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嘉峪檢測網 2019-02-20 16:32
質量（Quality）
廣義來說，質量是包含可靠性的內容，我們這里指的是狹義的定義。（注：以下定義參考的是美國某權威機構對質量與可靠性的定義）。
Quality is conformance to customer expectations，翻譯過來就是：質量是滿足客戶期望的能力。
這個從字面上可能不太好理解，下面我詳細解釋一下。大家知道，對于任何一個產品的開發(fā)，復雜如一輛汽車，簡單如一個小杯子，我們都需要去了解客戶的需求或者期望。而客戶的需求很多時候是非常主觀的，比如客戶往往會提出“我需要一個很酷的汽車”，或“我需要一個耐熱的杯子”等等。但是這些主觀的需求，在產品開發(fā)過程中很難衡量或測量，這就導致在產品開發(fā)過程中我們很難對其進行驗證，最終也無法判斷我們的產品是否能夠滿足客戶的期望。比較常見的方法是通過QFD（Quality Function Deployment）的方法與流程將客戶的主觀需求或期望轉換到產品可以衡量的指標（一般叫做產品的關鍵特性），然后在產品開發(fā)過程中，我們去設計產品，滿足這些可以衡量的指標，從而間接地去滿足客戶的需求（注：QFD不是本文的重點，所以此處不展開，網上有大量文獻讀者可自行查閱）。
如何判斷最終的產品滿足了客戶的期望呢？一般我們會按照APQP或者ISO的標準來控制產品開發(fā)與制造過程，最終實現(xiàn)對客戶期望的控制。這個就是傳統(tǒng)質量做的事情，即我們常說的質量管理與過程控制，屬于質量的范疇。理論上來說，最終出廠的產品質量都是合格的，否則產品是不能上市的。所以質量是關注產品出廠之前與出廠那一刻所有過程控制的活動（t≤0, t指的是產品開發(fā)時間節(jié)點，t=0指的是產品上市的那一刻）。
可靠性（Reliability）
Reliability is quality over time這個定義很恰當，意思是可靠性是質量隨著時間的變化，或者說可靠性是質量加了一個時間軸。
通過質量過程控制（TS16949或ISO9001），滿足了客戶的期望，制造過程也穩(wěn)定了，產品可以上市了。但是這個不代表你產品在存儲與使用過程中沒有問題，從產品投入市場之后（t>0），甚至在交付到客戶手里之前，可能就會有失效（比如汽車在運輸以及4S店存儲時間長了，可能有一些零部件會出現(xiàn)問題）。在產品使用過程中，產品的功能或質量有一個逐步退化的過程，從而會帶來產品的失效。
如何降低與控制在使用過程中產品失效問題，就是可靠性關注的內容。所以，可靠性是關注產品上市后（t>0）的失效問題。
下表從幾個不同方面描述了質量 (Quality)與可靠性 (Reliability)的區(qū)別。
耐久性（Durability）
耐久性實際上很多企業(yè)都在做這方面的工作，如整車耐久性測試，或者疲勞壽命分析等。國內企業(yè)很多人提起可靠性，以為就是疲勞分析，這個是很片面的理解或者說概念上就是錯誤的，因為疲勞分析只能分析理想狀態(tài)下（某種設計狀態(tài)下）理論的壽命預測，但是實際上每個零件的制造誤差與變化以及使用過程中環(huán)境條件的不同，會導致同一批產品每個零部件的使用壽命的不同，如何評價一定置信度下的零部件壽命，才是真正耐久性需要關注的問題。當然疲勞分析也是提高耐久性的一個不可或缺的手段。
廣義上來說，耐久性是含在可靠性的范疇的，但是從定義與指標以及工作方法上都是不同的。
在講耐久性之前，我們先來看一下如下圖所示的典型浴盆曲線。浴盆曲線是了解可靠性工程最基本的曲線，本文簡單介紹。
典型大批量產品浴盆曲線
上圖橫軸是產品上市后的運行時間（廣義時間，也可以是里程，如整車運行里程），豎軸是產品故障率或叫失效率。對于大批量產品如汽車等，在投放市場后，到產品報廢的整個壽命期內，失效率隨著運行里程的變化基本上符合如上圖所示的那條實線曲線，因為形狀像浴盆，在可靠性工程領域一般稱之為浴盆曲線（Bathtub curve）。
拿這個曲線來講可靠性與耐久性就比較好理解。上面講的可靠性，從指標上來說，實際上是關注的是豎軸，即失效率。耐久性關注的是橫軸，即運行時間或里程，對于產品來說，實際上就是能夠運行的時間或里程，即我們常說的壽命或耐久性的定義。
