第一部分
产品可靠性基本概念
编讲
杨志飞
1质量定义
为了某个目的而进行的单项具体工作叫“活动”。活动需要“资源”，资源包括人员、设施、设备、技术、资金和时间。将输入转化为输出的一组关联的资源和活动称“过程”。
产品：ISO9000定义为“活动或过程的结果”。产品可包括：硬件、流程性材料、软件、服务或它们的组合；产品可以是有形的(如组件或流程性材料)，也可以是无形的(如知识或概念)或是它们的组合；产品可以是预期的(如提供给客户的)或非预期的(如污染物或不愿有的后果)。(国内曾经把产品定义为：是指任何元器件、零部件、组件、设备、分系统或系统，可以指硬件、软件或者两者的结合。)
硬件，是有形的、不连续的、具有特定形状的产品，通常由制造的、建造的和装配的零件、部件或(和)组件组成。
流程性材料，是由固体、气体、液体或由它们的组合所组成，经转换形成的产品(最终产品或中间产品），通常由管道、桶、袋、罐或以卷的形式交付。
软件，是通过支持媒体表达的信息所构成的一种智力创作。
服务，是为满足顾客的需要，供方和顾客之间接触的活动以及供方内部活动产生的结果。
整机：是指产品的部分内涵，即产品中设备以上的部分。
系统：能够完成某项工作任务的设备、人员及技术的组合。一个完整的系统应包括在规定的工作环境下，使系统的工作和保障可以达到自给所需的一切设备、有关的设施、器材、软件、服务和人员。
分系统：在系统中执行一种使用功能的组成部分。如数据处理分系统、制导分系统等。
请注意：组件多数可以看作整机，有时也当作元器件，在高度集成的器件中，往往包含了整机的模块，现代的部件往往也做成组件。因此很难划清它们的界线。
实体，是可以单独描述和考虑的事物，可以是某项活动和过程、某个产品、某个组织、体系或人或他们的任何组合。
特性，是帮助识别和区分各类实体的一种属性。属性包括物理、化学、外观功能或其它可识别的性质。其描述的量叫“特性参数”。
反映实体满足规定和潜在需要能力的特性之和叫“质量”。潜在需要是用户未在合同或定单中明确提出但实质上有的需要。质量是实体的一项最重要的特性，包括：性能、适用性、可信性、安全性、环境、经济性、美学。
可信性，是描述可用性和它的影响因素包括可靠性、维修性、维修保障性的集合性术语。
2故障定义
产品终止最终完成规定功能的能力的事件称“失效”。产品不能执行规定功能的状态叫“故障”。丧失功能的准则叫故障判据。
相对于给定的规定功能，有故障的产品的一种状态叫“故障模式”。形成故障的物理、化学(可能还有生物)变化等内在原因称为“故障机理”。
产品在规定的条件下使用，由于其本身固有的弱点而引起的失效，称为“本质故障”，不按规定条件使用产品而引起的失效称为“误用故障”。产品设计应包括减少误用故障的设计过程。
产品由于制造上的缺陷等原因而发生的故障称为“早期故障”；而由于偶然因素发生的故障称为“偶然故障”，一般在事前不能测试或监控，属于“突然故障”。产品由于老化、磨损、损耗或疲劳等原因引起的故障称为“耗损故障”。通过事前的测试或监控可以预测到的故障称为“渐变故障”。使产品不能完成规定任务或可能导致人或物重大损失的故障或故障组合叫“致命性故障”。
3、可靠性概念
可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性的概率度量叫可靠度。
寿命是指产品使用的持续期。以“寿命单位”度量。
在规定的条件下和在规定的时间内，产品故障的总数与寿命单位总数之比称为“故障率”(l)。故障率l是可靠性基本参数，其倒数为平均故障间隔时间(MTBF)。
