第七章可靠性試驗

1、第七章 可靠性試驗可靠性試驗是對產品的可靠性進行調查、分析、和評價的一種手段。據美國的經驗：大型電子機械系統(tǒng)的首臺樣機初期的MTBF，通常只有合同或任務書要求的1/10左右。必須通過一系列的可靠性試驗，發(fā)現、判定產品存在的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，糾正這些可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，使產品的可靠性逐步提高到任務書或合同要求的值。所花試驗時間隨產品復雜程度及其設計和生產經驗而定，一般為產品要求的MTBF的5-20倍，有的達100倍以上。在通過可靠性試驗發(fā)現的可靠性薄弱環(huán)節(jié)中，零部件或元器件缺陷，工藝缺陷和設計缺陷，大約各占三分之一左右。第一節(jié) 可靠性試驗的目的與特點一、可靠性試驗的目的1.確認是否符合合同或任務書規(guī)

2、定的可靠性指標要求2.暴露及發(fā)現產品在設計、材料、工藝及管理方面的各種可靠性薄弱環(huán)節(jié)3.為采取提高產品可靠性的有效改進措施提供依據二、可靠性試驗的特點 1.可靠性試驗的一般方式：對受試的零部件或系統(tǒng)， 在規(guī)定的條件下施加一定方式和水平的載荷， 使之產生一定程度的變形、疲勞或磨損等， 然后觀測其性能是否穩(wěn)定， 以及它們隨時間的變化關系等， 從而判定其可靠性是否達到規(guī)定要求。2.試驗條件應盡量與實際相一致3.失效的定義及檢測方法應事先規(guī)定三、可靠性試驗與產品例行試驗的區(qū)別 1.目的不同 例行試驗的目的是為產品進出廠驗收時，判定其各種性能參數是否符合規(guī)定要求提供依據。 可靠性試驗則對產品是否在以后規(guī)

3、定的使用時間內， 是否滿足要求的可靠性指標的判定提供依據。 前者關注的是驗收時刻的情況，后者關注的是使用時間內的情況。 2.數據處理的手段不同 例行試驗為性能的通過試驗，其數據處理方便簡單。 可靠性試驗需對一批產品的可靠性進行推斷，其數據處理一般均需采用數理統(tǒng)計方法。 3.由于目的和要求不同，試驗方法也不盡相同。問題的產生和提出確定試驗目的試驗設計進行試驗試驗結果數據分析比較試驗結果與要求是否相等 Yes問題是否解決 Yes承認試驗結果交付使用四、可靠性試驗的一般程序NoNo五、可靠性試驗的實施注意事項 1.真實性試驗結果的正確性：試驗條件的控制，試驗方法的合理選擇和試驗的科學管理。 2.綜合

4、權衡，全面考慮 成本、時間控制 可靠性試驗盡可能地結合性能試驗、環(huán)境應力試驗和耐久性試驗進行 根據試驗對象確定試驗的規(guī)模和采用的試驗方法 3.計劃性：制定周密、詳盡的試驗計劃，其內容一般包括 試驗目的和要求 必須進行的試驗項目 根據試驗要求確定現有數據、技術資料的作用， 確定試驗需得到的資料性質、數量及 獲得的方法和手段。 試驗時間、費用、人員、試驗設備和責任 試驗報告的格式和試驗方法的校驗 整個試驗計劃進行狀態(tài)的管理和資料的保存計劃第二節(jié) 可靠性試驗的類型 可靠性試驗有多種分類方法。一、按試驗地點分 1.試驗室的可靠性試驗：在規(guī)定的可控條件下進行的可靠性驗證或測定試驗。 試驗條件可以模擬現場

5、條件，也可與現場條件不同。 2.現場可靠性試驗：在現場的使用條件下進行的可靠性驗證或測定試驗。二、按加載方式或應力性質分 1.恒定應力試驗：應力保持不變的試驗 2.步進應力試驗：隨時間分階段逐步增大應力的試驗，也稱階梯加載試驗 3.序進應力試驗：隨時間等速增大應力的試驗三、按產品是否被破壞分 1.破壞性試驗：樣品在試驗應力作用下直至失效或破壞的試驗。 如加速壽命試驗，極限條件下試驗和環(huán)境試驗等。 2.非破壞性試驗：不破壞產品而能獲得其可靠性數據的試驗。 如正常工作試驗， 存放試驗和 性能試驗等。四、按試驗目的分 1.可靠性考核試驗：確定穩(wěn)定生產的產品的可靠性是否達到要求的試驗。 2.可靠性鑒定

