測量儀器可靠性分析

JJF1024—20061測量儀器可靠性分析1范圍本規(guī)范規(guī)定了測量儀器可靠性分析的基本原則、要求和方法,為測量儀器的可靠性描述、建模、預(yù)計、指標(biāo)分配及指標(biāo)系列劃分、故障模式與影響分析、故障樹分析、試驗驗證、故障判定等提供指導(dǎo)。適用于測量儀器在設(shè)計、研制、試驗、生產(chǎn)、驗收、使用階段以及型式評價中的可靠性分析。2引用文獻GB/T2423系列標(biāo)準(zhǔn)電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程GB/T3187—1994可靠性、維修性術(shù)語GB/T5080.4—1985設(shè)備可靠性試驗可靠性測定試驗的點估計和區(qū)間估計方法(指數(shù)分布)GB/T5080.6—1996設(shè)備可靠性試驗恒定失效率假設(shè)的有效性檢驗GB/T5080.7—1986設(shè)備可靠性試驗恒定失效率假設(shè)下的失效率與平均無故障時間的驗證試驗方案GB/T7289—1987可靠性、維修性與有效性預(yù)計報告編寫指南GB/T7826—1987系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)失效模式和效應(yīng)分析(FMEA)程序GB/T7829—1987故障樹分析程序GJB/Z89—1997電路容差分析指南GJB/Z108A—1998電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計手冊GJB/Z299B—1998電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊JJF1015—2002計量器具型式評價和型式批準(zhǔn)通用規(guī)范JB/T6214—1992儀器儀表可靠性驗證及測定試驗(指數(shù)分布)導(dǎo)則JB/T50070—2002電能表可靠性要求及考核方法使用本規(guī)范時,應(yīng)注意使用上述引用文獻的現(xiàn)行有效版本。3術(shù)語3.1可靠性reliability[performance]測量儀器在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。注:規(guī)定時間是廣義的,根據(jù)測量儀器的不同可為小時、年、里程、次數(shù)等。3.2基本可靠性basicreliability測量儀器在規(guī)定條件下無故障的持續(xù)時間或概率。3.3任務(wù)可靠性missionreliability測量儀器在規(guī)定的任務(wù)剖面內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。注:任務(wù)剖面是指測量儀器在完成規(guī)定任務(wù)的時間內(nèi)所經(jīng)歷的事件和環(huán)境的時序描述。JJF1024—200623.4可靠度reliability測量儀器在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率,一般記為R。它是時間的函數(shù),故也記為R(t),稱為可靠度函數(shù)。R(t)=p(θ>t),間,當(dāng)t=0時,R(0)=1;當(dāng)t=∞時,R(∞)=0。測量儀器喪失規(guī)定的功能,表現(xiàn)為其不確定度超過允許值或功能失常(對可修復(fù)測量儀器,也稱故障)。3.6壽命Tlife測量儀器的持續(xù)使用期,測量儀器的壽命是一個隨機變量。3.7平均故障間隔時間meantimebetweenfailures(MTBF)對可修復(fù)的測量儀器,平均故障間隔時間是指兩次故障間隔時間的平均值。有時也稱平均無故障工作時間。3.8平均失效前時間meantimetofailure(MTTF)對不可修復(fù)的測量儀器,平均失效前時間是指從開始投入工作至失效前時間的平均值。有時也稱平均失效時間。3.9平均壽命θmeanlife在可靠性分析評估與可靠性試驗中,常用θ來表示平均壽命,此時視測量儀器特點不同可代表MTBF或MTTF。3.10失效分布函數(shù)F(t)failuredistributionfunction測量儀器在規(guī)定的條件下,其出現(xiàn)失效的概率隨時間變化的函數(shù),記作F(t)。F(t)=p(θ≤t)式中,t為規(guī)定時間,當(dāng)t=0時,F(0)=0;當(dāng)t=∞時,F(∞)=1。3.11瞬時失效率函數(shù)λ(t)failureratefunction工作到某時刻t尚未發(fā)生失效的測量儀器,在該時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。簡稱失效率。λ(t)=注:當(dāng)測量儀器的壽命分布規(guī)律服從指數(shù)分布時,可以得到:F(t)=1-e-λtf(t)=λe-λtR(t)=e-λtλ(t)=λ(常數(shù))θ式中,f(t)為失效分布密度。4可靠性分析程序和方法4.1可靠性指標(biāo)的分析和確定測量儀器的可靠性指標(biāo)通常規(guī)定為MTBF(或MTTF)和R(t)。在測量儀器方案3論證階段，可根據(jù)用戶要求和測量儀器的特點，選擇其一或兩者作為可靠性指標(biāo)并確定4.2建立可靠性模型為了對測量儀器的可靠性做出定量的分配、預(yù)計、評價，以及對可靠性設(shè)計進行分析，應(yīng)建立可靠性模型?？