2022年质量管理知识系列2可靠性基础知识部分.doc
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1、第一节 可靠性定义一、可靠性定义产品的可靠性是指:产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的才能。从定义本身来说,它是产品的一种才能,这是一个特别抽象的概念;我们能够用个例子(100个学生马上参加考试)来理解这个定义,可靠性确实是指:100个学生的考分的平均是多少?对这个平均分的精确性有多大把握?分数越高、把握越大,可靠性就越高。我国的可靠性工作起步较晚,20世纪70年代才开场在电子工业和航空工业中初步构成可靠性研究体系,并将其应用于军工产品。其他行业可靠性工作起步更晚,差距更大,与先进国家差距2030年,尽管国家已制订可靠性标准,但尚未引起所有企业的足够注重。对产品而言,可靠性越高就
2、越好。可靠性高的产品,能够长时间正常工作(这正是所有消费者需要得到的);从专业术语上来说,确实是产品的可靠性越高,产品能够无毛病工作的时间就越长。二、可靠性的重要性调查结果显示(如某公司市场部2001年调查记录):“对可靠性的注重度,与地区的经济兴旺程度成正比”。例如,英国电讯(BT)关于可靠性治理/指标要求有产品寿命、MTBF报告、可靠性框图、失效树分析(FTA)、可靠性测试计划和测试报告等;泰国只有MTBF和MTTF的要求;而厄瓜多尔则未提到,只是提出环境习惯性和平安性的要求。产品的可靠性特别重要,它不仅妨碍消费公司的前途,而且妨碍到使用者的平安(前苏联的“联盟11号”宇宙飞船返回时,因压
3、力阀门提早打开而造成三名宇航员全部死亡)。可靠性好的产品,不但能够减少公司的维修费用,而且能够特别快就打出品牌,大幅度提升公司形象,增加公司收入。随着市场经济的开展,竞争日趋剧烈,人们不仅要求产品物美价廉,而且十分注重产品的可靠性和平安性。日本的汽车、家用电器等产品,尽管在功能、价格方面与我国彼此相仿,却能占据美国以及国际市场。主要的缘故确实是日本的产品可靠性胜过我国一筹。美国的康明斯、卡勃彼特柴油机,大修期为12000小时,而我国柴油机不过1000小时,有的甚至几十小时、几百小时就出现毛病。我国消费的电梯,平均使用寿命(指两次大修期的间隔时期)为3年左右,而国外的电梯平均寿命在10年以上,是
4、我们的3倍;毛病率,国外平均为0.05次,而我国为1次以上,高出20倍,如此的产品如何有竞争力呢!因而要想在竞争中立于不败之地,就要狠抓产质量量,特别是产品可靠性,没有可靠性就没有质量,企业就无法在剧烈的竞争中生存和开展。因而,可靠性咨询题必须引起政府和企业的高度注重,抓好可靠性工作,不仅是关系到企业生存和开展的大咨询题,也是关系到国家经济兴衰的大咨询题。(呵呵,这是唱高调的内容,能够不看的)三、可靠性指标衡量产品可靠性水平有好几种标准,有定量的,也有定性的,有时要用几种标准(指标)去度量一种产品的可靠性,但最根本最常用的有以下几种标准。 1.可靠度R(t);它是产品在规定条件和规定时间内完成
5、规定功能的概率。一批产品的数量为N,从t = 0时开场使用,随着时间的推移,失效的产品件数逐步增加,而正常工作的产品件数n(t)逐步减少,用R(t)表示产品在任意时刻t的可靠度。2.可靠寿命CR(tr);它与一般理解的寿命有不同含义,概念也不同,设产品的可靠度为R(t),使可靠度等于规定值r时的时间tr的,即被定义为可靠寿命。3.失效率(毛病率)(t);它是指某产品(零部件)工作到时间t之后,在单位时间t内发生失效的概率。4.有效寿命与平均寿命;有效寿命一般是指产品投入使用后至到达某规定失效率水平之前的一段工作时间。而平均寿命MTTF关于不可修复产品,指从开场使用直到发生失效这一段工作时间的平
6、均值;关于可修复的产品,是指在整个使用阶段和除维修时间之后的各段有效工作时间的平均值。5.平均无毛病工作时间MTBF;是指相邻两次毛病之间的平均工作时间,也称为平均毛病间隔。它仅适用于可维修产品。同时也规定产品在总的使用阶段累计工作时间与毛病次数的比值为MTBF。其他如可靠度、有效度、维修度、平均维修时间等也是衡量产品可靠性水平的一种标准,但是一般以可靠寿命失效率就足以说明产品可靠性程度了。1. 平均毛病间隔时间;可维修的产品,其可靠性主要的参数是MTBF(Mean Time Between Fail),即平均毛病间隔时间,也确实是两次维修间的平均时间;不可维修的产品,用MTTB(Mean T
