如何确定产品的可靠性要求.docx

1、如何确定产品的可靠性要求确定产品的可靠性要求于晓伟 曾天翔 编译译者注：本文作者是美国可靠性分析中心高级工程师发表在该中心START Vol.12.N.3上的一篇文章，较详细阐述了产品可靠性要求确定的程序与方法，较有参考价值，我们对部分内容作了剪裁，以便于读者阅读。1、引言有时客户对供应商提出产品明确的可靠性要求。但有时则不然，供应商必须首先确定客户提出的可靠性要求是否现实或者是否可达到，然后将其转化为设计要求。还有一种经常发生的情况，尤其在消费产品中，客户不明确指定可靠性要求，此时，就需要供应商自己运用各种方法来建立产品的可靠性要求。表1概括了这几种典型的情况。就像图1所示，确定产品和系统的

2、可靠性要求是一个多步骤的过程。表2 列出了该过程一些通用的工作项目。在确定可靠性水平时，该过程的每一个步骤都是很重要的，因为可靠性水平将决定为满足客户需求和期望所必须的针对设计的工作项目范围。本文以下部分将讨论关于有效完成这些步骤的典型可靠性工作项目。表1 客户的可靠性要求情况（录自参考文献1）客户的可靠性要求方案描述应用指导明确表达客户的技术要求中包括定量的可靠性要求（例：可靠度，平均故障间隔时间等）这些指定的可靠性数值可能需要考虑到超出供应商控制的故障因素而进行调整，即：将用户要求转化为设计目标含蓄表达客户的技术要求中包括使客户满意的达到指定水平可靠性的产品特性（例：寿命周期费用，保障费用

3、，维修人力，和保证条款等）根据所描述的产品特性要求导出可靠性要求，此过程基于已知的或假设的特性之间关系来进行，经常取权衡研究。没有表达经常是对商用产品而言。供应商必须“预先考虑”其产品投放市场后对可靠性的要求和定位。承制商可能有也可能没有相似产品或竞争产品可靠性的数据。经常用市场调查，质量功能展开，基准比较法等方法。供应商可根据已有产品数据来对自己产品进行可靠性要求的“定位”，此因素经常成为竞争优势。图1可靠性要求确定过程表2 有关确定可靠性目标和要求的活动活动工作项目和描述与达到目的的关系设计环境特性：确定产品预期能承受的工作应力用来确定产品使用期内经受的终端使用环境范围及等级的过程。常用来

4、确定基于性能的可靠性要求。容错能力：设计的备用手段以备零部件故障时仍保持产品继续运行故障遮蔽技术的运用考虑允许提高产品任务可靠性目标，但降低了基本可靠性。分析分配：将产品级可靠性目标和要求转化为其组成零部件的可靠性目标和要求。基于复杂性、零部件数量等因素，由产品级可靠性要求建立低级组件可靠性要求。它提供了一种检查可靠性要求是否实现的有效方法。非运行状况分析：确定产品预定储存或其他非运行状态对产品可靠性方面的影响。计算出产品使用期内产品所遇到的非运行时间和备用状态，以便建立和了解特殊的设计要求和它们对产品的影响。耐久性评估：确定产品在期望寿命内是否保持足够的机械强度用来确定产品的极限寿命状况。为

5、制定修理策略要求和产品升级制定计划提供一种有效方法。寿命周期规划：通过考虑影响产品的期望使用寿命的因素来确定可靠性（和其他）要求。确定寿命周期内所有组成部分目标的过程。考虑每阶段可靠性水平和寿命终止计划。此过程受修理策略和产品耐久性的影响很大。建模和仿真：，通常是用图示或数学方式建立模型，来评估产品的预期可靠性，并通过仿真确认选择的模型。一种建立能分配到更低组件级的有意义的可靠性要求的方法。它能提供确定合适容错程度的方法并了解产品单元故障对产品的影响。预计：从可得到的设计、分析、试验数据或相似产品数据来估算可靠性。此方法用来估计潜在的硬件和软件可靠性的目标和要求能否实现。能显示容错范围以判定是

