可靠性设计

11.1.1 可靠性设计的一般概念

一般说，产品的功能和特性是在设计阶段决定下来的。对可靠性也是一样，把设计时确定的目标值、预测值或用可靠性试验确认的特征量称为固有可靠度。产品设计后，经过制造、运输、储存、维修、使用等阶段，由于受到各种各样条件的制约，可靠度会降低，达不到固有可靠度。

因此，产品越复杂，在设计时就越要规定高的固有可靠度，以确保产品最终到达使用者手中时能具有必要的使用可靠度。为此，在设计阶段不仅要使用传统的功能设计时所必需的技术资料，而且必须参考质量管理、维修、使用等所有领域的技术资料及管理资料等。收集、处理这些资料，并具体反映到设计中去，是上述可靠性设计活动的重要内容。

一般说，设计目标应在用户的技术要求中作明确记载。可是，除特殊用户的产品外，很少给出可靠性规格和目标值，通常是生产商在了解用户的意向和反映、竞争企业的动向、技术水平的现状和发展趋势等情况，并且考虑到本企业的意志、目的等因素后确定的。

对技术规格，希望单纯并且具体。可是，可靠性不是一种单独存在的功能，不用说，在对其记述时必须包括产品的基本性能和构造，与维修、使用的关系、条件等。

在基本搞清设计对象的内容阶段，以设计者为中心，在与协作厂等有关方面进行充分协商的基础上决定可靠性技术规格。其中最基本的工作是把设计目标定量化，即必须规定可靠性特征量。

确定目标值时应注意的问题是，要考虑目标值对有关人员所产生的心理影响，目标值必须现实、适当。如果目标值过高，则会使人感到难以实现，反而不利。相反，如果目标值过低，则不宜确保产品性能和使用要求。作为防止过高目标的有力手段之一，是价值工程。这是一种估算可靠性成本、从价格方面判断社会常识性经济价值的方法。

对大系统和构成部件较多的产品，在确定整体目标的同时，要对子系统等下层次的产品分配各自的目标，这称为可靠度分配。分配的一般方针是，对技术性能要求高的和较复杂的部分，在容许限度范围内，给定较低的可靠度；对原理简单和有丰富实践经验的部分，给定较高的目标可靠度。不用说，在设计的过程中要对分配值和整体值作必要的修正。

可靠性设计与常规设计比较主要有以下三方面的特点：

（1）可靠性设计对系统的各个部件、元器件以及零件都是按照产品的固有可靠性要求来进行全面平衡，降低产品的失效率，从而提高产品性能指标的可靠性，保证产品的质量。

（2）可靠性设计与常规设计主要不同点在于对失效可能性的认识与估计上的不同，常规设计是以安全系数来保证结构的安全，而可靠性设计是用可靠度或用其他可靠性指标来确保结构的安全性，因此，它对失效可能性的认识和估计更为合理。

（3）对安全性的认识进一步深化，可靠性设计除了引入可靠度及其他可靠性指标外，还对结构的安全系数作了统计分析，这样得出的安全系数比常规设计的安全系数更加科学，因为，它已经是与可靠度相联系的安全系数了。常规设计对结构安全度的评价只有一个指标，而可靠性设计对安全度的评价却有两个指标，即在一定可靠度下的安全系数。所以，它是人们认识深化的结果。

由于系统性能不同，系统复杂程度不同，其可靠性的设计方法及其重要性也有所不同。一般来说，产品的可靠性设计都应包括以下两个方面：

首先，确定结构或部件的可靠性指标及其大小，并采取适当的方法对可靠性指标分配给各部件或零件。一个结构或部件用什么样的可靠性指标（如可靠度、平均寿命、寿命方差等），这取决于设计要求；可靠性指标的大小将决定于它的重要性。例如一般船舶结构（零部件）所用的大都是可靠性寿命指标，如平均寿命或寿命方差等。由于它的重要性，因此达到规定寿命的可靠度往往取0.9999或0.999999这样高的数值，而民用结构或部件，则一般都取0.95或0.99的可靠度。一旦结构或部件的可靠度指标确定以后，那么，结构或部件的可靠度就应合理分配给其部件、零件或元件。

其次，部件按分配的可靠性设计，元件按分配的指标进行筛选，零件按分配的指标进行设计。常用的可靠性设计方法如表11-1所示。

表11-1 可靠性设计

11.1.2 泛可靠性设计方法及考虑

11.1.2.1 系统可靠性设计方法

常用的系统可靠性设计方法有安全余度设计和降额设计、简单化和标准化、耐环境性和环境保护、人机工程的考虑、可维修性考虑、冗余法、易制造性、设计修正等。

1）安全余度设计和降额设计

过去，安全余度设计作为产生过剩质量的首要原因，与后述的冗余设计一起是被严格禁止的，可是，从可靠性设计的立场出发，通常只要尺寸、重量、费用等的限制和工作条件许可，就要预留足够的安全系数和裕量。

