可靠性增长技术的现状及发展.doc

中国航空工业总企业可靠性和环境试验管理中心(北京100083)

摘要 可靠性增加技术是伴随可靠性增加定量化(增加模型)研究及其在工程中应用而发展起来。本文经过大量中国外资料, 在分析了中国外增加模型研究基础止, 举例综述了中国外可靠性增加技术在工程中应用现实状况和发展, 以及现在结合中国国情开展可靠性增加工程活动。
关键词 可靠性增加 历史 现实状况 发展
一、 可靠性增加和增加试验
产品固有可靠性是设计出来, 制造出来.因为产品复杂性不停提升及新技术不停应用, 产品更新换代加速.设计一个产品, 需要有一个不停深化认识、 逐步改善和完善过程。初始产品(或称为样机)在试验或运行中故障较多, 存在很多设计和工艺方面缺点。经过有计划地改善设计和工艺, 根除故障产生原因, 提升产品可靠性水平, 逐步达成预期目标。这种有计划根据“试验一分析一改善”(Test, Analysis and Fix, 缩写为TAAF)程序, 使产品可靠性取得提升过程, 称之为可靠性增加。可靠性增加可分两种情况:在研制过程中增加关键是经过改善设计来达成;在生产过程中关键是经过对产品筛选或老炼过程排除产品中不良元器件、 部件和工艺缺点而得到增加。当然, 使用中又会深入发觉设计和制造工艺不足之处, 同时还会不停地收到使用中故障信息反馈, 经过改善产品使可靠性深入提升。实现可靠性增加关键在于发觉故障, 分析原因, 并采取纠正方法。为了发觉故障, 就要对产品进行试验或运行, 所以实现可靠性增加离不开可靠性增加试验。
可靠性增加试验是在产品研制过程中有计划地实施试验、 分析及处理问题一个过程.在这个过程中, 产品处于实际环境、 模拟环境或加速改变环境下经受试验, 以暴露设计中缺点。所以, 可靠性增加试验是在试验中激发产品故障、 进行分析后采取有效纠正方法、 使产品固有可靠性得到不停提升一个试验。因为可靠性增加试验是经过TAAF过程来提升产品可靠性, 所以它包含了对产品性能监测、 故障分析及其对降低故障再现设计改善方法检验。另外, 可靠性增加试验本身只能暴露问题, 不能提升产品固有可靠性, 只有采取纠正方法, 预防故障再现才能达成可靠性增加目。可见, 可靠性增加试验有两个作用:一是经过试验发觉故障;二是判定或验证所采取纠正方法有效性.
可靠性增加试验是可靠性工程一个组成部分。从可靠性增加工程原理能够看出, 可靠性增加试验离不开其它可靠性工作, 而其它工作结果又将表现于或被利用于可靠性增加试验之中, 这么才能将这些工作转化为工程上现实效益。能够说, 可靠性增加试验是联结、 带动各项可靠性工作一条根本。它能够作为一个手段来全方面审查全部可靠性活动, 所以它是可靠性工程中最关键项目之一。
应该指出, 要注意区分可靠性增加试验和可靠性增加, 可靠性增加试验是在产品研制阶段进行, 但产品可靠性增加贯穿了产品设计、 制造、 使用和维修全过程, 即在研制阶段结束后, 仍然存在可靠性增加要求。经过使用和维修中发觉问题, 不停改善产品, 提升产品可靠性。当然, 在可靠性增加及试验概念提出来之前, 就已经有些人自觉或不自觉地根据TAAF过程来提升产品可靠性, 尽管那时还没有出现“可靠性增加”一词.然而, 这种做法能够说只停留在定性水平上, 还没有达成定量要求.应该说, 定量化研究是从可靠性增加数学模型研究开始。
总而言之, 可靠性增加是产品可靠性水平不停提升一个现象或状态。产生这种现象根源是可靠性增加试验等一系列活动。这种活动造成可靠性增加现象是有规律可循, 即能够用可靠性增加模型这种数学形式来描述。有了增加模型, 研制活动计划者和管理者就能够利用较为正确定量方法来计算和评定研制对象可靠性状态, 而且在一定范围内估计末来可靠性状态, 方便就拥有各项资源作出系统安排.