6、否适合更高的可靠性要求热分析：分析热耗散，传热途径，和冷却源来确定零部件/产品温度与可靠性要求是否一致。分析确定预期设计的可靠性要求与热的使用环境之间的关系来建立可靠性要求。转换：从用户对产品的使用要求出发，确定产品设计目标（即产品可靠性）。将客户和用户提出的基于性能的要求转换为产品设计的可靠性目标和要求。其他基准比较法：将供应商的产品和性能特征与竞争产品或从任何供应商获得的可比项目的最好性能进行比较依据可靠性来确立竞争地位。在可靠性基础上，确定有竞争力产品所需的可靠性目标。质量功能展开（QFD）：搜集用户意愿并将其转化为设计要求，然后，转换成产品开发计划中所需的工作项目。理解客户需求，提供确

7、定可靠性定量目标有效满足目标要求的工作项目的一种技术。市场调查：确定潜在客户的需求状况，客户对潜在产品的反应状况，和对现有产品的满意程度。确定客户需求和期望以作为开发供应商产品目标输入的基本方法。2、确定客户的产品需求许多客户，象普通大众，不会明确指定他们对产品的具体需求，尤其是可靠性方面。而其他产品的一些客户可能非常明确地指定可靠性要求。当客户不明确指定产品的可靠性要求时，供应商就需要运用各种方法来进行确定。确定用户需求是导出使用的性能可靠性要求和后续设计要求的基本前提。如果设计达不到这些需求，产品在市场领域将不会成功。客户需求必须及早确定，一般在产品研制过程的方案/规划阶段，即在时间和资源

8、大规模投入之前。客户需求是导出性能可靠性要求的先决条件。而可靠性要求，又是确定设计要求的基础，必须在任何设计和研制阶段开始之前确定。确定客户需求可能用到以下几种方法。市场调查：经常用市场调查法来了解客户对新产品或改进产品的要求和需求状况。客户能从产品的基本功能到普通外观提出所期盼的特点和特性。了解客户需求，最好的方法就是征询客户意见。当然，市场调查也会受到一些偏见和抽样误差的影响，周密计划的工作将消除这些影响。市场调查通常在方案/规划阶段进行，但是，当得到产品的设计样品后，也可用不同于方案规划阶段的方式来进行调查。在这种情况下，被调查的客户可能及时提供喜欢还是不喜欢的真实反馈意见，以便在产品全

9、面研制阶段之前进行改进。基准比较法：（参考文献2）基准比较法是一个先导过程，它用来将本公司的产品、服务、过程与被认为是一流的机构或最有力的竞争者的这些项目进行比较。其目的就是对产品、服务、过程进行改进，以便赶上或超过竞争者。通过比较，使供应商更加了解市场需求，以便在市场竞争中处于不败之地。注意，如果仅仅靠一个过程，比如入库，或者一个服务，比如维修，在同类中做得最好，可能并不能赢得竞争。针对某一产品，用基准比较法可以帮助公司了解产品性能水平，包括一流产品的可靠性水平。理论上，对这些产品性能水平的处理应放在产品规划之前，起始于产品开发的方案/规划阶段。通常，公司为了与竞争者的产品进行比较，会购买此

10、产品的样品进行消耗性试验。进行试验的目的是为了确定产品的设计特性，包括材料选择，设计范围和公差，设计方法，和可能的制造和装配方法。通过试验可帮助公司了解产品的工作特性和性能水平。相对于一流产品，公司必须决定是否尝试进行竞争，赶超，还是设计成稍低于其性能的产品。如果作出第一种选择，一流产品的可靠性将作为最低要求。如果管理者认为产品可靠性水平与一流产品差不多，但是产品成本较低，以此来有效扩大市场份额的话，那将选择后一种方案。基准比较法不但适用于确定产品级可靠性要求，而且也适应于确定较低级部件可靠性要求。另外，它还可以指导制定制造、装配和其他提高产品性能、降低总费用的商业管理行为的具体要求。环境特征

11、描述：环境特征描述用来确定客户将产品投入使用后产品所承受的工作和环境应力。如果对产品所承受的应力不清楚，那么所定的可靠性目标，不管是明确的还是隐含的，都没有意义。例如，某一产品在客户家里使用，具有500小时MTBF（平均故障间隔时间），但在环境应力较大的汽车里使用，却只有200小时的MTBF。环境状况的确定应放在产品的方案/设计早期阶段。环境对机械设计影响的其他信息参看参考文献3。在高层次产品中，环境可以表述为地面环境、移动环境、机载环境、空间环境等。但这只能大致提供产品所受应力范围的严酷情况。在设计过程开始的时候，需要知道更详细的信息。对于许多恶劣环境，使用仪器设备来测量期望的应力水平比较合

