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产品可靠性
引言:就目前中国企业产品与国外领先企业产品的差距而言,已经不主要是功能和性能的差距,而主要是核心技术的差距,还有就是质量和可靠性方面的差距。作为时间维度上的质量,可靠性的差距是最明显的,是最影响用户信心的,应该也是产品质量方面最难以解决的。
 
为何经不起时间的考验
最近一两年,国外品牌产品在国内市场呈现升温趋势,这当中包括手机、平板电视、音响、冰箱等电子产品,电脑、MP3/MP4、ERP系统等IT产品,汽车、纺织设备、机床等机电产品等。其中一个关键的原因就是很多中国企业产品的可靠性比较差。
所谓产品可靠性(Reliability) 是产品在规定的条件和规定的时间完成规定功能的能力。规定的条件包括环境条件(气候、机械、化学、电磁等)、负荷大小、工作方式等,规定的时间是指在产品有效寿命期间内的某个时间点或时间段,规定的功能即用户需要的产品功能。
可靠性是在时间维度上的质量,以时间领域的失效作为判据。产品可靠与否需要在应力和时间的共同作用下考核,可靠性可以认为是产品在运行过程中质量的一种度量。
中国企业的产品往往功能上比较完整,甚至比国外产品功能还多,有的性能指标还超过了国外的产品,最大的问题就在于核心技术和质量不行,尤其是产品可靠性比较差,随着时间的推移,零部件失效问题比较严重,产品故障频发。例如,多年来,国产机床可靠性问题突出,严重影响了国内外市场竞争中的声誉,甚至使许多国有大中型机床企业长期处于困境。
为何很多中国企业的产品质量经不起时间的考验,即产品可靠性差呢?
首先,因为企业并不重视质量和可靠性。企业片面追求规模和短期利益,没有把质量和可靠性摆到战略的高度,只是在市场上出现了质量问题时才想办法救火。中国企业目前普遍都对营销和品牌非常重视,但忽视了一个前提:营销和品牌是以产品为基础的,产品则是以质量为基础的,没有了质量和可靠性,一切皆为空谈。
其次,企业可靠性设计水平低,没有实施可靠性工程,缺乏可靠性应用经验。很多企业基本上没有进行可靠性设计,或者只是采用一些传统的可靠性技术,如老化试验等方法,说到底是在产品后期进行的“筛选”方法。而目前主流的可靠性设计技术,强调在设计阶段就保证产品的可靠性,比如跨国公司在开发电子产品时,就大量采用了容差分析技术、降额设计、EMC分析、电应力设计、热设计等可靠性设计技术,从而大大提高了电子产品的可靠性,带来了非常好的经济效益。而且国际领先的大公司,对这些设计方法均有专业团队来保障,而国内只有少量企业配备了可靠性方面的专业人员。
要保障产品可靠性,不仅需要进行可靠性设计,还需要开展物料选型及认证、可靠性测试、可靠性试验、失效分析等工作,并建立相应的组织及流程,实施可靠性管理,是一项系统工程。纵观国内企业,系统实施了可靠性工程的只是极少数,很多企业连局部工作也未开展。
再次,采用过多的新设计和新技术导致可靠性差。国内企业普遍缺乏平台化设计,再加上研发人员喜欢求新求异,不容易看上别人设计的东西,在新产品开发时采用大量新设计和新模块,重用率很低,带来不稳定因素的增加。鉴于大部分企业技术开发与产品开发未分离,在产品开发时需要对一些关键技术进行攻关开发,无法应用成熟的技术,给产品带来了不可靠的隐患。还有,很多中国企业出于赶超国外产品的意图,往往对新技术应用很大胆,不像国外先进企业对新技术要进行验证,确认成熟可靠后才应用,这也给产品可靠性带来了很大的风险。
另外,企业片面追求产品功能多样,导致可靠性变差。不少消费者反映,以前的国产单碟DVD播放机还是比较稳定的,后来的三碟机就老出问题。随着功能的增多,设计点增多,需要对更多的因素加以控制,否则产品可靠性会变差,这是符合产品开发规律的。问题在于很多国内企业为了增强产品吸引力,往往片面追求功能的多样性,甚至弄一些花里胡哨的功能,但又缺乏可靠性控制的能力,最后反而因产品可靠性差影响产品和公司的信誉和形象,真是得不偿失。
 