對于可靠性工程而言，一般我們既需要關注產品的失效率（即可靠性問題），也要關注產品的壽命問題（耐久性問題）。
這里還有一個概念要說明一下，就是可維修系統(tǒng)與不可維修系統(tǒng)。對于復雜的系統(tǒng)或者產品，如汽車、飛機或發(fā)動機等，在報廢之前或者大修之前認為是可以維修的。到了上圖所示的最右邊的那個虛線點，即一般我們說的壽命點，就認為不可維修了，因為再使用下去，失效率激增，維修成本很高，不存在維修的價值了，到了這個點，產品基本上就報廢了或者要大修。而對于單個零件或者某些小的系統(tǒng)單元，如果在使用過程中出現(xiàn)問題不維修，都是替換，我們就認為是不可修系統(tǒng)。不可修系統(tǒng)只講壽命問題，這個概念需要清楚。
衡量指標與控制方法/流程
質量（Quality）的衡量指標與控制方法
按照上面的傳統(tǒng)質量的定義，不是一個單一指標能夠用來衡量產品質量的。按照APQP的流程來說，質量的控制與產品開發(fā)是同步的，從早期的客戶需求管理、到產品目標的定義、設計過程質量控制、制造過程質量控制、再到生產過程問題閉環(huán)、售后問題的問題閉環(huán)等等，在各個階段都有相應的要求與過程控制的方法。
下圖是質量控制的典型流程與活動。
如果非要量化的話，我個人理解更多是對產品缺陷（Defect）的控制，如常見的PPM（PartsPerMillion）（如10PPM代表不合格率為100/100萬（萬分之一），我們常說的6Sigma水平指的是3.4個PPM）。對于制造過程，一般會用一些過程控制的穩(wěn)定性與一致性指標，如CPk（Complex Process Capability index）來控制制成品不良率水平）或GR&R（Gauge Repeatability&Reproducibility）來控制量具的穩(wěn)定性。
質量過程控制方法一般通過APQP的流程來控制。關于APQP與質量體系的控制流程，這個比較成熟，在此不再贅述。
同時，很多企業(yè)通過6Sigma流程來控制，如DFSS（DesignForSixSigma）與DMAIC（Define-Measure-Analysis-Improve-Control），最終實現(xiàn)的都是對缺陷的控制，確保最終出廠的產品滿足一定的質量要求或水平，最終滿足產品規(guī)格與客戶的需求。
可靠性（Reliability）的衡量指標與控制方法
剛才講到，質量關注缺陷，那么可靠性則是關注可維修系統(tǒng)的失效（或者故障）。一般在汽車行業(yè)用失效率（為了便于統(tǒng)計，汽車行業(yè)很多用失效數(shù)如F/U（單機失效數(shù)）、IPTV（Incidents Per Thousand Vehicles即千臺失效），3MIS (Month inService)或12MIS等）來衡量。
對一個產品來說，我們需要一個好的可靠性設計，保持失效率在比較低的水平，即上述的浴盆曲線相對豎軸的指標比較低（但也不是越低越好，因為失效率到了一定程度，再要降低，可能帶來成本的激增。所以可靠性的目標需要在開發(fā)周期與成本之間進行平衡）。但是很多企業(yè)如整車企業(yè)，可能無法獲得過保之后的數(shù)據(jù)，所以我們一般關注三包期內的失效率情況，或者用三包期內的數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計分析來評價失效率水平，即產品的可靠性水平。
當然，這里面還有一個概念叫使用率，下面我們用汽車為例來解釋一下。簡單來說，就是一個批次的汽車在特定使用情況下（如家用或出租）年平均使用里程。很多企業(yè)只用失效率來衡量汽車的可靠性，這在同樣的使用率情況下是可以的，但是如果汽車年均使用里程不同，就不能只通過失效率來衡量，因為理論上來說，使用越多，失效數(shù)也會越高。這個也比較好理解，下面我們舉個例子來說明一下。如我們比較兩個車的可靠性水平，A車用于家用，一年平均使用里程2萬公里，失效數(shù)（實際應用中我們一般用失效數(shù)而不是失效率，以便于統(tǒng)計，以下同）均值為1.5個/臺。B車用于出租車，一年平均里程10萬公里，失效數(shù)均值為3個/臺，如果只比較失效，B的可靠性不如A，因為一年下來，B的失效為3個/臺，比A的失效高。但是如果我們考慮了使用里程，就會發(fā)現(xiàn)A車運行了2兩萬公里就有1.5個失效，而B車運行了10萬公里有2個失效，顯而易見，B的可靠性比A要好。這里就需要引入另外一個概念，MTBF(Mean Time Between Failure)或MKBF (Mean KilometerBetween Failure)，即平均失效間隔時間/里程，這個理論上的定義是使用率/失效率，可以衡量產品的絕對可靠性。一般來說，同類產品，MKBF越高，說明可靠性水平越好。這個也是可靠性常用的指標。
