直升機(jī)機(jī)載綜顯模塊電路板可靠性預(yù)計(jì)

王進(jìn)才

（北京陸軍航空兵學(xué)院機(jī)載設(shè)備系，北京 101123）

1 引言

可靠度估計(jì)的目的主要是為了了解產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段的可靠性水平并對不同的設(shè)計(jì)提出可替代的方案。由此可知，能以最省時、省力的方式取得產(chǎn)品可靠性的定量程度是相當(dāng)重要的，故對可靠性預(yù)計(jì)方法進(jìn)行探討就非常必要。

可靠性指標(biāo)是客戶關(guān)心的重要指標(biāo)，是定量可靠性工作的基礎(chǔ)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到試驗(yàn)驗(yàn)證再到產(chǎn)品應(yīng)用，必須有定量的可靠性分析為其提供數(shù)據(jù)依據(jù)。可靠性預(yù)計(jì)是電子設(shè)備可靠性從定性分析轉(zhuǎn)入定量分析的關(guān)鍵。

產(chǎn)品的可靠度在設(shè)計(jì)完成時即已經(jīng)賦予，正確的制造及嚴(yán)格的品質(zhì)管理并不能提高其可靠度，只能維持其所賦予的可靠度。如果設(shè)計(jì)時所賦予的固有可靠度不能符合既定的目標(biāo)，即使所有的產(chǎn)品均為合格品，也不可能滿足用戶的需求。因此，在發(fā)展階段如何將可靠度設(shè)計(jì)于新產(chǎn)品中，在試產(chǎn)過程中設(shè)法使產(chǎn)品達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，并在正式生產(chǎn)前建立有效的抽樣檢驗(yàn)程序，以維持產(chǎn)品的可靠度水準(zhǔn)，是本研究的主要目的。

2 研究方法

2.1 關(guān)于可靠度

現(xiàn)在有關(guān)產(chǎn)品可靠度的描述，一般多以1952年由美國國防部所成立的電子裝備可靠度顧問小組（AGREE： Advisory Group on the Reliability of Electronic Equipment）針對電子裝備可靠度問題進(jìn)行研究所獲得的結(jié)論為基礎(chǔ)。這個小組所賦予的可靠度定義為：可靠度為產(chǎn)品于規(guī)定時間內(nèi)，在特定的使用（環(huán)境）條件下，進(jìn)行特定功能（或保持要求的性能），成功達(dá)到工作目標(biāo)的概率。

由此定義可看出可靠度是由「功能」、「使用條件」、「時間」及「成功概率」等4個要素所組成。在這4個要素中，以成功概率為產(chǎn)品的整體指標(biāo)[3]。

2.2 可靠度預(yù)計(jì)

可靠性預(yù)計(jì)用在設(shè)計(jì)階段來定量預(yù)計(jì)產(chǎn)品的可靠性水平，尋找設(shè)計(jì)中可能存在的有關(guān)可靠性薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)調(diào)整?？煽慷阮A(yù)計(jì)方法包含零部件計(jì)數(shù)法、零部件應(yīng)力法、類似裝備法、類似復(fù)雜度法、類似功能法5種方法。本研究采用零部件計(jì)數(shù)法來進(jìn)行可靠度預(yù)計(jì)。

本研究采用的可靠度預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分別參照GJB 299B，該標(biāo)準(zhǔn)用于可靠性預(yù)計(jì)，對應(yīng)不同的質(zhì)量系數(shù)，它反映了同類元器件不同質(zhì)量等級的相對質(zhì)量差異。主要用于國防電子設(shè)備和系統(tǒng)建立，其為一套持續(xù)且一致的可靠度預(yù)計(jì)方法，研究中采用此法推斷出產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段的可靠度。該標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用下列3種方法進(jìn)行電子產(chǎn)品可靠度預(yù)計(jì)，分別為零部件計(jì)數(shù)法 (方法一)、綜合零部件計(jì)數(shù)法與試驗(yàn)數(shù)據(jù) (方法二)、實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù) (方法三)。本研究產(chǎn)品因不具備試驗(yàn)數(shù)據(jù)，且現(xiàn)階段的實(shí)際使用數(shù)據(jù)也不充分，故決定以方法一來進(jìn)行可靠度預(yù)計(jì)。