二、 国外可靠性增加技术现实状况和发展
实现可靠性增加离不开可靠性增加试验, 增加试验能够激发产品故障, 对故障信息又要靠可靠性增加模型这种数学形式来描述, 所以可靠性增加定量化研究是伴随可靠性增加模型提出及其在增加试验中应用而发展起来。五十年代末期, 国外就提出了可靠增加思想, 但在可靠性增加定量化研究中, 含有突破性贡献是美国通用电器企业发动机与电机部门一位工程师杜安(J. T. Duane)先生。
1962年, D。先生发表了一篇汇报, 分析了五种设备(两种航空发电机, 一个喷气发动机, 两种液压装置)近600万小时失效数据, 发觉了这些设备累积工作时间在双对数座标纸上展现很好线性关系。
Duane模型出现, 不仅使大家看到了可靠性增加定量化可行性, 也使大家看到了可靠性增加定量化意义。因为有了增加模型, 研制计划管理者就能用它来估量现时刻研制对象可靠性水平, 而且在一定条件下估计达成目标值所需要时间和其它资源需求量, 方便就拥有时间、 人员、 资金做出系统安排和调整。Duane模型已被以后很多其它试验数据所证实.现在, Duane模型已成为一个含有广泛应用价值可靠性增加模型.
Duane模型提出同年, Lloyd & Lipow(D. K. Lloyd & M. Lipow)提出T她们Lloyd$. Lipow模型。以后可靠性增加间题引发了国外可靠性工程界广泛注意, 并发表了数百篇论文、 汇报。美国对可靠性增加间题更为重视, 曾在1972年、 1979年、 1978年、 1988年四次召开可靠性增加学术会议, 并发表了会议录(见表1)。同时, 各式各样可靠性增加模型一个接一个地被提出来了.到现在为止, 已经有几十个增加模型被应用于可靠性工程之中.如美军标MIL-IDBK-189, 根据离散型增加模型和连续型增加模型分类方法, 总共给出了17个增加模型(其中离散型8个, 连续型9个)。参考文件〔5〕例举软件增加模型就有91个。分析这些模型, 其中大部分是根据类似Duane研究思绪结构出来, 即分析具体产品增加试验数据, 然后从中益结出规律, 提出增加模型。另外, 还有一部分是从其它学科领域实践中总结出增加规律, 提出增加模型, 然后“引进”到工程可靠性增加领域.如生物学中描述细胞繁殖增加规律甘培茨(Gompertz)模型。再如, 多年来研究较多非参数增加模型(增加模型也能够分为参数和非参数增加模型)则又是借鉴了经济学领域中分析经济增加趋势方法而得来.另外, 还有模型, 用“大胆假设”方法来主观地假设增加过程, 然后在此基础上推导出增加数学模型, 当然, 这需要以后有更多适宜试验数据来支持这些假设。
在诸模型中, 其中最成熟、 应用最广泛是Duane模型, 从1962年开始, 该模型不仅被应用于硬件, 还被应用于软件。三十年工程考验表明, 它有广泛适用性.1978年, 该模型首先被美军标MIL-ST。一1655(EC)所采纳.以后, 分别于1989年和1987年被美国军用手册MIL-HDBK-338和MIL-HDBK-781所引用。1989年, 国际电工委员会(IEC )TC-56 (CO) 150文件也采纳了Duane模型, 当然, Duane模型也有部分缺点, 其中最关键就是没有考虑数据散布特征, 从而不易给出目前MTBF区间估量。
表1 美国可靠性增加学术会议概况

[1] AMSAA是Amry Materiel System Analysis Activity缩写。
[2] IES是Instituted Enviroomentat Sdmoes缩写。
另一个被广泛应用是AMSAA模型。为了克服Duane模型缺点, 曾在美军装备系统分析中心(Amry Materiel SystemAnalysis Activity)工作Crow. L. H在Duane模型基础上于七十年代提出了一个新模型, 称之为AMSAA模型或Crow模型。人USA人模型与Duane模型故障数均值公式完全相同, 但AMSAA模型则深入给出了Duane模型概率解释。Crow发展了单台系统可靠性增加严格统计方法, 包含参数及系统MTBF总估量、 系统MTBF、 形状参数置信区间及模型拟合优度检验方法.该模型也前后被美国军用手册MIL-HDBK-189, MIL-HDBK-338和MIL-HDBK-781所采取, 接着又被IECTC -56(C0)150号文件所引用。