那么產品的可靠性如何來控制呢？經過國外多年的發(fā)展，已經形成了一套比較完善的控制流程，這個可能每個企業(yè)叫法不太一樣，如可靠性增長流程（RGP-Reliability Growth Process，或可靠性設計流程（DFR-Design For Reliability）。
簡單來說，傳統(tǒng)的汽車開發(fā)對于產品的失效控制是比較被動的，往往都是在產品試驗出了故障，或者在使用過程中出了故障再去改進。如果等產品出現(xiàn)了故障再去解決，需要花費大量的人力、物力與時間?？煽啃栽鲩L實際上是一種預防性的手段，即如何通過合理地設定產品可靠性目標，在產品開發(fā)的規(guī)劃階段制定合理的預防性措施，并在產品設計階段就能夠識別可能存在的失效風險，并通過有效的預防性措施來盡可能控制失效，減少產品在試驗與試用過程中的失效。另外既然我們定義了可靠性的衡量指標，就需要在產品的可靠性設計與驗證過程中來量化追蹤指標，否則指標的確定就是一個噱頭而已！大家都知道，產品的性能是比較容易追蹤的，傳統(tǒng)的仿真手段與試驗手段可以分析與測量各種不同的整車性能，如動力性、經濟性、安全性、各種力學性能如剛度、模態(tài)、動力學、NVH等等，但是失效率一般來說很難通過仿真手段模擬出來，一般通過統(tǒng)計或者壽命預計等方法來進行計算在一定置信度下的概率水平。所以完善的可靠性增長的流程除了提供了一套完整的控制流程之外，一般還提供了對于可靠性指標在設計與試驗過程中量化追蹤的方法，使得在產品開發(fā)的各個階段能夠實時地知道產品的可靠性達到什么水平！
下圖展示了一個典型的可靠性設計流程實例以及相關技術。
在國內尤其是汽車行業(yè)，目前大多數(shù)企業(yè)還沒有形成自己完整的可靠性流程。很多企業(yè)其實也在產品開發(fā)的一些環(huán)節(jié)局部開展了一些工作，如FMEA (Failure Mode and Effect Analysis)、可靠性試驗驗證等，但是沒有通過一套有效地可靠性流程將相關的工作串起來，不清楚各個工作之間的關聯(lián)，另外也缺乏有效的手段在產品開發(fā)過程中追蹤可靠性水平，逐步提高產品可靠性。同時有一點需要說明，可靠性體系的建立不是一朝一夕之功，需要企業(yè)不斷積累與完善，畢竟可靠性不是某一兩個部門的職責，而是需要各個相關職能一起參與，融入產品開發(fā)流程，才能夠真正地發(fā)揮其作用。
耐久性 (Durability)的衡量指標與控制方法
對耐久性而言，在此提一下兩個方面。一個是零部件的耐久性問題，其實就是單個零部件的壽命問題。另外一個是系統(tǒng)（如整車、發(fā)動機等）的耐久性問題。
對于單個不可修零部件而言，不存在維修問題，所以也不存在平均維修間隔里程等，所以不能用失效數(shù)或者MKBF等可靠性指標來衡量，而應該通過零部件的壽命來衡量，B10壽命（即10%的零件失效后對應的壽命或里程）或者可靠度是比較常見的指標。反過來，零部件到了一定里程對應的失效百分比就是不可靠度（可靠度=1-不可靠度）。這里要說明一下，B10壽命只是一個特征壽命，不代表零部件的設計壽命，比如某個零部件的B10壽命是5萬公里，不代表零部件設計壽命是5萬公里。
對于系統(tǒng)的耐久性問題，上面我們也說了，其實關注的也是壽命問題，如我設計一個產品如整車也好、發(fā)動機也好，它的使用壽命究竟應該是多少？上面我們討論了可靠性問題，我們通過可靠性設計流程或增長流程，提高了汽車的可靠性，不代表汽車的壽命就達到了要求。所以我們除了降低汽車的失效率水平外，還得考慮設計合理的汽車壽命。當然壽命不是越長越好，這個結合汽車的市場定位與使用的要求來考慮。比如乘用車的設計壽命，與商用車的設計壽命，肯定是不一樣的。
