講 師 : 吳惠平 TEL:04-27070001 轉 502109 FAX:04-22842327 E-MAIL:alanwu@ms.aidc.tw

1. 可靠度工程技術實務介紹 講 師:吳惠平 TEL:04-27070001轉502109 FAX:04-22842327 E-MAIL:alanwu@ms.aidc.com.tw

2. 可 靠 度 工 程 可靠度工程簡介

3. 可靠度起源 可靠度起源可追溯到第二次世界大戰，美國陸軍認識到可靠度的需要，在1940年代最後五年間進行了很多工作的研討，所得一些結果如下： 1.對於250只真空管的維修工作，大約需要一位技術人員。 2.美國空軍裝備的修理與維護成本，大約超出原來購入成本的 十倍以上。 3.美國陸軍很大一部份的裝備通常不是在修理就是在故障中。 4.美國海軍的電子裝備約有70%的時間不能使用。 美國國防部於1950年對電子裝備可靠度方面成立一個AGREE特別調查委員會，並於1957年提出報告。往後美軍又發展一系列可靠度相關規範，MIL-STD-785即為執行可靠度計畫之依據規範。

4. 可靠度工程簡介 • 可靠度工程簡介 • 參考文件 • 可靠度定義 • 可靠度重要性 • 可靠度工作項目 • 可靠度設計與分析

5. 可靠度工程簡介 • 參考文件 MIL-STD-781D Reliability Testing for Engineering Development Qualification & Production MIL-STD-785B Reliability Program for System & Equipment Development & Production MIL-STD-1629A Procedures for Performing a Failure Mode Effects & Criticality Analysis MIL-STD-2164 Environmental Stress Screening Process for Electronic Equipment DOD-HDBK-344 Environmental Stress Screening of Electronic Equipment MIL-HDBK-217F Reliability Prediction of Electronic Equipment MIL-HDBK-338 Electronic Reliability Design Handbook MIL-HDBK-781 Reliability Test Methods Plans and Environments for Engineering Development and Production

6. 可靠度工程簡介 • 可靠度定義 • THE PROBABILITY THAT AN ITEM WILL PERFORM ITS INTENDED FUNCTIONS FOR A SPECIFIC INTERVAL UNDER STATED CONDITIONS. • 可靠度為產品於既定的時間內，在特定的使用(環境)條件下，執行特定性能或功能，成功達成任務的機率。 • 可靠度四要素： • 功能 • 使用條件 • 時間 • 成功機率 在四要素中以成功機率為產品可靠度的整體指標

7. 可靠度工程簡介 • 可靠度量度指標 • 成功機率(Probability of Success) • 與時間無關，適用於單次功能裝置(one-shot device)，如飛彈的飛行可靠度，彈頭引爆可靠度，安全汽囊可靠度)等。 • 任務可靠度(Mission Reliability) • 又稱存活機率(probability of survival)，適用於工作期間內需要高可靠度的產品，如發動機、承載太空梭的火箭、飛機等。

8. 可靠度工程簡介 • 可靠度量度指標 • 硬體可靠度 • 平均失效間隔時間(Mean Time Between Failures,MTBF) • 適用於壽命較長且可維修再反覆使用的產品，如飛機、電腦、汽車等。 • MTBF與MTTF(Mean Time To Failure)最大的不同是，後者適用於不可修復件，如燈泡。 • 失效率(Failure Rate λ) • 適用於平均壽命非常長的產品，如零件或模組。

9. 可靠度工程簡介 • 可靠度基本名詞 • 任務可靠度 - 為產品達成工作能力的量度指標，考慮的時間領域為操作期間。 • 基本(後勤)可靠度 - 為不考慮後勤支援的情況下，產品操作能力的指標。 • 操作可靠度 - 為由使用者觀點來評估產品實際操作的可靠度值。 • 固有可靠度 - 為由生產者觀點，依設計或測試所得的可靠度值，可用設計變更提升之。

10. 可靠度工程簡介 • 可靠度重要性 • 產品的可靠度在設計完成時即已賦與，正確的製造及嚴格的品質管制並不能提高其可靠度，而只能維持其所賦與的可靠度。 • 如果設計時所賦與的固有可靠度不能符合既定的目標，即使所有產品均為合格品，亦不可能滿足顧客的需求，因此新產品之發展，最重要且最具挑戰性的工作，是在發展階段如何將"可靠度"設計於產品中，於試製過程中設法使產品達到設計目標，並在正式生產前建立有效的檢驗試驗程序及有效的品質管制方案，以維持產品之可靠度水準。 • 可靠度工程所包含的工作項目及方法，必須配合設計、製造及品保部門的分工合作，相互配合，在共同的體認及品質意識的提高下，才能經濟有效的推展可靠度工作。