煽啃阅Ｐ蛻?yīng)在測量儀器設(shè)計階段建立，并在測量儀器設(shè)計、技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境要求、實驗數(shù)據(jù)、工作模式發(fā)生變更時及時修改。4.2.1一般描述測量儀器的可靠性模型包括可靠性框圖和與之對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型?？煽啃钥驁D是儀器組成各單元從任務(wù)可靠性角度出發(fā)，表現(xiàn)其邏輯關(guān)系的方框圖，即表示儀器在成功完成任務(wù)時所有單元之間的相互依賴關(guān)系。可靠性框圖可用對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型加以描述。4.2.2建立可靠性框圖的原則4.2.2.1可靠性框圖中每個方框都是能完成某一功能的功能模塊，根據(jù)儀器本身的復(fù)雜程度，功能模塊可以是一臺儀器、一個單元電路、一個部件、一個元器件或一個4.2.2.2除特殊情況外，可靠性框圖中每個方框發(fā)生的故障是獨立的，即任一方框發(fā)生的故障與其他方框是否出現(xiàn)故障無關(guān)；4.2.2.3可靠性框圖描述的是各單元之間的邏輯關(guān)系，不是工作原理圖或測量流程圖，在圖中應(yīng)表明工作環(huán)境的嚴(yán)酷度以及各單元的工作時間(任務(wù)時間)。4.2.3測量儀器的可靠性數(shù)學(xué)模型測量儀器的可靠性模型主要有串聯(lián)模型、并聯(lián)模型及混聯(lián)模型。4.2.3.1串聯(lián)模型是指組成儀器的所有單元中任一單元發(fā)生故障都會導(dǎo)致整個儀器故障的模型，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖就是下屬幾個單元的串聯(lián)圖(如圖1)。設(shè)測量儀器下屬單元的可靠度分別為r,rz,…,r,,串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為R,,則測量儀器的可靠度等于各單元的可靠度的乘積，即：若各單元失效服從指數(shù)分布，則無冗余或替代工作模式的測量儀器失效也服從指數(shù)分布。此時，測量儀器的失效率等于各單元的失效率之和，即：由公式(1)、(2)可知，減少單元數(shù)目、降低單元失效率即可提高測量儀器的可44.2.3.2并聯(lián)模型是指組成測量儀器的所有單元(或通道)同時工作，只要有一個單元(或通道)不出現(xiàn)故障，儀器就不出現(xiàn)故障，并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖為n個組件的并聯(lián)圖(如圖2)。設(shè)測量儀器下屬組件的可靠度分別為r?,rz,…,r,,并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為R。,則并聯(lián)模型的可靠度對于指數(shù)分布，若各并聯(lián)單元相同即λ;相同，則4.2.3.3混聯(lián)系統(tǒng)是把若干個串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)組合在一起，測量儀器最簡單的混聯(lián)系統(tǒng)如圖3所示。設(shè)下屬單元的可靠度分別為r?,rz,r?,混聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為R。,則測量儀器的可靠度4.2.4可靠性建模要求4.2.4.1按研制總要求或合同規(guī)定，分別建立基本可靠性模型和任務(wù)可靠性模型。前者用以預(yù)計和分配基本可靠性要求，即估計測量儀器組成單元故障引起的維修人力與保障費用；后者用以預(yù)計和分配任務(wù)可靠性要求，即估計測量儀器在執(zhí)行任務(wù)過程中完成規(guī)定功能的能力。4.2.4.2適時建立并不斷完善可靠性模型。在方案論證階段，建立測量儀器較粗略的可靠性模型，隨著工作的進展，不斷修改、完善、細(xì)化，進而準(zhǔn)確地分配、預(yù)計和評價JJF1024—200654.2.4.3建模時應(yīng)正確區(qū)分可靠性框圖和工作原理圖。前者表示儀器中各組成單元之間的故障邏輯關(guān)系,后者表示各單元之間的物理關(guān)系。4.3可靠性指標(biāo)的分配可靠性指標(biāo)的分配是指將可靠性指標(biāo)或預(yù)計所能達到的指標(biāo)加以分解,科學(xué)合理地分配到規(guī)定的儀器單元?？煽啃灾笜?biāo)的分配應(yīng)根據(jù)可靠性框圖進行分配,即每一個方框均應(yīng)有相應(yīng)的可靠性指標(biāo),使儀器的可靠性指標(biāo)得以保證。4.3.1比例分配法符合下列條件之一者,可應(yīng)用比例分配法來進行可靠性指標(biāo)分配:—測量儀器的結(jié)構(gòu)比較簡單、成熟,各功能塊已作過可靠性預(yù)計,或有這方面的經(jīng)驗數(shù)據(jù);—有經(jīng)長期使用的相似儀器,具有一定的歷史現(xiàn)場失效率記錄,或有這方面的實例;—設(shè)備主要部分由外購件構(gòu)成,且這些外購件有較完整的可靠性資料。當(dāng)原儀器的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)已知,且各分系統(tǒng)的失效率已知時,其分配公式為:λi新=λs新×Ki(6)式中:λi新—分配給第i個新的分系統(tǒng)的失效率;λs新—規(guī)定的新系統(tǒng)的失效率;Ki—原系統(tǒng)中第i個分系統(tǒng)失效率與原系統(tǒng)的失效率之比。