可靠性试验及加速寿命试验技术.

可靠性试验及加速寿命试验技术航天一院702所李宪珊研究员第一讲可靠性试验航天一院702所李宪珊研究员一、可靠性基本概念（定义）（一）有关可靠性的定义及表示可靠性工作是从质量管理发展来的。产品的质量是什么？一般说包括内在质量：①性能，②可靠性（包括维修性），③安全性，④适应性（包含外观）和外延质量：①经济性和时间性。粗略的说可靠性就是性能的稳定性。这种稳定性使产品在其寿命周期内具有在规定的条件下和规定的时间内完成规定任务的能力。一、可靠性基本概念（定义）（一）有关可靠性的定义及表示这种能力以概率（可能性）表示，即可靠性（可靠度），它由两部分组成。在执行（完成）任务过程中，结构（如元器件或材料）不出故障的可能性（称为“结构可靠性”），性能不出故障（例如偏差过大）的可能性（称为“性能可靠性”），总称窄义可靠性。一、可靠性基本概念（定义）（一）有关可靠性的定义及表示在规定的维护修理使用条件下产品在某一（随机抽取）时刻开始执行任务之前处于良好状态（可以执行任务）的概率称为产品的有效性（可用性）。显然，就武器而言，如果不能在接到命令时执行任务，对作战来说是无效的或无用的，但它不包括任务时间。一、可靠性基本概念（定义）（一）有关可靠性的定义及表示产品长期贮存，其材料等将会老化变质。因此，有在规定的贮存条件下，产品从开始贮存到丧失其规定的功能的时间称为贮存寿命。把上述的狭义可靠性、有效性和贮存寿命合起来，就可以全面描述产品寿命期内的性能稳定性，被定义为广义可靠性。一、可靠性基本概念（定义）（一）有关可靠性的定义及表示产品可靠性（概率）的真值，是理论上的数值，从统计学上说是得不到的。而能获得的仅仅是他观测数据的点估计值或区间估计值，或由观测数据作合理的外推得到，或由非直接观测数据间接推得或综合得到。前两种需要观测数据满足统计要求。一、可靠性基本概念（定义）（一）有关可靠性的定义及表示通常由于观测时间的限制（也就是使用任务时间的限制），所以观测值（也就是点估计值）与真值有一定的误差。一、可靠性基本概念（定义）（一）有关可靠性的定义及表示产品可靠性（概率）是表示产品总体可靠性高低的一种可靠性数量指标。还有其它指标（可靠性特征量）也可以表示产品总体可靠性高低。对指数分布的产品（如电子产品）来说，其可靠性特征量MTBF是最常用的，称为“平均寿命”或平均故障间隔时间。一、可靠性基本概念（定义）（一）有关可靠性的定义及表示对指定的时刻t而言，把开始工作（或修复后开始工作）的时刻记为t=o，则产品寿命T等于或超过t(t为规定的时间)的概率P（T≥t）即产品的可靠度R。显然，R是某个t的函数，记为R=R（t）=P(T≥t),据此，有：p=F(t)=P(Tt)=1－R(t)称p为产品的“不可靠性”，即产品在时间t内的累积故障概率。一、可靠性基本概念（定义）（二）有关故障的定义及描述通常我们把故障理解成产品丧失规定功能，对于不可修复的产品称“失效”。但是仔细的推敲，这样的定义与基本可靠性定义对应不上。因为对于有冗余或替代工作的设计，允许内部的基本部分失效或出故障而仍然能完成规定功能。一、可靠性基本概念（定义）（二）有关故障的定义及描述因此，严格的定义如GJB451，2.2.1条。故障：产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件和状态。加进产品的一部分，就把基本可靠性的要求包含进去。一、可靠性基本概念（定义）（二）有关故障的定义及描述可靠性工程离不开故障：如果换一个角度讲，可靠性工程就是“故障工程”。也就是说如果没有故障就不存在可靠性。故障的表现形式，称其为“故障模式”。引起故障的物理、化学变化等内在原因，称其为“故障机理”。一、可靠性基本概念（定义）（二）有关故障的定义及描述根据故障发生的原因，可以有如下三种情况：a.不是由于别的产品出故障而引起的故障称为“独立故障”。由别的产品出故障引起的故障称为“从属故障”。