12、适。例如,可用时间应力测量装置测量和记录象温度、湿度、冲击、振动、和动力所导致的应力。寿命周期规划：寿命周期计划制定产品寿命周期里每个阶段的可靠性。它致力于研究开发一个成熟产品各个阶段所考虑的问题，经常包括产品的处置。它对产品使用寿命内专门时期包括运输、储存（shelf life）和运行等作出计划安排。对产品进行计划和设计，使其在各个时期所承受的应力下不会失效。寿命周期规划注重寿命周期的各个阶段，以及灾难性故障和磨损故障。在产品寿命周期内，方案/规划阶段是建立表征不同应力特征的可靠性目标和要求的时段。产品在任何时间（象运输、储存、运行）都会承受应力，都有发生故障的可能。有时，产品在非工作时间遇

13、到的应力比工作时的所遇应力危害还要大。从机械的观点出发，产品工作环境越好，运输此产品就需要越广泛的保护。许多产品在储藏期易受潮，因而，需要用干燥剂来包装。在计划和确定产品合适的可靠性目标和要求时，都要考虑到以上的这些因素。3、客户的性能可靠性要求：根据客户对产品的需求确定和导出客户的可靠性要求是必需的。有时要求可能是定性的(比如，“好的可靠性”)。可靠性要求可能“隐含”在所表达的其他需求里面。例如，可用性的要求，实际上包含了产品的可靠性和维修性；又如安全性的问题，就是要求不存在安全致命性故障。依赖于客户对产品要求的表达，性能可靠性要求可以用两种方式之一来推导。如果产品要求已经用公认的可靠性要求

14、（例：平均维修间隔时间MTBM）来表达，那么就无需进行转化，因为用户已经表达清楚。如果性能可靠性要求“隐含”在用户的基本要求里面，那么就必须对其进行分析以导出可靠性要求。理论上，这些用户要求可通过有关因素的相互关系来进行描述，而可靠性是其中的一个因素。在从客户需求导出性能可靠性要求时，一些有关可靠性的工作项目是有用的。以下列出了这些工作项目：建模和仿真: 建模和仿真是确定满足大多数客户要求所必须的可靠性水平、可靠性范围的有效方法。它对各种各样不同的产品特性进行权衡，以达到产品的总体要求。仿真是利用计算机的自动运算“尝试”各种不同的解法，以寻求最优解。在产品的方案/规划的早期阶段使用建模和仿真方

15、法最有利。它提供了一种确定求解的方法，而无需昂贵的设计、制造、和试验过程。当产品处于设计/研制阶段时，模型也要升级以反映出当前的产品设计技术状态。在用任务模型和保障模型确定可靠性要求时，使用数学关系式确定可靠性、各种任务、保障指标之间的关系。这些指标可能指的是给定情况下所需备件的数目，在给定时间周期内所进行的飞行次数，在任何一时间产品列入服务的平均数目，等等。通过改变可靠性的使用度量，可确定对这些指标方面的影响。在其他因数保持不变的情况下，给出“最好”结果的使用可靠性数值，将选作可靠性要求的数值。可靠性要求仅是产品许多项性能要求的其中一项。依赖于产品的功能，产品需要达到许多其他的性能要求。包括

16、：射程、有效载荷、速度、重量、功率输出、燃烧率、维修性。除了功能性的性能要求外，产品还有外形、安装、功能、接口（F3I）方面的要求。这些要求描述了产品的外观、大小、形状、电气及机械的接口。理论上，产品的每项要求都要进行优化。但实际上很少这样做，即使是有过的话，对产品的每项要求进行优化也是不可能的。相反，产品的总体性能必须得到优化，也就是说，产品的要求必须注重整体性能，即作为一个集来对待。例如，追求商业客机载人数量的最大化就使得航程的最大化变得困难，这些要求是冲突的。所以，兼顾航程和载荷的确定方案就是权衡研究的结果。有时，这些要求是互补的。例如，对汽车，追求汽油消耗行走的里程数的最大化和追求行程