2.4 可靠度預(yù)計(jì)軟件——Relex

隨著產(chǎn)品研發(fā)水平的進(jìn)步和對企業(yè)信息化要求的提高，當(dāng)前獨(dú)立的可靠性項(xiàng)目管理已經(jīng)不能滿足當(dāng)前協(xié)同設(shè)計(jì)和并行作業(yè)的需要，傳統(tǒng)依靠手工作業(yè)的可靠性分析更是制約了可靠性工作的深入開展和效率提高。因此，引進(jìn)數(shù)字化技術(shù)，規(guī)范可靠性管理，構(gòu)建可靠性設(shè)計(jì)、分析和管理平臺勢在必行，這是將可靠性工程推向現(xiàn)代設(shè)計(jì)模式的合理的技術(shù)途徑。成立于1986年的美國RELEX公司，致力于產(chǎn)品可靠性理論和應(yīng)用研究、工程咨詢及可靠性軟件的開發(fā)、維修保障及服務(wù)，是世界上最具盛名的可靠性軟件公司，1987年推出第一代產(chǎn)品Relex217，被業(yè)界公認(rèn)為可靠性工程平臺，集成了最新的可靠性分析、維修性分析、保障性分析和可靠性信息管理技術(shù)，同時也提供了針對操作角色的授權(quán)管理、功能配置和操作界面等個性化設(shè)置，方便在統(tǒng)一平臺下開展可靠性工作。

該軟件功能強(qiáng)大，所掛接的軟件包包括：可靠性預(yù)計(jì)（Reliability Prediction）、可靠性框圖模型（Reliability Block Diagram）、 馬爾可夫模型（Relex Markov）、故障模式影響分析（Relex FMEA）以及故障樹分析（Relex FTA）等多種功能。利用Relex可以定量地預(yù)測設(shè)計(jì)方案可能達(dá)到的平均故障間隔時間、故障率和可靠度等參數(shù)值，支持MIL-HDBK-217、GJB/Z 299B、GJB/Z 299C和 Relex等多種可靠性預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。本文利用其可靠性預(yù)計(jì)方法用于設(shè)計(jì)階段定量預(yù)計(jì)產(chǎn)品的可靠性水平，尋找方案中可能存在的可靠性薄弱環(huán)節(jié)。

3 研究內(nèi)容

本研究以某型綜顯系統(tǒng)顯示模塊電路板為對象，如圖1所示，進(jìn)行可靠度預(yù)計(jì)。

3.1 研究程序

本研究預(yù)計(jì)該電子產(chǎn)品產(chǎn)品可靠度，實(shí)施程序如下，見圖2。

3.1.1 文件準(zhǔn)備

a）材料用量清單表（BOM－Bill Of Material）

它表示產(chǎn)品各層次的結(jié)構(gòu)，可提供制造品所需的材料與數(shù)量（如表1所示）。經(jīng)讀取該產(chǎn)品的BOM表，獲得每一個零部件特性、需求數(shù)量與在PCB上位置等信息。

b）零部件規(guī)格書

為制造該零部件的必備文件，說明零部件的品稱、規(guī)格與其應(yīng)用，制造零部件各部分所需的材料規(guī)格、尺寸、完成品的電特性、外觀尺寸、包裝要求與需符合的品質(zhì)規(guī)范。

表1 特定型號電子產(chǎn)品BOM表（部分清單）

3.1.2 收集產(chǎn)品相關(guān)特性

除了針對本研究對象的電子產(chǎn)品，收集產(chǎn)品型號、規(guī)格和使用環(huán)境等特性外，還要分析該產(chǎn)品的用料清單，以獲得該產(chǎn)品元件種類、元件編碼和元件在印刷版電路的位置與元件數(shù)量等信息，以利后續(xù)可靠度預(yù)計(jì)的進(jìn)行。

3.1.3 標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)用

在實(shí)施軍工產(chǎn)品可靠度預(yù)計(jì)時，一般要依據(jù)國軍標(biāo)，進(jìn)口元器件質(zhì)量等級有時要參照美軍標(biāo)如MIL-HDBK-217F。由于本論文探討的是軍用航空電子產(chǎn)品的可靠度預(yù)計(jì)，故選按GJB/Z 299《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊》進(jìn)行電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)，在該標(biāo)準(zhǔn)中列出了各類電子器件質(zhì)量保證等級及失效率等級。

3.1.4收集輸入?yún)?shù)

確定要選用的可靠度預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后，接著就要收集產(chǎn)品參數(shù)，研究中電子產(chǎn)品由連接器、電容、電阻、二極管、調(diào)節(jié)器以及控制器等元件組成，BOM表中各零部件所對應(yīng)的規(guī)格數(shù)據(jù)即用于計(jì)算λb（基本失效率）、 ΠQ（品質(zhì)因子）、 ΠE（環(huán)境因子）等重要預(yù)計(jì)參數(shù)值，以輸入到可靠度預(yù)計(jì)軟件內(nèi)。包括品質(zhì)系數(shù)、環(huán)境條件、溫度、電性應(yīng)力等參數(shù)。

