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MTBF保證試驗(yàn)原理及其應(yīng)用介紹

嘉峪檢測(cè)網(wǎng)        2017-11-27 10:20

1 美軍標(biāo)中的MTBF保證試驗(yàn)

在軍事應(yīng)用需求牽引、元器件與整機(jī)制造工藝變革及產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平進(jìn)步等多重因素的驅(qū)動(dòng)下,近年來(lái)裝備的整體可靠性水平有了大幅度的提升。高可靠性指標(biāo)帶來(lái)的突出問(wèn)題是,按照現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收程序的規(guī)定進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí),在時(shí)間、費(fèi)用和人力等方面的耗費(fèi)較高。特別是在當(dāng)前裝備研制和采購(gòu)的過(guò)程中普遍存在計(jì)劃下達(dá)晚、應(yīng)急任務(wù)多,以及研制和生產(chǎn)驗(yàn)收周期不足的情況下,裝備的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)更是成為了研制和采購(gòu)任務(wù)落實(shí)過(guò)程中的一個(gè)焦點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。不開(kāi)展可靠性驗(yàn)證試驗(yàn),既不符合規(guī)定。又會(huì)使用戶對(duì)裝備的可靠性心存疑慮;開(kāi)展此類試驗(yàn),又會(huì)耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。迫切要求去尋求一種時(shí)間短、花費(fèi)小、易實(shí)施,但又有充足的理論依據(jù)、可信度高,能為大家所接受的可靠性評(píng)定方法。

MTBF保證試驗(yàn)原理及其應(yīng)用介紹

MTBF保證試驗(yàn)(MTBF Assurance Test)是于1987年在美國(guó)軍用手冊(cè)MIL-HDBK-781《工程研制、鑒定和生產(chǎn)可靠性試驗(yàn)方法、方案和環(huán)境》(以下簡(jiǎn)稱美軍標(biāo))中引入的,并在1996年頒布的修訂版MIL-HDBK-781A中予以保留。

對(duì)于鑒定試驗(yàn),GJB 899和美軍標(biāo)均規(guī)定必須采用定時(shí)截尾試驗(yàn)方案。對(duì)于驗(yàn)收試驗(yàn),規(guī)定既可以采用與鑒定試驗(yàn)一樣的定時(shí)截尾試驗(yàn)方案,也可以采用截尾序貫試驗(yàn)方案。現(xiàn)在需要討論的問(wèn)題是,對(duì)于在定型時(shí)就已經(jīng)通過(guò)了鑒定試驗(yàn)的裝備,在其質(zhì)量狀態(tài)在生產(chǎn)過(guò)程中又比較穩(wěn)定的情況下,可否不采用上述用時(shí)長(zhǎng)、耗費(fèi)高的試驗(yàn)方案,而采用一種耗時(shí)較短的試驗(yàn)方案呢?實(shí)際上,在美軍標(biāo)的5.3.3.1節(jié)“MTBF assurance test中明確地提出“MTBF保證試驗(yàn)是用一種無(wú)失效區(qū)間的概念來(lái)驗(yàn)證MTBF值,該試驗(yàn)不但可以保證設(shè)備達(dá)到MTBF的最小可接受值,同時(shí)還可以確保早期失效已經(jīng)被剔除,該試驗(yàn)可以用于已經(jīng)通過(guò)了可靠性鑒定試驗(yàn)的批量生產(chǎn)的裝備,對(duì)生產(chǎn)方而言可以使其以較高的概率通過(guò)保證試驗(yàn)”。在手冊(cè)的5.8節(jié)中給出了保證試驗(yàn)的基本統(tǒng)計(jì)處理方法和試驗(yàn)程序。

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)MIL STD 781D中對(duì)可靠性保證試驗(yàn)的描述可以看出:

①M(fèi)TBF保證試驗(yàn)是一種可靠性驗(yàn)收試驗(yàn),適用于壽命服從指數(shù)分布的產(chǎn)品。

②MTBF保證試驗(yàn)的原理是采用一種無(wú)失效區(qū)間的概念來(lái)驗(yàn)證達(dá)到產(chǎn)品的MTBF最低可接受值。

③MTBF保證試驗(yàn)應(yīng)與環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)聯(lián)合進(jìn)行,只有當(dāng)整機(jī)通過(guò)了環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)之后并已知達(dá)到了MTBF最低可接受值的情況下方可應(yīng)用。

④MTBF保證試驗(yàn)適用對(duì)象主要是完成研制階段的生產(chǎn)設(shè)備,對(duì)大批量生產(chǎn)的設(shè)備來(lái)說(shuō),它只用于設(shè)備的樣本,對(duì)小子樣(大系統(tǒng))產(chǎn)品來(lái)說(shuō),可用于所有產(chǎn)品。

該試驗(yàn)方法目前存在的問(wèn)題是,美軍標(biāo)中對(duì)用保證試驗(yàn)代替理論上十分完備的經(jīng)典驗(yàn)收試驗(yàn)方案是否妥當(dāng)這一問(wèn)題并沒(méi)有進(jìn)一步的論述。此外,該軍標(biāo)僅僅指出生產(chǎn)方可以以高概率通過(guò)試驗(yàn),但對(duì)于使用方的風(fēng)險(xiǎn)則沒(méi)有提及。鑒于該方法存在上述不完善之處,在我國(guó)軍標(biāo)編制時(shí)也未引入該方法。

2 MTBF保證試驗(yàn)原理

設(shè)產(chǎn)品的故障時(shí)間Z服從指數(shù)分布。MTBF保證試驗(yàn)是如下定義的有替換試驗(yàn)。在一批產(chǎn)品中隨機(jī)抽取樣品進(jìn)行壽命試驗(yàn)。取定常數(shù)rT(0<r<T<=2r)T是最長(zhǎng)的累積試驗(yàn)時(shí)間,  r是無(wú)故障持續(xù)時(shí)間。

試驗(yàn)是按照如下方式進(jìn)行的:

隨機(jī)抽取一件產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn),如果壽命不超過(guò)r,則出故障后換上新的試件繼續(xù)試驗(yàn),只要試件的壽命不超過(guò)r則出故障后就換上新的;而一旦有試件的壽命超過(guò)r則立刻停止試驗(yàn)。按照上述方法進(jìn)行下去,如果在時(shí)刻T之前有一個(gè)產(chǎn)品的壽命大于r則認(rèn)為該批產(chǎn)品通過(guò)了檢驗(yàn),如果在T之間沒(méi)有一個(gè)產(chǎn)品的壽命超過(guò)r則認(rèn)為沒(méi)有通過(guò)檢驗(yàn)。

rT應(yīng)如何確定?在美軍標(biāo)中提出一般取T=2rr的值依賴于對(duì)產(chǎn)品壽命的具體要求。美軍標(biāo)主張r=0.212θθMTBF的最低可接受值,這就是工程界著名的0.212公式

可以證明,當(dāng)產(chǎn)品的平均壽命不小于θ時(shí),該批產(chǎn)品通過(guò)保證試驗(yàn)的概率在0.98以上。因此對(duì)生產(chǎn)方而言,采用MTBF保證試驗(yàn)既可以大幅度地減少試驗(yàn)的時(shí)間耗費(fèi)和經(jīng)費(fèi)開(kāi)銷,同時(shí)還仍能使自己的產(chǎn)品在可靠性滿足要求時(shí)以高概率通過(guò)保證試驗(yàn)。

問(wèn)題是使用方接受通過(guò)上述保證試驗(yàn)的產(chǎn)品要承擔(dān)多大的風(fēng)險(xiǎn)。分析計(jì)算表明,若產(chǎn)品一次通過(guò),即產(chǎn)品沒(méi)有出現(xiàn)任何故障,使用方的風(fēng)險(xiǎn)高達(dá)80%。若試驗(yàn)中出現(xiàn)一個(gè)故障,但試驗(yàn)最終通過(guò),使用方的風(fēng)險(xiǎn)將更高。也就是說(shuō),單純考慮來(lái)自保證試驗(yàn)的信息,使用方的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)高得難以接受。從直觀上這也容易理解,因?yàn)楫吘乖囼?yàn)時(shí)間太短,從試驗(yàn)中獲得的產(chǎn)品的可靠性信息十分有限,因而使用方接收產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)很大。所以,從通過(guò)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法算得的使用方風(fēng)險(xiǎn)來(lái)看,可靠性保證試驗(yàn)確實(shí)不能直接作為可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)的方案來(lái)使用。