另外, 伴随软件应用快速发展, 国外已经有了数十种软件可靠性增加模型, 但其中有很多是未经工程验证或者是适用面很小模型, 而且至今还未推出被公认通用模型。
为了验证增加模型适应性方便愈加好应用, 1975年美国休斯飞机企业(HughesAircraft Company)依据罗姆航空发展中心(Rome Air Development Center, 简称RADC)协议, 对多种地面机载系统(或设备)在“内场”和“外场”基础环境下进行了六种模型(Duane模型、 IBM模型、 指数一单项幕级数模型,Lloyd - Li pow模型、 Aroef模型和简单指数模型)适用性研究工作。这六种模型, 每一个都与数据组(地面设备有186个数据组, 机载设备有84个数据组)进行拟合。这些数据大多数都是从休斯企业制造系统中取得, 对于地面计算机和显示器, 也从海军舰船系统工程站得到部分外来数据。依据资料[11]提供数据, 从根据地面/机载系统“内场”和“外场”分类进行拟合优度分析结果来看, 没有一个模型在任何场所都优于其它模型, 即不存在绝对优良模型.从机载设备对各类模型拟合优度分析来看, 不一样机载系统有比很好拟合模型。尽管Duane模型对几乎全部都拟合, 但也极少有拟合“最好”情况。由此可见, 不一样类型或不一样规模设备(系统)在研制中遵照着不一样可靠性增加规律。也正是这个原因, 可靠性增加模型至今仍在发展.
总而言之, 分析国外可靠性增加发展历史, 几十年来关键是围绕增加模型展开。当然, 最近十几年已经开始转向了针对具体问题选择最好模型研究。比如上述休斯企业。这种针对具体问题选择最洼模型研究, 已经逐步转为以后可靠性增加技术研究主流。因为, 对广大可靠性工程师来说, 现在面临急需处理问题不是缺乏增加模型, 而是缺乏针对具体问题选择最好模型基础判别准则。换句话说, 也就是众多增加模型应用问题.相关应用经验, 能够参考文件[11]中所介绍美国空军机载设备可靠性增加及增加试验应用经验, 本文不再详述。
三、 中国可靠性增加技术发展和现实状况
中国可靠性增加技术研究是伴随中国科学技术和工业发展、 国外可靠性增加理论和方法引入, 并结合中国实际情况开展可靠性工程活动而发展起来.
在可靠性增加理论研究上, 中国最著名科学家钱学森同志于1975年、 1977年和1981年前后三次提出中国要搞“变动统计学”和“小样本变动统计学”研究.这就是中国最早提出可靠性增加技术理论基础.随即就有些人从国外引进了Duane、 AMSAA和Gompertz等模型, 并作了很多工程验证工作.华东师大周延昆教授就是较早开始研究可靠性增加理论学者之一。她不仅对Duane模型,AMSAA模型统计分析进行了研究, 而且把两个模型应用在沪产电视机可靠性增加试验上.1985年她又发表了“EDRIC模型分析系统设计中可靠性增加”应用汇报.北京强度与环境研究所周源泉和翁朝曦高级工程师是中国较早开展可靠性增加理论和应用研究另二位教授。她们最大贡献就是在AMSAA模型基础上提出了更有普遍意义AMSAA - BISE模型.该模型处理了Crow先生十几年来想处理而没有处理多台同时可靠性增加模型及数据处理问题, 包含趋势检验、 模型拟合优度检验、 模型参数及系统MTBF点估量和区间估量、 分组数据及丢失数据统计推断, 以及第r次未来失效估计区间等问题。另外, 还有陈世基、 关绍敏、 叶尔弊等很多学者和教授对可靠性增加二、 三项分布模型参数Bayes估量进行了研究。
从过去十几年来看, 中国可靠性增加技术研究关键集中在学习消化国外已提出增加模型, 并提出新增加模型和研究参数估量及统计判定方法等方面。从近几年情况来看, 比较多是集中在可靠性增加管理和增加试验过程中怎样应用好已提出模型。下面仅从中国航空武器装备领域来分析可靠性增加和增加试验发展和现实状况。
