崔鎮(zhèn)韜，李健，宋月，陶宇茜

（航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100000）

引言

故障率、又稱失效率，是產品可靠性的一種基本參數(shù)，其度量方法為：在規(guī)定的條件下和規(guī)定的期間內，產品的故障總數(shù)與壽命單位總數(shù)之比[1]。裝備的設計、工藝以及使用環(huán)境，都會對故障率產生影響，同時，故障率也關系著裝備的作戰(zhàn)能力，尤其與裝備的通用質量工作息息相關。如今，隨著科技的不斷發(fā)展和世界局勢的變化，裝備面臨著使用環(huán)境復雜，貯存時間較長等新形勢，因此，通用質量特性的重要性日益凸顯。無論在裝備通用質量特性的指標論證、設計和試驗驗證階段，故障率都起到了重要的作用。因此，有必要系統(tǒng)地分析故障率對于裝備通用質量特性的影響，并通過故障率這一基本參數(shù)明確裝備六性之間的相互關系。

1 故障率的基本概況

1.1 基本概念

故障率是衡量產品可靠性的一個基礎指標。在評估產品的使用壽命時，產品的失效率是重要的特征量。失效率的函數(shù)表達式為：

由公式可知，瞬時故障率的大小與產品的剩余壽命函數(shù)（即可靠度函數(shù)）和故障分布的概率密度函數(shù)相關。電子產品的失效率模型在實際中通常為浴盆形[2]，隨著時間的變化，可分為早期故障期，隨機故障期和磨損故障期，如圖1 所示。故障率與產品的可靠性呈現(xiàn)反比的關系，即故障率越低，則產品的可靠性水平越高[3]。

圖1 浴盆曲線

常用的故障率分布為指數(shù)分布、正態(tài)分布和威布爾分布等，其中電子產品的失效率往往符合指數(shù)分布模型。將指數(shù)分布的產品壽命分布代入公式（1）可知，指數(shù)分布產品的瞬時失效率為常數(shù)。Vaupel 等通過將指數(shù)分布和威布爾分布混合得到了浴盆性失效率模型[4]。產品的故障率與其組成單元的數(shù)量和復雜程度相關，對于復雜的系統(tǒng)性產品，度過了早期失效期后，故障率往往趨于穩(wěn)定值[5]。在工程實踐中，為了計算方便，通常將產品的故障率視為恒定值。

1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀

我國故障率研究工作與可靠性研究同步開展。電子工業(yè)部（原稱四機部）在20 世紀50 年代成立了專門的研究機構，調查分析電子產品的失效情況。60 年代中期，航天部門開始了對故障率的研究。隨著改革開放，我國各個部門和單位逐漸意識到了可靠性對于產品的重要性。八十年代初，建立了“中國電子產品可靠性數(shù)據(jù)交換網(wǎng)”[6]，經(jīng)過大量試驗和數(shù)據(jù)收集，相繼編寫出版了《電子元器件的失效率手冊》和《電子元器件失效率預計手冊》。目前，常用的失效率依據(jù)包括GJB 299C《電子設備可靠性預計手冊》和GJB/Z 108A《電子設備非工作狀態(tài)可靠性預計手冊》等，綜合分析元器件的質量控制等級、環(huán)境應力、應用狀態(tài)和結構等信息，分別明確了元器件的工作失效率和非工作失效率。

國外對于故障率的關注，直接標志了可靠性指標的誕生。20 世紀40 年代，英國航空行業(yè)首次提出了可靠性指標，航空產品的故障率不得高于10-5/h[7]。息息相關美國的故障率研究工作源于上世紀50 年代，二戰(zhàn)期間，電子器件故障頻發(fā)，促使了電子設備可靠性咨詢組（Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment）的成立。1956 年，美國可靠性分析中心（Reliability Analysis Center）研究得到了元器件故障率的數(shù)學模型。1960 年，基于統(tǒng)計得到的大量數(shù)據(jù)，美國海軍提出了已經(jīng)驗模型為基礎的電子設備可靠性預計手冊（MILHDBK-217A），該手冊提出了電子器件故障率的計算方法。1962 年，由于電子元器件的發(fā)展速度迅猛，試驗累計數(shù)據(jù)來計算故障率的方法無法滿足元器件的發(fā)展需求，美國從材料的失效機理入手，將故障率與故障機理相結合，提出了故障物理方法[8]。在后續(xù)故障率評估的發(fā)展中，隨著元器件的加工工藝越來越成熟，產品的復雜度逐漸升高，元器件故障率對系統(tǒng)的影響逐漸減弱，學者們通過使用相似產品數(shù)據(jù)，將經(jīng)驗模型和故障物理方法結合等方法來得到產品準確的故障率[9]。

