第七章可靠性试验

69第七章可靠性试验可靠性试验是对产品的可靠性进行调查、分析、和评价的一种手段。据美国的经验：大型电子机械系统的首台样机初期的MTBF，通常只有合同或任务书要求的1/10左右。必须通过一系列的可靠性试验，发现、判定产品存在的可靠性薄弱环节，纠正这些可靠性的薄弱环节，使产品的可靠性逐步提高到任务书或合同要求的值。所花试验时间随产品复杂程度及其设计和生产经验而定，一般为产品要求的MTBF的5-20倍，有的达100倍以上。在通过可靠性试验发现的可靠性薄弱环节中，零部件或元器件缺陷，工艺缺陷和设计缺陷，大约各占三分之一左右。第一节可靠性试验的目的与特点一、可靠性试验的目的1.确认是否符合合同或任务书规定的可靠性指标要求2.暴露及发现产品在设计、材料、工艺及管理方面的各种可靠性薄弱环节3.为采取提高产品可靠性的有效改进措施提供依据二、可靠性试验的特点1.可靠性试验的一般方式：对受试的零部件或系统，在规定的条件下施加一定方式和水平的载荷，使之产生一定程度的变形、疲劳或磨损等，然后观测其性能是否稳定，以及它们随时间的变化关系等，从而判定其可靠性是否达到规定要求。702.试验条件应尽量与实际相一致3.失效的定义及检测方法应事先规定三、可靠性试验与产品例行试验的区别1.目的不同例行试验的目的是为产品进出厂验收时，判定其各种性能参数是否符合规定要求提供依据。可靠性试验则对产品是否在以后规定的使用时间内，是否满足要求的可靠性指标的判定提供依据。前者关注的是验收时刻的情况，后者关注的是使用时间内的情况。2.数据处理的手段不同例行试验为性能的通过试验，其数据处理方便简单。可靠性试验需对一批产品的可靠性进行推断，其数据处理一般均需采用数理统计方法。3.由于目的和要求不同，试验方法也不尽相同。四、可靠性试验的一般程序问题的产生和提出确定试验目的试验设计进行试验试验结果数据分析比较试验结果与要求是否相等Yes问题是否解决Yes承认试验结果交付使用NoNo71五、可靠性试验的实施注意事项1.真实性试验结果的正确性：试验条件的控制，试验方法的合理选择和试验的科学管理。2.综合权衡，全面考虑◇成本、时间控制◇可靠性试验尽可能地结合性能试验、环境应力试验和耐久性试验进行◇根据试验对象确定试验的规模和采用的试验方法3.计划性：制定周密、详尽的试验计划，其内容一般包括◇试验目的和要求◇必须进行的试验项目◇根据试验要求确定现有数据、技术资料的作用，确定试验需得到的资料性质、数量及获得的方法和手段。◇试验时间、费用、人员、试验设备和责任◇试验报告的格式和试验方法的校验◇整个试验计划进行状态的管理和资料的保存计划第二节可靠性试验的类型可靠性试验有多种分类方法。一、按试验地点分1.试验室的可靠性试验：在规定的可控条件下进行的可靠性验证或测定试验。试验条件可以模拟现场条件，也可与现场条件不同。2.现场可靠性试验：在现场的使用条件下进行的可靠性验证或测定试验。72二、按加载方式或应力性质分1.恒定应力试验：应力保持不变的试验2.步进应力试验：随时间分阶段逐步增大应力的试验，也称阶梯加载试验3.序进应力试验：随时间等速增大应力的试验三、按产品是否被破坏分1.破坏性试验：样品在试验应力作用下直至失效或破坏的试验。如加速寿命试验，极限条件下试验和环境试验等。2.非破坏性试验：不破坏产品而能获得其可靠性数据的试验。如正常工作试验，存放试验和性能试验等。四、按试验目的分1.可靠性考核试验：确定稳定生产的产品的可靠性是否达到要求的试验。2.可靠性鉴定试验：鉴定新产品和改进设计产品的可靠性是否达到鉴定的标准。3.可靠性测定试验：测定可靠性水平未知的产品的可靠性试验。4.可靠性增长试验：在新产品的研制过程中，一边测定其可靠性，一边进行改进，从而使产品的可靠性逐步增长直至达到设计要求的试验。也称可靠性研制试验。5.寿命试验：为确定产品寿命分布及特征值而进行的试验。6.