为了大幅度降低电子仪器中构成零件的故障率，在设计中减轻零件的负荷，其负荷仅为额定值的几分之一，把这称为降额设计。关于电阻、电容、半导体等广泛使用的电子零件的降额设计资料，在美国发布的可靠性预测手册（MIL-HDBK-217B）中有详细数据，很有参考价值。

一般说，当机器和系统的故障较多时，设计人员往往把其原因单纯地归于零件的质量，而零部件专业生产厂则将其原因归于零件使用不当。虽然作为因果论的原因分析有局限性，但其中的大部分是由于电路设计中零件处于额定极限值状态下工作而引起的。

2）简单化和标准化

在功能要求的范围内，使机器有尽可能高的可靠性的秘诀比较简单，即尽可能使用简单功能的零件，尽可能减少零件数量和种类，采用标准零件和标准电路等。概括起来说，措施就是简单化和标准化。

标准化的产品，由于一般有丰富的批量生产经验和使用经验，因此能充分消除缺陷、缺点和薄弱点。过去，标准化作为产业界的整体问题，主要从生产率、经济性方面推进。但标准化不仅影响产品的稳定性，而且与后述的人 机工程和维修性的效果有关，所以应在这种意义上重新认识标准化对提高可靠性技术所起的作用。

然而，创造欲较强的开发设计技术人员很可能不满足简单设计和仅仅使用标准零件。但实践证明，作为解决可靠性问题的对策，简单化和标准化确实是一种较为现实的办法。

另一方面，谨慎设计者易犯的错误之一是考虑各种不常出现的最恶劣使用条件组合的情况下也要确保可靠性，即所谓极端性的极限设计。极限设计本身不是一件坏事，但考虑的是极端情况，往往使产品结构复杂化，所用的非标准零件也相应增加，实际上不能取得理想的结果，这一点是应该引起注意的。

3）耐环境性和环境保护

所谓耐环境性设计，就是估计、评价产品所处环境的种类和严酷程度及其对产品的影响，以确定产品的强度和耐久性。在可靠性设计中，这也是最基本的内容之一。以可靠性试验为主的耐久性试验、寿命试验、环境试验等各种试验，都是在给定的环境条件下进行的。对材料、零件、机器等产生的故障、退化、耗损、破坏等各种现象，已经积累了大量的观察数据，并已汇总成数量众多的设计标准和技术规定，可供参考。

强化耐环境性，自然也受经济性的制约。因此，可以考虑对产品在极端环境下采取保护措施，如在运输、搬运、储存或使用中遇到高温、高湿、振动、冲击等情况时，装备特别的调节器或缓冲器等，这比直接强化产品本身的耐环境性要经济得多。

4）人机工程设计

从操作、维修人员的角度出发，使产品易于操作和使用的设计称为人 机工程设计。必须明确，一般系统中操作、维修人员的功能是保证系统可靠性的主要因素之一。因此，设计中必须排除各种不利操作使用的因素，以保证不发生错误操作并能够迅速进行维护、修理作业。不用说，这种设计与人机工程的各项原则是一致的。

可是，目前这种设计原则很受个人实践知识所限，即使是有一定经验的设计人员，稍不留意就容易疏忽和遗留的事项也很多，那么必须预先做出设计用的检查表，作为设计人员遵循的依据，以免发生疏漏。表11-2为可维修性设计及人机工程设计用的检查表。

表11-2 人机工程设计检查表

（续表）

这种表是各种事项的罗列，明白易懂、几乎不需要什么说明，下面只是对其要点做一些补充解释。在系统的人机工程设计中，包括维修性设计在内，必须研究如下一些项目：

（1）要尽量减少对可能成为错误判断和错误操作原因的视觉、听觉以及身体其他各种感觉功能的依赖性，必须注意从根本上去除妨碍这些感觉功能发挥的因素。例如，开关、量仪及元件的安装、布置、色彩、识别、照明、接近性及一般环境等。

（2）机械设计要适合人的身体特征，即身高、腕力、其他部位的能力等。

（3）在操作和维修环境非常严酷的情况下，应考虑适当的保护措施。

（4）要考虑作业的难易程度，将作业能力和熟练程度作适当调整，但是也不要过于单调的反复动作。

一些专家也在考虑以人的可靠性（人 机系统可靠性）作为标准来评价人 机工程设计，并在核电站和飞机设计方面进行了许多应用探索，但在舰船环境条件方面的应用尚处于研究阶段。