2 故障率對通用質量特性的作用

通用質量特性可分為可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性和環(huán)境適應性。通用質量特性要求貫穿裝備從研制、試驗到使用的全過程，通用質量特性的工作質量直接決定了裝備的使用質量和使用壽命等重要指標。針對這一重要指標，國家發(fā)布了一系列軍用國家標準，形成了全面的通用質量特性要求體系。根據(jù)GJB 900C《質量管理體系》，裝備的研制單位要在研制過程中依據(jù)GJB 450A 等標準的要求，明確產品的通用質量特性要求，編制通用質量特性工作計劃，逐項開展通用質量特性工作的設計、分析及試驗驗證等工作。結合六性對應的工作要求，逐個分析故障率對于裝備六性的作用。

2.1 故障率對可靠性的作用

開展可靠性的工作目標是為了確保裝備達到規(guī)定的可靠性要求，保持或提高可靠性水平，以滿足裝備的戰(zhàn)備完好性和任務成功性等要求、降低對保障資源的要求、減少壽命周期費用。故障率作為可靠性的基本參數(shù)，對GJB 450A《裝備可靠性工作通用要求》[10]中的可靠性分配、可靠性預計、FMECA、可靠性試驗與評價和可靠性評估與改進等工作項目都有著重要的影響。

1）產品可靠性的分配是指將可靠性的定量指標分配到規(guī)定的產品層級。可靠性分配通常以各層級產品的故障率為基礎，通過建立的可靠性模型，將指標通過故障率向下級產品進行分配。常用的可靠性分配方法包括等比例分配法、加權分配法、AGREE 分配法和動態(tài)規(guī)劃分配法等[11]。針對串聯(lián)系統(tǒng)，通常采用比例分配法，分配給單元的可靠性指標與單元的故障率成正比，準確的單元故障率才會得到準確的可靠性分配結果，從而為產品的設計和原材料選擇提供依據(jù)；

2）可靠性預計與可靠性分配同步進行，反復迭代以確定結果的準確性。確定組成產品的零部件的失效分布是開展可靠性預計工作的前提，也決定了可靠性預計和建模的準確性。元器件計數(shù)法為最為常用的可靠性預計法之一，而元器件計數(shù)法的基礎是通過大量數(shù)據(jù)得到的元器件在各種環(huán)境下的故障率信息?？煽啃越：皖A計工作要根據(jù)故障率信息進行實時調整，才能在產品的研制過程中及時提供有效的信息，從而起到指導的作用。隨著裝備逐漸趨于復雜化，系統(tǒng)級產品的元器件數(shù)量增多。元器件故障率的準確性也直接影響著可靠性預計和分配結果的準確性。王建軍等通過分析比較國軍標、美軍標及民用企業(yè)的可靠性預計標準發(fā)現(xiàn)，采用不同的標準計算得到的元器件故障率差距較大，軍標的元器件故障率對環(huán)境因子更敏感，民用標準的元器件故障率對電應力系數(shù)更敏感[12]。與裝備在使用中實際得到的可靠性水平相比，使用標準的數(shù)據(jù)進行可靠性預計，結果也往往過于保守，從而給設計和周期帶來了不必要的負擔[13]；

3）故障率影響著產品故障模式的危害性分析，常用的危害性分析方法包括風險優(yōu)先數(shù)法和危害性矩陣法，產品的故障率是這兩種方法中確定故障嚴酷等級的重要參數(shù)之一；

4）合理的故障率指標能夠保證可靠性試驗的方案正確選擇?？煽啃栽囼灥哪康氖谦@得產品的可靠性真實水平，并發(fā)現(xiàn)產品的潛在缺陷[14]。試驗的故障率考核指標設置是否合理，直接決定了可靠性試驗方案的經(jīng)濟型和數(shù)據(jù)收集的有效性。過高的指標會導致產品的研制改進過程較長，而偏低的指標則無法充分暴露產品的設計缺陷，無法評估產品的可靠性水平；

5）通過可靠性試驗累計得到的產品的故障率信息，可以作為相似產品開展可靠性工作的重要依據(jù)，在產品的方案設計階段，通常使用相似產品法開展可靠性預計等工作[8]。

2.2 故障率對維修性的作用

開展維修性的工作目標是提高裝備的戰(zhàn)備完好性和任務成功性，減少維修人力及其他維修保障資源要求[15]。故障率是產品維修性工作開展的重要輸入信息。

構建產品的維修性數(shù)學模型時，產品各個組成單元的故障率與該組成部分對系統(tǒng)平均修復時間的影響成正比；

開展維修性分配工作時，常用的分配方法包括故障率分配法和故障率設計特性加權分配法。故障率越高的單元分配的維修時間越短；

故障率數(shù)據(jù)同樣是開展維修性預計工作的前提條件，常用的維修性預計方法單元對比法、功能層次預計法和時間累積預計法都需要明確系統(tǒng)各個單元的位置和故障率；

