產(chǎn)品系統(tǒng)可靠性的原理與執(zhí)行

今年年初國(guó)家質(zhì)檢總局發(fā)布《家用汽車產(chǎn)品修理、更換、退貨責(zé)任規(guī)定》，廣大汽車企業(yè)、汽車零部件供應(yīng)商企業(yè)，乃至其他更多的機(jī)械、電子產(chǎn)品企業(yè)都再次意識(shí)到產(chǎn)品質(zhì)量可靠性的重要程度。以前可有可無的產(chǎn)品可靠性分析已經(jīng)不再是個(gè)錦上添花的擺設(shè)了，它已經(jīng)成為企業(yè)持續(xù)經(jīng)營(yíng)的基本條件之一。

汽車以及汽車的核心零部件(如發(fā)動(dòng)機(jī)等)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，單個(gè)零部件的穩(wěn)定可靠并不能代表系統(tǒng)工作的穩(wěn)定可靠。因此，在從研發(fā)到生產(chǎn)的整體過程中，既需要繼續(xù)關(guān)注單個(gè)零部件的質(zhì)量可靠性改進(jìn)，同時(shí)更需要重視提升子系統(tǒng)乃至整車系統(tǒng)的質(zhì)量可靠性。

這里所謂的系統(tǒng)，是指能夠完成某一特定功能，由若干個(gè)彼此有聯(lián)系而且又能相互協(xié)調(diào)工作的單元組成的綜合體。由于客戶需求的不斷更新和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，很多產(chǎn)品的復(fù)雜程度越來越高，由此導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生故障的可能性也越來越大。因此，可靠性工程師需要研究清楚組成系統(tǒng)的各個(gè)零部件之間的表面物理關(guān)系和背后邏輯關(guān)系，以及每個(gè)零部件發(fā)生故障的規(guī)律及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響程度，最終構(gòu)建出系統(tǒng)的壽命預(yù)測(cè)模型。

關(guān)于系統(tǒng)可靠性的分析原理，主要涉及到兩個(gè)：可靠性框圖(Reliability Block Diagram)和可靠性數(shù)學(xué)模型(Reliability Mathematical Model)。一般來說，系統(tǒng)可靠性分析模型可以分為三類：串聯(lián)系統(tǒng)(Series System)，并聯(lián)系統(tǒng)(Parallel System)，混合系統(tǒng)(Mixed System)，分別如下圖所示。

簡(jiǎn)單混合系統(tǒng)及其可靠性函數(shù)示意圖

在實(shí)際工作中，系統(tǒng)可靠性的分析工作要比上述的原理說明要復(fù)雜很多。因?yàn)樾枰覀冄芯肯到y(tǒng)可靠性的對(duì)象往往是個(gè)由成百上千個(gè)單元構(gòu)成的混合系統(tǒng)，而且系統(tǒng)中的每個(gè)單元的可靠性也往往是一個(gè)包含很多晦澀難懂的統(tǒng)計(jì)學(xué)原理知識(shí)的可靠性函數(shù)。這使得很多機(jī)械工程、電子工程背景出身的工程師一籌莫展，企業(yè)運(yùn)用和推廣可靠性分析的工作變得知易行難，效率低下，可靠性工作應(yīng)有的價(jià)值無法在執(zhí)行層面發(fā)揮出來。

專業(yè)統(tǒng)計(jì)質(zhì)量分析軟件JMP中的“可靠性/生存”模塊可以使系統(tǒng)可靠性分析變得異常簡(jiǎn)單，整個(gè)工作過程就像兒童用樂高積木搭建高樓大廈一樣輕松愉快。下面通過一個(gè)比較成熟的飛行器系統(tǒng)的可靠性模型分析案例，可以讓我們切實(shí)體驗(yàn)到運(yùn)用先進(jìn)分析工具，提高可靠性分析效率的成就感。

如下圖所示的單翼螺旋槳飛機(jī)由Engine(發(fā)動(dòng)機(jī))、Cockpit(座艙)、Wing(機(jī)翼)、Control(控制面板)、Port(左舷)和Starboard(右舷)等關(guān)鍵單元組成，每個(gè)關(guān)鍵單元，如Engine，又由Motor(電機(jī))、Fuel(燃料系統(tǒng))、Cooling(冷卻系統(tǒng))和Propeller(推進(jìn)器)等零部件組成。如何能夠準(zhǔn)確而又高效地估算出這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性呢?

在JMP軟件的“可靠性方框圖”平臺(tái)上，可靠性技術(shù)人員實(shí)施這個(gè)分析工作就會(huì)變得十分得心應(yīng)手。只要點(diǎn)擊鼠標(biāo)，拖拉基本、串行、并行、結(jié)點(diǎn)和k out of n等不同的設(shè)計(jì)元素按鈕，工程師就能在幾分鐘內(nèi)構(gòu)建出眾多零部件之間的邏輯模型。如果系統(tǒng)包含子系統(tǒng)、二級(jí)子系統(tǒng)等多個(gè)層次，也可以通過調(diào)用庫(kù)元素來實(shí)現(xiàn)多層次的嵌套設(shè)計(jì)。下圖就是一個(gè)基于JMP軟件繪制的飛行器系統(tǒng)的可靠性功能框圖。

在正確搭建起飛行器系統(tǒng)可靠性的基本框架后，更重要的事情就是綜合所有已知的元件可靠性分布量化模型，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性做出統(tǒng)一有效的預(yù)測(cè)。

這時(shí)候的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在需要通過一連串繁瑣的可靠性數(shù)學(xué)模型運(yùn)算，計(jì)算出一系列技術(shù)參數(shù)來反映系統(tǒng)發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)幾率，如可靠度(Reliability)、累積失效概率(Cumulative Failure Probability)、失效概率密度(Failure Probability Density)、危險(xiǎn)率(Hazard Rate)、分位數(shù)壽命(Quartile Lifetime)，以及元件重要性系數(shù)(Component Importance)等等。整個(gè)運(yùn)算過程十分復(fù)雜，哪怕調(diào)用傳統(tǒng)的可靠性分析程序也要花費(fèi)大量的時(shí)間，其中任意一個(gè)小小的疏忽都會(huì)導(dǎo)致全盤的失誤，這使得很多人對(duì)此望而卻步。

幸運(yùn)的是，一向推崇“探索性交互式數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)”的JMP軟件，用其特有的預(yù)測(cè)刻畫器(Prediction Profiler)解決了困擾可靠性工程師們多年的問題。因?yàn)樵陬A(yù)測(cè)刻畫器中，工程師只要通過菜單界面設(shè)定了元件的可靠性參數(shù)，系統(tǒng)可靠性的模型就可以通過生動(dòng)直觀的圖形界面(見下圖)來展現(xiàn)了。

在這個(gè)圖形界面中，我們用鼠標(biāo)指點(diǎn)江山，就可以隨心所欲地預(yù)測(cè)飛行器在產(chǎn)品保修期內(nèi)的質(zhì)量表現(xiàn)，可以身臨其境地體驗(yàn)冗余模塊的增減對(duì)飛行器故障率的影響，可以翔實(shí)精準(zhǔn)地事先發(fā)現(xiàn)飛行器弱點(diǎn)并加以彌補(bǔ)改進(jìn)，可以直截了當(dāng)?shù)乇容^不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)飛行器帶來的不同效果等等。

總之，工欲善其事，必先利其器。在現(xiàn)代化信息技術(shù)(如JMP軟件)的協(xié)助下，汽車、機(jī)械、電子等行業(yè)的產(chǎn)品系統(tǒng)可靠性的分析研究將不再是一件難事了。