第八章 可靠性试验

《第八章 可靠性试验》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第八章 可靠性试验（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、可 靠 性 设 计 第 八 章 可靠性实验、验证及评定 为了评价、分析或提高产品（包括系统、设备、元器件、原 材料）可靠性而进行的试验，称可靠性试验。 可 靠 性 设 计 可靠性试验的目的： 是对产品的可靠性进行调研、分析和评价的一种 手段，也是提供和保证可靠性的一个重要环节。 （1）研制阶段使产品达到预定的可靠性指标 在不同应力条件下，测定产品的可靠性特征值， 掌握产品在各种应力条件下的寿命分布模型。通过实 验找出产品在原材料、结构、工艺和适应环境的能力 等方面所存在的问题。 可 靠 性 设 计 （2）产品研制定型中，进行可靠性鉴定 判断产品的设计和生产工艺是否符合可靠性要求 ，确定能否进行

2、批量生产。 （3）产品的生产过程中控制产品的质量 可 靠 性 设 计 8.1 可靠性试验分类及方法 一、可靠性试验的分类 按试验项目 筛选试验 环境试验 可靠性增长试验 寿命试验（可靠性的评价试验） 可靠性提高试验 可 靠 性 设 计 1、可靠性筛选试验 （1）定义：在产品制造过程中，将不符合要求的 产品（包括成品、半成品）剔除，而将符合要求的 产品保留下来的试验过程称为筛选。 注意在产品制造过程中，对各种工艺 质量的检验，成品、半成品的性能参 数测试都要进行筛选。 （2）目的：剔除早期失效的产品。 （3）筛选应注意的问题： 可靠性筛选可以提高一批产品使用的可靠性，但并不能 提高每一个产品的固

3、有可靠性，因为筛选不能改变失效 机理而延长任何单个元器件的寿命，它只是剔除早期失 效的产品后使剩下产品的平均寿命比筛选前平均寿命提 高了。 可 靠 性 设 计 筛选不同于质量验收。质量验收是通过抽样检验判定一 批产品是否合格从而决定接收或拒收，而筛选是对于合 格产品100%地进行试验，以剔除早期失效产品 筛选应力要选择好，不要对好产品造成损伤。 虽然可靠性筛选要付出相当代价（材料、时间即金钱 ）但与筛选带来的好处相比，这种代价是值得的。 元器件用于消费者产品，在其购进时，找到它失效且抛掉它仅损失2美元，但在现场使用时发 现它失效且抛掉它就要损失50美元。前后者相差近25倍。航天设备相差更大。

4、可 靠 性 设 计 （4）常用的筛选方法： 环境应力(该应力主要用于激发故障，而不是模拟使用环境）筛选：包括随机振 动、离心加速度，机械冲击，温度循环等。 如航天部有些单位采用了高效应力筛选，把有效性最高 的温度循环和随机振动结合起来取得了很好的效果。 寿命筛选：如用高温贮存促使早期失效， 产品提前失效等。 通过向产品施加合理的环境应力，将其内部的潜在 缺陷加速变成故障。 可 靠 性 设 计 2、环境（使用环境）试验 通过实验结果对故障特征机理进行分析，找出改 进措施，进一步提高产品可靠性。使产品可靠性接近 设计规定固有可靠性水平。 众所周知，产品的使用环境对其可靠性影响很大 ，所以要进行环境

5、适应性试验。 （1）环境条件 气候环境条件 温 湿 气 风 雨 雪 水 露 霜 沙 盐 油游离等 度 度 压 雪 尘 雾 雾气体 可 靠 性 设 计 机械环境条件 振 冲 离 碰 跌 摇 静 失 声 爆 冲等 动 击 心 撞 落 摆 力 重 振 炸 击 辐射条件 生物条件 电磁条件 人为因素 可 靠 性 设 计 （2）环境试验方法 现场使用试验 当一些产品在样机研制完成之后，必须经过一段 时间的现场使用考验，才能大批生产。 这个现场使用试验取得的数据可真实地反映产品 在实际使用条件下的可靠性，但是周期长，花费大， 故有一定局限性，用于重要产品。 天然暴露试验 把样品长期暴露于天然环境，样品可处