当发生错误操作时，使机器停止工作的机构通常称为防误设计。例如，在开关机构中输入非规定的程序时电源不接通的机构；设有自锁机构的带式录音机的录音开关；照相机中防止二次摄影的机构等。

5）冗余法

所谓冗余法，是指赋予整个产品或其一部分具有冗余性的设计。这是一种确保高可靠性的有效设计方法。所谓冗余性，为完成规定功能附加多余的构成要素。即使其中一部分发生故障，也不会引起高一层次产品的故障。

冗余设计应保证：

（1）元件的故障发生应是相互独立的。

（2）能把故障元件切离后进行修理。

冗余法的优点是，采用冗余后的可靠性改善效果可用理论方法进行计算。因而，不用担心会掺杂设计者的主观因素。

可是，冗余法也不是改善可靠性的万能药方，要避免盲目地应用。为此，必须对以下几个方面做慎重的研究：

（1）在产品尺寸、重量等严格限制的场合，如果应用冗余法而将储备件勉强装入较小的容积中，则与单个产品相比，反而使可靠性下降。其理由是：①散热面积减小，从而使温度大幅度上升；②振动、冲击、温度等周围环境的影响同时作用于具有冗余的部分，失去了故障的独立性：③容易在冗余部分采用可靠性差的零件等等。

（2）必须注意对冗余部分的负荷分配不能产生差错。举一个典型的例子，在双机双桨船舶上即使有一台发动机发生故障，船舶也不会失速到最低限度，否则就失去了采用双机双桨在保障船舶安全性方面的意义。

6）易制造性

在把设计图转入制造工序的阶段，要考虑产品或它的设计图纸固有的制造工艺性。为了用较低的成本制造出高质量的产品，除制造工序应具备必要的设备和能力之外，在设计过程中必须考虑应使产品的特性与这些能力相适应。

产品的制造工艺性好，不仅使成本低、交货快，并且可达到高的可靠性。由于这种性质是取决于制造现场人员实践经验和根据制造工序中物的相对条件而定的一种定性的性质，因此设计人员应该多多听取生产施工人员的意见。例如，在设计时，对于产品尺寸的许用值，设计人员的观点往往与制造工艺人员不一致。设计人员为安全起见，强行规定一个勉强可以制造得很严格的许用值，有时虽有一定效果，但如果要求太高，明显地影响工艺流程的合理性，结果反而不好。

若产品的生产要求采用不太常用的工艺，如材料的特殊化学处理、特殊热处理、超净室内作业等，则要早做准备，必须对如何达到可靠性做事先的研究。

7）设计修正

一般说，对有关方面提出的设计进行变更并修改图纸，这样的做法往往是不受欢迎的。但从可靠性设计的观点来看，修正的效果是不容忽视的。不但后述的设计分析、设计审查十分重要，而且在制造过程、试验阶段提出的变更要求，现场反映和故障报告书等也都是避免和防止设计疏忽及错误的很有益的可靠性设计信息。因而要从设计管理上积极地确定这些信息的传递程序和实现设计修正工作的正规化。

11.1.2.2 维修性设计时的考虑

从可靠性技术发展的初期起，就有把故障的易修复性作为产品固有性质的想法。这是由于可靠性技术研究的范围包括不仅要使产品不发生故障，而且即使一旦发生故障要能很快修复。因而，产生了可维修性工程，现在进一步把可靠性工程称为可靠性、可维修性工程，即把两者作为一个整体来考虑。

可维修性问题与其他各章所述的那样，涉及的范围非常广。在维修性设计方面常常要考虑以下几个方面的问题，即可达性、安装方法、模块化和故障检测功能等。

1）可达性的考虑

所谓可达性，是指在维修作业中对产品内部进行修理操作、插入工具和试验工具以及更换零件等的难易程度。这种性质极其普通，一些细小的地方很容易被疏忽，可是在结构设计完成以后则又很难修正，而且，再也没有比可达性差的产品那样更难以处理的了。可达性大致可从以下三个方面解决：

（1）产品装备场所。

产品装备场所的空间是否影响产品的安装、拆卸作业？ 工具、试验器等是否容易插入？在这样的作业中维修员的作业位置是否合理？ 如在设计潜艇机舱时必须考虑柴油机气缸吊出空间等。

