加速壽命試驗的原理-國家燃氣用具質量監(jiān)督檢驗中心課件

1、匯 報 人： 嚴榮松匯報單位： 中國市政工程華北設計研究總院有限公司 國家燃氣用具質量監(jiān)督檢驗中心輸配設施中橡膠可靠性預測時測試介質研究目 錄CONTENTS01 |可靠性的檢測02 |燃氣用橡膠的加速壽命試驗03 |結論與建議0 1PART ONE可靠性檢測 成 品 可 靠 性 評 估早期可靠性增長中激發(fā)設計缺陷和工藝缺陷可靠性增長試驗的預處理可靠性鑒定試驗前預處理低組裝等級篩選可靠性驗收試驗前處理常溫驗收前消除早期故障大修后驗收前消除早期故障研制階段生產階段使用階段在壽命期各階段的應用可靠性檢測 可靠性是指：產品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的能力。一般定義產品在設計，制造中賦

2、予的，產品開發(fā)者可以控制，它是產品的一種固有特性。固有可靠性產品在實際使用過程中表現(xiàn)出的一種性能保持能力的特性，它除了考慮固有可靠性的影響因素之外，還要考慮產品安裝、操作使用和維修保障等方面因素的影響。使用可靠性可靠性檢測產品失效盆浴曲線 可靠性測試目的：淘汰有缺陷的器件：材料缺陷、工藝缺陷、設備狀況等因素引入；根據(jù)使用要求，篩去不符合的器件：壽命、使用環(huán)境，如溫度、輻射、振動等可靠性檢測可靠性原材料物理可靠性 塑料、橡膠、金屬半成品/成品可靠性環(huán)境可靠性（溫度類、機械類、氣候類等）成品可靠性評估 設計原則、盆浴曲線可靠性檢測其他性能物理性能力學性能熱性能電性能性能塑料/橡膠/金屬密度吸水性透

3、明度拉伸彎曲沖擊壓縮硬度介電常數(shù)表面電阻/體積電阻（率）導電性維卡軟化點熱變形溫度熱膨脹性燃燒性透光率霧度原材料物理可靠性測試可靠性檢測穩(wěn)定性厚度附著力硬度顏色性能 鍍層/涂層濫用情況工作環(huán)境半成品/成品安裝環(huán)境存儲環(huán)境使用環(huán)境半成品/成品的可靠性測試溫度壽命試驗耐久性測試冷熱沖擊氣體腐蝕振動測試調壓器測試可靠性檢測低溫低濕普通溫濕度快速溫變冷熱沖擊高溫高濕溫度類環(huán)境可靠性測試隨機振動機械沖擊跌落三綜合振動正弦振動機械類環(huán)境可靠性測試風雨紫外燈碳弧燈介質金屬鹵素燈氣候類環(huán)境可靠性測試調壓器及其部件工作環(huán)境可靠性檢測半成品/成品的可靠性測試0 2PART TWO燃氣用橡膠的加速壽命試驗1. 加速

4、壽命試驗概要2. 加速壽命試驗原理3. 失效模式和失效機制4. 加速壽命試驗 5. 加速模型6. 壽命預測與加速系數(shù)以縮短實驗時間為目的, 比基準條件加嚴的條件下進行的實驗種類 : 加速壽命測試, 加速應力測試 加速壽命測試(ALT:Accelerated Life Test) 比正常使用條件加嚴的應力水準下進行試驗, 促進產品的故障, 從盡快時間內收集的故障信息中, 推定壽命-應力的關系, 從而推定使用條件下的壽命的一種測試 加速應力測試(AST:Accelerated Stress Test) PBA, Units 等 Assembly作為對象, 適用溫度和任意振動的階梯形的應力, 找出設

5、計裕量的過程中, 發(fā)現(xiàn)并改善設計中的弱點, 從而提高可靠性的一種測試1.1 加速試驗的定義 加速壽命試驗概要種類目的對象方法加速壽命試驗推定使用條件下的壽命組件或設備適用一定的應力，利用壽命-應力的關系式加速應力試驗找出設計缺點及提高可靠性元件或設備適用階梯形應力和復合應力加速壽命試驗和加速應力試驗的比較 1.2 加速壽命試驗的必要性及效果 必要性在產品開發(fā)方面, 為了調查潛在的故障模式、比較設計和制造方法或評價可靠性,并進行壽命試驗；在品質和性能測試方面，確保市場的競爭力要求在極短的時間內開發(fā)并評價出產品。因此在盡快的時間內，需要得到有關產品的可靠性的信息, 為此使用加速壽命實驗。加速壽命試