11. 可靠度工程簡介 • 可靠度工作項目 • 概念定義階段 • 設計發展階段 • 品質鑑定階段 • 品質接收階段

12. 可靠度工程簡介 • 概念定義階段 • 定義壽命週期(Life Cycle)輪廓 • 定義環境條件 • 系統效益分析 • 定義量化可靠度目標需求 • 建立可靠度規範及合約 • 可靠度配當

13. 可靠度工程簡介 • 設計發展階段 • 建立設計準則(規格) • 設計分析 • 失效模式與效應分析(FMEA) • 修正可靠度模式 • 可靠度預估 • 雛型試造 • 可靠度發展試驗(TAAF/RDGT) • 矯正行動 • 訂定減額定(de-rating)準則 • 趨勢分析 • 可靠度評估 • 零件品質鑑定

14. 可靠度工程簡介 • 品質鑑定階段 • 環境應力篩選(ESS) • 可靠度品質鑑定試驗(RQT) • 故障分析 • 矯正行動 • 趨勢分析 • 可靠度評估 • 零件品質鑑定

15. 可靠度工程簡介 • 品質接收階段 • 環境應力篩選(ESS) • 可靠度品質接收試驗(RAT) • 故障分析 • 矯正行動 • 趨勢分析 • 零件品質鑑定 • 製程管制

16. 可靠度工程簡介 依據MIL-STD-785，可靠度工作項目分為三大類：計畫監督與管制、設計與評估、發展與生產試驗，各階段需執行之工作項目如劃分表。 S -- 選擇性實施項目 G -- 通用性實施項目 GC -- 只在設計變更時之 適用性實施項目 ACC -- 可靠度決算 ENG -- 可靠度工程 MGT -- 可靠度管理

17. 可靠度工程簡介 產品研發 可靠度工作示意圖

18. 可靠度工程簡介 • 可靠度設計與分析 • 在產品研發、設計過程中，應儘早考量及界定產品可靠度需求，並運用各種可靠度設計技術，針對產品特性，將可靠度設計進去。 • 可靠度設計方法很多，最重要者為考量設計工作之周延性，並於設計時儘量納入簡化、複置、耐久等設計要求。 • 系統層次之量化可靠度設計需求應納入產品設計規格中，並於發展階段之初步設計審查前，將可靠度規格配當至各關鍵品項之設計規格中。

19. 可靠度工程簡介 • 產品可靠度設計作業之基本原則如下: • 對零件與材料之選用宜趨於保守 • 儘可能避免採用工藝上不成熟的材料或製造程序 • 儘可能簡化設計 • 儘量減少零件數量 • 儘可能使用曾驗證過之設計及零件 • 從所有系統之介面分析失效問題 • 執行最劣情況分析 • 儘可能採用失效後不致引發安全事故之設計 • 如成本上許可，則採用複置設計 • 在低於額定值下使用零件

20. 硬體/任務可靠度

21. 硬體/任務可靠度 • 硬體/任務可靠度 • 可靠度參數 • 可靠度模式 • 硬體可靠度 • 任務可靠度 • 可靠度分析評估

22. 硬體/任務可靠度 • 浴缸曲線或澡盆曲線 電子件 (t) t 早夭期 堪用期 磨耗期

23. 硬體/任務可靠度 • 浴缸曲線 (t) 機械件 t

24. 累積操作時間 累積失效次數 1 失效率(λ) 硬體/任務可靠度 • 可靠度參數 • 硬體可靠度(MTBF) 指系統、次系統或裝備在操作或使用環境下發生失效之平均間隔時間，或里程等。對其失效率為常數分佈的系統，則其： 平均失效間隔時間(MTBF) = =

25. 硬體/任務可靠度 • 可靠度參數 • 任務可靠度(MR) 假設： • 每一時段Δt間，所發生的失效次數與該段開始前已發生多少次失效無關，亦即此類事件為互相獨立。 • 在任一時段Δt間，發生一次失效的機率與Δt的長短成正比，其比率常數為λ。 任務可靠度(MR) = e-λtλ：失效率,t：操作時間