17、最大化是一致的。不管这些要求是冲突的还是互补的，它们都将视为一个整体，而不能孤立地来对待。可靠性要求应当在整体要求的范围内进行确定，作为产品和项目的约束条件。由于可靠性仅是许多要求（这些要求经常是竞争的项目，也不是同等重要）中的一项，所以，我们必须把注意力放在产品的整体性能上。因此，其他的性能要求，甚至外形和安装要求，与可靠性要求就有可能互补，也可能冲突。为了达到“最佳”的方案，就采取提高一项要求从而降低另一要求的权衡方案。当出现冲突时，就有可能降低可靠性的要求来追求提高其它的性能。4、产品级的设计可靠性要求：客户度量使用中的产品可靠性时，并不直接地按照设计的可靠性目标和要求的形式来进行。虽然

18、许多因素并不在供应商的控制下，但在建立设计可靠性水平时，必须加以考虑，以满足客户的需要和期望。通常，供应商应能预料到，虽然影响可靠性的许多故障是在设计阶段造成的，然而诱发的其它种类故障将会在使用阶段发生（包括修理和制造过程中）。图2 形象地示出了故障原因层次关系的金字塔图。图2 产品故障“金字塔”的形状随时间而变化，因为“塔” 的每一组成部分都是时间的函数。在建立产品的设计可靠性目标时，弄清楚所有已知的故障原因是至关重要的。从产品的性能要求出发，建立设计要求/目标的过程，有时指的就是将客户（性能）可靠性“转化”为供应商(设计)可靠性。产品级的设计可靠性要求，必须在产品的设计/研制阶段开始之前得

19、到确定。即使这些设计要求是作为产品目标开始的，它们也应该在设计师打算进行产品早期设计阶段的方案研发之前进行利用。从性能可靠性要求导出设计可靠性要求，以下列出的面向可靠性的工作项目是有用的。质量功能展开（QFD）：（参考文献4）质量功能展开是在设计和研制的每一阶段将客户要求转化为合适设计要求的一个工具。在拟定可靠性要求过程中，它使用图4 所示的质量屋（House of Quality）矩阵并采取几个步骤。质量功能展开提供了确定一组结构化的可靠性要求的一种工具，因而保证了设计特征符合客户需求。它也提供了一种权重分析方法，即将需求区分优先次序。质量功能展开最好在方案/规划阶段应用。图4 质量功能展开

20、的质量屋质量功能展开方法简要地分以下几步：1、 进入已确定好的WHATs区域，如果需要，进一步确定第一、第二、第三要求。2、 基于已有的技术经验和知识，确定HOWs（设计要求）。3、 建立HOW-WHAT关系，对每一个关系分配具体数值（例：很强关联取5，强关联取3，弱关联取1）。关联强弱的确定取决于经验和技术知识。图5提供了容易理解的图解展示（符号图中有说明）。4、 对每个最低级可靠性要求和与每个HOW关联的技术和费用风险的程度确定和分配客户重要性因素（第一、第二、第三）。对因素和风险程度分配数值（例：很重要取5，一般取3，不重要取1）。5、 建立HOWs之间的关系。用建立HOW-WHAT关系

21、一样的方法来确定其关联强弱并给定相应具体数值。6、 计算HOWs的相对和绝对权重。对于HOW中的每一项（DR1，DR2，和DR3）,计算出关联的总数值。如图所示，其结果分别是39，38，30。此HOWs的绝对权重依次是1，2，3。然后，将每栏的关联总数值乘上风险系数，分别得到以下数值：39，190，90。所以，得到DR1，DR2，DR3的相对权数分别为3，1，2。7、 基于绝对和相对权重的数值，选择关键的HOWs（即，最需要注意的）。本例中，DR2最关键，DR3最差。整个质量屋的右手侧是用来考虑投入力量的相对水平，费用，需要的制造能力，和供应商认为每个WHAT的竞争地位的区域。选择方案通常分为