6、試驗：鑒定新產品和改進設計產品的可靠性是否達到鑒定的標準。 3.可靠性測定試驗：測定可靠性水平未知的產品的可靠性試驗。 4.可靠性增長試驗：在新產品的研制過程中，一邊測定其可靠性，一邊進行改進，從而使產品的可靠性逐步增長直至達到設計要求的試驗。也稱可靠性研制試驗。 5.壽命試驗：為確定產品壽命分布及特征值而進行的試驗。 6.耐久性試驗：為考察產品的性能與所施加的應力條件的影響關系，而在較長時間內所進行的試驗。五、按試驗時的應力強度分 1.常規(guī)可靠性試驗：產品在類似或接近實際使用條件下進行試驗。試驗結果最接近實際情況。試驗周期長。 2.加速壽命試驗：將對產品壽命有影響的主要條件集中， 使在短試驗

7、時間內不改變失效機理的條件下， 用加大應力的方式（載荷濃縮），獲得相當常規(guī)試驗在長時期內得到的試驗結果。 3.極限條件可靠性試驗：對產品施加在實際使用條件下可能遇到的少量的極限載荷（如超轉速運轉等）進行試驗。 4.特殊環(huán)境可靠性試驗：嚴寒、高溫、高濕、低氣壓和鹽霧等特殊環(huán)境下進行的可靠性試驗。六、按試驗規(guī)模分 1.全數試驗和抽樣試驗 2.整機或系統(tǒng)和零部件的可靠性試驗 七、按試驗終止方式分 1.定時截尾試驗：事先規(guī)定一個截尾時間，當試驗累積持續(xù)時間達到該時間時，試驗就停止。其優(yōu)點是試驗能在規(guī)定的時間內完成。2.定數截尾試驗：事先規(guī)定一個截尾失效數，當試驗中的相關失效次數達到該數時，試驗就停止。

8、3.有替換的截尾試驗：試驗中如產品發(fā)生失效或故障，可用新的產品替換并繼續(xù)進行試驗。第三節(jié) 常用的幾種可靠性試驗簡介一、環(huán)境應力篩選試驗 1.試驗目的暴露不良元器件或零部件、設計和工藝缺陷等造成的早期失效。一般應用于元器件或零部件的篩選。一般都采用全數環(huán)境應力篩選。 2.試驗程序 制定環(huán)境應力篩選試驗程序 試驗程序的設計應著眼于促使產生早期使用中的典型失效，而非對工作環(huán)境的準確模擬。當產品同時經受幾種環(huán)境應力而做綜合環(huán)境應力篩選有困難時，可順序地施加不同類型的環(huán)境應力。 3.試驗方案：實施試驗程序的方案，一般包括 施加環(huán)境應力的類型、等級、狀況及承受應力的時間 進行試驗所用的產品 在環(huán)境應力篩選

9、過程中被監(jiān)控的產品性能和應力參數 試驗時間 4.篩選試驗方案的評價 設一批產品有個，其中早期失效產品有個。 用某種篩選方法篩選后， 被淘汰產品有個，其中包含早期失效產品個。 則篩選率為 式中：。值越接近于1，說明篩選方法越好。 5.注意事項 環(huán)境應力篩選試驗為非破壞性：合理選擇環(huán)境應力 針對產品的不同情況確定相適應的篩選條件 環(huán)境應力篩選試驗本身不能提高元器件或零部件的可靠性二、可靠性增長試驗 產品可靠性提高到可接受水平的一個改進過程。1.試驗目的 對新研制產品進行可靠性增長與分析驗證達到要求的可靠性水平的可能性預測今后能達到的可靠性水平為資源安排和產品正常生產做好準備 對批量投產的產品進行可

10、靠性增長與分析指出當前產品的可靠性水平和工藝、制造狀況采取相應的穩(wěn)定生產的措施 通過FME(C)A或FTA分析確定產品的主要失效模式和薄弱環(huán)節(jié)采取相應的改進措施 確認所選零部件是否適當 消除產品的系統(tǒng)性失效 2.可靠性增長模型：描述可靠性水平隨試驗時間增長過程的關系 可靠性增長曲線 可靠性的丹尼增長模型丹尼增長模型（1）：若產品累積試驗時間為；在時間內出現次失效，每次失效后均進行了分析并采取有效的改進措施，以消除系統(tǒng)性失效。則在時間內，產品的累積失效率與累積試驗時間之間的關系可由下式描述 或 式中：為由環(huán)境確定的常數， 為增長率 丹尼增長模型（2）： 式中：為設計要求的值，常用可接受的值表示；

