生建友，翟助群

(1.總參第六十三研究所，南京210007;2.海軍裝備研究院，北京100073)

1 引言

電子設(shè)備的可靠性設(shè)計是一項非常復(fù)雜的任務(wù)，從時間節(jié)點來說，有論證、方案、樣機研制和設(shè)計定型等階段，從內(nèi)容上說，有策劃、設(shè)計、驗證、確認等活動，從涉及到的部門來說，有主管部門、研發(fā)部門、質(zhì)管部門、采購部門、保障部門等，從涉及的人員來說，有產(chǎn)品設(shè)計師、可靠性師、工藝師、標準化師以及質(zhì)控、采購等保障人員。如何全方位地采取措施進行設(shè)備的可靠性設(shè)計?仁者見仁，智者見智，有的從設(shè)計角度進行研究，有的從管理角度進行分析，有的從使用維護角度進行探討，缺乏統(tǒng)一認識和對策。隨著全面質(zhì)量管理的貫徹實施，以“過程”為基礎(chǔ)的“過程方法”逐漸被人們熟悉并廣泛運用。PDCA循環(huán)這一“過程方法”作為科學(xué)的工作程序為有序開展可靠性設(shè)計工作提供了有效途徑。它強調(diào)高效與合理的過程控制，強調(diào)在循環(huán)過程中不斷自我發(fā)現(xiàn)、自我調(diào)節(jié)、自我完善，通過對過程的控制而實現(xiàn)預(yù)期的目標。本文結(jié)合PDCA循環(huán)的這一特點，就如何運用PDCA循環(huán)模式進行電子設(shè)備的可靠性設(shè)計展開討論。

2 PDCA循環(huán)概述

所謂“過程方法”就是系統(tǒng)地識別和管理組織所應(yīng)用的過程，特別是這些過程之間的相互作用[1]。PDCA循環(huán)是由美國質(zhì)量管理專家戴明博士首先提出來的，由計劃(Plan)、執(zhí)行(Do)、檢查(Check)和處理(Action)的4個英文首字母所組成，又稱戴明環(huán)。其含義是工作之前要進行策劃，做好頂層設(shè)計，以滿足顧客要求，提高質(zhì)量，取得最大經(jīng)濟效益，然后將策劃的輸出(計劃)付諸實施，進行具體的分析計算和工程設(shè)計，再對計劃的執(zhí)行情況和實施效果進行檢查，通過具體的過程調(diào)試、測試、試驗、評審等活動，及時發(fā)現(xiàn)實施過程中問題，最后對檢查的結(jié)果進行總結(jié)、處理，鞏固成績，糾正錯誤，防止再度出現(xiàn)同樣問題。它不僅是一種質(zhì)量管理方法，也是一套科學(xué)的、合乎認識論的通用辦事程序[2]。以下就基于PDCA循環(huán)的管理、控制模式，從可靠性策劃、實施、檢查和處置等4個方面詳細討論電子設(shè)備的可靠性設(shè)計問題。

3 可靠性策劃

PDCA循環(huán)強調(diào)策劃在先，從源頭抓起?？煽啃圆邉澥谴_保可靠性設(shè)計達到預(yù)期目標、滿足顧客要求的基礎(chǔ)，是開展可靠性工作的依據(jù)，其主要任務(wù)是明確目標，制定計劃，并確定具體的執(zhí)行措施。為確保策劃結(jié)果的科學(xué)性、準確性、實用性、可行性，應(yīng)做好以下工作:

(1)進行大量調(diào)研，與顧客充分溝通，弄清楚設(shè)備的用途、特點、技戰(zhàn)術(shù)指標與功能要求、使用環(huán)境等，根據(jù)相似設(shè)備的研制信息以及設(shè)備的研制經(jīng)費、復(fù)雜程度等確定設(shè)備的可靠性定性、定量要求;

(2)根據(jù)設(shè)備特點和復(fù)雜程度以及單位的實際情況，建立可靠性工作組織，明確可靠性組織的職責、負責人和組成人員，明確各成員的分工和職責;

(3)按照GJB450A的相關(guān)要求，明確可靠性工作項目，結(jié)合設(shè)備研制的階段劃分，制定可靠性工作計劃，確定各階段的工作內(nèi)容和完成時間;

(4)按照有關(guān)國軍標要求和設(shè)備研制的實際情況，制定可靠性設(shè)計原則;