可靠性分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性用于描述产品的设计和制造的可靠性水平，使用可靠性综合考虑了产品设计、制造、安装环境、维修策略和修理等因素。从设计的角度出发，把可靠性分为基本可靠性和任务可靠性，前者考虑包括与维修和供应有关的可靠性，用平均故障间隔时间(MTBF)表示；后者仅考虑造成任务失败的故障影响，用任务可靠度(MR)和致命性故障间隔任务时间(MTBCF)表示。对多数企业主要关心产品的固有可靠性和基本可靠性。对可修产品用平均故障间隔时间表示，对不可修产品用平均失效率表示，对一次性使用产品用平均寿命表示。
4、维修性
为保持或恢复产品处于能执行规定功能的状态所进行的所有技术和管理，包括监督的活动叫“维修”。在规定的条件下，按规定的程序和手段实施维修时，产品在规定的使用条件下保持或恢复能执行规定功能状态的能力叫“维修性”。维修性的概率度量称“维修度”。
根据维修工作的需要，产品被划分成的级叫“维修约定级”。在一个具体的维修约定级上的维修活动的安排叫“维修等级”。
平均修复时间（MTTR）估计值的度量方法为：在规定的条件下和规定的时间内，产品在某一规定的维修等级上，总修复性维修时间与在该级别上被修复产品的故障总数之比。
5、可用性
现代质量管理体系对可靠性的要求日益提高，发展成用户最关心的“可用性”的概念，其定义是：设备在任一随机时刻需要和开始执行任务时，处于可工作或可使用状态的程度。通常用可用度(A0)表示，它把可靠性、维修性、测试性、保障性等等产品的设计特性综合成为用户所关心的使用参数。可用性的概率度量叫“可用度”。
固有可用度AI＝TBF/(TBF+MCT)
其中：TBF为平均故障间隔时间(小时),MCT为平均修复时间(小时)。
使用可用性A0=累计工作时间/（累计工作时间+累计不能工作时间）
累计不能工作时间包括累计直接维修时间和累计维修保障延误时间MLDT。故：
A0=MTBF/（MTBF+MTTR+MLDT）
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[b]6保障性[/b]
系统设计特性和计划的保障资源能满足平时完好性和工作使用要求的能力叫“保障性”。
7可靠性的经典语言
可靠性是产品质量的内涵，是产品技术性能的时间表征。因此它是一种统计量，不能用仪表去计量产品的可靠性量值，而应通过对时间统计结果进行处理后才能获得可靠性定量值。可见，不同产品的可靠性数据有着不同的分布规律，如电子产品多数符合指数分布规律，即著名的“浴盆曲线”。
产品可靠性是全寿命周期的指标，是由设计决定的，即首先要有良好的设计，还要有良好的元器件(材料)、良好的工艺、良好的维护保养。用形象的语言来表达就是：产品可靠性是设计出来的(“优生”)，是制造出来的(“优育”)，是管理出来的(“优教”)，是维护保养出来的(“优养”)。
可靠性设计工作要遵循简单、成熟的原则。可靠性管理工作在企业内部要重点抓树“里程碑”和建立闭环控制系统等工作；在外部要抓对转承制方和供应方的监督与控制。
可靠性工作要从产品论证阶段开始做起，及早投入，及早受益。
现代产品的研制开发工作都必须正规化，必须依据有关标准。对还没有制定标准的新型产品，要由根据用户需求以合同技术条件或研制任务书的形式给承制方提出明确的产品各项指标，并作为产品出厂检验的依据。产品的各项指标中应包括可靠性和维修性指标。
8可靠性工程的发展
萌芽阶段：二次世界大战期间，德国在研制V1火箭中提出了系统可靠性的基本理论，据此V1火箭的可靠度达到75%。在朝鲜战争时期，美国60%的机载电子设备运到远东后不能使用，50%的电子设备在储存期间就失效。美国海军有16、7万台电子设备，每年需更换100万个电子元件，其中电子管的更换率比其他元件高5倍。1943年美国成立了“电子管研究委员会，专门研究电子管的可靠性问题。1949年美国无线电工程师学会成立了可靠性技术组——第一个可靠性专业学术组织诞生了。