（2）产品外壳。

复杂的产品往往分割成几个单元，装在一个外壳中。这种情况下，对各单元的尺寸和外壳开口部分的关系、各单元间的连接方式、开口部分的结构（盖、门）等均应做仔细的考虑。

（3）产品内部。

由于内部的底板、辅助底板安装方法的设计不当，很可能使一些必要的零件无法更换、修理，或是更换和修理要花费很长的时间。这一类问题在一些大型机柜和控制台的设计中特别突出。

零件的布置和空间的安排，对可靠性和制造的工艺等影响很大，与维修之间的关系也必须充分兼顾口为了缩短更换故障零件所需的时间，当然是故障率越高的零件就越应有好的可达性。此外，还应选容易进行目视检查、没有高温和高压危险的安装位置。

2）安装方法的考虑

在复杂的电子仪器中，为减少零件的更换时间，把几个零件集成为一个单元或装入一个机壳中，作为一个维修单位。这种单位称为模块。最近，在大型的船用发动机中也采用模块结构，大大缩短了现场的维修时间。

3）模块设计的考虑

（1）因故障而更换下来的模块是废弃还是送工厂修理，必须预先确定，并作好相应准备。

（2）若知道零件故障率、零件单价、组装费、维修费（保管费、更换作业费）等，在尺寸、重量的限制范围内，可以把模块的大小设计成使总费用最低。

（3）为了使制造容易，经常将许多模块在尺寸、结构、外观方面设计成相同的。这时为防止不同的模块互相插错，要在接插机构上采取措施。

（4）在设计上必须保证同一模块的互换性。此外，为了在取出、插入模块时不损伤接插端子和其他零件，在设计上必须做仔细的考虑。

（5）对由许多模块组成的产品，必须具备故障检测功能或校正试验插件等。

4）故障检测功能的考虑

在复杂产品和系统中，除提高高故障部位的可达性外，为了缩短发现故障所需的时间，还必须具备故障检测功能。这种功能有以下几种：

（1）故障显示、警报装置，校正试验插件。这些不是独立的装置，而是装在产品的内部。它们适用于能直接检测故障部位的产品。

（2）故障检测电路。对于故障部位无法直接检测的产品，必须设计检测电路。这种电路也称为故障诊断电路。在复杂电路、电子计算机等中，已开发应用了各种研究成果。在与电子计算机组合在一起的大系统中，往往用电子计算机进行诊断。

为了方便维修性设计的检查，在设计时可使用表11-3所列的维修性设计检查项目。

表11-3 维修性设计检查项目

（续表）

可维修性的定性要求是维修简便、快速、经济的具体化，根据国内外的实践经验，定性要求可概括为如下几个方面。

（1）具有良好的维修可达性。

维修可达性是指维修产品时，能够迅速方便地达到维修部位的特性。通俗地说，就是维修部位能够“看得见、够得着”或者容易看见、够着，而不需拆卸、搬动其他机件。很显然，可达性好，维修就迅速、简便，而且差错、事故也会减少，所需费用也少。所以，可达性是维修性定性要求中最重要的一条。

为此要合理地布置装备各组成部分及其检测点、润滑点、维护点；要保证维修操作有足够的空间，包括使用工具、器材的空间；合理开设维修通道、窗孔。

（2）提高标准化和互换性程度。

标准化、通用化、模块化和互换性，是现代设计与制造的要求。它们对于武器装备的维修与保障尤其有意义。不但可简化维修，而有利于减轻后勤保障（备件、工具、设备等）负担和战时拆拼修理。因此，发达国家都极为重视武器装备的标准化、通用化、模件化、互换性，并且进一步发展到“共用性”，即系统和设备或部队相互提供服务的能力。

（3）具有完善的防差错措施及识别标记。

维修中的各种差错，轻则延误时间，重则伤人、毁装备。国内外发生的由于维修差错造成飞机事故、火炮损毁的事件屡见不鲜.经验教训甚多。因此，要采取措施防止维修差错。

要从结构设计上消除差错的可能性。如要使零部件只有装对了才能装得上，装错、装反就装不上；插头、插件只有对准位置才插得进，发生差错能立即发觉并纠正。

合理地设置标记也是防止差错的辅助措施，标记还有助于提高维修效率。因此，要从便于维修和防差错的角度，设置必要的文字、数字、符号、图形等标记。

（4）保证维修安全。

维修安全性是指防止维修时损伤人员、装备的一种设计特性。维修中的安全与使用中的安全有差别。使用通常是在装备处于正常状态、完整状态下进行操作的。而维修则常常是在装备处于故障状态、分解状态下进行操作的。因此，装备仅有使用安全还不够，还要保证维修安全。这就需要在设计时考虑并采取必要的保护装置、措施，包括防机械损伤、防电击、防火、防爆、防毒、防核事故等。