在计算故障数时，从属故障是不计入的。一、可靠性基本概念（定义）（二）有关故障的定义及描述b.产品在规定条件下使用，由于产品本身的固有弱点（或缺陷）引起的故障称为“本质故障”。由于未按规定条件使用产品引起的故障为“误用故障”。由于故障的性质不同，所以采用的措施也不相同。前者要在工艺、材料、设计上……加以改进。一、可靠性基本概念（定义）（二）有关故障的定义及描述而后者主要是需要对使用者加强培训，这里用“主要是”的意思是指不排除“误用”是由设计的问题引起的。如大家都知道的三向电源插座型式的改动，就是一个例证。其它操作上的更改更多，所以说是主要的。一、可靠性基本概念（定义）（二）有关故障的定义及描述c.有一些产品的某特性随时间逐步蜕变，蜕变到一定程度就出故障。若蜕变程度可以测定，则这种通过事前测试或监控可以预测到的故障称为“渐变故障”。一般来说，采取措施是可以防止的，不能预测的故障叫“突然故障”。一、可靠性基本概念（定义）（二）有关故障的定义及描述故障的分类可根据目的进行，如可靠性试验中，将故障分成：关联与非关联，责任与非责任等。产品在规定条件下和规定的时间内出故障的概率称其为产品的“累积故障概率”。由定义可知，若产品的可靠性为R，则产品累积故障概率p=1—R,若在时间T内观察到r个故障，则观察值rpT一、可靠性基本概念（定义）（二）有关故障的定义及描述设某产品的批量为N，在t=o时刻出厂并投入工作。到t时刻，大体上还有NR(t)个产品还在正常工作。到时刻，大体上还有个产品还在正常工作。亦即在时间间隔内出故障的产品有个，,ttt（）[]NRtRttNRtT（）tt＋一、可靠性基本概念（定义）（二）有关故障的定义及描述所以在t时刻还在工作的NR(t)个产品中，于单位时间内出故障的有个，其故障率为这叫作产品“瞬时故障率”，记为现以习惯称为“故障率”或“失效率”。()NRt()().RtRt()t一、可靠性基本概念（定义）（三）寿命的定义及描述可靠性中的寿命与平常人们说的产品寿命周期中的寿命不尽相同。寿命的定义：若产品是可修复的，则一个产品相继两故障的工作时间称为产品的寿命。显然，只有产品是不可修复的，可靠性定义的寿命才与平常人们理解的寿命相同。而“时间”这一含义是广义的，它既包括通常的“时间”，也包括如“循环次数”、“工作次数”、“工作里程”等等内容。一、可靠性基本概念（定义）（三）寿命的定义及描述为了避免与平常的寿命概念相混，在可靠性工作中，把寿命称之“故障间隔时间”或“无故障间隔时间”。一般的产品，在开始时，其故障率呈较快的下降现象，这叫“早期故障期”，其后一段时期内，基本稳定（有的微微下降，有的则微微上升），这叫“偶发故障期”（有时称此为“随机故障期”）。()t()t一、可靠性基本概念（定义）（三）寿命的定义及描述经过一定时间后，由于蜕化、磨损、老化等原因，很快上升，产品迅速报废，这叫“耗损故障期”。如果画出故障率和时间的关系曲线，就可以得到一条大家熟悉的“浴盆曲线”。因此，对可修复的产品而言，在规定的使用条件下，产品具有可接受的故障的时间区间叫作“有效寿命”或“使用寿命”，这也就是“偶发故障期”的长度。()t一、可靠性基本概念（定义）（三）寿命的定义及描述若产品的寿命T不到某一时刻的概率为，（是一个百分数），即，称为产品的“寿命”。这里并不是说到“寿命”，有产品都坏了，而是说有产品的特性参数不满足规定要求。当然，也有可能个别的坏了。T()pTTT一、可靠性基本概念（定义）（三）寿命的定义及描述在偶发故障期限内，基本上为常数,令（常数），利用初始条件t=0时，R（t=0）=1,解微方程，得。亦即可靠性为指数分布。()t()t()()RtRt()tRte一、可靠性基本概念（定义）（三）寿命的定义及描述“平均寿命”为：即平均寿命与故障率互为倒数。这是具有指数分布寿命的特点。“平均寿命”简写为MTBF。001()tRtdtdte一、可靠性基本概念（定义）（三）寿命的定义及描述MTBF只代表偶发故障或随机失效，并不代表老化或耗损现象。