(5)根據(jù)設(shè)計原則、人員分工、設(shè)備特點等確定具體的可靠性實施措施，按照質(zhì)量管理的有關(guān)要求，明確各階段可靠性工作的檢查內(nèi)容和準則?？煽啃圆邉澋慕Y(jié)果就是形成可靠性保證大綱、元器件大綱、可靠性工作計劃和工作項目等頂層設(shè)計文件。

4 可靠性實施

實施是PDCA循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？煽啃詫嵤┚褪前凑湛煽啃员ＷC大綱、可靠性工作計劃的要求進行可靠性分析計算、可靠性方案設(shè)計、可靠性圖樣和工程設(shè)計等活動，是實現(xiàn)設(shè)備可靠性指標的關(guān)鍵階段。

4.1 可靠性分析計算

可靠性分析計算是進行可靠性工程設(shè)計的基礎(chǔ)，是檢驗設(shè)備可靠性水平是否達到指標要求的重要手段。

4.1.1 可靠性分析

可靠性分析是利用歸納、演繹的方法對可能發(fā)生的故障進行研究，分析故障的原因、后果和影響及危害程度，確定薄弱環(huán)節(jié)，為設(shè)備的整體設(shè)計提供改進建議[2]。常用的分析方法有:故障模式、影響及危害度分析(Failure Mode Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA)，故障樹分析(Failure Tree Analysis，F(xiàn)TA)，潛在通路分析(Sneak Circuit Analysis，SCA)，電路容差分析和可靠性關(guān)鍵件與重要件分析等。

FMECA在FMEA(Failure Mode and Effects A-nalysis)定性分析的基礎(chǔ)上對故障模式的危害程度進行量化，它由“下”往“上”進行，分析時應(yīng)列出每一個零部件、元器件、模塊可能產(chǎn)生的故障模式，針對各種故障模式及其影響，找出故障原因，提出補救或預(yù)防措施。FMECA是一項重要的基礎(chǔ)性工作，根據(jù)FMECA分析結(jié)果，可以確定所有災(zāi)難性和嚴重性的故障事件，因此，F(xiàn)MECA也是進行維修性、保障性、測試性和安全性設(shè)計的一項重要內(nèi)容，是可靠性關(guān)鍵件與重要件分析的依據(jù)。FTA由“上”往“下”進行，其分析流程是:選擇頂事件→建造故障樹→定性分析和識別故障模式→定量計算事件發(fā)生的概率→確定薄弱環(huán)節(jié)→采取必要的改進措施。SCA假定所有電路單元都正常工作的情況下，分析那些能引起功能異?；蛞种普９δ艿臐撛陔娐罚瑢τ诮鉀Q電路單元的設(shè)計缺陷十分重要。電路容差分析通過對電路單元及其組成器件在規(guī)定的使用溫度范圍內(nèi)其參數(shù)偏差對電路模塊和整機性能的影響分析，提出相應(yīng)的改進措施，在研制經(jīng)費、周期等允許的情況下盡量增加設(shè)計的容差和參數(shù)漂移的范圍。可靠性關(guān)鍵件與重要件分析從設(shè)備的功能、性能要求出發(fā)，找出危及人員、設(shè)備安全和使設(shè)備不能完成主要任務(wù)的單元和器件，并制定相應(yīng)的質(zhì)量控制措施，從采購、設(shè)計、驗證等環(huán)節(jié)采取綜合保證措施。

4.1.2 可靠性計算

可靠性計算主要包括可靠性建模、可靠性分配和可靠性預(yù)計。建模是進行可靠性分析、分配、預(yù)計和評價的基礎(chǔ)。建模時，應(yīng)認真分析、研究設(shè)備的任務(wù)定義、壽命周期以及工作原理圖，確保影響設(shè)備可靠性的每一個元件都不遺漏，包括導(dǎo)線和電連接器等，確保模型中所有組成部分的故障率都是相互獨立的，最終確保可靠性分配、預(yù)計值的科學(xué)性、準確性。具體的分配和預(yù)計方法參見相關(guān)文獻。在方案階段，通過計算合理地確定設(shè)備各組成單元的可靠性指標，對關(guān)鍵和重要單元要投入較多的精力和經(jīng)費，減少設(shè)計的盲目性;進行方案比較，綜合考慮設(shè)備的性能、功能和研制經(jīng)費、周期等因素選擇最佳方案。在樣機研制階段，通過計算可以發(fā)現(xiàn)影響設(shè)備可靠性的主要因素，找出薄弱環(huán)節(jié)，以采取相應(yīng)措施來降低失效率，為可靠性增長試驗、驗證試驗等提供依據(jù)。