6、驗概要效果 通過縮短試驗周期和開發(fā)周期 ，最終可以降低開發(fā)費用； 盡快可以收集到為了評價設計的產品的性能信息和潛在的故障模式, 設計上的弱點, 重要器件的確認等有關可靠性的信息；盡快地推定使用條件下的可靠性尺度 (故障率, 壽命等 )，可以保證可靠性。快速的市場進入或交期的縮短預防市場故障(A/S, 索賠等 )快速的技術發(fā)展，增加了未知的因數(shù)開發(fā)危險的減少以及可靠性的保證加速試驗1.3 加速方法時間加速 增加連續(xù)或間歇動作的次數(shù)來進行加速的方法 (進行30000次的行程大于50%全行程和頻率大于5次/min的啟閉動作)加速壽命試驗概要利用退化特性的加速 對于使用時間, 具有退化特性的項目 嚴密

7、的意義上講不能說是加速, 但是縮短時間的這點上, 可以認為是加速的一種形式應力(溫度, 濕度, 振動, 電壓, 壓力等 )加速 把應力設計加嚴后做試驗并促進故障的 所謂的加速試驗一般表示為對應力的加速 Strength Stress : 故障1.4 應力施加的方法 恒定應力加速試驗(constant-stress accelerated test) 應力施加方法中的最代表性的方法 將一定水準的應力維持到試驗結束時間為止的方法步進應力加速試驗(step-stress accelerated test) 將應力水準變?yōu)殡A梯形的(主要是增加)實驗方法應力時間應力時間加速壽命試驗概要序進應力加速試驗(

8、progressive-stress accelerated test) 隨著時間的推移, 連續(xù)地增加應力的加速實驗方法 應力的增加率很難維持為一定的比例循環(huán)應力加速試驗(cyclic-stress accelerated test) 對試驗產品上所加的應力水準像正弦曲線一樣，發(fā)生周期變化的實驗方法應力時間應力時間1.4 應力施加的方法 加速壽命試驗概要應力施加方法的優(yōu)缺點試驗優(yōu)點缺點恒定應力- 試驗條件和使用環(huán)境類似 試驗進行單純對很多材料和器件的模型的研究和證明- 可用數(shù)據(jù)分析的 S/W - 比起步進形或序進形應力試驗， 不能快速得到數(shù)據(jù)步進形應力 比起恒定應力試驗，快速得到數(shù)據(jù)， 因此，

9、也可以快速推定對模型和 壽命的信息 使用環(huán)境和(恒定應力)和試驗環(huán)境 (步進形應力)的差異 由應力增加，產生故障模式的變化 或新模式序進形應力- 與步進形應力試驗一樣 與步進形應力試驗一樣- 很難管理試驗1.4 應力施加的方法 加速壽命試驗概要加速試驗就是提高使用項目時所受的外部和內部應力并促進故障現(xiàn)象進行的反應速度和退化 將市場上由應力所發(fā)生的全部故障機制或反應過程，能如實的加速是很困難的 加速的應力范圍當中，使加速可能的條件應滿足下列條件 1) 失效機制的不變性 2) 退化或失效模式的統(tǒng)一性(規(guī)則性)加速壽命試驗的原理 即使施加了同樣的應力，根據(jù)條件，產生不同的失效機制； 組件或材料的失效

10、機制是多樣的 ，但是即使施加了加嚴的應力，失效機制也不會發(fā)生變化，而在實際使用條件下，模擬出同樣的失效機制就是加速壽命試驗的基本原則； 當失效機制不發(fā)生變化時，應力和各種試驗條件下的壽命分布具有規(guī)則性。2.1 失效機制的不變性 S1 S2 S3應力時間f(t)加速壽命試驗的原理 在退化過程中，有各種失效機制的存在，因此有時無法決定加速參數(shù)，也存在很難實證和確認故障機制的情況，這時如下圖調查退化（或故障）模式并推定退化過程； 退化(或失效) 模式表現(xiàn)為定量模型。2.2 退化或失效模式的同一性及規(guī)則性時間參數(shù)退化量S1S2S3加速壽命試驗的原理加速壽命試驗的原理50組測試 退化模式的統(tǒng)一性 定義

11、: 不能完成或滿足項目所要求的功能或性能的事件 在故障力學觀點上是負載比材料強或材料比負載弱的問題發(fā)生不能完成或滿足項目所要求的功能或性能事件為止的時間稱為失效時間或壽命3.1 失效的定義負載 = F(t)故障項目失效部位失效模式: 破壞失效機制 : 疲勞失效模式和失效機制3.2 失效模式和機制作用于項目的負載可誘發(fā)應力，這個應力又引起多種故障機制并使項目發(fā)生故障 失效機制 : 引起項目故障的物理性 , 化學性, 機械性, 電氣性, 材料性的過程只有理解了失效機制，才可以預防故障，并且可以設計出可靠性的產品 失效模式 : 表現(xiàn)為失效機制結果的現(xiàn)象或癥狀偶發(fā)失效(overstress failu

