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可靠性分析报告品质是设计出来而不是制造出来广义的品质除了外观、不良率外、还需兼__使用下的可靠性因此在__新产品前之可靠性预估及__的实验推断相互印证是很重要的本篇即针对可靠性分析的一般术语如何事前预估事后实验推断以及如何做加速试验及寿命试验做个说明.
1.概论:1何谓可靠性Reliability可靠性系指某种零件或成品在规定条件下且于指定时间内能依要求发挥功能的概率即时间t时的可靠性Rt=例假设开始时有100件物品参与试验500小时后剩80件则500小时后的可靠性Rt=500为80/100=
0.8简单地说可靠性可看为残存率.2何谓瞬间故障率HazardRate,FailureRate时间t时每小时之故障数瞬间故障率h(t)=时间t时之残存数上例中,若500小时后剩80件,若当时每小时故障数为两件,则第500小时之瞬间故障为2/80=
2.5%换句话说瞬间故障率系指时间t时尚未发生故障的物件其单位时间内发生故障之概率.3浴缸曲线BathTubCurve瞬间故障率htht=常数=0ABC恒定故障率时期耗竭期早期故障期ConstantfailurerateWear-outInfantPeriodperiodMortaliyPeriodA.早期故障期a.设计上的失误(线路稳定度__rginaldesign)b.零件上的失误(Componentselectionreliability)c.制造上的失误(Burn-intesting)d.使用上失误一般产品之Burn-in即要消除早期故障(InfantMortality)使客户接到手时已经是恒定故障率h(t)=B、恒定故障率期此时故障为random为真正有效使用此段时期越长越好C、耗竭故障期;零件已开始耗竭,故障率急剧增加,此时维护重置成本为高
(4)平均故障间隔时间(MeanTimeBetweenFailure,MTBF)当故障率几乎为恒定时(若
0.002/小时)此时进行_____小时约有
0.002/小时*_____小时=20个故障即平均500小时会发生一次故障故MTBF为500小时为
0.002/小时的倒数即MTBF=1/λ.λ可看成频率FrequencyMTBF即代表周期Period
5、可靠性R(t)之数学表示根据实验及统计推行,要恒定故障期,R(t=)随着时间的增加而呈指数递减Exponentiallydecreasing当t=0时,因尚无任何故障,故R(t=0)=1t=∞以数学表示,R(t)即R(t)=e-λt1-λt其中λ即为恒定故障期之瞬间故障率R(t)=et
(6)、恒定故障期时MTBF与R(t)的关系,由前,R(t)=e-λtλ=1/MTBF故R(t)=e-t/MFBF当t=MTBF时,R(t)=e-MTBF/MFBF=e-1≒
0.37即在恒定故障期时试验至t=MTBF时其可靠性即残存比率为37%即约有63%故障.2新产品MTBFTimeBetweenFailure之事前预估1系统可靠性与组件可靠性之关系一般系统可靠性之计算时有下列假设:A、每个组件有__之λi,即甲组件故障不影响乙组件B、系统为这些组件串联,即某组件故障会造成系统之故障C、λ1为常数此时系统之可靠性为各个组件均不故障之乘积,即R(t)=R1(t)×R2(t)×R3(t)×Rn(t)=e-λ1t×e-λ2t××e-λ3te-λ1t=e-(λ1+λ2+λ3++λn)tn∴=λ1+λ2+λ3+++λn=∑Kiλii=i例:当组件1之可靠性为
0.9组件2之可靠性为
0.8设系统为组件12的串联则系统之可靠性为
0.9×
0.8=
0.722MIL-HDBK-217FPartsCountMethodPartsCountMethod即利用上式λ=∑λi之关系由组件之故障率λi来预估系统之故障率λi来预估系统故障率λ但因第一种零件λi不一定只有一个,若有K1个,则第一种零件总故障为K1nλ1,亦即上式λ=∑λi可扩展成λ=∑Kiλi举例如后,(原λ=∑Kiπqi=iπe,为简化计,设π=1)一般而言,PartsCountMethod是在设计初期封MTBF之概略预估,误差大A.组件λ1也是预估本身即有误差.B.非所有组件均为串联关系.当设计完成应实际用寿命试验法实验作出MTBF较可靠的预估详如下节.[例]若某系统有29个组件其故障率如下:组件型态数量用量KiKi每个小时总故障率每千小时变压器3×
0.02%=
0.056%硅质二极体6×
0.01%=
0.04%可变电容2×
0.02%=
0.40%开关6×
0.02%=
0.12%电感器6×
0.05%=
0.30%电容6×
0.01%=
0.06%
291.00%即λ=∑Kiλi=
0.06+
0.06+
0.04+
0.12+
0.30+
0.06=
1.00即每1000小时有1%故障故MTBF=100000小时=1/λ此时若想知道实验5000小时的可靠性Rt=e-λt=e-t/MTBF=e-5000/100000=e-
0.05=
0.95即5000小时后约有95%残存PartscountMethod最重要的是λi必需准确,一般来说,Digital系统因用半导体组件较多,且这些半导体组件均为世界级大厂所作,其λi较易查得,亦最有把握,国内一般____og组件,如电感,变压器等的厂商均无法提供故障率资料,即使有亦不一定稳定因此PartsCountMethod最大困难不在计算,而在组件故障率λi的取得及可信程度,进而求得系统之λ及MTBF3.新产品MTBF(MeanTimeBetweenFailure)之实验推断前提及用PartsCountMethod只是要设计初期没有成品时对组件选择之概略预估,准确性有限.当设计完成有样品或试产完成时最好用本节所述的实验法来推断产品之MTBF以印证上节所估MTBF之准确性此时再对客户宣布较为可靠.一般可靠性实验可分为:1固定试验时间故障可置换或不可置换两种2固定故障数.3逐次试验.由于一般实验均希望能够掌握试验时间避免拖延太久耽误时效故以固定试验时间法最常用且故障可置换常使条件改变而影响结果因此故障不可置换较常用兹以固定试验时间法(故障不可置换)为例说明如何用表一来推断MTBF(例1)取20个产品作1000小时固定时间试验(故障不可置换)假设于500小时出现一个故障,其余到1000小时均未故障,求信赖度95%时的MTBF[解]总试验时间=500+(1000×19)=19500查表一,信赖度95%且故障数r=1时,T.R=
4.7439总试验时间19500故MTBF===4111小时T.R
4.7439表一GENERALEXPONENTIALNODELCONFLEVELNUMBEROFFAILURES01234567891095%90%85%80%75%70%65%60%55%50%
2.