元器件是組成電子設(shè)備的最小單元，由于其數(shù)量、品種眾多，它們對整個設(shè)備的性能和可靠性影響極大。樣機研制階段，設(shè)備所用元器件的應(yīng)力情況比較清晰，應(yīng)采用元器件應(yīng)力分析法對所有器件和組成單元以及整機進行可靠性預(yù)計，以檢驗設(shè)計的合理性以及與規(guī)定要求的符合性。實踐證明，采用元器件應(yīng)力分析法進行可靠性預(yù)計，雖然工作量大，但能比較準確地估計出設(shè)備的可靠性水平。

4.2 可靠性方案設(shè)計

可靠性設(shè)計方案涉及需要采用的標準、技術(shù)、元器件、材料、加工與組裝工藝等眾多內(nèi)容，通過評審的設(shè)計方案，決定了設(shè)備的可靠性水平。

制定可靠性設(shè)計方案時，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的總體技術(shù)方案、組成結(jié)構(gòu)、使用環(huán)境、裝備數(shù)量等綜合考慮，可靠性設(shè)計方案如何擬制和詳細內(nèi)容參見文獻[3]。不同種類的設(shè)備其可靠性設(shè)計方案也不同，但其設(shè)計思想應(yīng)是一致的。

(1)簡化設(shè)計

從源頭上抓起，在確保設(shè)備滿足性能指標的前提下，盡量簡化設(shè)備的電路和結(jié)構(gòu)，使每個部件都成為最簡設(shè)計，最大限度地減少材料、元器件、零部件的種類、數(shù)量。

(2)模塊化設(shè)計

合理劃分設(shè)備的組成模塊和單元，盡可能多地選用通用模塊，電路設(shè)計盡可能采用標準化單元電路或成熟電路。

(3)一體化設(shè)計

將可靠性設(shè)計與維修性、保障性、測試性、環(huán)境適應(yīng)性、安全性、電磁兼容性設(shè)計等結(jié)合在一起，采取綜合措施。它們看起來是相互獨立的，其實是相互影響的。維修性好則維修時間就短，設(shè)備的正常工作時間就長，可靠性必然好;測試性好則故障檢測時間和故障檢測率就高，故障的排除時間就短;環(huán)境是影響設(shè)備作戰(zhàn)性能的主要因素，環(huán)境適應(yīng)性好則設(shè)備承受環(huán)境應(yīng)力的能力就強，就會少發(fā)生故障;保障性好則設(shè)備就能長期保持可用狀態(tài)，即使發(fā)生故障，由于維修規(guī)范、保障到位，維護保養(yǎng)后也能迅速重新投入戰(zhàn)斗;安全性好則設(shè)備發(fā)生事故的概率就低;電磁兼容性不好則設(shè)備受電磁干擾后不能正常工作甚至工作癱瘓的概率就大，可見它們都直接影響到設(shè)備的可靠性。

4.3 可靠性工程設(shè)計

可靠性工程設(shè)計主要包括整機的可靠性一體化設(shè)計、元器件的控制和設(shè)計。

4.3.1 元器件的質(zhì)量控制與設(shè)計

資料表明，在電子設(shè)備現(xiàn)場使用的故障原因中，元器件失效約占50%，其中元器件的選擇或使用不當又占了30% ～50%[4]。因此，設(shè)備研制中應(yīng)對元器件的選型、采購、驗收等進行規(guī)范和管理，對電路中使用的元器件進行降額和容差設(shè)計。

(1)質(zhì)量控制

按照《元器件可靠性保證大綱》要求明確元器件的型號、規(guī)格和質(zhì)量等級，并在合格供方采購，同時，應(yīng)考慮器件未來的淘汰問題，明確替代方案;按照《元器件檢驗規(guī)定》要求做好元器件的入所檢驗工作;根據(jù)《元器件老煉篩選規(guī)范》要求做好元器件的篩選工作，剔除由于制造缺陷引起早期失效的元器件，確保裝機元器件的可靠性;元器件裝機前嚴格按照《元器件存放規(guī)定》要求對存放環(huán)境的濕度、溫度、靜電等加以控制。

(2)降額設(shè)計

依據(jù)《電子元器件降額設(shè)計準則》要求降低元器件使用時的應(yīng)力條件，進行降額使用，使元器件的工作電壓、溫度特性、電特性參數(shù)等在減額負荷下工作，從而降低元器件在各種應(yīng)力條件下的失效率。應(yīng)注意的是元器件的降額范圍要合理，且增加設(shè)備的重量、體積、成本不多。