从哪里抓起
产品可靠性作为一个由设计、制造、使用、维修、外购零部件等多方面组成的一个庞大系统工程,可以说是企业产品质量方面最难啃的骨头,让不少企业产生了畏难情绪,不知道怎样下手,只能头痛医头,脚痛医脚。
可靠性工作比较复杂,需要长期积累经验教训,企业应该遵循分步实施的原则,结合企业的实际情况,找到切入点。
抓可靠性可以从元器件抓起。
 数据显示,整机的故障中有70%左右是由外购件、外协件、配套件这些外购外协件引起的,每个企业具体情况会有所不同。而且产品一旦选用了一个厂家某物料,其质量、成本、可采购性基本上60%都已固化,后期的一系列改进、保障策略所达到的效果只能占到40%,所以物料选型影响重大。
物料选型与认证是一项产品工程,如何确定物料的规格,如何识别不同厂家的物料优劣,如何对物料厂家进行认证,如何监控物料厂家的质量波动,这些专项技术,在国际领先公司都有专业的团队来进行研究,并有系统化的流程保障物料选用,而目前国内企业普遍比较薄弱,因此从物料选用开始,产品质量及可靠性就和业界领先公司拉开了差距,可以说是输在了起跑线上。
外国有些企业将零部件分为致命件、重要件、一般件3个等级,重点关注致命件的可靠性。这种分类法值得国内企业借鉴,抓元器件的可靠性首先可以从致命件开始。
抓可靠性可以从可靠性测试抓起。
对于国内很多企业来说,还不具备开展可靠性设计的能力,那么可以先开展可靠性测试方面的工作,了解产品可靠性的状况,暴露可靠性问题,尽量将故障消灭在产品出厂前。
可靠性测试需要注意实验室试验与现场测试并重,要以现场测试为主。现场是真实使用的场所,影响可靠性的因素更复杂,温度、湿度、振动等与实验室的情况完全不同,现场是暴露可靠性问题最重要的场所。现场测试要制订随机抽样规则,与用户配合好,要反映真实使用质量的情况,特别是失效分析,有些要带到实验室外进行跟踪试验,不仅测试自己的产品,也要测试同类国内外竞争对手的产品,以查找原因,找到如何提高产品可靠性的办法。
抓可靠性可以从失效分析抓起。
通过对开发、测试、小批量试产,量产阶段、用户现场的器件失效分析,找到失效的根本原因和改进措施,及时纠正和预防失效的发生。发现问题越早,解决问题的成本也就越低,因此即使是开发调试过程中出现的个别器件失效,也要进行彻底的失效分析,明确失效机理,进而采取对应的解决措施。
一家电子设备企业深受产品可靠性问题的困扰,通过失效分析工作,找到了很多产品故障的原因,经过设计改进和过程控制措施,使产品故障率大幅降低。如经过对某产品的返修单板进行分析,发现大部分返修单板均是某接口器件失效,对器件进行解剖后,在金相显微镜下观察,发现器件失效的原因是EOS导致内部铝线融化,该EOS能量较大。进一步分析和该铝条相连的管脚电路应用,发现电路设计应用不当,没有采用保护电路,在用户现场带电插拔产生的电浪涌导致该器件失效。通过模拟试验再现了失效现象。通过对该单板增加防护电路设计和热插拔设计,问题没有再发生。
以上是企业在产品可靠性方面可以率先开展的工作。按照“先人后事”的原则,在抓这些工作之前,更为优先的工作应该是设立相应的组织机构或安排相关专业人员,逐步打造一支可靠性专业团队。
 