3.1.5 構(gòu)建Relex資料庫

根據(jù)上述兩點(diǎn)，可靠度預(yù)計(jì)的運(yùn)用與收集輸入?yún)?shù)，可在Relex軟件內(nèi)，構(gòu)建可靠度資料庫，以運(yùn)算產(chǎn)品的失效率。

3.1.6 決定失效率與平均故障間隔時間

在Relex內(nèi)構(gòu)建產(chǎn)品的資料庫后，便可根據(jù)軟件的內(nèi)建公式來運(yùn)算產(chǎn)品的失效率，并經(jīng)由失效率與平均故障間隔時間（MTBF）的關(guān)系式來計(jì)算MTBF。

3.2 Relex零部件計(jì)數(shù)法

零部件計(jì)數(shù)法（方法一），需要有關(guān)元器件數(shù)量、質(zhì)量等級和使用環(huán)境等信息。因?yàn)樗仍骷?yīng)力分析法需要更少的信息，所以經(jīng)常在早期設(shè)計(jì)階段和投標(biāo)論述階段使用它。元器件計(jì)數(shù)法定義整體設(shè)備的故障率為：

其中：n——零件種類數(shù)；

Ni——第i個零件的數(shù)量=第i個零件的故障率=第i個零件的質(zhì)量因子。

如果設(shè)備由在不止一個環(huán)境下工作的元器件組成，則對于某一環(huán)境下工作的每一部分都使用方程進(jìn)行計(jì)算。所有環(huán)境中的故障率的總和即為整體設(shè)備的故障率。

對于合作廠家所提供的電子產(chǎn)品產(chǎn)品而言，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)收集與合作廠家查詢后，了解該產(chǎn)品預(yù)燒小于一個小時且沒有零部件預(yù)燒，以情況1最為適當(dāng)。首先將產(chǎn)品的BOM表輸入電腦系統(tǒng)中的零部件表（Part Table），如圖3所示。輸入資料包括零部件編號（Part Number）、 零部件類別（Category）、零部件副類別（Subcategory）、 零部件位置（Referece Designator）及零部件數(shù)量（Quantity）。的元件。

重復(fù)上述步驟，將所有的元件輸入Relex資料庫中，即可計(jì)算產(chǎn)品失效率為每109 h發(fā)生24 030.12次失效，MTBF為41 614 h，換算使用壽命周期為4年8個月。

4 結(jié)束語

其次，在系統(tǒng)的計(jì)算資料（Calculation Data）中，如圖4所示，鍵入計(jì)算模組、計(jì)算方法、操作環(huán)境、靜止環(huán)境及操作溫度。在此計(jì)算方法1以及使用零部件計(jì)數(shù)法情況1（Method 1 Case 1），由于該產(chǎn)品屬地面移動（GM-Ground），并于地面（Ground）上操作使用，操作溫度30℃為設(shè)定值。故計(jì)算資料中各項(xiàng)目的相對應(yīng)輸入值分別為Relex Issue 6、 Method 1 Case 1、 GM-Ground、 Ground 及30.0℃。

各元件所需鍵入的值則因特性不同而異。以電阻為例，其所需輸入的一般資料（General Data）有零部件編號、零部件類別、零部件副種類、零部件位置及零部件數(shù)量，如圖4所示。

在預(yù)計(jì)資料（Prediction Data）中，則需輸入品質(zhì)系數(shù)、單位、電阻及類型。其所相對應(yīng)的輸入值分別為Level II、100、ohm，見圖5。上述品質(zhì)系數(shù)Level II系指制造商采購或使用符合一定等級

綜合上述對某型裝備電路板產(chǎn)品的可靠度進(jìn)行了預(yù)計(jì)分析，可提出結(jié)論如下：

a）利用Relex零部件計(jì)數(shù)法所求出電子產(chǎn)品的MTBF為41 614 h，換算產(chǎn)品使用壽命周期為4年8個月，超過對設(shè)計(jì)指標(biāo)要求使用年限為3年，此驗(yàn)證表明該產(chǎn)品具備競爭力。

b）在資料收集中發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，要以試驗(yàn)數(shù)據(jù)與使用環(huán)境數(shù)據(jù)求出零部件失效率很困難。故在以上研究中使用Relex專業(yè)軟件并根據(jù)軍標(biāo)要求，利用元件特性，以零部件計(jì)數(shù)法，計(jì)算出失效率，此結(jié)果更顯客觀且迅速。

[1]GJB 299B-1998，電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊 [S].

[2]MIL-HDBK-217E-1986，Reliability prediction of electronic equipment[S].

[3]李海泉，李剛.系統(tǒng)可靠性分析與設(shè)計(jì) [M].北京：科學(xué)出版社，2005.