指数分布与正态分布有很多特性的不同，不要混淆。如上述的平均寿命0对正态分布而言，有50%概率可以达到“平均寿命”。而指数分布，则仅有36.8%。由于指数分布（寿命）的失效率是常数，所以不存在“累积损伤”（即无记忆）。如十个新产品工作1h和一个产品工作10h,其中可靠性是一样的。一、可靠性基本概念（定义）（三）寿命的定义及描述从以上所述可以有如下的关系。即可靠性R和其特征量“故障率”（“平均故障”间隔时间MTBF）的关系（t为规定的任务时间）。对使用单位，如部队，他们要求的是可靠性（可靠度）R，便于作战时对武器需求的分析，但对于研制生产单位，在设计和验证指标时难以使用，需换算成“平均故障间隔”MTBF或（）。()tRte一、可靠性基本概念（定义）（四）寿命剖面和任务剖面寿命剖面和任务剖面是产品在研制、生产期间设计（包括可靠性设计）、分析、试验、后勤保障分析等的依据。“剖面”一词是profile的直译，其含义是对所发生的事件，过程、状态、功能及所处环境的描述。显然，事件、状态、功能及所处环境都与时间有关。因此，这种描述事实上（应该）是一种时序描述。一、可靠性基本概念（定义）（四）寿命剖面和任务剖面寿命剖面的定义：产品从制造到寿命终结或退出使用这段时间内所经历的全部事件和环境的时序描述。它包括一个或几个任务剖面。也可以称其为寿命历程。（见GJB451.2.1.29条）。任务剖面的定义：产品在完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述。其中包括任务成功或致命故障（即失败）的判断准则。也可以称其为任务历程。一、可靠性基本概念（定义）（四）寿命剖面和任务剖面“剖面”一般应由订购方提出，它是招标、选择承制方以及签订合同或任务书的技术依据。承制方根据寿命剖面、任务剖面而确定产品的功能要求和外界诱发的环境条件。此要求和条件其中还包括保障和使用的因素是该产品成本及其零部件、组件的设计要求。设计方案应包含它们。二、各类可靠性试验（一）工程试验1、环境应力筛选环境应力筛选是利用环境效应（作用），发现和排除不良另件、元器件、工艺缺陷和防止出现早期故障（失效）的试验。通常产品包含有早期故障期。它是由另件、元器件中难免存在的次品、加工过程中偶然因素引入的缺陷，如虚焊造成的，这些潜在的问题，若在产品出厂前不予以剔除。二、各类可靠性试验（一）工程试验1、环境应力筛选那么经过一段时间以后，就会暴露，出现故障（失效），这一点在过去生产中人们就有经验。产品经过一段使用期之后性能更加稳定好用。有的产品如汽车（到现在有时还能看到）买到新车后要进行一段时间的行驶磨合。（目前大部分厂家出厂之前已解决该问题）。对于武器装备，如果让它存在，将会大大降低战斗力。如果是家用电器，就会影响开箱合格率，增加返修量。二、各类可靠性试验（一）工程试验1、环境应力筛选环境应力筛选就是为解决这个问题产生的。为了在实验室里，在产品出厂前把混入的不良另件、元器件和工艺缺陷找到并剔除，而且要求在短时间内（相对使用时间）完成。故该试验必须具有加速性的要求。通过外界的统计，发现由温度、振动、湿度引起的故障占80%以上，而温度和振动二项约占,（1971年，美国对机载电子设备全年的故障进行剖析，52.7%的故障是由各种环境所致，其中温度、振动、湿度三项占43.58%）。23二、各类可靠性试验（一）工程试验1、环境应力筛选因此，决定用温度循环应力和随机振动来暴露早期故障，不用湿度应力的原因是经过湿度环境作用后，会出现锈蚀，这是产品不允许的，这一点要求反映在目前环境应力筛选中，要求温箱里的空气是干燥的。二、各类可靠性试验（一）工程试验1、环境应力筛选产品经历环境应力筛选后是要出厂的。因此，对环境应力筛选提出这样的要求，即不影响使用寿命或对寿命的影响可忽略，这个要求看起来和加速要求是矛盾的，但工程实践中可用步进的方法予以解决，即有条件的，一直做到产品出故障或破坏为止，然后