級別。可能還要（取決於分析所使用的方法）添加與部件焊接點和其他類型結構相關的故障率，如表面裝配和印刷電路板（PCB）或混合裝置。可用下列量度來計算：

故障率, λ: 條件故障率，定義爲特定狀態條件下某一衡量間隔下，項目總量中故障的總數，除以總量所消耗的總時間。可靠性預計一般描述爲每百萬小時的故障數量，FPMH。在Bellcore中，故障率通常表示爲每十億小時的故障，FI。

MTBF: 平均故障間隔時間是在特定條件下故障之間預計的工作小時數。

不可用性: 在可靠性預計標準中，對於不可修復的系統，這一術語會與不可靠性交替使用。不可靠性定義爲1 - R(t)。其中R(t)代表可靠性。因爲標準假設故障率衡定且所有的計算都基於故障率或MTBF值，這一假設表明是使用指數分佈模型來描述可靠性函數。下列方程描述了指數分佈的模型；時間變量可用來計算特定時間值下的系統/子系統的可靠性。

R(t) = e^-λt     或      R(t) = e^-t/MTBF

Contribution: The failure rate of an item or block (collection of items) accounts for a certain percentage of the failure rate of the next higher level or hierarchy. The is the item or block's contribution. This may be (a) the percent contribution of a component's failure rate to the total failure rate of the block (collection of components) to which it is connected, (b) the percent contribution of a component or block's failure rate to the total failure rate of the top level hierarchy or system (collection of blocks or components) to which it is connected or (c) the percent contribution of a system's failure rate to the total overall project (collection of systems) failure rate.

First-Year-Multiplier
這一性能只針對Bellcore/Telcordia標準。Bellcore強調了電子產品的早期壽命(嬰兒期)淘汰率問題,由製造商使用老化,通過篩除會有早期壽命問題的脆弱部件,來減少早期淘汰的嚴重程度。Bellcore標準在故障率預計中使用了First-Year-Multiplier因子來說明早期淘汰風險。First-Year-Multiplier因子定義爲第一年運轉期間的平均故障率，表示爲穩定狀態故障率的乘積。Bellcore標準還對老化階段的使用設置了意義，且相應的減少了First-Year-Multiplier因子（即，老化階段越長，乘法因子越小。）

任務剖面

可靠性預計需要與現場使用條件一致，使用條件有時可能是隨時間變化的。任務剖面可用來分解爲多個同性質的工作階段，產品隨時間所經受的條件階段。

指定任務剖面的性能僅在RDF2000標準中可用。標準允許指定不同階段的溫度任務剖面。各個階段可有不同的溫度，會對部件的故障率產生影響。階段還可作爲下列各種由設備可檢測到的平均外界溫度變化的類型之一：

• 開關工作階段

• 永久工作階段

• 靜止（儲存）階段

上述的不同類型的階段，會以不同的方式來影響故障率計算，因爲它們會對部件施加不同的應力。

可修復和/或冗餘系統分析
典型的可靠性預計標準強調的是將裝置和設備作爲不可修復的串聯繫統，其中任何部件的故障都會引發系統故障，且系統會永久保持在故障狀態。因此，模型中不包含冗餘或維修。Lambda Predict提供額外的功能來在故障率和不可用性計算中包含系統和/或模塊級別的維修和冗餘功能。在Lambda Predict中通過簡單的輸入MTTR（平均修復時間）數據來進行可修複分析。分析人員還可指定冗餘單元數並描述所用的關係：簡單並行結構（熱備用）或冷備用（備份）結構。初級可用性可使用修復率μ = 1/MTTR和故障率λ來計算。在冗餘系統中，不可用性則可使用初級可用性、故障率和可用備份系統數來計算。也可爲冗餘系統計算相應的故障率。

分配
通常，一個設計需要滿足一個特定的可靠性目標。對於多個部件/子系統組成的系統而言，可靠性目標需要以一種方式分攤（分配）到不同的部件/子系統當中，以保證總的故障率滿足可靠性目標。

可靠性預計方法標準通常使用五種分配模型之一，來將產品設計可靠性邏輯性的分配到較低層次設計標準中，使得累積可靠性滿足需求。方法取決於不同的分配技術，因此也會得到不同的結果。五種分配方法如下：

• 平均:這種方法是最簡單的，不考慮元素間的任何差別；只是將可靠性目標平均的分配給所有的元素。

• AGREE:一種基於某個元素故障而導致系統故障的預計概率的，同時考慮每個元素的複雜性和重要程度的技術。

• 可行性: 根據數率尺度，來基於產品複雜性、技術發展水平、運行時間和環境，做出元素的評估。

• ARINC: 這一方法僅關注子系統的當前故障率，使用通過子系統當前故障率與所有子系統故障率的總和比值計算出的加權因子，來分配可靠性。

• 可修復系統分配:這一方法分配子系統的故障率，以使得系統滿足一個可修復系統的可用性目標。假設所有的子系統都可識別，且都有一個衡定的修復率，修復率是通過基於穩定狀態可用性計算每個子系統的分配故障率與修復率的比率來確定的，這樣分配到每個子系統的故障率就可以確定下來了。

降額分析
大多數設備故障是由應力促成的。當施加的應力超出了部件的固有強度之後，嚴重的退化或故障就會出現了。爲了確保可靠性，設備一定要設計成能夠承受隨時間而來的應力，而不會出現故障。另外，設計應力參數一定要確定並加以控制，一定要選擇承受應力的部件和材料。降額是部件和材料的選擇和應用，因此施加的應力就小於特定應用的比率。尤其是，相對於溫度圖像來說，降額是功效負增長。它顯示了隨着周圍工作環境溫度的增加，某部件的輸出功率會下降以確保系統運轉可靠。降額曲線提供了一種簡捷的方法來估計給定溫度下設備的最大輸出。

在 Lambda Predict 2 中，可對MIL-217、Bellcore或RDF 2000 系統應用降額標準。可用的公認的降額標準有：

• NAVSEA-TE000-AB-GTP-010:這一標準是基於海軍電子設備部件降額需求和應用手冊的。

• MIL-STD-975M:針對航天與艦艇設備的電子部件、材料和過程。

• MIL-STD-1547:該標準提供了空間任務中的航天飛行器硬件以及基本地面支持設備的設計和構造中用到的電氣、電子和機械電子部件的選擇（GSE）。

• Naval Air System Command AS-4613: 電子部件的應用和降額需求，通用標準F。

降額是在系統級別配置的。它僅影響在降額標準中考慮到的部件種類。

因爲降額標準表明了不同的降額需求，並不完全認可其實際的參數或取值，一些可靠性分析人員希望能夠將公認的標準和他們自己的降額需求相結合。 Lambda Predict 2 具備這一靈活性。

在選擇一個標準之後，每個部件將指出其當前的應力水平是否在降額標準之內。