(3)容差與漂移設(shè)計

電子元器件由于制造、老化原因、使用時的應(yīng)力以及電路的輸入匹配等因素，會引起電路性能參數(shù)偏差、漂移，而使設(shè)備產(chǎn)生故障。因此，在進行電路設(shè)計時，應(yīng)充分考慮到元器件的參數(shù)公差及參數(shù)隨環(huán)境變化而漂移的結(jié)果，即使元器件發(fā)生較大的性能漂移但仍然能滿足工程的要求，使設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)。

4.3.2 整機可靠性一體化設(shè)計

以可靠性為主的多學(xué)科一體化設(shè)計是近年來應(yīng)用比較廣的新的設(shè)計技術(shù)[5]。將可靠性設(shè)計與維修性、保障性、測試性、環(huán)境適應(yīng)性、安全性(簡稱六性)與電磁兼容性設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等進行綜合考慮，利用CAD(Computer Aided Design)系統(tǒng)建立整機模型，從中提取整機的結(jié)構(gòu)組成、性能和設(shè)計指標等信息，進行力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等仿真和評估，建立可靠性模型，形成可靠性綜合優(yōu)化設(shè)計。然后以此模型為基礎(chǔ)，進行潛在故障和事故分析以及維修保障仿真分析，再根據(jù)分析、評估結(jié)果找出設(shè)計上的薄弱環(huán)節(jié)，有針對性地采取措施，如簡化結(jié)構(gòu)，增加設(shè)計裕度，減小傳熱熱阻，減振緩沖，屏蔽和濾波，優(yōu)化布局，減少電磁發(fā)射功率，增加故障檢測裝置和測試點，采取防差錯、防靜電措施等，提高設(shè)備“六性”水平和電磁兼容性能力。

4.4 圖樣設(shè)計

圖樣設(shè)計是方案和工程設(shè)計的具體化，經(jīng)過批準的設(shè)計圖紙決定了所用材料、元器件的型號、規(guī)格，決定了需要用的制造和裝配工藝，后續(xù)的檢驗、試驗都是為了實現(xiàn)設(shè)計的圖紙和技術(shù)要求。圖樣設(shè)計若存在缺陷將嚴重影響設(shè)備的制造和使用，影響設(shè)備的固有質(zhì)量和可靠性水平。為此，圖樣設(shè)計時應(yīng)重視以下幾點:一是嚴格按照設(shè)計方案選擇材料和器件;二是圖紙符合有關(guān)機械和電路制圖的標準，避免由于圖紙設(shè)計不規(guī)范而加工出錯;三是設(shè)計尺寸和圖形符號準確，尺寸公差合理;四是技術(shù)和工藝要求明確;五是總裝配圖應(yīng)清楚表達各組成件的位置、數(shù)量和裝配關(guān)系，接線圖和線纜連接圖上各組成件的相對位置和標注的項目代號、端子號、導(dǎo)線號等正確、完整;六是嚴格執(zhí)行圖紙的審核、會簽制度，確保圖紙的正確性。

5 可靠性檢查

檢查是PDCA循環(huán)的重要一環(huán)，采用評審、驗證和確認等檢查活動來發(fā)現(xiàn)問題。設(shè)備研制過程中與可靠性有關(guān)的檢查工作主要有:可靠性保證大綱、可靠性工作計劃、可靠性設(shè)計方案等的評審活動，可靠性關(guān)鍵技術(shù)的比較、仿真、驗算以及設(shè)備的過程調(diào)試和試驗等驗證活動，產(chǎn)品試用和可靠性鑒定試驗等確認活動。評審是檢查的主要工作之一，應(yīng)按照可靠性工作計劃的安排，在研制的各個階段邀請相關(guān)專家對可靠性工作進行評審，可靠性評審的具體內(nèi)容參見文獻[6－7]。試驗是最直接、有效的驗證方法，也是裝備研制過程中使用最多的，包括功能試驗、性能試驗、烤機(負荷)試驗、應(yīng)力篩選試驗、環(huán)境試驗、電磁兼容性試驗、可靠性試驗以及系統(tǒng)聯(lián)試等，通過對試驗數(shù)據(jù)和原始記錄進行整理、分析和處理，找出故障原因并采取改進措施，促使設(shè)備可靠性切實得到提高。設(shè)備研制完成后應(yīng)進行可靠性鑒定，確認設(shè)備的可靠性狀態(tài)。評審的目的是識別可能存在的任何導(dǎo)致設(shè)備可靠性設(shè)計結(jié)果不能滿足研制要求的問題，并提出解決辦法;驗證的目的是提出客觀證據(jù)，證明可靠性設(shè)計過程中某項活動結(jié)果的正確性;確認的目的是確定設(shè)備的可靠性水平是否滿足用戶要求。設(shè)備研制過程中，應(yīng)按照研制節(jié)點和可靠性工作計劃實時地做好可靠性檢查工作，通過檢查為可靠性處置提供數(shù)據(jù)和證據(jù)。