11、 為產品研制開始階段的值； 為受試產品瞬時的達到要求的值（即目標值）所需的試驗時間； 為產品研制開始階段的試驗時間，如預處理或老化時間。三、加速壽命試驗 1.試驗的目的：在不改變失效機理的條件下， 通過加大應力（熱應力和機械應力等）來加快產品的失效， 從而在較短的試驗時間內， 預測出產品在正常使用條件下的可靠性指標。 2.試驗的類型 恒定應力加速壽命試驗 將一定數量的樣品分為組， 每組固定在一定的應力水平下進行壽命試驗， 要求各組的應力水平均高于正常條件下的應力水平， 試驗到各組樣品均有一定數量的產品發(fā)生失效為止。 步進應力加速壽命試驗 選定一組應力水平， 均高于正常條件下的應力水平。首先將一

12、定數量的產品置于應力水平下進行試驗，經小時后，將應力水平升至，未失效產品繼續(xù)在應力水平下試驗。如此繼續(xù)下去，直到一定數量的產品發(fā)生失效為止。 序進應力加速壽命試驗 試驗時施加的應力水平隨時間等速上升， 直到一定數量的產品發(fā)生失效為止。3.恒定應力加速壽命試驗的討論 加速壽命曲線：描述壽命與應力條件關系的曲線。對機械產品，常稱為“”曲線 加速壽命方程：描述壽命與應力條件關系的經驗或理論公式。用于預測在低應力水平下的壽命。 如電容器加速壽命試驗的加速方程為式中：為試驗時間， 為電壓， 為環(huán)境絕對溫度 為待定常數。 加速變量：諸如應力水平等能起加速作用的試驗條件 安排試驗時應考慮的問題加速變量的選擇

13、原則：選擇對產品主要失效機理促進作用大的應力； 能夠容易地進行人工控制。如電容器的加速壽命試驗可選擇： 電壓為加速變量（此時溫度保持額定條件）或 溫度為加速變量（此時電壓保持額定條件）。 再如滾動軸承的加速方程為 式中：為工作壽命小時， 為與軸承結構有關的參數， 為外加當量載荷， 為轉速。 顯然，在試驗中可選擇載荷或轉速作為加速變量。 確定加速變量的應力水平 基本原則：在這些應力水平下產品的失效機理應與正常應力水平下產品的失效機理相同。最低應力水平：應盡量接近實際使用的應力水平， 以提高試驗結果統(tǒng)計分析的精度，； 但不能太接近，以免試驗時間過長。最高應力水平：在不改變產品失效機理的前提下， 盡

14、可能選高一些，以獲得最大加速效果。 可通過一些試驗來確定和。應力水平的個數：一般取。 不宜取過大，以免增加試驗成本；也不宜取過小，以免影響試驗結果的統(tǒng)計分析精度。確定：在和之間以合理的間隔設置 。 試驗樣品的抽取和分組 設每個應力水平下投入試驗的產品數為， 則整個試驗所需的樣品總數為 樣品抽?。涸谕慌a品中隨機抽取個 樣品分組：將個樣品隨機分成組， 每組樣品個數, 每組樣品個數可以相等或不等， 每組樣品個數不等時應滿足。 正常應力水平下的壽命估計 通過組不同應力水平的加速壽命試驗， 可得如下試驗數據組 ； 式中：表示在應力水平下第組樣品中的第個失效產品對應的失效時間。 利用上述數據采用圖估計法或數理統(tǒng)計方法可得正常應力水平下的產品壽命的估計值。第四節(jié) 可靠性數據的收集與處理可靠性數據具有全面性、大量性和不確定性等特點。可靠性數據是可靠性工程的基礎，是可靠性工程深入開展的必要條件。一、可靠性數據的來源 1.設計階段 收集并分析同類產品的可靠性數據 可靠性分析研究和試驗產生的數據 2.制造過程 可靠性試驗的數據。 3.使用和維修階段 顧客反饋和售后服務 產品報廢處置二、可靠性數據的分析處理可靠性數據分析處理包括技術分析處理和統(tǒng)計分析處理兩部分，二者有機結合完成整個可靠性數據的分析研究工作。 1.數據的技術