例:在原儀器的基礎(chǔ)上進行小型化設(shè)計的某測量儀器,已知原儀器的可靠性指標(biāo)為MTBF=40h,要求新測量儀器的可靠性指標(biāo)為MTBF=100h。顯然λi原25×10-3/hλi新1×10-2/h原儀器的6個分系統(tǒng)的失效率指標(biāo)如表1所示。以分系統(tǒng)1為例K1==0.08則分配給分系統(tǒng)1的失效率λ1新=λs新·K1=8×10-4/h分配給分系統(tǒng)1的可靠性指標(biāo)MTBF=h=1250h同理可得其他分系統(tǒng)的可靠性指標(biāo),詳見表1。表1某測量儀器的可靠性指標(biāo)分配表分系統(tǒng)序號原失效率/(10-3/h)Ki新分配的失效率/(10-3/h)新分配的MTBF12.00.080.8125022.50.101.01000310.50.424.2238JJF1024—20066表1(續(xù))分系統(tǒng)序號原失效率/(10-3/h)Ki新分配的失效率/(10-3/h)新分配的MTBF47.90.323.231350.30.010.161.60.060.61667總計24.89.94.3.2綜合因子評定法符合下列條件之一者,可應(yīng)用綜合因子評定法進行可靠性指標(biāo)分配:—有多臺儀器組成系統(tǒng),對系統(tǒng)進行可靠性指標(biāo)分配時;—技術(shù)比較復(fù)雜,工作條件比較惡劣或采用新技術(shù)時;—無相似儀器時。綜合因子評定法考慮了各功能塊的復(fù)雜性、重要性、環(huán)境條件、維修性、技術(shù)成熟程度、可靠性改進潛力等因素。每一個因素給出一個定量的評價系數(shù)K,第i個單元的第j個評價系數(shù)記作Kij。對于指數(shù)分布串聯(lián)結(jié)構(gòu)的模型,其分配公式為:MTBFj=MTBFs(7)i=1式中:MTBFj———第j個分系統(tǒng)的平均故障間隔時間;MTBFs—整機(或系統(tǒng))的平均故障間隔時間;Kij—第j個分系統(tǒng)的第i個分配因子。例:某測量儀器的可靠性指標(biāo)為:MTBF=40h,已知該測量儀器由6個分系統(tǒng)構(gòu)成,以第1個分系統(tǒng)的各項分配加權(quán)因子為1,其他各分系統(tǒng)與其相比較的取值如表2所示,則按可靠性指標(biāo)分配,按公式(7)該測量儀器的可靠性指標(biāo)分配如下:分系統(tǒng)1:MTBF=11.44÷1×40≈458(h)分系統(tǒng)2:MTBF=11.44÷1.12×40≈408(h)分系統(tǒng)3:MTBF=11.44÷4.80×40≈95(h)分系統(tǒng)4:MTBF=11.44÷3.60×40≈127(h)分系統(tǒng)5:MTBF=11.44÷0.16×40≈2860(h)分系統(tǒng)6:MTBF=11.44÷0.75×40≈610(h)表2某測量儀器的可靠性指標(biāo)分配表項目分系統(tǒng)1分系統(tǒng)2分系統(tǒng)3分系統(tǒng)4分系統(tǒng)5分系統(tǒng)6復(fù)雜因子1.00.52.03.00.20.5重要因子1.01.01.01.01.01.0JJF1024—20067表2(續(xù))項目分系統(tǒng)1分系統(tǒng)2分系統(tǒng)3分系統(tǒng)4分系統(tǒng)5分系統(tǒng)6環(huán)境因子1.01.02.01.02.01.5標(biāo)準(zhǔn)因子1.03.02.02.02.01.0維修因子1.00.50.60.60.40.5元器件質(zhì)量因子1.01.51.01.00.52.0n∏Kiji=11.001.124.803.600.160.75n∏Kiji=111.444.4可靠性預(yù)計可靠性預(yù)計是指根據(jù)測量儀器的零件、性能、工作環(huán)境及其相互關(guān)系,推測其將來的可靠性表現(xiàn)的方法。它是測量儀器可靠性從定性考慮轉(zhuǎn)入定量分析的關(guān)鍵。4.4.1可靠性預(yù)計方法在不同階段,可用不同方法進行可靠性預(yù)計。4.4.1.1相似法相似法適用于初始構(gòu)思、規(guī)劃測量儀器的總體論證階段,通常只能作大體上的估計。其中,相似設(shè)備法的預(yù)計準(zhǔn)確程度取決于現(xiàn)有設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)的可信程度,以及現(xiàn)有設(shè)備和新設(shè)備的相似程度。4.4.1.2元器件計數(shù)法元器件計數(shù)法適用于研制階段的早期,此時已進行初步設(shè)計,形成了功能原理框圖和電路草圖。每種元器件的數(shù)量已基本確定,但尚缺應(yīng)力數(shù)據(jù)。此法用于判斷設(shè)計方案是否滿足可靠性指標(biāo)、進行優(yōu)選并開展可靠性分配。4.4.1.3元器件應(yīng)力分析法元器件應(yīng)力分析法適用于研制階段的中后期,即在全面開展電路試驗之后的樣機研制期間,此時已具備詳細(xì)的電路圖、元器件清單及各元器件所承受的應(yīng)力數(shù)據(jù)。通過應(yīng)力分析,發(fā)現(xiàn)樣機可靠性的薄弱環(huán)節(jié)并采取相應(yīng)措施來改進設(shè)計。