耐久性试验：为考察产品的性能与所施加的应力条件的影响关系，而在较长时间内所进行的试验。73五、按试验时的应力强度分1.常规可靠性试验：产品在类似或接近实际使用条件下进行试验。试验结果最接近实际情况。试验周期长。2.加速寿命试验：将对产品寿命有影响的主要条件集中，使在短试验时间内不改变失效机理的条件下，用加大应力的方式（载荷浓缩），获得相当常规试验在长时期内得到的试验结果。3.极限条件可靠性试验：对产品施加在实际使用条件下可能遇到的少量的极限载荷（如超转速运转等）进行试验。4.特殊环境可靠性试验：严寒、高温、高湿、低气压和盐雾等特殊环境下进行的可靠性试验。六、按试验规模分1.全数试验和抽样试验2.整机或系统和零部件的可靠性试验七、按试验终止方式分1.定时截尾试验：事先规定一个截尾时间，当试验累积持续时间达到该时间时，试验就停止。其优点是试验能在规定的时间内完成。2.定数截尾试验：事先规定一个截尾失效数，当试验中的相关失效次数达到该数时，试验就停止。3.有替换的截尾试验：试验中如产品发生失效或故障，可用新的产品替换并继续进行试验。74第三节常用的几种可靠性试验简介一、环境应力筛选试验1.试验目的暴露不良元器件或零部件、设计和工艺缺陷等造成的早期失效。一般应用于元器件或零部件的筛选。一般都采用全数环境应力筛选。2.试验程序◇制定环境应力筛选试验程序◇试验程序的设计应着眼于促使产生早期使用中的典型失效，而非对工作环境的准确模拟。当产品同时经受几种环境应力而做综合环境应力筛选有困难时，可顺序地施加不同类型的环境应力。3.试验方案：实施试验程序的方案，一般包括◇施加环境应力的类型、等级、状况及承受应力的时间◇进行试验所用的产品◇在环境应力筛选过程中被监控的产品性能和应力参数◇试验时间4.筛选试验方案的评价设一批产品有N个，其中早期失效产品有R个。用某种筛选方法筛选后，被淘汰产品有n个，其中包含早期失效产品r个。则筛选率为)1(RNrnRrE式中：10E。E值越接近于1，说明筛选方法越好。5.注意事项◇环境应力筛选试验为非破坏性：合理选择环境应力◇针对产品的不同情况确定相适应的筛选条件◇环境应力筛选试验本身不能提高元器件或零部件的可靠性75二、可靠性增长试验产品可靠性提高到可接受水平的一个改进过程。1.试验目的◇对新研制产品进行可靠性增长与分析——验证达到要求的可靠性水平的可能性——预测今后能达到的可靠性水平——为资源安排和产品正常生产做好准备◇对批量投产的产品进行可靠性增长与分析——指出当前产品的可靠性水平和工艺、制造状况——采取相应的稳定生产的措施◇通过FME(C)A或FTA分析——确定产品的主要失效模式和薄弱环节——采取相应的改进措施◇确认所选零部件是否适当◇消除产品的系统性失效2.可靠性增长模型：描述可靠性水平随试验时间增长过程的关系◇可靠性增长曲线◇可靠性的丹尼增长模型丹尼增长模型（1）：若产品累积试验时间为t；在),0(t时间内出现)(tN次失效，每次失效后均进行了分析并采取有效的改进措施，以消除系统性失效。RRRttt76则在),0(t时间内，产品的累积失效率ttNt)()(与累积试验时间t之间的关系可由下式描述mktttNt)()(或tmktlnln)(ln式中：k为由环境确定的常数，m为增长率丹尼增长模型（2）：mIIFTT)(式中：F为设计要求的MTBF值，常用可接受的MTBF值表示；I为产品研制开始阶段的MTBF值；T为受试产品瞬时的MTBF达到要求的MTBF值（即目标值）所需的试验时间；IT为产品研制开始阶段的试验时间，如预处理或老化时间。三、加速寿命试验1.试验的目的：在不改变失效机理的条件下，通过加大应力（热应力和机械应力等）来加快产品的失效，从而在较短的试验时间内，预测出产品在正常使用条件下的可靠性指标。2.试验的类型◇恒定应力加速寿命试验将一定数量的样品分为n组，每组固定在一定的应力水平下进行寿命试验，要求各组的应力水平均高于正常条件下的应力水平，试验到各组样品均有一定数量的产品发生失效为止。