（5）检测诊断准确、快速、简使。

随着武器装备的功能多样化、结构复杂化，故障检测诊断、性能测试已经成为维修工作中的关键问题。特别是电子设备和复杂系统，运用传统手段的故障诊断时间往往占整个维修时间的60%以上。因此，通过设计实现检测诊断简便、迅速、准确是装备发展的重要要求。在装备研制早期就应考虑检测诊断问题，包括检测方式、检测系统、检测点配置等。要把测试性纳入装备研制领域，与其他性能综合权衡，检测系统与主装备同步研制或选配、试验与评定。

（6）重视贵重件的可修复性。

零部件的可修复性是指其磨损、变形、耗损或以其他形式失效后，能够对原件进行修理，使之恢复原有功能的特性。装备上一些重要而昂贵的零部件应具有可修复性。这不但可望节省维修费用，而且有助于减轻后勤（备件）保障负担和战时抢修。为此，应使之有可调整、可矫正、可焊接、可拆装、可镀性，以便采用有效的原件修复措施。

（7）符合维修中的人机工程要求。

人机工程主要研究如何达到人与机器有效的结合和人对机器的有效利用。维修人机工程要求充分考虑人的生理因素、心理因素和人体几何尺寸等因素，以提高维修工作效率和质量，减轻人员疲劳。

此外，还要求减轻维修工作负担，降低维修的技术难度，以便于维修人员培训和补充。

以上定性要求是有普遍意义的，但对不同类型的装备应有所侧重。例如，对某些电子装备，要着重强调模块化、插件连接、自动检测；而对某些机械装备，可能更强调可达性、互换性、通用性、贵重件的可修复性等要求。

11.1.2.3 测试性设计时的考虑

测试性要求，应在尽可能少地增加硬件和软件的基础上，以最少的费用使装备获得所需的测试能力，实现检测诊断简便、迅速、准确。其主要要求是：

（1）对BIT和外部测试设备的功能要求。如电子设备BIT应能满足基层级维修的要求，BIT和外部测试设备应能满足中继级维修的要求等，非电子设备BIT应满足功能检测的要求。

（2）对可更换单元划分的要求。如对坦克火控系统要求进行功能分解，确定第二层、第三层的功能，按功能要求进行模块化设计，以确定基层级（外场）可更换单元和中继级（车间）可更换单元。

（3）对AET和外部检测设备的要求，包括功能组合化，采用标准的计算机测试语言、自检功能、与被测对象自检测相兼容、被测试对象测试接口要求等。

（4）其他特殊要求。如采用油液光、铁谱分析来监控装备技术状况时，采集油样的接口要求；涉及装备安全性的有关参数的监控、报警的要求等。

11.1.2.4 保障性设计时的考虑

GJB3872《装备综合保障通用要求》将保障性要求分为三类：针对装备系统的战备完好性要求、针对装备的保障性设计特性要求、针对保障系统及其资源的要求。可以看出，保障性要求与可靠性、维修性、测试性、保障系统及其资源等要求密切相关。前面已对可靠性、维修性、测试性要求进行介绍，这里着重对保障系统及其资源要求进行分析。

确定保障系统及其资源要求时，应列出每一项综合保障要素的定性要求（约束条件），这些定性要求主要考虑以下几个方面：

（1）与保障有关的设计要求。如要有辅助动力、自制氧、自制高压空气的要求等。

（2）对保障方案的要求。应明确有关维修级别和维修机构设置的设想，基层级和中继级实施换件修理的设想、实施承包商维修的方针政策和初步设想等。

（3）保障资源的约束条件。人员的数量和技术水平的约束、保障设备的品种和数量的约束，尽量采用现有设备和设施的要求，储存方法和技术的约束条件、环境条件的约束等。

（4）保障资源通用化、系列化要求。如应尽量采用系列化维修专用工具的要求，尽量采用通用维修设备的要求，应尽量采用现有燃料、润滑剂品种的要求等。

（5）有关保障单元的运输量（机动性）的要求。如保障单元工种和人数的约束，设备重量、体积的约束，尽量减少战时机动维修设备（工程车、方舱）的要求等。

（6）有关保障系统生存性的要求。如合理设置与划分维修级别，减小保障系统规模，提高其防护能力的要求，尽量减少中继级维修的范围，甚至在战时取消中继级维修的要求。

（7）有些特殊的要求。如坦克在沙漠、沼泽地区使用和潜渡时的特殊保障要求；装备在核生化环境条件下的保障要求等。