22、最强，一般，最弱。 转换：通过研究所得到的可靠性特性，将性能可靠性要求转换为设计可靠性要求，给设计师提供设计目标。如果这些设计目标得以实现，那么，性能可靠性目标就会“自动”达到。进行这样转换的好处就是使每个设计师在他/她的设计范围内，都有一个具体实际的目标。为了使可靠性目标以最有效的方式实现，设计目标在设计开始（即：方案/规划阶段）之前就应该确立。导出设计可靠性要求的第一步就是将使用性能参数转换为设计参数。例如，用MTBM（平均维修间隔时间）方法考虑的因素，就使得设计产品的供应商难以直接在设计中应用，比如，用户使用中的诱发故障、不明原因故障。所以，必须将MTBM转化为详细的设计要求，比如MTB

23、F（平均故障间隔时间）。 图5 质量屋的典型例子 最后，如果供应商的产品是客户产品中的一个部件，那么，性能可靠性要求和设计可靠性要求是一致的。例如，客户对一个部件的性能可靠性要求可能是500小时的MTBF。在这种情况下，就不需要任何转换。以下是将性能可靠性要求转换为设计可靠性要求的两种方法。尽管这些方法是在军事领域开发的，但也可类似地应用在民用产品中，即：基于供应商的设计经验，在联系性能可靠性和设计可靠性之间关系时，应用一个简单的“K因子”。a. 使用参数转换模型。有一组现成可用的模型，可将使用(性能)可靠性和维修性要求转化为合同规定的，可规定的，可度量的数值，即：设计可靠性要求。要建立这些模

24、型，首先要确定影响转换方法的变量，然后，搜集使用和设计数据，并且用统计分析技术建立和验证这些模型（参考文献5）。b. 自动化的要求转换工具（ART）。可靠性分析中心（RAC）研发了一种将性能可靠性、维修性、和诊断参数（RMD）转换为设计要求的自动化方法。此方法简介如下： 确定某一产品的一组使用RMD要求 对每项使用要求给出定义。 对每个定义导出运算法则。 将每项算法进行简化，直至到最简单的参数（术语）。 将简化得到的参数（术语）作为设计要求。 使用基线产品数据确定可接受的设计值范围。 同时对算法求解。运用以上方法将使用的RMD要求转换为设计RMD值的范围。使用此模型也可作权衡分析，以找出RMD

25、的最佳设计要求。ART作为基于PC的软件工具可从RAC得到。（参考文献6）利用分析确定可靠性设计要求：有许多与可靠性有关的分析可辅助导出可靠性设计要求。这样做的目的是确保环境条件和使用的工作条件的一致性，同时，确保这些要求与技术发展水平的一致性。不管怎样，不能将性能可靠性要求运用一组算法盲目推出设计可靠性要求。通过在转换过程中加以有针对性的一组分析，经济有效地确保了这些设计可靠性要求与其他要求和限制条件的一致性。这些分析在将性能可靠性要求进行第一次导出的方案/规划阶段开始使用，在设计研制阶段适当地重复使用。转换成设计要求后并不意味着此过程的结束。转换了的要求必须评价是否符合实际。需要回答的问题

26、包括：1）这些要求与现有技术是否一致？2)这些要求是否对产品的设计起促进作用？（比如与其他的产品限制条件象重量和功率冲突）。回答这些问题通常要对相似产品（如果存在的话）以前做的研究和数据进行评审。设计要求、性能要求或同时这两项要求可能需要做出调整以体现技术的进步，不同的使用环境，不同的工作循环等等。分析方法有以下几种：热分析：（参考文献7） 温度是可靠性的重要影响因素之一。尽管温度影响通常与电子设备相联系，但机械部件的可靠性也受温度的影响。通过进行热分析，设计者确定热传导途径和模式，单个部件和零件所承受的温度极值，以及温度的快速变化导致的热冲击的影响。在进行热分析时，设计师就会发现即使有合理的

27、冷却保护以及部件和零件的最佳安装位置，产品以及它的组成零件所承受的温度也可能使得可靠性要求在技术上和经济上变得不可行。RAC网站（参考文献8）示出了不同的商用热分析软件。耐久性评估：对产品的机械和结构元件来说，耐久性评估用来确定任何与之相关的使用寿命要求是否能达到。基于损伤容限评估法由美国空军为飞机开发的通用方法可进行此项评估。图6 示出了此方法。图6 耐久性评估的通用方法注意，耐久性评估是开始于设计阶段而贯穿整个产品试验的过程。从耐久性评估得来的使用寿命评估值可用来检验使用寿命要求的现实性。除了评价产品的耐久性以外，该方法还可提供进行维修检查要求（检查项目及检查频率）的各种信息。预计：一旦能