◇步进应力加速寿命试验选定一组应力水平nSSS21，),,2,1(niSi均高于正常条件下的应力水平。77首先将一定数量的产品置于应力水平1S下进行试验，经1t小时后，将应力水平升至2S，未失效产品继续在应力水平2S下试验。如此继续下去，直到一定数量的产品发生失效为止。◇序进应力加速寿命试验试验时施加的应力水平随时间等速上升，直到一定数量的产品发生失效为止。3.恒定应力加速寿命试验的讨论◇加速寿命曲线：描述寿命与应力条件关系的曲线。对机械产品，常称为“NS”曲线◇加速寿命方程：描述寿命与应力条件关系的经验或理论公式。用于预测在低应力水平下的寿命。如电容器加速寿命试验的加速方程为TBCeVAt78式中：t为试验时间，V为电压，T为环境绝对温度CBA,,为待定常数。◇加速变量：诸如应力水平等能起加速作用的试验条件◇安排试验时应考虑的问题——加速变量的选择原则：选择对产品主要失效机理促进作用大的应力；能够容易地进行人工控制。如电容器的加速寿命试验可选择：电压V为加速变量（此时温度T保持额定条件）或温度T为加速变量（此时电压V保持额定条件）。再如滚动轴承的加速方程为)(60106PCnLn式中：nL为工作寿命小时，为与轴承结构有关的参数，P为外加当量载荷，n为转速。显然，在试验中可选择载荷P或转速n作为加速变量。——确定加速变量的应力水平),,2,1(niSi基本原则：在这些应力水平下产品的失效机理应与正常应力水平下产品的失效机理相同。最低应力水平1S：应尽量接近实际使用的应力水平0S，以提高试验结果统计分析的精度，；但不能太接近0S，以免试验时间过长。最高应力水平nS：在不改变产品失效机理的前提下，尽可能选高一些，以获得最大加速效果。可通过一些试验来确定1S和nS。79应力水平的个数n：一般取4n。n不宜取过大，以免增加试验成本；n也不宜取过小，以免影响试验结果的统计分析精度。确定)1,,2(niSi：在1S和nS之间以合理的间隔设置22,,nSS。——试验样品的抽取和分组设每个应力水平iS下投入试验的产品数为),,2,1(nimi，则整个试验所需的样品总数为niinmmmmm121样品抽取：在同一批产品中随机抽取m个样品分组：将m个样品随机分成n组，每组样品个数),,2,1(5nimi,每组样品个数),,2,1(nimi可以相等或不等，每组样品个数不等时应满足nmmm21。——正常应力水平0S下的寿命估计通过n组不同应力水平),,2,1(niSi的加速寿命试验，可得如下试验数据组),,(ijiitrSni,,2,1；irj,,2,1式中ijt：表示在应力水平iS下第im组样品中的第jr个失效产品对应的失效时间。利用上述数据采用图估计法或数理统计方法可得正常应力水平0S下的产品寿命的估计值。第四节可靠性数据的收集与处理可靠性数据具有全面性、大量性和不确定性等特点。可靠性数据是可靠性工程的基础，是可靠性工程深入开展的必要条件。80一、可靠性数据的来源1.设计阶段◇收集并分析同类产品的可靠性数据◇可靠性分析研究和试验产生的数据2.制造过程可靠性试验的数据。3.使用和维修阶段◇顾客反馈和售后服务◇产品报废处置二、可靠性数据的分析处理可靠性数据分析处理包括技术分析处理和统计分析处理两部分，二者有机结合完成整个可靠性数据的分析研究工作。1.数据的技术分析处理：在产品现场使用所得各种信息和实验室条件下观测到的各种数据的基础上，利用各种技术手段分析失效机理，并在模拟条件下设法再现这种失效模式，找出失效产生的原因，制定相应的改进措施以消除失效。2.数据的统计分析处理：应用数理统计的方法对数据进行分析，从中找出其一般性的规律。◇图分析法：使用各种图纸和坐标纸进行分析。具有使用方便、易掌握的优点，但分析精度较低，分析结果往往因人而异。◇数值分析方法：可靠性指标及其置信区间的估计，回归分析，方差分析等。本章小结