4.4.2可靠性預(yù)計流程測量儀器可靠性預(yù)計的一般流程如表3所示:表3測量儀器可靠性預(yù)計流程流程號測量儀器方案論證階段測量儀器設(shè)計階段1定義測量儀器規(guī)定其工作方式、特征、性能要求指標(biāo)更具體,理由更充足2測量儀器組成部分進行功能塊大致劃分了解結(jié)構(gòu),劃分確定的功能塊8表3(續(xù))流程號3可靠性框圖簡單的串聯(lián)系統(tǒng)4環(huán)境信息規(guī)定對組成部分有影響的環(huán)境信息進一步規(guī)定對組成部分有影響的環(huán)境信息5應(yīng)力信息不進行電應(yīng)力、熱應(yīng)力及其承受的工作方式6指數(shù)分布指數(shù)分布7失效率利用可靠性預(yù)計手冊或相似儀器現(xiàn)場失效率求得8建立可靠性模型建立基本可靠性模型建立任務(wù)可靠性模型9電路法等法告按GB/T7289—19874.4.3可靠性預(yù)計要求4.4.3.1按GJB/Z299B—1998、GJB/Z108A—1998的規(guī)定進行可靠性預(yù)計。4.4.3.2可靠性預(yù)計與分配和測量儀器的研制工作同步進行。普通測量儀器研制合同簽訂后，一般不進行可靠性分配；但可靠性預(yù)計仍要隨研制工作的進展，迭代進行。4.4.3.3對于非電子設(shè)備，可采用相似法進行可靠性預(yù)計。例：采取“元器件計數(shù)法”對某新研制的測量儀器進行可靠性預(yù)計。a)建立可靠性模型，按測量儀器特點及其結(jié)構(gòu)分成三部分，即電源部分、測量部分、顯示部分，見圖4。b)列出以上各部分的元器件種類及數(shù)量、質(zhì)量等級和應(yīng)用環(huán)境類別。c)從GJB299B—1998的5.2節(jié)，查出各種元器件在該環(huán)境類別下的通用失效率λc和通用質(zhì)量系數(shù)πa。d)將(b)、(c)步驟得到的數(shù)據(jù)填入規(guī)范化的預(yù)計表4,5,6中。e)按照GJB299B—1998的公式計算各部分的通用失效率。f)按可靠性模型計算失效率λ。=λ電源+λ測量+λ顯示=(3.9316+3.6996+0.73536)×10-?/h=8.367×10-?/hJJF1024—20069故該測量儀器的失效率為8.367×10-6/h,MTBF預(yù)計值為1.195×105h。表4某測量儀器電源模塊的可靠性預(yù)計表元器件種類及參數(shù)數(shù)量NπQλG/(10-6/h)λGπQ/(10-6/h)Ni·(λGπQ)/(10-6/h)CMOS數(shù)字電路,10門10.251.300.3250.325電源變壓器10.702.281.61.6半導(dǎo)體穩(wěn)壓器20.200.650.130.26金屬膜電阻40.300.0730.0220.088鋁電解電容60.300.620.1861.116云母電容40.300.160.0480.192圓形連接器10.400.440.1760.176無繞接烙鐵焊點3810.00450.00450.171雙面印制板,40個金屬化孔1010.000360.000360.0036λ電源=Ni·(λGπQ)=3.9316表5某測量儀器測量模塊的可靠性預(yù)計表元器件種類及參數(shù)數(shù)量NπQλG/(10-6/h)λGπQ/(10-6/h)Ni·(λGπQ)/(10-6/h)CMOS數(shù)字電路,10門100.251.30.3253.25圓形連接器10.40.440.1760.176無繞接烙鐵焊點6010.00450.00450.27雙面印制板,40個金屬化孔1010.000360.000360.0036λ測量=Ni·(λGπQ)=3.6996表6某測量儀器顯示模塊的可靠性預(yù)計表元器件種類及參數(shù)數(shù)量NπQλG(10-6/h)λGπQ(10-6/h)Ni·(λGπQ)(10-6/h)CMOS數(shù)字電路,10門10.251.30.3250.3252位數(shù)碼管10.60.240.1440.144圓形連接器10.40.440.1760.176無繞接烙鐵焊點2010.00450.00450.09雙面印制板,40個金屬化孔110.000360.000360.00036λ顯示=Ni·(λGπQ)=0.73536JJF1024—2006104.5故障模式與影響分析故障模式與影響分析(faultmodelandeffectsanalysis,簡稱FMEA)是指通過分析測量儀器各組成單元潛在的故障模式及其對儀器功能的影響,對改進儀器設(shè)計提出可能采取的預(yù)防措施。如進一步按故障模式發(fā)生概率分析其危害性,則為故障模式、效應(yīng)與危害度分析(faultmodel,effectsandcriticalityanalysis,簡稱FMECA)。4.5.1FMEA的一般步驟a)繪制測量儀器的功能邏輯框圖,說明構(gòu)成儀器的各個單元或功能模塊之間在功能上的依從關(guān)系;b)掌握元器件或功能模塊的故障模式;c)按照故障模式對儀器造成的嚴(yán)重程度,劃分嚴(yán)酷度等級;d)采用網(wǎng)絡(luò)圖分析法來確定故障模式危害度大小;e)提出預(yù)防措施。4.5.2通過FMEA,應(yīng)—鑒別出被分析單元會導(dǎo)致的不可接受或非常嚴(yán)重的故障,確定可能會對預(yù)期或所需運行造成致命影響的故障模式,并列出由此引起的從屬故障;—決定需另選的元器件、零部件和整件;—保證能識別各種檢測手段引起的故障模式;—選擇預(yù)防或正確維護要點,制定故障檢修指南。