中国航空武器装备可靠性增加技术概念和思想也是从国外引进。可靠性增加技术真正作为标准法规提出来是GJB950-88《装备研制与生产可靠性通用纲领》(以下简称纲领).该标准是参考美军标MIL-STD-785B并结合中国国情制订.它引进了美军在武器装备采办中, 为提升装备性能、 降低全寿命期费用而采取优异管理思想和优异技术内容。《纲领》是中国武器装备开展可靠性工作基础法规, 也是订购方在武器采办任务中提出可靠性要求和承制方为达成所需要求而制订具体产品可靠性确保纲领基础依据.在《纲领》中, 首先确定了可靠性增加概念;其次, 把可靠性增加试验作为若干个可靠性工作项目中一个。《纲领》颁发后, 可靠性增加技术就在中国武器装备各部门广泛开展起来.随即, 航天部门颁发了QJ1589 -89《可靠性增加试验(人MSAA模型)》;航空部门颁发了HB/Z219《航空产品可靠性增加》;1992年中国又颁发-T GJB1907-92《可靠性增加试验》;现在军标中心正在起草《可靠性增加管理手册》。
伴随《纲领》颁发, 又深入推进了中国武器装备可靠性增加技术理论研究和应用研究。就航空航天部门而言, 最近几年, 在机载设备可靠性增加技术方面已经发表了很多学术论文。如北京航空航天大学许海宝教授于1992年针对机载设备外场数据性质进行分析后, 提出该种数据是变动母体混合数据, 它不一样于通常见于可靠性估量不变母体数据。外场数据中含有可靠性增加信息, 能够利用外场数据来分析和评定机载设备可靠性增加.同时依据最小二乘法原理, 提出了增加数学模型。同年, 她还针对Duane模型应用, 提出怎样正确确定总试验时间及影响总试验时间诸参数(包含增加试验目标值、 增加率、 计划曲线初始值)。再如, 北京航空航天大学姜同敏副教授为了处理可靠性增加试验时间太长问题, 针对中国现在新研产品初始可靠件火平拉低、 研制经费较少情况, 提出可靠性增加试验总试验时间计算方法。还有, 北京航空航天大学陆延孝副教授, 针对复杂大系统提出采取内厂系统试验和外场试飞相结合方法, 处理复杂大系统可靠性增加问题。
可靠性增加试验在中国刚刚起步.为了提升研制阶段机载设备可靠性水平, 探索机载设备增加试验路子, 原航空航天部很多厂、 所针对现在新研、 在研型号机载设备, 进行了可靠性增加试验。比如, 原航空航天部三院三十五所对在研型号高度表进行了可靠性增加试验, 并利用Duane和AMSAA模型进行数据处理和分析。其结果表明, 试验结束时, 目前MTBF达成了估计值二倍。其结论为“增加试验确实提升了高度表可靠性”.高度表增加试验用了二台产品, 参与试验人22人, 历时5个月, 总耗资40多万元.表面看起来, 确实增加了研制费用, 但实际上可靠性增加试验是以小代价换取了大效益;以充足地面试验, 使高度表高可靠性确保了武器系统可靠性。对可靠性增加试验费用效益, 她们进行了对比, 其结果是, 增加试验所花费40多万元, 仅仅是过去没有进行增加试验而由高度表故障造成导弹靶试失败所造成损失费用(360万元)九分之一。
对于新研机种关健复杂大系统, 又是非电子系统可靠性增加试验研究和探索, 原航空航天部六O三所进行了这方面尝试.大量统计资料表明, 飞机起落架收放系统故障通常都占飞机总故障率20%一3000, 甚至更高部分。针对这类系统(包含其它液压系统), 六O三所采取内厂可靠性增加试验与外场数据相结合措施进行可靠性增加。在内厂, 她们采取现有全尺寸实体模拟试验台架进行可靠性增加试验.全模台架是为新机进行性能试验准备, 系统全部成品、 附件与飞机上牌号相同, 且确保相对位置与飞机相同, 基础上能模拟系统所需使用:条件, 同时配置了整套较完整试验辅助设备和测试设备.当然因为内厂试验施加环瞬境条件受到限制, 单一内厂试验不管怎样也处理不了一些只有在真实环境下才能够暴露问题, 所以必需与外场真实条件试验相结合, 才能确保系统可靠性得到有效增加。这内厂与外场相辅相成作用能够充足暴露设计缺点, 使大型复杂非电子系统可靠性增加有了一定技术确保, 并为这类系统可靠性增加探索了处理措施。当然, 这种措施效果还有待于深入验证.