6、于工作负 荷状态或贮存状态，通过定期观测去取得产品各参数 ，性能和外观的变化。 可 靠 性 设 计 人工模拟试验 人工模拟试验是人工控制条件下的试验，是在试 验箱内或试验台上进行的。 这种方法经常应用于产品制造厂家，具体试验方 法参照有关(GB、GJB等)标准。 可 靠 性 设 计 3、可靠性增长试验 为暴露产品可靠性的薄弱环节，并证明改进 措施能防止薄弱环节再出现而进行的提高可靠性 的一系列试验。 从研制初期到批量生产过程中的一系列实验：实 验分析改进过程。在该过程中可靠性一直在 增长。 可靠性增长试验对象是经环境试验的样机或是生产的样品。在真实或模拟真实的环境条件下 对产品进行正规试验。

7、是指通过逐步改正产品设汁与制造中的缺陷，不断提高产品可靠性的过程。 可 靠 性 设 计 可靠性增长模型： 为了实现对可靠性增长的管理, 需用数学模型对增 长速度作评估。 常用模型很多, 下面介绍三种模型。 （1）Compertz 增长模型 Compertz 增长模型是时间序列分析中用来反映增 长趋势的一种工具。 特点： 这模型开始增长较快, 以后逐步减慢, 最后趋于一 个极限。 可 靠 性 设 计 在实际工程中,用Compertz 增长模型曲线调整管理计 划、改进研究策略,使产品可靠性增长符合预期要求。 （2）Duane （杜安）增长模型 Duane 增长模型是1962年美国通用电气公司 (J

8、.D.Duane)提出的。主要用于电子、机械系统的研制 实验。 （3）AMSAA 增长模型 AMSAA 增长模型是由美国物资系统分析中心 L.Crow提出的，它是根据Duane 增长模型改进而来。 可 靠 性 设 计 AMSAA 模型与Duane 模型具有内在联系,但 AMSAA 模型可以直接用试验原始数据(试验时间与失 效数)，计算较为简单，也更精确。因此,目前工程上广 泛采用AMSAA 模型。 可 靠 性 设 计 4、寿命试验和加速寿命试验 寿命实验是评价分析产品寿命特征的试验。通过寿 命试验可以获得失效率、平均寿命等可靠性特征量。 加速寿命试验就是在不改变产品失效机理、不引入 新的失效因

9、子的前提下，提高试验应力，加速产品失效 进程，再根据加速试验结果，预计正常应力下的产品寿 命。 这种试验可以用较短的时间快速的评价产品的可靠性。 模仿正常工作应力进行的寿命试验，需要较长的时间，代价很高。 可 靠 性 设 计 如钟表发条的拉平试验就是一种加速试验（因为它 试验中施加的应力远远大于正常工作时承受的应力，任 何钟表工作中发条都不会出现被拉成直线的状态）。 分类： 恒定应力加速寿命试验 将试样分几组，每组固定一个应力 水平进行实验。 特点：数据容易处理,外推准确性较 高，常用。但试验时间较长。 可 靠 性 设 计 步进应力加速寿命试验 序进应力加速寿命试验 试验过程中应力随时间分阶段

10、逐步增强 的试验。 特点： 预计精确性低。（因为这种方法忽略了低一级应力试验对高一级应 力试验的影响，这是不符合实际情况的） 其试验周期短，故常用于定性分析场合。 试验过程中应力随时间等速连续增强的 试验。 特点： 试验周期短，但需要有专门的程序 控制设备，数据处理复杂。很少用 。 可 靠 性 设 计 二、寿命试验设计 1. 寿命试验设计需要考虑的问题 试验目的： 目的不同，试验样品、应力、时间的要求不同，分 析方法不同。 寿命试验主要有以下三种用途： ()可靠性测定： 即确定产品的寿命分布、失效率、平均寿命等参数。 (ii) 可靠性验证： 判断某批产品能否符合规定的可靠性要求。 可 靠 性

11、设 计 (iii) 可靠性鉴定： 鉴定产品的设计和生产工艺是否能生产出符合可靠性 要求的产品。 试验条件及失效判据标准的确定。 试验样品的选取及其抽样数。 注意： 寿命试验样品必须在经过筛选试验和例行试验后的合 格批产品中抽取。 试验的测试项目及测试设备。 试验的测试周期及截止时间的确定。 可 靠 性 设 计 试验结果的数据处理方法。 总而言之进行一次寿命试验要化费大量的人力物 力和时间。因此，在试验未进行前应周密确定好以上 六方面问题。 2. 寿命试验的设计 由于时间关系，我们仅举例讨论产品的寿命分布服 从指数分布的测试周期，投试样品数量及试验截止时间 的设计确定。 产品累积失效概率分布函数