4.5.3FMEA應(yīng)從方案論證階段開始進行,隨著設(shè)計工作的逐步深入,還須不斷修改、補充、完善。FMEA的具體方法和程序可參見GB/T7826—1987。4.6故障樹分析故障樹分析(faulttreeanalysis,簡稱FTA)是從所研究的故障現(xiàn)象出發(fā),找出其產(chǎn)生的根源,從果到因或從上到下地研究系統(tǒng)故障的一種方法。它把系統(tǒng)不希望發(fā)生的故障狀態(tài)(頂事件)作為分析目標(biāo),找出導(dǎo)致這一故障發(fā)生的所有可能的直接原因(中間事件),再追蹤找出導(dǎo)致各中間事件發(fā)生的所有可能原因,循序漸進,直至找出基本原因(底事件)為止。4.6.1故障樹分析的一般步驟a)建造故障樹;b)化簡故障樹;c)定性分析,即找出最小割集,進行定性比較,確定改進方向;d)定量計算,即根據(jù)最小割集、底事件概率及數(shù)學(xué)模型,計算頂事件概率;進行重要度分析,確定采取糾正措施的優(yōu)先順序;e)提出改進措施。圖5所示為某電能表電機過熱的故障樹分析圖。4.6.2FTA應(yīng)與FMEA結(jié)合進行,即通過FMEA找出影響安全及任務(wù)完成的關(guān)鍵故障模式,以此為頂事件建立故障樹;同時進行多因素分析,找出各種故障模式的組合,為改進設(shè)計提供依據(jù)。故障樹應(yīng)由設(shè)計人員在FMEA的基礎(chǔ)上建立,并由有關(guān)的技術(shù)W電源電機(過熱)(短路)人員審查，以保證其邏輯關(guān)系正確。4.6.3FTA應(yīng)在研制階段的早期開始進行。隨著設(shè)計工作的進展，F(xiàn)TA必須不斷補充、修改、完善。FTA的具體方法和程序可參見GB/T7829-1987。4.7容差和漂移分析容差和允許漂移能力的設(shè)計與測量儀器的性能、可靠性、工藝、成本和經(jīng)濟效益等密切相關(guān)。若設(shè)計范圍過窄，將導(dǎo)致選用元器件的嚴(yán)格程度提高，進而增加材料成本或延長制造工時。容差和漂移分析方法主要有——最壞值設(shè)計法，適用于可靠性要求甚高的測量儀器； 均方根偏差設(shè)計方法，適用于可靠性要求不甚高的一般測量儀器 概率設(shè)計法，適用于可靠性要求不甚高的一般測量儀器：——蒙特卡洛統(tǒng)計方法，適用于準(zhǔn)確度要求較高又可借助計算機進行處理的測量儀器。容差和漂移分析的詳細(xì)方法可參見GJB/Z89—1997。5可靠性評估在設(shè)計方案通過設(shè)計評審后，方可試制樣機，并進行樣機階段的性能試驗和可靠性試驗?？煽啃栽囼炌ǔ０ōh(huán)境試驗、壽命試驗、篩選試驗、現(xiàn)場使用試驗和鑒定試驗JJF1024—200612等。對于樣機試制,一般需要經(jīng)歷環(huán)境試驗與現(xiàn)場使用試驗;對于批量生產(chǎn)的儀器,還應(yīng)增加鑒定試驗。5.1壽命試驗對于在合同、協(xié)議中有特殊要求的儀器,應(yīng)進行壽命試驗,包括壽命的測定試驗和驗證試驗。所謂測定試驗(determinationtest),是指確定產(chǎn)品的特性值或性能值的試驗;所謂驗證試驗(compliancetest),是指證明產(chǎn)品的特性或性能是否符合規(guī)定要求的試驗。有關(guān)的試驗要求和方法應(yīng)符合GB/T5080.4—1986、GB/T5080.6—1986和GB/T5080.7—1986的規(guī)定,主要試驗內(nèi)容包括:—試驗?zāi)康呐c要求;—試驗條件與方法;—試樣狀態(tài)與來源;—試驗組織與管理;—試驗進度與地點;—試驗評審與報告;—試驗結(jié)束后故障與樣品的處理意見。5.1.1截尾壽命試驗的類型截尾壽命試驗可分為定時截尾試驗(fixedtimetest)和定數(shù)截尾試驗(fixednum-bertest)兩種。前者是按規(guī)定的抽樣方案抽取一定數(shù)量的試驗樣品進行可靠性試驗,當(dāng)累積試驗時間達到規(guī)定時間(t)時截止試驗,統(tǒng)計樣品的累計故障數(shù),根據(jù)截止試驗時間和累計故障數(shù)來評估儀器的可靠性特征量。后者是按規(guī)定的抽樣方案抽取一定數(shù)量的試驗樣品進行可靠性試驗,當(dāng)累積故障數(shù)達到規(guī)定值(r)時截止試驗,統(tǒng)計樣品的累計時間,根據(jù)故障數(shù)和總試驗時間來評估儀器的可靠性特征量。按照出現(xiàn)故障的儀器是否允許替換進行劃分,壽命試驗又可分為無替換試驗和有替換試驗。前者是指試驗中出現(xiàn)故障的儀器不用相同的儀器替換;后者是指可用相同的儀器替換試驗中出現(xiàn)故障的儀器或?qū)x器立即修復(fù),然后繼續(xù)試驗。假定受試驗儀器數(shù)為n,按上述分類,可以組成以下四種類型:a)取n個儀器進行無替換定時截尾壽命試驗,記為(n,無,t)。b)取n個儀器進行無替換定數(shù)截尾壽命試驗,記為(n,無,r)。c)取n個儀器進行有替換定時截尾壽命試驗,記為(n,有,t)。d)取n個儀器進行有替換定數(shù)截尾壽命試驗,記為(n,有,r)。5.1.2截尾試驗的壽命評估5.1.2.1無替換樣品個數(shù)n,故障后無替換,試驗結(jié)束前測到r次故障,得故障時間t1≤t2≤…≤tr。