12、re) 由外部過度的應力所引起的故障 可承受外部應力的強度（strength)不充分而導致的 設計者來不及收集到全部可能的應力信息或也有顧客沒有按照設計規(guī)格使用產品而導致的情況耗損失效(wearout failure) 如器件或材料的耗損,變形, 疲勞, 裂紋, 龜裂, 脫離等物理現(xiàn)象或腐蝕或污染等化學反應而發(fā)生 由項目使用的時間過長，性能 降低到無法使用的情況，主要是應力的影響累積超過了耐久的限度而發(fā)生3.3 失效機制的分類失效模式和失效機制決定有效的加速應力 聯(lián)系失效機制選擇有效的加速應力 加速應力與失效機制的關系加速應力 故障機制溫度化學反應溫度周期由熱膨脹系 差異引起的熱應力溫度, 濕

13、度由水分滲透的影響電壓過電壓, 不純物離子的移動 機器疲勞, 磨損負載3.4 失效機制和加速應力 失效模式和失效機制恒定應力加速試驗失效機制和加速應力 介質： 空氣 AIR 丙烷 n-PENTANE失效模式和失效機制4.1 加速壽命試驗(Accelerated Life Test)比使用環(huán)境加嚴的條件下，以縮短試驗時間為目的而做的試驗，促進故障機制并測出壽命的一種試驗方法 應力的加速 : 在高應力水準下施加應力 間隔動作時 : 增加反復的次數(shù) 連續(xù)動作時 : 加速延長持續(xù)時間的使用率從加速條件的試驗結果中推定使用條件的壽命(外推) 利用加速條件之間存在的規(guī)則(加速系數(shù)) 故障機制的統(tǒng)一性必要性

14、 克服時間與試驗單位數(shù)的制約 極短的時間內，可以掌握產品的可靠度和性能加速壽命試驗4.2 加速壽命試驗的步驟實施加速試驗對象的明確化加速模型的 適合性(檢討故障物理)調查實驗室及使用現(xiàn)場的基礎資料(故障原因, 故障模式/mechanism 等) 樹立實驗計劃判斷是否適合實施實驗加速試驗方法的確定及事后管理資料整理及統(tǒng)計分析驗證加速試驗方法的再現(xiàn)性不適合適合加速壽命試驗5.1 阿累尼烏斯(Arrhenius)模型 模擬由化學反應引起的退化故障的壽命與應力的關系式反應速度與溫度具有密切的關系時，可適用的加速模型。適用項目 電絕緣體或電介質 , 潤滑油或grease , 半導體儀器, 塑料, 蓄電池

15、, 白熾燈泡，燈絲等體現(xiàn)出由溫度應力的物理 , 化學性反應速度的依賴性化學反應率和溫度(絕對溫度) T的關系式 化學反應率 = Aexp-Ea/(kT) A : 常數(shù) Ea : 活化能(eV) K : Boltzmann 常數(shù), 8.61738510-5 eV/K T : 絕對溫度(K), +273.15加速模型假設為化學反應達到臨界量時，發(fā)生故障 臨界量 = (反應率) (故障時間) 故障時間 = (臨界量) / (反應率) 因此，阿累尼烏斯的關系式如下公式表現(xiàn)為反應時間()與反應率成反比的形態(tài) (T) = AexpEa/(kT)當取 Log 時，可表現(xiàn)為以下的線形式 ln(T) = ln(

16、A) + (Ea/k)(1/T)AIRn-PENTANE加速模型加速因子檢討要素是否選定施加性(X)測試性(Y)Modeling（Z)周圍溫度受周圍溫度的影響有變化Arrhenius模型阿累尼烏斯(Arrhenius)模型 反應時間()與反應率成反比的形態(tài) (T) = AexpEa/(kT)加速模型壽命預測的概念 壽命是由磨損故障 (wearout failure)引起的，當產品的損傷程度超過材料所具有的 耐久限度時，發(fā)生故障 對材料的損傷儲蓄到其產品耐久的界限為止，儲蓄的損傷不能使項目能性退化的，其前提條件就是隨著時間的流逝，材料會發(fā)生退化的6.1 壽命預測的概念 壽命預測與加速系數(shù)壽命加速

17、系數(shù) 在使用條件 S1中做的試驗和在加速條件 S2(S2S1)中做的試驗的加速系數(shù)就是 達到同樣的累積故障概率 Fs為止的時間的比例關系 即基準條件下的時間(L1)/加速條件下的時間(L2) 右側圖的壽命加速系數(shù) AL = L1/L2 又 AL可以表現(xiàn)為特性壽命的比例關系 AL = 1/2FtS2S1L2L1Fs80216.2 壽命加速系數(shù) 壽命預測與加速系數(shù)壽命預測與加速系數(shù)A0.8(GAS/AIR)=1.1A0.8(GAS/AIR)=1.1A0.8(GAS/AIR)=1.6A0.8(GAS/AIR)=1.250 3PART THREE結論與建議橡膠測試與結果1) 試驗研究結果表明，空氣氣氛方法進行加速老化試驗的預測使用時間結果是采用燃氣氣氛方法的加速系數(shù)在1-2之間。2)