7、ime To Fail);两个参数的计算没有区别,下文只提到MTBF。MTBF越大,说明产品的可靠性越高。能够用以下理想测试来精确测试一批产品的MTBF;马上该批产品投入使用,当该批产品全部出现毛病以后(假设第1个产品的毛病时间为t1,第2个产品的毛病时间为t2,第n个产品的毛病时间为tn),计算发生毛病的平均时间,则由上式能够看出,理想测试确实是用全部的时间和全部的毛病数来算出精确的MTBF;2、失效密度另外一个常用的参数是,它是指在产品在t时刻失效的可能性,是失效间隔时间的倒数,也确实是:1/MTBF。 对某一类产品而言,产品在不同的时刻有不同的失效率(也确实是失效率是时间的函数),对电子
8、产品而言,其失效率符合浴盆曲线分布(如下列图):浴盆曲线,分为三部份(I、II、III三部份):TmaxttIIIIII第I部份是早期失效阶段。这段时间内,从外形上看,在失效率从一个特别高的指标迅速下降;从物理意义上理解,由于少数产品在制造后,存在一些制程、运输、调试等咨询题,产品有比拟明显的缺陷,在投入使用的最初期,这缺陷特别快就显露出来,随着时间的增长,这些明显的缺陷越来越少,也就构成了“失效率迅速下降”的现象;第II部份是中期稳定阶段。这段时间内,产品的失效率稳定在一个较低水平;从物理意义上理解,当少数产品的明显缺陷显露出来后,剩下的确实是正常的产品,这部份产品能够较稳定、持久地工作,因
9、而失效率也稳定在一个较低水平;第III部份是后期失效阶段;这段时间内,产品的失效率迅速上升;从物理意义上理解,到了后期,产品通过长时间的工作、磨损、老化,渐渐接近寿命终点,随着时间的增加(Tmax以内),到达寿命终点的产品越来越多,失效率也就随之上升;明白了,就能够找到产品连续工作 了t时间后、还正常的概率为R(t)=e-lt,如今已经失效的概率为F(t)1-R(t)1e-lt。R(t)=e-lt是一个经历公式,一般电子产品的寿命服从这一指数分布,其它分布下文再叙;第二节 可靠性测试可靠性测试应该在可靠性设计之后,但目前我国的可靠性工作主要依然在测试阶段,这里将测试放在前面(目前大部分公司都会
10、忽略最初的可靠性设计,比方我们公司,设计的时候,从来都没有考虑过可靠性,开发部的兄弟们不要拿砖头仍我这是实话,只有在测试出现失效后才开场考虑设计)。为了测得产品的可靠度(也确实是为了测出产品的MTBF),我们需要拿出一定的样品,做较长时间的运转测试,找出每个样品的失效时间,依照第一节的公式计算出MTBF,所以样品数量越多,测试结果就越精确。但是,如此的理想测试实际上是不可能的,由于对这种测试而言,要等到最后一个样品出现毛病需要的测试时间长得无法想象,要所有样品都出现毛病需要的本钱高得无法想象。为了测试可靠性,这里介绍:加速测试(也就增加应力*),使缺陷迅速显现;通过大量专家、长时间的统计,找到
11、了一些增加应力的方法,转化成一些测试的工程。假如产品通过这些工程的测试,仍然没有明显的缺陷,就说明产品的可靠性至少能够到达某一水平,通过换算能够计算出MTBF(因产品能通过这些测试,并无明显缺陷出现,说明未到达产品的极限才能,因而如今对应的MTBF是产品的最小值)。其它计算方法见下文。(*应力:确实是指外界各种环境对产品的破坏力,如产品在85下工作遭到的应力比在25下工作遭到的应力大;在高应力下工作,产品失效的可能性就大大增加了);一、环境测试产品在使用过程中,有不同的使用环境(有些安装在室外、有些随身携带、有些装有船上等等),会遭到不同环境的应力(有些遭到风吹雨湿、有些遭到振动与跌落、有些遭