定數(shù)截尾:做到r個故障停止,則平均壽命估計值ti+(n-r)tr}(8)定時截尾:試驗到時間t結(jié)束,則平均壽命估計值ti+(n-r)t}(9)JJF1024—200613例:某測量儀器在無替換定時t=20h截尾下,試驗n=88臺,得故障時間/h故障數(shù)r0.320.761.442.364.529.7319.60221214918于是={0.32×2+0.76×2+…+19.60×18+(88-48)×20}/48=27.33h5.1.2.2有替換樣品個數(shù)n,一旦某個樣品發(fā)生故障,有好樣品替補,試驗結(jié)束前測到r次故障,得故障時間t1≤t2≤…≤tr。定數(shù)截尾:做到r個故障停止,則平均壽命估計值ntr定時截尾:試驗到時間t結(jié)束,則平均壽命估計值nt(10)(11)例:某測量儀器在有替換定時t=70h截尾下試驗7臺,試驗結(jié)束前測得8次故障,則平均壽命估計值18185.1.3加速試驗壽命的計算×7×70h=61.25h為縮短壽命試驗時間,有時可進行加速試驗。根據(jù)測量儀器的不同,加速應(yīng)力可選擇熱應(yīng)力(溫度)或電應(yīng)力(電流、電壓、功率)。當(dāng)選擇熱應(yīng)力時,可用阿侖尼斯方程描述壽命與溫度的關(guān)系t=10a+(12)式中:a,b常數(shù);T—熱力學(xué)溫度,K。則lgt=a+(13)按已有(ti,Ti)用代數(shù)法或最小二乘法求出a,b,據(jù)此得出正常應(yīng)力T0下的14壽命t0。例:測得某測量儀器在溫度Ti下壽命ti如下:T1=463K,t1=5900hT2=493K,t2=2600hT3=513K,t3=1600hT4=533K,t4=1040h則關(guān)系式(13)中的常數(shù)由最小二乘法計算得到(n為i的個數(shù))b=Tinèi?=2663(14)∑lgtib=Tinèi?=2663(14)∑-∑2∑lgti-a=n∑lgti-5.1.4試驗記錄與報告壽命試驗結(jié)束后,生產(chǎn)方和樣機試驗單位應(yīng)及時向測量儀器使用方提供可靠性試驗報告,其內(nèi)容除常規(guī)試驗外,還應(yīng)包括:—試驗?zāi)康募坝媱澱?—故障判定標(biāo)準(zhǔn);—試樣、應(yīng)力選擇及其說明;—試驗設(shè)備的型號和準(zhǔn)確度等級;—試驗數(shù)據(jù)處理過程及可靠性指標(biāo)計算;—試驗結(jié)論。5.2環(huán)境試驗環(huán)境試驗是指為考核測量儀器的環(huán)境適應(yīng)性,把測量儀器暴露于自然或人工模擬環(huán)境中,對其實際遇到的使用、運輸和貯存環(huán)境條件下的性能給出評價。本規(guī)范不涉及測量儀器計量性能要求,在環(huán)境試驗中和試驗后,對測量儀器的計量性能要求由相關(guān)規(guī)范規(guī)定。按照J(rèn)JF1015—2002對測量儀器型式評價和型式批準(zhǔn)時有關(guān)環(huán)境試驗的技術(shù)要求,測量儀器的環(huán)境條件試驗包括以下四個方面:a)氣候環(huán)境試驗。測量儀器在不同氣候環(huán)境條件下的適應(yīng)性。氣候環(huán)境條件包括溫度、濕度、氣壓、鹽霧、霉菌、空氣腐蝕、生物損害、沙塵、淋雨、太陽輻射等。b)機械環(huán)境要求。測量儀器在不同機械環(huán)境條件下的適應(yīng)性。機械環(huán)境條件包括振動、沖擊、碰撞、跌落等。c)安全環(huán)境要求。測量儀器在防爆、絕緣等方面的安全性能要求。測量儀器因結(jié)構(gòu)類型、使用條件、準(zhǔn)確度等的差異,其安全環(huán)境要求有所不同。d)電磁兼容要求。測量儀器在電磁干擾、電源突變等方面的性能要求。測量儀器的各類環(huán)境試驗方法和要求可參照GB/T2423—1986的有關(guān)規(guī)定。JJF1024—2006155.3檢修期分析5.3.1可靠度函數(shù)法確定可靠度函數(shù)R(t)及平均壽命θ,由t=θ{-lnR(t)}(16)決定工作時間t,再根據(jù)平均工作時間,決定檢修周期。例:某示波器θ=5000h,取R(t)=0.95,得t=256h,此示波器平均工作時間50h/月,則256÷50≈5(個月),故取檢修周期為5個月。5.3.2統(tǒng)計計算法對某類型測量儀器可統(tǒng)計下列之一:———統(tǒng)計同類型號任一臺儀器的T0年變化;———若干臺儀器的T0年變化。若超差的概率等于0.05(取可靠度0.95),則T0年為檢修周期。例:某型號測量儀器的某性能指標(biāo)的年變化量(相對變化量,單位%)如下(T0=1,共20臺):0.0,0.8,0.0,-0.2,0.9,0.0,0.2,0.9,0.0,0.1,0.1,0.5,0.4,0.1,0.1,0.3,0.2,0.1,0.1,1.1要求允差±1.0%,則一年超過的概率為1/20,故檢修周期為一年。6可靠性工作項目應(yīng)用時機可靠性工作項目在測量儀器研制生產(chǎn)驗收使用各階段的應(yīng)用時機,如表7所示。表7可靠性工作項目在各個階段的應(yīng)用矩陣表序號工作項目論證設(shè)計生產(chǎn)型式評價交付訂購方1可靠性指標(biāo)的分析和確定√▲?資料確認(rèn)資料確認(rèn)2建立可靠性模型√√?資料確認(rèn)資料確認(rèn)3可靠性分配√√×資料確認(rèn)資料確認(rèn)4可靠性預(yù)計▲√?資料確認(rèn)資料確認(rèn)5FMEA×√▲資料確認(rèn)資料確認(rèn)6FTA×√▲資料確認(rèn)資料確認(rèn)7容差與漂移分析×√▲資料確認(rèn)資料確認(rèn)8可靠性評估試驗××▲√資料確認(rèn)9檢修期分析*?√▲▲▲1√必須開展;▲適用;?有修改時開展;×不適用。2*計量檢定規(guī)程已作規(guī)定的可不進行。