28、进行最初的预计工作，就要将预计值和要求值进行比较。在RAC网站（参考文献9）可找到不同的预计方法，在参考文献10中列出了更详细的内容。依据预计值是否低于，等于，高于要求值，将相应得采取一些措施。如果可靠性预计值低于要求值，那么，进行预计的假设和方法应当重新评审，必要的话，进行调整。如果预计值是合理的，那么，所提出的可靠性要求就要重新检查。如果预计值显著高于要求值，就要考虑将要求值提高以便：1、 获得竞争优势2、 减少未来费用（例：担保和维修）3、 提高安全性如果可靠性预计值与要求值大致相等，那么，许多关心的问题都得到了保证。可靠性预计并不是很精确的，在预计过程中经常会有误差。通常采取保守的做法

29、，使预计值高于要求值。容错：容错是指当产品出现故障时 ，仍能继续完成规定功能的能力。它一般是用冗余（即有时在遇到故障的情况下，通过备用的附加功能单元来保持产品的继续运行）手段来完成，即采用并联路径，当一条路径失效时，另外的路径保持产品运行。在导出可靠性要求的过程中，容错能力分析是保证可靠性设计要求得以实现的方法。非运行状态分析：象产品寿命周期里的所有时段一样，产品非运行时期也存在故障的可能。进行此分析可以鉴别非运行时期影响可靠性要求的一些特有的特征。安全系数（SF）：在确定可靠性要求时，经常使用安全系数和降额系数。它们用来考虑物理现象的不确定性，所用模型的不精确性，和所用工具的限制性带来的影响

30、。假设要求一绳索在承受1000磅拉力下的失效概率必须小于5% ，我们用25%的安全系数后，即要求该绳索在1250磅拉力下的失效概率必须小于5%。降额：降额基本上是安全系数的补充。它要求元器件承受的电、热、和机械应力低于其额定值。再举绳索的例子。假设绳索所受额定拉力值为1250磅，我们应用80%的降额系数，即在使用绳索过程中，所受拉力载荷不超过1000磅。（即 ：25%的安全系数）。 参考文献11 里可找到降额指导方法，参考文献12 有更详细的内容。5、将可靠性要求分配给各组成部分此过程是将复杂产品的产品级可靠性要求分配给各个组成部分。在进行产品设计时，仅有产品级的可靠性要求是不够的。例如，对一

31、卡车要求平均故障间隔时间是1000小时，这是产品级可靠性要求，但在设计卡车的传动装置、发动机、和其它部件时，这些零部件的可靠性要求是多少呢？对可靠性进行分配就解决这个问题。可靠性分配过程经常反复进行，多次尝试，以满足所有要求。在有些情况下，可靠性要求不可能达到（为达到产品级可靠性要求，致使零部件的可靠性要求无法达到），此时，应与客户进行协商，需要进行权衡来解决这个问题。将产品级可靠性要求分配给各组成部分使得管理和跟踪可靠性要求变得容易。它能进行过程跟踪，提供清晰检查产品级可靠性要求的方法，促进权衡研究。在方案/规划阶段，一旦从性能可靠性要求导出产品级设计要求，就应着手进行可靠性要求的分配。在产

32、品每一层次设计开始之前，通常在设计/研制阶段的功能设计评审之前就应完成初始分配。在任何重大设计评审之前一般进行改进。对于大型复杂的产品，供应商仅仅依靠产品级可靠性要求进行可靠性分配是困难的。产品级可靠性要求也不能对每一个不同部件，分系统等的设计师提出。当有外面的供应商参与此产品时，问题就变得更困难。此时，有必要采取一些方法将产品级可靠性要求的一部分分配给不同部件，分系统的设计者和外面的供应商。如果仅使用产品级可靠性要求，那么，跟踪产品研发过程的唯一方法就是分析，直到制造出完整的产品和进行试验。当然，对组成产品的零部件进行试验，可以在产品研制过程早期阶段进行。通过对每一个零部件进展情况进行跟踪，然后分析综合这些结果，就会得到正向产品级可靠性要求进展中的有用的想法。出现的问题和解决问题的方法可以比起其它可能的方式来早一点得到确认。有时，细致确定的产品