12、： 可 靠 性 设 计 （1）产品寿命试验周期 测试时间ti: 例8-1 某种开关管寿命分布服从参数为的指数分布，从摸 底试验知其在300下的平均寿命约80小时，在250下 约为300小时，在200下约为3000小时。现作300、 250、200下的贮存试验，要求在测试过程中得到的 累积失效概率分别为4%,10%,2%,40%,60%,求测试时间 安排（测试周期）。 可 靠 性 设 计 为了工程使用方便，我们分别取F(t)为2%，4%， 6%70%等值，求出相应的t/值，见表8-1。 各种情况的测试时间见表8-2。 可 靠 性 设 计 （2）产品寿命试验的投试样品量 试样数大于20时，投试样品

13、量n为： 例8-2 已知上述产品平均寿命约为3000小时，希望在 1000小时试验中观察到r = 20个失效，求应投入试验 的样品数目。 解： 求F(t) 累积失效概率 查表8-1得： F ( t ) = 28% 可 靠 性 设 计 3、产品寿命试验的截止时间 截止时间与样品数及希望达到的失效数有关： 试验时间： 截止时间与产品累积失效概率有关 求投入试验的样品数 20 应投入试验的样品数为71个。 可 靠 性 设 计 例8-3 已知上述产品投入贮存寿命试验。从摸底试验知 ：其产品在300,250和200下的平均寿命分别约为 80小时、300小时和3000小时（同例1），求使累积失效 概率达到

14、60%时，上述各温度下贮存寿命试验的截止时 间。 解：(1) 求300时的截止时间 可 靠 性 设 计 (2) 求250时的截止时间 (3) 求200时的截止时间 以上所用公式并不适用于一切产品，各种不同寿命 分布的产品有各自的公式,这些公式是根据各自的寿命分 布函数进行数学推导。 可 靠 性 设 计 从例8 3 我们可以清楚地看出：当产品在200温 度下试验时需近四个月（三班倒），需2749小时，可 达到60%产品失效。 而在250同样达60%产品失效只要近11天半（三 班倒）274.9小时。 而上升到300,同样效果仅需3天（三班倒）73.3小时。 因此，为了用较短的时间评价产品的可靠性，

15、我 们要研究和使用加速寿命试验。 可 靠 性 设 计 三、加速寿命试验设计 我们主要考虑恒定应力加速寿命试验 1、 加速应力类型S 的选择 对某一产品选什么作加速应力？是温度？振动？ 还是？ 2、 确定加速应力水平（S1, S2, ，SK） k不能小于4，但也不宜很大。 Smax和Smin之间应有较大间隔以保证试验的准确性 。 可 靠 性 设 计 其中应力应接近或等于产品工作的额定值，Smax, 不得大于产品结构、材料和制造工艺所能承受的极 限应力，以免带来新的失效机理。 3、试验样品选择 随机抽取。 等分k 组，每组样品一般不少于10只 4、 确定测试周期和停试时间 可 靠 性 设 计 8.

16、2 可靠性数量指标验证 当一个产品的失效概率函数（即失效分布）已知时，它的可靠性指标，如可靠度，失效率 ，平均寿命（MTBF或MTTF），可靠寿命（当可靠度为一确定值r 时的寿命）等均可求出。每 一批产品，实际上都存在着这样一个失效概率函数。生产方无论如何也不可能向对方提供出这 样一条精确的曲线。 如何来判定批量产品的可靠性指标？ 抽样试验的方法来评估该批产品的可靠性指标。 以子样的每一个产品的试验结果来推断母体产品的 有关可靠性指标。 可靠性评估的方法： 可 靠 性 设 计 (1) 点估计 矩法 极大似然法 特点：简单、精度低 (2) 区间估计 特点：复杂、精度高 点估计：从一组观测值中计算的一个数，用以表示对总体参数的估计。不足在于，抽样不同，估计值不同 。 区间估计：进一步对估计的数用可靠的概念确定一个区间，说明该区间包含总体参数的概率大小。 可 靠 性 设 计 （假定身高服从正态分布 ） 设这5个数是: 1.65