工欲善其事,必先利其器
可靠性是专业性很强的工作,在可靠性工程的每个环节,包括可靠性设计、可靠性测试、失效分析、可靠性预计、物料选型及认证等,都需要借助相关的方法及工具。事实上,如果没有专业的方法和工具的支撑,要开展有效的可靠性工作几乎是不可能的,所以,首先需要掌握和应用这些方法及工具。结合产品及生产的过程,所用到的可靠性方法及工具如图3所示:
图3 可靠性的方法及工具
 对于这些可靠性方法和工具,真正掌握并有效应用在实际工作的企业很少。以FMEA(failure mode and effect analysis),即失效模式和影响分析为例,相信很多企业都有所了解,一些企业已经将之引入到设计和工艺过程,但流于形式的居多。
 FMEA是一种可靠性分析及管理的重要方法。它实际上是FMA(故障模式分析)和FEA(故障影响分析)的组合。FMEA的基本原理就是对产品所有可能产生的故障和可能造成的危害进行分析预测,并按照严重程度、检测难易程度和发生的频率对这些故障进行分类归纳分析。
FMEA实际是一组系列化的活动,其过程包括:找出产品/过程中潜在的故障模式;根据相应的评价体系对找出的潜在故障模式进行风险量化评估;列出故障起因/机理,寻找预防或改进措施。由于产品故障可能与设计、制造过程、使用、承包商/供应商以及服务有关,因此FMEA又细分为设计FMEA、过程FMEA、使用FMEA和服务FMEA四类。其中设计FMEA和过程FMEA最为常用。
FMEA的内容主要包括如下几部分:
  1. 失效模式分析(Failure Mode Analysis),确定系统内不同结构层或功能层次的失效模式。
  2. 失效影响分析(Failure Effect Analysis),对每一个失效模式,确定其失效对其上一层模组及最终系统的失效影响,了解其组件界面失效关联性,作为改进的依据。
在具体实施时,通常的做法是依据企业的实际情况设计相应的FMEA表格协助工程师进行工程分析,使其在工程设计早期发现潜在缺陷及其影响程度,及早谋求解决之道,以避免失效的发生或降低其发生时产生的影响。
 
成功实施FMEA是一项颇具挑战性的工作,以下是需要重点关注的因素:
系统分析。FMEA的核心是对特定系统进行分析研究,确定怎样修改系统以提高整体可靠性,避免失效。FMEA的质量取决于分析的系统性、深入程度和准确性,这是需要相关专业人员花大量时间研究的,决不能浅尝则止,流于表面。
及时性。FMEA是一个“事前的行为”,而不是“事后的行为”。为达到最佳效益,FMEA必须在故障模式被纳入产品之前进行。
交叉技能。企业在实施FMEA时,由一个跨部门的团队共同分析是很有必要的。团队各成员来自各职能领域,保证专业能力互为补充。
客户需求。FMEA需要紧紧结合客户需求,以准确定位失效分析的对象和判断失效的影响,所以在具体的实施过程中,一定要注意保证客户需求信息的通畅。尤其是客户需求一定要来源于市场,切忌由研发人员来主观上做出判断。根据以往的经验总结,很多推行FMEA效果不佳的企业,一个主要的原因是对于客户的需求不了解,研发人员长期积累下来的“主观判断”很多和实际的客户需求是相悖的。
短期成效。FMEA需要有计划分阶段的逐步深入,在实施过程中不断取得短期成效和进展,让实施人员获得持续的成就感,保证大家的积极性,为进一步推动实施提供持续动力。
过程总结。在整个FMEA推行过程中,应做好相关的记录和文档,并分阶段地做好经验总结工作,一方面形成企业的知识能力积累下来,另一方面对以后的推行改进提供指导。
与实施FMEA方法一样,实施其它可靠性方法及工具同样需要关注以上因素。当然,还有一点至关重要,那就是反复、认真地使用这些方法,直到熟能生巧。

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