對于單個零部件或者不可修系統(tǒng)而言，壽命比較好理解。那么接下來的問題是，系統(tǒng)級別的壽命如何來評價呢？我們還是以汽車為例來說明這個問題。一般來說，在汽車保修期內出現(xiàn)的零部件失效（零部件壽命或性能退化問題），帶來了產品（如整車）的維修問題，但是不影響整車的使用（如整車換了一些易損件還可以繼續(xù)開），這些易損件實際上影響的就是產品的可靠性。而一些關鍵零部件，如汽車發(fā)動機5C件（曲軸、連桿與凸輪軸等），底盤關鍵零部件等，發(fā)生損壞后，整車就要大修，整車壽命基本上就到了（參見上面浴盆曲線的最右邊那個拐點）。這些零部件的失效影響的是整個產品的耐久性或者產品使用壽命。
那么如何通過這些關鍵零部件的壽命來評估產品的壽命呢？不同的產品可能不一樣，對于汽車而言，一般來說不會是所有關鍵零部件都損壞了，整車壽命才到。一般來說，可能是一個關鍵零部件到壽命了，整車壽命也就到了，或者某幾個零部件到了壽命，認為整車的壽命就到了。如果是前一種情況，那么這些關鍵零部件中壽命最短的那個零部件壽命，就是整車的壽命。如果后一種情況，就需要通過分析是否有串并聯(lián)關系來通過可靠性建模預測整車壽命。
下圖展示了壽命設計的典型流程。
要評估整車壽命，需要先評估關鍵零部件的壽命。關鍵零部件的壽命一般很難通過三包數(shù)據(jù)或者售后數(shù)據(jù)獲得，因為很少有企業(yè)會追蹤產品整個生命周期的失效數(shù)據(jù)，尤其對于汽車等長壽命的產品。當然，我們也了解到某些企業(yè)試圖通過抽樣的方法，追蹤部分產品全生命周期的失效，目前都沒有獲得好的結果，因為這個成本是非常高的，而且不太容易追蹤。但是對于這些關鍵零部件，我們通?？梢垣@得零部件在試驗臺架上的壽命數(shù)據(jù)（一般來說，由于這些關鍵零部件壽命都比較長，正常的載荷下壽命測試不太適用，比如一個零件設計壽命為10年，你不可能花10年時間去測試這個產品。所以一般通過加速壽命試驗的方法來獲得零部件壽命的數(shù)據(jù)，然后再等效到實際使用載荷下的零部件壽命，再通過壽命數(shù)據(jù)分析（如Weibull的方法）評估零部件的壽命。有了這些關鍵零部件壽命，我們可以評估整車的壽命。當然，有的時候我們可能會發(fā)現(xiàn)零部件壽命設計不足，或者壽命太長，這樣就會給我們指明一個方向，是繼續(xù)提升零部件壽命，還是通過壽命設計優(yōu)化，解決過設計的問題，以降低零部件的成本。
總結
本文從定義、相關衡量指標以及控制流程與方法上對質量、可靠性與耐久性做了一個總體的闡述。下面通過下表做個總結。
縮略語（按文章內出現(xiàn)順序）
QFD: QualityFunctionDeployment，質量功能展開，一種將主觀客戶需求轉換成產品特性的方法與流程
APQP: Advanced Product Quality Planning，產品質量前期策劃。是質量管理體系的一部分。一種用來確定和制定確保某產品使顧客滿意所需步驟的結構化方法。目標是促進與所涉及每一個人的聯(lián)系，以確保所要求的步驟按時完成。有效的產品質量策劃依賴于高層管理者對努力達到使顧客滿意這一宗旨的承諾。
ISO: International Organization forStandardization，是一個全球性的非政府組織，是國際標準化領域中一個十分重要的組織。
DFSS: Design For Six Sigma，即六西格瑪設計，公認的一種實現(xiàn)高質量和營運優(yōu)越的高效工具。
DMAIC: Design, Measure, Analysis, Improveand Control, 六西格瑪管理中流程改善的重要工具，一般用于對現(xiàn)有流程的改進，包括制造過程、服務過程以及工作過程等等
FMEA: Failure Mode and Effects Analysis，即潛在失效模式及后果分析。FMEA是在產品設計階段和過程設計階段，對構成產品的子系統(tǒng)、零件，對構成過程的各個工序逐一進行分析，找出所有潛在的失效模式，并分析其可能的后果，從而預先采取必要的措施，以提高產品的質量和可靠性的一種系統(tǒng)化的活動。
D-FMEA：Design FMEA，即設計FMEA。在產品設計階段開展的FMEA工作。
P-FMEA：ProcessFMEA，即工藝FMEA。在過程設計階段開展的FMEA工作。