经过实践证实, 新机研制阶段, 机载设备进行可靠性试验, 在试验仅为8～10个循环、 试验时间约100小时这段时间内故障率较高, 能暴露很多设计上缺点.比如XX机综合告普系统及XX机雷达在进行可靠性判定试验中, 仅仅在试验多个循环后就出现了故障, 且故障率较高, 使得试验无法继续进行, 只好停止试验.以后承制厂进行了可靠性增加试验, 对发生故障进行故障分析, 并采取了避免故障再现改善方法.在第二次试验中几乎没有出现故障, 顺利地经过判定试验, 并完全达成了所要求可靠性指标。另外, 对中国“七五”期间十项电子设备可靠性判定试验故障情况分析(见表2), 能够看出前10个循环故障约占总故障数500%。
针对这种规律, 能够在设备环境试验和环境应力筛选试验以后进行8-10个循环约100小时可靠性增加摸底试验, 以消除大部分设计缺点.这项工作尝试已经在今年某新研机种火控系统和电源系统开始实施。可靠性增加摸底试验, 首先降低了试验时间, 缩短了研制周期;其次能够大大降低试验费用, 很适合中国国情(当然, 对关键设备还应该进行正式可靠性增加试验).
可靠性增加摸底试验基础方法与可靠性增加试验相同, 也是经过试验一分析一改善来达成产品可靠性增加, 也是尽可能模拟现场实际使用情况施加综合环境应力。所不一样是试验时间短, 不需要确定增加模型, 以及进行增加跟踪和增加模型检验。
总而言之, 因为中国可靠性增加技术开展较晚, 可靠性增加试验刚刚起步, 现在还存在很多管理和技术上问题需要深入理顺和处理。比如, 实施可靠性增加试验经费问题耗资太大, 增加试验与其它试验是否能够综合实施问题;应使用什么增加模型, 制订计划时应采取什么起始点和增加率;到底需要多少试验时间适宜等一系列问题都需要慢慢探索并结合中国国情来处理。
参考文件
[1] Duane J. T, Learning Curve Approach to Reliability Monitoring, IEEE Trans. on Aerospace, 2, pp563-566,1964.
[21 Lloyd D. K and lipow M, Reliabiity Management, Methods and Mathematics, Englewood Cliffs, NJ; Prenticc-Hall.1962.
[3] 周源泉、 翁朝曦, 可靠性增加, 科学出版社, 1992.
[4〕MIL-HDBK-189, Reliability Growth Management,February, 1981.
[5〕Yamada and 0saki, Reliability Growth Models for Hardware and Software Systems Based on NHPP; a Survey, Microelectronics and Reliability, 23, PP91一112,
[6〕MM-STD-1635 (EC), Reliability Growth Testing, 1978.
[7] MIL-HDBK-338, Reliability Design Handbook for electronic Equipmcnt .1984.
[8] MIL-HDBK-781 .Reliability Test Methods, Plan and Environments for Engineering Development,Qualification and Production 1987.
[9] IEC TC-56 (CO) 150, Reliability Growth MedoLs and Estimation Methods, 1989.
[10] Crow L. H,Reliability Analysis far Complex Repairable Systems, US Army Mcteriel Systems Analysis Activity, Technical Report 138,1975.
[11] 航空航天工业部第301所, 可靠性增加试验与环境应力筛选, 1990. 12.