開展維修性試驗時，若自然故障所產生的維修作業(yè)樣本不足時，則使用人工模擬樣本進行補足。模擬故障樣本的分布通常按照產品的故障率的比例進行分配[16]。

2.3 故障率對測試性的作用

測試性是指產品能及時并準確地確定其狀態(tài)（正常工作、不可工作或性能下降），并隔離其內部故障的能力[17]。

目前測試性的分配方法主要可以分為函數(shù)法和優(yōu)先分配法[18]。最基礎的函數(shù)法為故障率分配法，即以產品組成單元的故障率和數(shù)量為主要參數(shù)，對測試性指標主機分配。在故障率的基礎上加入其他統(tǒng)計參數(shù)，發(fā)展出了其他函數(shù)法：加入了修復時間、故障檢測與隔離難度的加權分配法和針對部分單元測試性指標已知情況的老產品分配法[19]。通過遺傳算法、粒子群算法等構建優(yōu)化模型的分配方式，故障率同樣是其構建基礎矩陣的重要參數(shù)[20]；

測試性指標分配需要計算故障模式或故障單元的總故障率，相應單元分配的指標與計算得到總故障率成正比；

在開展機內測試設計（BIT）和外部測試設計時，測試點位置的布局和優(yōu)選需要考慮故障率情況[21]，通過以故障率、測試時間和費用等為參數(shù)的公式計算出測試點的選擇方案；

在設計現(xiàn)場可更換單元（LRU）時，需要對LRU 的故障率信息進行確認，對于互相有關聯(lián)的LRU，要盡量通過設計與元器件選型等工作來保證故障率相差不大；

在確定測試性的試驗方案時，樣本量的確定和樣本數(shù)量的分配都與單元的故障率相關。當采用功能單元覆蓋要求確定樣本量下限時，需要已知受試產品及產品各個單元故障率的最小值[22]。

2.4 故障率對保障性的作用

裝備保障性的定義為裝備的設計特性和計劃的保障資源滿足平時戰(zhàn)備和戰(zhàn)時使用要求的能力。作為一次性使用產品的保障性參數(shù)之一，保障性工作的成功實施與故障率密切相關。

在制定裝備的保障方案時，設計人員可以通過產品的故障率信息來確定備件的數(shù)量，制定在使用前后的檢查計劃，科學合理的安排需要的維修和測試人員。

裝備的預計故障率，是制定預防性維修方案的重要依據(jù)，準確的裝備故障率信息，可以確保預防性維修工作的有效開展。

2.5 故障率對安全性的作用

安全性的工作目標是將裝備的風險控制到可接受的水平，識別、消除或降低其風險，遵循預防為主、早期投入的原則。安全性的主要工作是避免事故發(fā)生，準確的故障率信息可以使安全性工作的開展事半功倍。

在分析和評價危險的過程中，危險嚴重性和危險可能性是兩大重要的指標，其中危險可能性的等級通過產品的故障率來確定[23]。

故障率同樣是評價產品安全性設計水平的重要指標之一，可以通過對故障率較高的單元進行安全性設計的審查，以避免裝備在工作時出現(xiàn)安全問題。

2.6 故障率對環(huán)境適應性的作用

環(huán)境適應性是產品在其壽命期內預計可能遇到的各種環(huán)境的作用下能實現(xiàn)其所有預定功能和性能和不被破壞的能力，通常開展環(huán)境試驗來進行考核。

在進行環(huán)境試驗方案設計時，應提前確定進行參數(shù)實測的必要性和環(huán)境適應性設計采用的風險率，這些往往都需要以產品的故障率信息為支撐。

產品在開展環(huán)境試驗發(fā)生故障時，故障率信息可以提高故障定位和分析工作的效率。

3 結論

本文通過分析通用質量特性的主要工作內容，分析得到了故障率不僅是可靠性的重要參數(shù)之一，同時也對裝備的維修性、測試性、保障性、安全性和環(huán)境適應性等其他設計特性具有重要意義。在研究和生產的過程中，獲得準確的故障率分布及數(shù)據(jù)，對于裝備通用質量特性指標的確定和提高裝備的通用質量特性水平具有重要的支撐作用。同時通過分析可知，產品的通用質量特性之間是協(xié)調的，設計要求和定量指標可以通過產品的故障率相關聯(lián)，在后續(xù)研究中，可進一步探討基于故障率對產品六性指標進行一體化設計。