16附錄A測量儀器可靠性壽命評價試驗A.1某新研制測量儀器,要求按規(guī)定的可靠性指標(biāo)值θ1=5000h進行可靠性鑒定。假15000h。試驗步驟如下:A.1.1確定試驗類型本例屬于可靠性驗證試驗。A.1.2選取試驗方案選擇定時截尾試驗方案;并按表A.1取方案5∶7。此時,α=β=0.20,Dm=3.0表A.1定時定數(shù)截尾試驗方案方案編號方案的特征截尾時間(θ0的倍數(shù))截尾失效數(shù)r實際的風(fēng)險標(biāo)稱值%Dmθ=θ0′αθ=θ0′β′αβ5∶110101.530.03712.09.95∶210102.09.4149.610.65∶310103.03.169.49.95∶410105.01.10310.08.85∶520201.514.11818.021.75∶620202.03.9620.021.05∶720203.01.46318.118.85∶830301.55.3728.332.05∶930302.01.84328.028.95∶1035401.256.7835.740.2注:θ:試驗的MTBF下限。標(biāo)準(zhǔn)的試驗方案只以高概率拒收其真實MTBF接近θ1的儀器。θ:試驗的MTBF上限。等于鑒別比乘以試驗的MTBF下限(θ1)。標(biāo)準(zhǔn)的試驗方案以高概率接受其真實MTBF接近θ0的儀器,該值實際上可以根據(jù)以往的經(jīng)驗和掌握的信息來得到。α:生產(chǎn)方風(fēng)險。儀器MTBF的真值等于MTBF試驗值的上限值時,儀器被拒收的概率(合格儀器被誤判為不合格的概率)。當(dāng)儀器實際的MTBF值大于試驗值的上限值時,儀器被拒收的概率將低于生產(chǎn)方風(fēng)險。β:使用方風(fēng)險。儀器MTBF的真值等于MTBF試驗值的下限值時,儀器被誤收的概率(不合格儀器被誤判為合格的概率)。Dm:鑒別比。試驗MTBF上限與試驗的MTBF下限之比,即Dm=θ0/θ1。17A.1.3計算累積試驗時間由方案5∶7得到總試驗時間(即截尾試驗)為:T=1.46θ0=21900hA.1.4計算每臺儀器的試驗時間和受試儀器總臺數(shù)如果試驗是有替換的,新儀器投入批試后的批量在200臺以上,查表A.2。表A.2推薦的樣品數(shù)批量最佳樣品數(shù)1~3全部4~16317~52553~96897~20013200以上20以上取總樣品數(shù)n=20臺,則每臺試驗時間t1095hA.1.5確定判定原則查表A.1得到:當(dāng)r<3時接收批儀器;當(dāng)r≥3時拒收批儀器。A.1.6相關(guān)試驗時間和相關(guān)故障數(shù)若試驗過程中記錄到的相關(guān)故障數(shù)和相關(guān)試驗時間:當(dāng)r=1時,T=2500h;其他故障。A.1.7判定因為在累積試驗時間內(nèi)僅發(fā)生2次故障,根據(jù)判定原則,該儀器驗證試驗結(jié)果已達到其可靠性指標(biāo)要求,可以接收批儀器。A.2若上述例子中的新研制儀器已轉(zhuǎn)入正常的批量生產(chǎn),在正常生產(chǎn)過程中,按規(guī)定的時間要對儀器可靠性指標(biāo)進行驗證,此時,試驗步驟如下:A.2.1確定試驗類型顯然本例屬于生產(chǎn)過程中的可靠性驗證試驗。A.2.2選取試驗方案因為該儀器的可靠性已有基礎(chǔ)(如儀器性能很好),在生產(chǎn)過程中進行驗證試驗,希望盡快作出判定,按JB/T6214—1992中第6.3.2條原則可選擇截尾序貫試驗方案;并按表A.3取方案4∶7,α=β=0.20,Dm=3.018表A.3截尾序貫試驗方案方案編號方案的特征θ=θ0時作出判定的期望時間(θ0的倍數(shù))實際的風(fēng)險標(biāo)稱值%Dmθ=θ0′αθ=θ0′β′αβ4∶110101.517.311.512.54∶210102.05.112.812.84∶310103.02.011.110.94∶410105.00.612.413.04∶520201.57.622.723.24∶620202.02.422.322.54∶720203.01.118.219.24∶830301.53.431.932.84∶930302.01.329.329.94∶1035401.255.036.339.7A.2.3計算累積試驗時間T=1.1θ0=T=1.1θ0=16500h查表A.4得最小累積試驗時間為Tmin=0.89θ0=13350h最大積累試驗時間為Tmax=1.5θ0=22500h表A.4方案4∶7合格判定表(α=β=0.20,Dm=3.0)失效數(shù)r累積試驗時間(θ0的倍數(shù))拒收(等于或小于)接收(等于或大于)0—0.891 1.4420.121.5031.50 A.2.4相關(guān)累積試驗時間和相關(guān)故障數(shù)若試驗過程中記錄到的相關(guān)故障數(shù)和相關(guān)試驗時間:當(dāng)r=1時,T=2500h=0.167θ0;19當(dāng)r=2時,T=21000h=1.4θ0。A.2.5判定根據(jù)表A.4,由上述試驗數(shù)據(jù)分析得當(dāng)r=1時,T=2500h=0.167θ0,小于接收要求,處于繼續(xù)試驗區(qū),不能判定,要繼續(xù)進行試驗。當(dāng)r=2時,T=1.4θ0,仍小于接收要求,還需繼續(xù)進行試驗。可靠時,r=2,則可以判定該儀器驗證試驗結(jié)果已達到儀器如果新研制儀器很好,在工作到T≥0.89θ0時,故障數(shù)為零,則試驗可以提早(比定時截尾試驗時間短)結(jié)束,立即作出接收批儀器的判定。