可靠性工程创建阶段：20世纪50年代美国在朝鲜战争中发现，不可靠的电子设备影响战争的进行，而且需要大量的维修费用，每年的维修费是设备采购费用的2倍！军方和制造公司及学术界都卷入了可靠性的研究工作。1950年12月美国成立了“电子设备可靠性专门委员会”，到1952年3月便提出了有深远影响的建议：
从现场可以获得设备和元件失效率数据；可靠的元件是可靠设备的基础；应对设备和元件建立定量的可靠性要求；在批准产品批生产前应进行可靠性试验和评估；建立永久性可靠性委员会。
1952年8月美国国防部接受上述建议，成立了“电子设备可靠性顾问委员会”。1957年6月，该委员会分布了“军用电子设备的可靠性”报告，明确了产品的可靠性是可以建立、分配和验证的，成为可靠性工程的构架。报告研究了最低可接受的可靠性水平、可靠性模型、可靠性分配、效益费用比、可靠性验证几储存运输可靠性等问题。提出要制定可靠性大纲和加强可靠性教育。
1958年美国国防部成立“导弹可靠性特设委员会”，研究可靠性管理，起草设计、研制几生产的可靠性管理大纲。次年，美国空军出版《弹道导弹及航天系统的可靠性大纲》、《航宇系统、分系统及设备的可靠性大纲要求》、《电子设备可靠性保证大纲》。期间对飞机电子分系统提出了MTBF最小为300小时的定量指标要求。
苏联在20世纪50年代后期开始了寿命和可靠性的试验工作。1958年日本科学技术联盟成立了“可靠性研究委员会”，举办可靠性训练班。
可靠性工程全面发展阶段：20世纪60年代，随着航空航天工业的迅速发展，可靠性设计和试验方法被接受和应用于航空电子系统中，可靠性工程得到迅速发展。主要表现在：
改善可靠性管理，建立了可靠性研究中心，美国于1965年颁发了《系统与设备的可靠性大纲要求》，可靠性工程活动与传统的设计、研制和生产相结合，获得了较好的效益。罗姆航空发展中心组建了可靠性分析中心，从事与电子设备有关的电子与机电、机械件及电子系统的可靠性研究，包括可靠性预计、可靠性分配、可靠性试验、可靠性物理、可靠性数据采集、分析等。
制定可靠性试验标准，发展可靠性试验方法。主要研究设计了统计试验方案及抽样方案，颁发了《失效率抽样方案和程序》、《可靠性试验，指数分布》（1967年修改为《可靠性设计鉴定试验及产品验收试验（指数分布）》）、《寿命和可靠性试验抽样程序和表格》等。
发展可靠性预计技术，颁发可靠性预计手册标准。在收集了大量现场和试验的失效数据后于1962年颁发了《电子设备可靠性预计手册》，次年修改后作为飞机、导弹、卫星及电子设备研制各阶段可靠性定量预计的标准。
建立了有效的数据系统。数据采集系统、可靠性数据中心、安全中心、相继在美国军队和科研机构建立，并且于1966年形成了全国数据交换网络。
重视维修性研究。20世纪50年代中美国每年用于武器系统维修的费用90亿美圆，占国防预算的1/4。罗姆航空发展中心在50年代末开始了3年的维修性研究计划，研究影响维修的因素、发展维修性验证和预计技术。1966年颁发了《维修性大纲要求》、《维修性鉴定、验证及评估》、《维修性预计》等标准。
各国相继开展全面的可靠性工程研究。20世纪60年代初，苏联从技术上、组织上采取措施促进了可靠性工程的发展，1962年出版了较完善的教科书《可靠性及质量控制的统计方法》，建立了由总工程师领导的可靠性组织机构和有关的试验室，研究成果K-S统计检验法和马尔可夫过程为国际公认，采用余度技术、降额技术、提高原材料和专门电路等措施保证产品的可靠性，弥补了电子元器件的不足。他们大量引用了美国的可靠性军用标准。
法国的可靠性工程强调了集中管理，重视元器件的可靠性研究，成立了“电讯委员会”，以协调各部门对电子元器件的可靠性要求。建立中心验收试验系统，在电讯委员会监督下由制造商对批生产产品进行可靠性验收试验，以节省经费。1962年在国立电讯研究中心建立了可靠性中心，负责收集、综合、出版可靠性资料，收集、分析、处理及分配可靠性数据，研究可靠性试验方法。