12、到盐雾蚀侵等等);为了确认产品能在这些环境下正常工作,国标、行标都要求产品在环境方法模仿一些测试工程,这些测试工程包括:1). 高温测试(高温运转、高温储存);2). 低温测试(低温运转、低温储存);3). 高低温交变测试(温度循环测试、热冲击测试);4). 高温高湿测试(湿热储存、湿热循环);5). 机械振动测试(随机振动测试、扫频振动测试);6). 汽车运输测试(模仿运输测试、碰撞测试);7). 机械冲击测试;8). 开关电测试; 9). 电源拉偏测试;10).冷启动测试;11).盐雾测试; 12).淋雨测试;13).尘砂测试; 上述环境试验的相关国家标准如下(部分试验可能没有相关国标,或
13、者是我还没有找到):1、 低温试验 按GB/T 2423.189 电工电子产品环境试验 第二部分:试验方法 低温试验;GB/T 2423.2287 电工电子产品环境试验 第二部分:试验方法 温度变化试验方法进展低温试验及温度变化试验。 温度范围:-7010。2、 高温试验按GB/T 2423.289 电工电子产品环境试验 第二部分:试验方法 高温试验;GB/T 2423.2287 电工电子产品环境试验 第二部分:试验方法 温度变化试验方法进展高温试验及温度变化试验。 温度范围:102103、 湿热试验按GB/T 2423.393 电工电子产品环境试验 第二部分:试验方法 恒定湿热试验;GB/T
14、2423.493 电工电子产品环境试验 第二部分:试验方法 交变湿热试验进展恒定湿热试验及交变湿热试验。 湿度范围:30%RH100%RH4、 霉菌试验按GB/T 2423.1690 电工电子产品环境试验 第二部分:试验方法 长霉试验进展霉菌试验。5、 盐雾试验按GB/T 2423.1793 电工电子产品环境试验 第二部分:试验方法 盐雾试验进展盐雾试验。6、 低气压试验按GB/T 2423.2192 电工电子产品环境试验 第二部分:试验方法 低气压试验;GB/T2423.2592 电工电子产品环境试验 第二部分:试验方法 低温/低气压试验;GB/T2423.2692 电工电子产品 环境试验
15、第二部分:试验方法 高温/低气压试验;进展低气压试验,高、低温/低气压试验。试验范围:-70100 0760mmHg 20%95%RH。7、 振动试验按GB/T 2423.1095 电工电子产品环境试验 第二部分:试验方法 振动试验进展振动试验。 频率范围(机械振动台):560Hz(定频振动580Hz),最大位移振幅3.5mm(满载)。频率范围(电磁振动台):53000Hz,最大位移25mmP-P。8、 冲击试验按GB/T 2423.595 电工电子产品环境试验 第二部分:试验方法 冲击试验进展冲击试验。冲击加速度范围:(501500)m/s2。 9、 碰撞试验按GB/T 2423.695 电
16、工电子产品环境试验 第二部分:试验方法 碰撞试验进展碰撞试验。10、 跌落试验按GB/T 2423.795 电工电子产品环境试验 第二部分:试验方法 倾跌与翻到试验;GB/T2423.895 电工电子产品环境试验 第二部分:试验方法 自由跌落试验进展跌落试验。 说明:上面13项比拟全面地概括了产品在实现使用过程中碰到的外界环境;实际测试时,由于各产品本身属性的相差较远、使用环境相差也特别大,各公司能够依照产品的特点,适中选取、增加一些工程来测试(此产品对应的国/行标中要求的必测试工程,所以是必须测试的);也能够依照产品特定的使用环境与使用方法,自行设计一些新测试工程,以验证产品是否能长期工作。
17、测试条件:不同的产品测试条件不一样;就拿高温测试来说,有些产品要求做高温储存测试,有些要求做高温运转测试,有些产品的高温用85做测试,有些产品的高温是用65做测试。但是,主旨只有一个,那确实是至少满足国/行标。要测试一种产品的可靠性,找到这种产品的国/行标是必需的,按照国/行标的要求和指引找出必须的测试工程与各工程的测试方法,从而进展环境测试;同一种产品,在不同的阶段,测试条件也不一样;一般而言,产品会通过研发、小批量试产、批量消费三个不同的阶段。在研发阶段,测试条件最严(应力最大)、测试连续的时候最短;小批量试产阶段,测试应力适中、测试时间适中;批量消费阶段,测试应力最小、测试时间较短;三个