另外,理論研究表明,按照上述保證試驗(yàn)的定義來(lái)開(kāi)展保證試驗(yàn),可能會(huì)出現(xiàn)保證試驗(yàn)通過(guò)時(shí)平均壽命估計(jì)值小于保證試驗(yàn)不通過(guò)時(shí)平均壽命估計(jì)值的倒掛現(xiàn)象

 

3 MTBF保證試驗(yàn)的修正

我國(guó)專家針對(duì)上述問(wèn)題,提出了修正的保證試驗(yàn)方案:

給定正數(shù)rx1是第一個(gè)試件的壽命,x2是第二個(gè)試件的壽命。當(dāng)x1>rx1<rx2>r時(shí),該批產(chǎn)品通過(guò)實(shí)驗(yàn);當(dāng)x1<r,需x2<r時(shí),該批產(chǎn)品不能通過(guò)實(shí)驗(yàn)。

 

也就是說(shuō),試驗(yàn)只能在以下兩種情況下通過(guò):1)第一個(gè)試件無(wú)故障持續(xù)時(shí)間超過(guò)r2)第一個(gè)試件無(wú)故障持續(xù)時(shí)間小于r,但第二個(gè)試件無(wú)故障持續(xù)時(shí)間超過(guò)r。這種修正的保證試驗(yàn)方案比美軍表中的試驗(yàn)方案更加嚴(yán)謹(jǐn),且不會(huì)出現(xiàn)平均壽命估計(jì)值的倒掛現(xiàn)象。而且,在產(chǎn)品通過(guò)鑒定試驗(yàn)方案的前提下,如果產(chǎn)品在這種保證試驗(yàn)中通過(guò),則使用方的風(fēng)險(xiǎn)不超過(guò)鑒定試驗(yàn)下使用方的風(fēng)險(xiǎn)。

 

4 MTBF保證試驗(yàn)的應(yīng)用

總的來(lái)看MTBF保證試驗(yàn)是一種產(chǎn)品在模擬任務(wù)剖面環(huán)境條件下進(jìn)行的無(wú)故障試驗(yàn)。通過(guò)較短時(shí)間的無(wú)故障試驗(yàn)可以驗(yàn)證產(chǎn)品的MBTF指標(biāo)達(dá)到規(guī)定的最低可接收值。MTBF保證試驗(yàn)可以應(yīng)用于批生產(chǎn)產(chǎn)品,也可應(yīng)用于小子樣甚至單臺(tái)套的研制產(chǎn)品

只要有較充分的把握確定了產(chǎn)品MBTF最低可接收值(經(jīng)過(guò)可靠性鑒定試驗(yàn)或精確的可靠性預(yù)計(jì)),并通過(guò)了產(chǎn)品的環(huán)境應(yīng)力篩選(ESS),就可采用修正的MTBF保證試驗(yàn)方法驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。

         目前,我國(guó)船舶行業(yè)許多研究所都開(kāi)展了MTBF保證試驗(yàn),如據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,已有一百臺(tái)套以上艦船設(shè)備已采用MTBF保證試驗(yàn)作為產(chǎn)品可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)。只要產(chǎn)品經(jīng)過(guò)可靠性鑒定試驗(yàn)或可靠性評(píng)定,并通過(guò)了產(chǎn)品的環(huán)境應(yīng)力篩選(ESS),就可以采用MTBF保證試驗(yàn),作為一種經(jīng)濟(jì)有效的試驗(yàn)方法,值得在電子、機(jī)電、機(jī)械產(chǎn)品驗(yàn)收中予以研究推廣和應(yīng)用。

 

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