如果新研制儀器很差,在工作到T=0.12θ0時已有2個故障,則試驗也可以立即停止,作出拒收批儀器的判定。A.3若在附錄A.1中例子的可靠性驗證試驗合格后,有關(guān)部門還需提供該儀器可靠性特征量的點估計和區(qū)間估計,此時的估計步驟如下:A.3.1確定試驗類型此時可以將上述定時截尾試驗看作是一個測定試驗。A.3.2確定置信水平和置信區(qū)間根據(jù)儀器的研制階段、成熟程度、生產(chǎn)工藝水平以及使用方的要求選擇合適的置信水平。本例考慮儀器是新研制的情況,所以取β=0.20,則置信區(qū)間為60%,單側(cè)置信區(qū)間水平為80%。A.3.3累積試驗時間和累積故障數(shù)由A1例子試驗數(shù)據(jù)得到,試驗結(jié)束時的累積試驗時間為21900h,累積故障數(shù)為2。A.3.4計算MTBF的觀測值10950(h)A.3.5MTBF的區(qū)間估計由累積失效數(shù)2及置信區(qū)間60%,查表A.5得置信限系數(shù):CL=0.467,CU=2.426表A.5MTBF雙側(cè)(或單側(cè))的置信限系數(shù)(定時截尾時計算用)CL、CU累積失效數(shù)r40%雙側(cè)60%雙側(cè)80%雙側(cè)90%雙側(cè)70%單側(cè)下限70%單側(cè)上限80%單側(cè)下限80%單側(cè)上限90%單側(cè)下限90%單側(cè)上限95%單側(cè)下限95%單側(cè)上限10.4102.8040.3344.4810.2579.4910.21119.41720.5531.8030.4672.4260.3763.7610.3175.65830.6301.5680.5441.9550.4492.7220.3873.65920表A.5(續(xù))累積失效數(shù)r40%雙側(cè)60%雙側(cè)80%雙側(cè)90%雙側(cè)70%單側(cè)下限70%單側(cè)上限80%單側(cè)下限80%單側(cè)上限90%單側(cè)下限90%單側(cè)上限95%單側(cè)下限95%單側(cè)上限40.6791.4470.5951.7420.5002.2930.4372.93050.7141.3760.6321.6180.5392.0550.4762.53460.7401.3280.6611.5370.5701.9040.5072.29470.7601.2940.6841.4790.5951.7970.5342.13280.7771.2670.7031.4350.6161.7180.5562.00890.7901.2470.7191.4000.6341.6570.5731.916100.8021.2300.7331.3720.6491.6070.5901.842110.8121.2150.7441.3490.6631.5670.6031.783120.8211.2030.7551.3290.6751.5330.6151.733130.8281.1930.7641.3120.6861.5040.6271.689140.8351.1840.7721.2970.6961.4780.6391.653150.8411.1760.7801.2840.7051.4560.6491.623160.8471.1690.7871.2720.7131.4370.6591.597170.8521.1630.7931.2620.7201.4190.6681.597180.8561.1570.7991.2530.7271.4040.6761.548190.8611.1520.8041.2440.7341.3900.6831.528200.8641.1470.8091.2370.7401.3770.6891.508300.8911.1150.8441.1850.7831.2910.7371.389區(qū)間估計為:θL=CL=10950×0.467=5113.7(h)θU=U=10950×2.426=26564.7(h)雙側(cè)區(qū)間表示為:θ=60%(5113.7h/26564.7h)A.3.側(cè)表示為:θ=80%(5113.7h/∞)根據(jù)得到的平均壽命觀測值的區(qū)間估計,表明該儀器MTBF落在(5113.7h~26564.7h)區(qū)間的概率為60%,同樣也表明有80%的概率使該儀器MTBF大于或等于5113.7h,但也可能有20%的儀器MTBF小于5113.7h,需要引起注意。JJF1024—200621附錄B全電子式電能表型式評價可靠性試驗全電子式電能表可靠性試驗采用在試驗室條件下的可靠性驗證試驗。假設(shè)全電子式電能表壽命分布服從t分布。B.1試驗方案選擇電能表儀器可靠性驗證試驗類型選擇定時定數(shù)截尾試驗類型。驗證試驗方案選用表A.1方案5∶7,即:α=β=0.2;Dm=3;截尾時間=1.46θ0截尾故障數(shù)r=3(合格判定數(shù)為r-1=2)。B.2一般試驗程序從給定的總體中隨機地抽取一定數(shù)量的儀器,在第B.4條規(guī)定的條件下進行試驗。在試驗過程中記錄逐次累計關(guān)聯(lián)試驗時間和故障數(shù)。試驗時間及故障數(shù)應(yīng)累計到按定時定數(shù)截尾試驗方案得到截尾條件為止。B.3試驗樣本的確定和累計試驗時間的計算B.3.1試驗樣本試驗樣本應(yīng)為出廠檢驗合格的儀器。試驗樣本在總數(shù)為三相電能表200臺、單相電能表1000臺以上的總體中隨機抽取。樣本大小可分:25,31,37,43臺(實際抽取的為28,34,40,46臺,多抽的三臺作為投入試驗前樣本測試的更換樣品)。B.3.2累計試驗時間的計算第k次故障