26. RS＝R1×R2×...×Rn＝Π R i • ＝ｅ-λ1t×ｅ-λ2t×...×ｅ-λnt • ＝ｅ-(λ1+λ2+...+λn)t • ＝ｅ-λst • 故 λs＝λ1+λ2+...+λn • for identical elementsλs＝nλ • ∵ MTBF＝ ∴ ＝ • 故 MTBFS = MTBF 1 1 λ MTBFS 1 n 硬體/任務可靠度 • 可靠度模式 • 串聯模式 A1 A2 An-1 An n i=1 1 n MTBF

27. 硬體/任務可靠度 • 串聯模式 例題: 一個收音機有電源供應器,接收器,放大器及喇叭,其可靠度分別為0.91,0.97,0.92,0.99,求其系統可靠度. Ans:任一元件均應正常才能運作,視為串聯, 所以系統可靠度值為 RS＝R1×R2×...×Rn ＝0.91×0.97×0.92×0.99 ＝0.804

28. A2 Am 硬體/任務可靠度 • 並聯模式 A1 • RS＝1- F1 ×F2×...×Fm • ＝1-(1-R1)(1-R2)...(1-Rm) • ＝1-Π(1-R i) • for identical elements • RS＝1-(1-R) m m i=1

29. A11 A12 A1n A22 A21 A2n ................ Am1 Am2 Amn m n • RS＝Π〔1-Π(1-Rij)〕 • for identical elements • RS＝〔1-(1-R) m〕n j=1 i=1 硬體/任務可靠度 • 串並聯模式

30. 硬體/任務可靠度 • 硬體可靠度 • 定義 • 指系統，次系統或裝備在操作或使用環境下的平均失效時間。 • 研發/設計階段之硬體可靠度分析 • 電子零件依美軍軍規MIL-STD-217F 分析計算其MTBF值。 • 機械零件依RAC(Reliability Analysis Center) Non-electronic Parts Reliability Data(NPRD)分析計算其MTBF值。 • 參考其他類似系統之操作及服役資料。 • 串聯模式組合，以計算組件、次系統、系統件之MTBF值。

31. 硬體/任務可靠度 • 服役/使用階段之硬體可靠度分析 • 系統操作維修資料之蒐集(軍機維修資料如美軍AFTO-349表)。 • MDCS(Maintainence Data Collection System)/MDAS(Maintainence Data Analysis System)電腦分析系統之應用: • 依HMC、ATC等資料，判別失效類別為TYPE1、2或6。 • 點估計MFTBF＝總累積飛行時數/總TYPE 1失效數。 • 提供十餘種以上的R/M分析統計報表。 • 追蹤可靠度之成長(Duane Model)。

32. 硬體/任務可靠度 • 任務可靠度 • 定義 • 系統的任務可靠度，為該系統在規定的環境條件與特定的時間範圍能順利完成預定任務的機率。 • 研發/設計階段之任務可靠度分析 • 確定任務(Mission Profile)，例如:戰鬥巡航任務(CAP)。 • 任務成功/失敗準則。 • 任務可靠度方塊圖。 • 應用串並聯模式計算組件、次系統、系統件之可靠度值(R值)。

33. 硬體/任務可靠度 • 服役/使用階段之任務可靠度分析 • 試飛資料之蒐集(AFFTC-300表)。 • MDCS/MDAS電腦分析系統之應用: • 依Rel Data等資料，判別每一架次為任務成功(S)、任務失敗(F)、任務偏異(MD)或排除(E)。 • 點估計MR＝S/(S+F)。 • 提供任務可靠度之數種分析報表。 • 追蹤可靠度之成長(Duane Model)。

34. 硬體/任務可靠度 • 任務時間定義 參照CAP Mission之各Mission Segment，茲將任務時間定義如下: • ground only(include take-off and landing) • mission time=20 min(0.33 hours) • throughout the mission • mission time=133 min(2.22 hours) • through combat • mission time=101 min(1.68 hours) • after combat • mission time=32 min(0.54 hours)

35. R1.1=0.999887780 R1.2=0.999887780 R1.3=0.9965633300 R1.4=0.9965633300 SECONDARY POWER SYS (LEFT) SECONDARY POWER SYS (RIGHT) ENGINE (LEFT) ENGINE (RIGHT) GearBox (LEFT) Generator (LEFT) R1.6=0.999856820 ACTUATING MECHANICS R1.5=0.999999857 GearBox (RIGHT) Generator (RIGHT) 硬體/任務可靠度 • 任務可靠度分析 • 任務可靠度方塊圖 • 應用串並聯模式計算組件、次系統、系統件之可靠度值(R值)。 R1 = R1.1 * R1.2 * R1.3 * R1.4 * R1.5 * R1.6 = 0.992773