18、阶段的主要差异见下表:阶段实验目的实验特点实验要求研发发觉设计缺陷,扩大设计余量高应力、短时间无毛病中试调查产品是否到达根本的可靠性水平中应力、中长时间无明显毛病批量消费消费工艺条件的稳定性低应力、短时间有条件的同意毛病发生鉴定鉴定产品的可靠性、计算产品的MTBF低应力、长时间无特别要求加速环境试验技术传统的环境试验是基于真实环境模仿的试验方法,称为环境模仿试验。这种试验方法的特点是:模仿真实环境,加上设计裕度,确保试验过关。其缺陷在于试验的效率不高,同时试验的资源耗费宏大。加速环境试验AET(Accelerated Environmental Testing)是一项新兴的可靠性试验技术。该技
19、术打破了传统可靠性试验的技术思路,将激发的试验机制引入到可靠性试验,能够大大缩短试验时间,提高试验效率,降低试验耗损。加速环境试验技术领域的研究与应用推行对可靠性工程的开展具有重要的现实意义。加速环境试验激发试验(Stimulation)通过施加激发应力、环境快速检测来去除产品的潜在缺陷。试验所施加的应力并不模仿真实环境,而以提高激发效率为目的。加速环境试验是一种激发试验,它通过强化的应力环境来进展可靠性试验。加速环境试验的加速水平通常用加速因子来表示。加速因子定义为设备在自然服役环境下的寿命与在加速环境下的寿命之比。施加的应力能够是温度、振动、压力和湿度(即所谓“四综合”)及其他应力,应力的
20、组合亦是有些场合更为有效的激发方式。高温变率的温度循环和宽带随机振动是公认最有效的激发应力方式。加速环境试验有2种根本类型:加速寿命试验(Accelerated Life Testing)、可靠性强化试验(Reliability Enhancement Testing)。可靠性强化试验(RET)用以暴露与产品设计有关的早期失效毛病,但同时,也用于确定产品在有效寿命期内抗随机毛病的强度。加速寿命试验的目的是找出产品是如何发生、何时发生、为何发生磨耗失效的。下面分别对2种根本类型进展简单阐述。1、 加速寿命试验(ALT)加速寿命试验只对元器件、材料和工艺方法进展,用于确定元器件、材料及消费工艺的寿
21、命。其目的不是暴露缺陷,而是识别及量化在使用寿命末期导致产品损耗的失效及其失效机理。有时产品的寿命特别长,为了给出产品的寿命期,加速寿命试验必须进展足够长的时间。加速寿命试验是基于如下假设:即受试品在短时间、高应力作用下表现出的特性与产品在长时间、低应力作用下表现出来的特性是一致的。为了缩短试验时间,采纳加速应力,即所谓高加速寿命试验(HALT)。加速寿命试验提供了产品预期磨损机理的有价值数据,这在当今的市场上是特别关键的,由于越来越多的消费者对其购置的产品提出了使用寿命要求。可能使用寿命仅仅是加速寿命试验的用处之一。它能使设计者和消费者对产品有更全面的理解,识别出关键的元器件、材料和工艺,并
22、依照需要进展改良及操纵。另外试验得出的数据使消费厂商和消费者对产品有充分的决心。加速寿命试验的对象是抽样产品。2、可靠性强化试验(RET)可靠性强化试验有许多名称和方式,如步进应力试验、应力寿命试验(STRIEF)、高加速寿命试验(HALT)等。RET的目的是通过系统地施加逐步增大的环境应力和工作应力,来激发毛病和暴露设计中的薄弱环节,从而评价产品设计的可靠性。因而,RET应该在产品设计和开展周期中最初的阶段施行,以便于修正设计。 国外可靠性的有关研究人员在80年代初就留意到由于设计潜在缺陷的残留量较大,给可靠性的提高提供了可观的空间,另外价格和研制周期咨询题也是当今市场竞争的焦点。研究证明,
23、RET不失为处理这个咨询题的最好方法之一。它获得的可靠性比传统的方法高得多,更为重要的是,它在短时间内就可获得早期可靠性,无须像传统方法那样需要长时间的可靠性增长(TAAF),从而降低了本钱。RET的目的是要引起失效,因而它是破坏性试验,试样数量尽可能少。进展RET的理想时间是在设计周期的末期,如今设计、材料、元器件和工艺等都预备就绪,而消费尚未开场。通常RET的做法是施加预定的环境应力和工作应力(单独加、顺序加或同时加),从小量级开场,然后逐步增加直到出现以下3种情况: 全部试样失效;应力值大大超出服役期望值;出现非相关失效。(非相关失效是指服役中不可能出现的失效方式)可靠性强化试验也是针对
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