6 可靠性處置

處置是PDCA循環(huán)的升華過程，沒有處置就沒有提高?？煽啃詸z查的結(jié)果是可靠性處置的依據(jù)，對檢查中出現(xiàn)的問題，詳細分析原因，制定相應(yīng)的糾正措施并及時處理;對成功的經(jīng)驗加以肯定并固化，形成標準或規(guī)章制度。對設(shè)備研制過程中出現(xiàn)的故障嚴格按照質(zhì)量管理要求實施閉環(huán)和歸零，即故障定位準確、機理清楚、故障復(fù)現(xiàn)、措施有效、舉一反三。建立元器件信息庫和故障報告、分析與糾正措施系統(tǒng)(Failure Report Analysis and Corrective Action System，F(xiàn)RACAS)是進行可靠性處置的重要內(nèi)容。

6.1 建立元器件信息庫

裝備承制單位應(yīng)加強元器件信息的管理，收集所用的元器件信息，建立全面、準確、及時的信息庫，包括元器件的型號、質(zhì)量等級、生產(chǎn)廠家，元器件入所檢驗數(shù)據(jù)，器件篩選及失效分析數(shù)據(jù)，元器件在調(diào)試、試驗和試用、使用中的失效信息等。元器件信息庫應(yīng)作為單位的公共信息平臺，并對收集到的元器件信息尤其是失效信息進行分析，為電路硬件設(shè)計、元器件應(yīng)力分析等提供依據(jù)，這項工作很多單位做得都不是很好。

6.2 建立故障報告、分析與糾正措施系統(tǒng)

可靠性設(shè)計過程中，應(yīng)重視過程控制，建立故障報告、分析與糾正措施系統(tǒng)。故障報告、分析和糾正措施系統(tǒng)應(yīng)包括:FRACAS的組織和工作程序;故障信息;采取的措施辦法，尤其是對關(guān)鍵件、重要件出現(xiàn)的故障提出的糾正措施。FRACAS既能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計上的薄弱環(huán)節(jié)，改善設(shè)備性能，又能對設(shè)備未來的使用有預(yù)防作用，也能積累經(jīng)驗，為類似產(chǎn)品的設(shè)計和故障模式及影響分析提供更準確、完整的信息，做到舉一反三，防止同樣故障在其他型號出現(xiàn)。為確保FRACAS的真實性、連續(xù)性和完整性，對設(shè)備壽命周期內(nèi)的所有故障信息均應(yīng)詳細記錄下來，包括故障地點、故障時間、故障現(xiàn)象、故障部位等。隨著時間的推移，F(xiàn)RACAS能真實反映出設(shè)備的可靠性趨勢，是單位寶貴的經(jīng)驗知識庫、案例庫，是提升整體設(shè)計和設(shè)備可靠性水平，避免故障重現(xiàn)的好教材。建立FRACAS設(shè)備研制過程中進行可靠性分析與評價的基礎(chǔ)，是設(shè)備《可靠性分析評價報告》的重要內(nèi)容。

7 結(jié)束語

將PDCA循環(huán)應(yīng)用于電子設(shè)備的可靠性設(shè)計，通過科學(xué)策劃、全面實施、完善設(shè)計、強化檢查、及時處置等措施，來識別設(shè)計存在的缺陷和不足，防止故障的產(chǎn)生，并提出必要的改進措施，控制故障發(fā)生的概率，糾正已經(jīng)發(fā)生的故障，確保影響可靠性的每一個過程都能得到有效控制與管理，不斷提高電子設(shè)備的可靠性水平。以上只是作者將質(zhì)量管理中的“過程方法”——PDCA循環(huán)應(yīng)用于電子設(shè)備可靠性設(shè)計的一些個人看法與設(shè)計體會，如何將PDCA循環(huán)與性能、可靠性設(shè)計有機融合在一起，同步提高設(shè)備的性能、可靠性及質(zhì)量水平，是產(chǎn)品設(shè)計師和可靠性師需要進一步探討并實踐的課題。

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