日本从美国引进可靠性工程，把美国军事领域的可靠性研究成果应用到本国民用工业中，主要在企业中开展可靠性活动，重视对员工的可靠性培训，注意整机厂、元器件厂、销售部门及维修部门之间的合作，在20世纪60年代中成立了“日本电子元件可靠性中心，负责元器件可靠性数据的收集、分析，并且与国际交换。
可靠性工程深入发展阶段：20世纪70年代中，美国国防武器系统的寿命周期费用问题突出，人们更深切地认识到可靠性工程是减少寿命费用的重要工具，进一步得到发展，日趋成熟。阶段特点是：
1建立统一的可靠性管理机构。
2成立全国统一的可靠性数据交换网。
3改善可靠性设计和试验方法。更严格、更符合实际、更有效的设计和试验方法被采用。发展了失效物理研究和分析技术，如FMEA发展为FMECA。更加严格的降额设计。
计算机辅助可靠性设计。罗姆航空发展中心开发了电子设备可靠性预计软件包。精确的热分析技术也应用了计算机。
研究非电子设备的可靠性设计及试验技术。
采用综合环境应力试验（温度、振动、湿度综合）。
加强环境应力筛选试验。
进行可靠性增长试验。
开展了软件可靠性研究。
我国可靠性工程发展情况：引进早，引用较扎实，有活力。20世纪60年代初电子部成立了“中国电子产品可靠性与环境试验研究所”，进行了可靠性评估的开拓性工作。1965年在钱学森科学家的建议下7机部成立了可靠性质量管理研究所。航天产品采用严格筛选的“七专”元器件。20世纪70年代中因中日海缆需要，电子部开展了高可靠元器件验证试验，发展为加速寿命试验技术。自20世纪70年代后期始，不少大学举办了可靠性学习班培训在职人员，以后开设可靠性课程，招收本科生和研究生。自1984年起，组织制定、引进、颁发了可靠性和无限小标准，形成了比较完整的体系。军工企业开展了可靠性补课工作，进行产品可靠性增长工作，军方开展了可靠性评估和分析工作，电子部5所建立了可靠性数据中心。
可靠性工程展望：改革开放、建立现代企业制度，使国家与国家的竞争延伸为企业与企业的竞争，可靠性工程也相应快速发展，主要表现是：
观念改变。企业领导的观念由过去的“要我重视可靠性工程”变为现在的“我要十分重视可靠性工程”。可靠性工程被社会广泛接受，大学把可靠性理论和技术列为许多专业的专业基础课程。可靠性知识将成为人们的基本常识。许多产品明确了可靠性定量指标和重要的广告词。
可靠性工程从军工企业发展到民用电子信息产业、交通、服务、能源等行业，从专业变成“普业”。在质量管理体系的ISO认证过程中可靠性管理被作为审查的重要内容。有关可靠性的专业技术标准被重新梳理，纳入到质量管理体系文件之中，成为“说到的必须做到”的管理条文。
在可靠性技术方面，发展十分迅速，从指标试验评价发展到从指标论证、设计、原材料选择到工艺控制及售后服务的全过程的综合管理和评价，许多整机产品打出“零失效”的王牌，元器件产品则打出“6西格玛”的招牌，不仅工序能力要达到6，设计和服务也提出了6。可靠性从单项技术走向了综合技术，不断地与各行业及各种专业嫁接，必将成为21世纪电子信息产业和高新技术产业的核心工具。
我国载人航天工程自1992年起，至2003年10月“神舟”5号载人飞船圆满完成任务止，共投资190亿元。飞船的运载能力是3人、300千克、7天。可靠性为0.97，安全性为0.997。设计有自主故障判断、自主功能重组能力，在空间即使被撞击破裂，舱内压力仍可保持15分钟，确保航天员更换航天服的时间。参加研制的院所共110个，有3000多个单位参加了产品制造。总共生产了：一个试样、4个正样和5枚运载火箭。“神舟”5号飞船直径2.5米，其上共有600多台仪器、10万个元器件、8万个接点，软件共有70万条程序，其中20%用于正常运行使用，其余都是为出现故障时处置使用的。在发射上升段设计了8种故障模式，运行回收段设计了108种故障模式的处置方案。
9、可靠性工作内容
可靠性设计；可靠性管理；
可靠性试验；工艺可靠性。