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浅谈产品设计中的可靠性(Reliability)

 学习新知识tzh 2023-09-30 发布于广东

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其实大家在产品设计的过程中,已经或多或少的在使用可靠性,只是你没有觉察到。我举几个例子你就明白了

  • 比如轴承的寿命,我们计算的轴承基本额定寿命L10,就是轴承在90%可靠性下面的寿命。
  • 再比如我们计算齿轮用的齿面和齿根的许用疲劳极限应力,σHlim和σFlim,是在失效率1%,也即可靠性99%情况下定义的。
  • 还有我们计算疲劳常用的S-N曲线,是基于50%存活率绘制的。其他可靠性下的曲线需要进行修正。

1. 什么是产品的可靠性

产品的可靠性,一般定义为:产品在规定的条件中,在规定的时间内无故障地执行其预期功能的概率。

这里我们给出了几个限定词,规定的条件、规定的时间和预期功能。规定条件主要指产品的工作环境条件,如压力、温度、湿度、 腐蚀、辐射、冲击、振动、噪声等,同时也包括使用条件、维护条件和操作人员的技术水平等。规定时间是指产品只能在一定的时间范围内达到可靠性指标,产品的可靠性不可能永远不降低,因此产品对使用时间的规定一定要明确。规定功能指的是产品规格书中给出的正常工作的功能指标。

前两个比较好理解,而预期功能我们可以把它看得广一点,从其反面把它理解成一种失效准则,也就是说出现什么情况就算失效。这个对于设计者和使用者来说可能意味着不同的东西。比如一个齿轮箱,我们可以定义轴承出现损坏即失效,也可以定义漏油为失效,也可以定义齿轮箱噪音大为失效。不同的选择得出的产品可靠性数值也会不一样。所以大家在谈论可靠性时,一定要指定这个失效准则(预期功能),而不能笼统的谈可靠性。

2. 产品质量好=可靠性高?

很多同学给别人介绍自己的产品时总喜欢说产品的质量很好,那是不是能说明其可靠性也比较好?这里就牵涉到质量和可靠性的一个关系。

质量的定义为:产品满足其要求的能力,通常体现在制造过程中,代表了零部件供应商和工厂可持续生产出相同产品的能力。需要注意的是这个质量强调的是产品使用开始时,而不像可靠性是有时间的跨度(即在各种条件下随着时间的推移仍保持其原始质量水平)。好的质量不能保证产品有好的可靠性,但是差的质量肯定无法获得好的可靠性。

3. 可靠性是设计出来的还是测试出来的?

前面我们提到可靠性是一种概率,也即要基于统计分析。因此可靠性离不开测试,这个测试可以是有针对性的产品验证,也可以是客户端失效数据的收集。测试-分析-改进三部曲是以往提高产品可靠性常用的方法。

钱学森曾经说过:产品的可靠性是设计出来的、生产出来的和管理出来的。这里却没提到是测试出来的。这是因为测试只是一种验证手段,起到的是事后的、辅助的作用,不能从根源上对可靠性进行改善。特别是随着产品结构日趋复杂、使用环境条件日趋多样化和严酷化、精度和自动化程度越来越高,单纯依靠测试揭露问题已经满足不了需求了。试问:拥有760万个元件的阿波罗飞船如何仅靠测试验证可靠性?

近几年,DfR (Design for Reliability) 逐渐盛行起来。大家越来越意识到可靠性设计的重要性。通过对产品进行失效机理分析,对设计、原材料、工艺及技术管理等采取可靠性设计和控制,才能提高产品可靠性水平。

针对可靠性,你有什么想说的,不妨大家一起来讨论下。

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