PPAP：Production PartApproval Process，即生產件批準程序。PPAP規(guī)定了包括生產件和散裝材料在內的生產件批準的一般要求。PPAP的目的是用來確定供應商是否已經正確理解了顧客工程設計記錄和規(guī)范的所有要求，以及其生產過程是否具有潛在能力，在實際生產過程中按規(guī)定的生產節(jié)拍滿足顧客要求的產品。
PPM：Parts Per Million，即百萬分率的缺陷率。
CPk：Complex ProcessCapability index 的縮寫，是現(xiàn)代企業(yè)用于表示制程能力的指標。指工序在一定時間里，處于控制狀態(tài)(穩(wěn)定狀態(tài))下的實際加工能力。它是工序固有的能力，或者說它是工序保證質量的能力。CPK值越大表示品質越佳。
GR&R：Gauge repeatability&Reproducibility，評價量具的重復性和再現(xiàn)性。目的是借助量具量測數(shù)據(jù)，驗證量具是否可靠，是否好用，還可以計算出量具的量測誤差。
F/U：Failure per Unit, 單機失效數(shù)。用來衡量產品在一定時間內的平均到單臺產品的失效數(shù)量，是衡量產品可靠性的一個重要指標。
IPTV：Incidents PerThousand Vehicle，每千輛車故障率。在汽車行業(yè)用的比較多，也是衡量整車可靠性的一個重要指標。
MTBF/MKBF：Mean Time BetweenFailure/Mean Kilometer Between Failure，即平均故障間隔時間/平均故障間隔里程。是考慮了使用率情況下產品可靠性的指標，一般來說，MTBF/MKBF越大，表示可靠性越好。
RGP：ReliabilityGrowthProcess，即可靠性增長流程。一種系統(tǒng)的可靠性流程，實現(xiàn)產品在整個設計周期中可靠性提升。
DFR：Design forReliability，即可靠性設計流程。一種系統(tǒng)的可靠性設計流程，實現(xiàn)產品在整個設計周期中可靠性提升。
NVH：Noise, Vibration andHarshness，即噪聲、振動與聲振粗糙度的英文縮寫。車輛的
NVH問題是國際汽車業(yè)各大整車制造企業(yè)和零部件企業(yè)關注的問題之一。有統(tǒng)計資料顯示，整車約有1/3的故障問題是和車輛的NVH問題有關系，而各大公司有近20%的研發(fā)費用消耗在解決車輛的NVH問題上。
FTA：Fault Tree Analysis，即故障樹分析。又稱事故樹分析，是可靠性、安全性系統(tǒng)工程中重要的分析方法之一。事故樹分析從一個可能的事故開始，自上而下、一層層的尋找頂事件的直接原因和間接原因事件，直到基本原因事件，并用邏輯圖把這些事件之間的邏輯關系表達出來。
BxLife，即Bx壽命。其稱謂的來源無從考究，普遍認為B代表Bearing(軸承)，另一說是B代表德文的"Brucheinleizeit"(進入失效的初始時間)。當x等于10時稱為B10壽命，表示10%的零部件發(fā)生失效對應的壽命，是衡量零部件特征壽命的一個重要指標。
SPoF：SinglePointofFailure，即單點失效模式。一般指一旦失效會導致于整個系統(tǒng)無法使用的元件。在壽命設計中，我們需要分析某個元件可能存在的各種單點失效模式，然后分析其可能導致的原因以及使用工況，為壽命設計模型的選擇，以及后續(xù)的壽命評估提供依據(jù)。
ALT：AcceleratedLiftTest，即加速壽命試驗。加速壽命試驗是指采用加大應力的方法促使樣品在短期內失效，以預測在正常工作條件或儲存條件下的可靠性，但不改變受試樣品的失效分布。對于壽命比較長的零部件，一般通過ALT方法來進行壽命測試。
AF：AccelerationFactor，加速因子。加速因子是加速壽命試驗的一個重要參數(shù)。它是加速應力下產品某種壽命特征值與正常應力下壽命特征值的比值，也可稱為加速系數(shù)，是一個無量綱數(shù)。加速因子反映加速壽命試驗中某加速應力水平的加速效果，即是加速應力的函數(shù)。
來源：AnyTesting
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