36. 硬體/任務可靠度 • 操作使用階段之分析 • 建立MDCS/MDAS電腦分析系統 • 蒐集維修資料(AFTO-349表) • 維修資料審查 (MDR) • 審查維修資料填寫之正確性 • 了解維修事件之現況 • 判定失效類別 • 依操作資料判別任務成功(S)/失敗(F)或排除(E) • 可靠度估計(點估計) • 平均失效間隔時間(MTBF) = 總積操作時數 /可列計失效總數 • 任務可靠度(R) = S / S + F • 提供可靠度分析報表 • 追蹤可靠度之成長(DUANE GROWTH MODEL)

37. 硬體/任務可靠度 • 可靠度分析評估

38. 硬體/任務可靠度

39. 硬體/任務可靠度

40. 1 • MTBFCUM ＝ Tα λCUM＝KT-α K N • N＝KT(1-α) λCUM＝ T dN λINST＝ ＝(1-α)λCUM ＝(1-α)KT-α dT MTBFCUM • MTBFINST＝ 1-α 1 T2α MTBF2 T2 K • MTBF2＝MTBF1 ( ) α ＝ 1 T1 MTBF1 T1α K 1 Log ( MTBFCUM ) ＝Log ( )+α Log ( T ) K 硬體/任務可靠度 • DUANE GROWTH MODEL: Y＝K’+αX

41. 硬體/任務可靠度 λCUM :Cumulated Failure Rate λINST :Instantaneous Failure Rate MTBFCUM :Cumulated MTBF MTBFINST :Instantaneous MTBF N :Total Number of Failure by Time T K :Constant Depend on Equipment Complexity Design Objective α :Growth Rate T :Operation Time (hours)

42. 硬體/任務可靠度

43. 硬體/任務可靠度 • 硬體可靠度分析

44. JRMET - Joint Reliability and Maintainability Evaluation Team RGCAT - Reliability Growth and Corrective Action Team 硬體/任務可靠度

45. 可靠度工作目標 1.提升硬體可靠度 • 藍圖審查 可靠度模式 可靠度配當 可靠度預估 失效模式效應分析 • 採用高品質零件 • 減額定設計(Derating) • 環境應力篩選(ESS) • 可靠度成長試驗(RDGT,TAAF) • 可靠度驗證試驗(RQT) • 可靠度接收試驗(RAT)

46. 可靠度工作目標 2.提升任務可靠度 • 可靠度模式 • 可靠度預估 • 失效模式效應分析 • 採用並聯或複置設計

47. 可靠度配當

48. 可 靠 度 配 當 可靠度配當是將全系統既定之可靠度需求，適當地分配於各分系統，作為分系統發展目標之可靠度管理作業。配當之過程應儘可能在研發初期即開始進行，因為在那階段的取捨與重新定義的工作彈性最大。可靠度配當之目的如下: • 由系統可靠度目標值至每一分系統、零組件之可靠度配當，建立可靠度目標需求的基礎。 • 設計人員根據可靠度目標設定值評估系統的狀況，並決定主要問題的範圍及系統的弱點所在(Weak Point Of The System)。 • 使設計人員對系統的輪廓及相互間的關係有更深的認識，如: • 零組件在系統功能上扮演的角色 • 零組件達成系統功能的方法 • 零組件的複雜性、數目、....等 • 改變零組件對系統功能所造成的影響 • 可對系統之成本、重量、可靠度.....等因素的擇優(Trade-off)作考慮，以得到更經濟有利的設計產品。

49. 可 靠 度 配 當 • 可靠度配當執行時機 (1)產品可靠度目標確定且初步設計完成時. • (2)發現某單項可靠度未達配當目標,致使產品可靠 • 度目標無法達成時,應實施再配當. • 基準要求: 除非某一分系統有特別合約規定,其可靠度需求值一定要達成,否則一般只要整體系統的可靠度達到目標即可.

50. 可 靠 度 配 當 • 可靠度配當方法 • 等量配當法 • ARINC可靠度配當法 • AGREE可靠度配當法 • 評點可靠度配當法