99574.
74396.
26587.
75379.
153510.
513011.
642413.
148114.
434715.
705216.
96222.
30263.8__
75.
32236.
68087.
99369.
274710.
532111.
770912.
994714.
206215.
40661.__
713.
37244.
72316.
01357.
26708.
49479.
703110.__
6512.
077713.
248814.
41121.
60942.
99434.
27905.
51516.
72107.
90609.
075410.
232511.
379812.
518813.
65071.___
32.
69263.
92045.
10946.
27447.
42278.
55859.
684410.
802511.
913913.
01961.
20402.
43923.
61564.
76225.__
047.
00568.
11119.
209010.
300711.
307312.
46951.
04982.
21093.
34744.
45475.5___
6.
63317.
71058.
78239.
849710.
912311.
97360.
91632.
02233.
20544.
17535.
23666.
29197.
34278.3__
89.
434010.
475711.
51530.
79851.
04362.
88263.
91634.
94615.
97326.
99818.
02129.
043010.
063611.
08320.
69321.
67842.
67413.
67214.
67095.
67026.
66967.
66938.
66909.
668710.6685TESTRATIOSFORTIME-TERMINATEDTESTSTOTALTESTTIMEHOURSTR=TOTALTESTTIMEHOURSMTBFHOURS*T.RTestRatio=3代表Totaltesttime为MTBF的3倍例2假设客户要求某一产品之MTBF为信赖度80%时达到8760小时365天24小时/每天=8760小时兹拟以固定时间试验法(故障不置换)来实验,请问应该选多少产品?作多少小时试验?(解)假设预计本实验有零个故障,则信赖度80%时的T.R=
1.6094,若MTBF欲达8760小时,则总试验时间=MTBF×T.R=8760×
1.6094=14098小时可有下列实验组合
(1)欲在30天(720小时)内完成试验,至少须20个产品
(2)欲在21天内(504小时)内完成试验,至少28个产品
(3)欲在14天内(336小时)内完成试验,至少42个产品依此原则,可任选不同组合(例3)上例中,若以20个产品作720小时固定时间试验,(故障不置换),若实际在500小时有一个故障试推断MTBF(信赖度80%)(解)总试验时间=500+(720*19)=14,180小时查表一80%,r=1时T.R=
2.994314180MTBF==4735小时未达客户要求
2.9943例4上例中若试验中途有故障最好延长试验时间若一个故障则至少延长T.Rr=1/T.Rr=0=
2.9943/
1.6094=
1.86倍,即720小时延长至1339小时以上,若延__间又有一个故障,则再延长T.Rr=2/T.Rr=1=
4.2790/
2.9943=
1.43倍即1339小时延长1914小时以上延长较久试验会较准4.缩短实验时间之温度加速试验(Ac__leratedTest)由于产品__之时效性极为重要,而信赖性试验常须花费很长时间,为缩短试验时间早日推出产品,可提高密闭室环境温度以达到加速试验缩短时间之效果,本节即说明不同环境温度下如推断产品之MTBF
(1)ArrheniusModelArrheniusmodel系温度加速试验最常用之公试λ1-(△H/K)(1/T2-1/T1)加速因数==eλ2T1下的特性寿命=在浴缸曲线之恒定故障时间Constantfailurerateperiod特T2下的特性寿命性寿命为MTBF
(2)ZT0EE19F00090解法求加速因子由于ArrheniusModel为指数函数计算不易可以对数刻度之图表来画成直线备用内插法来推测说明如下[例]若在200 ºC时,以上节方法得知MTBF=350小时且在150ºC时,以上节方法得知MTBF=1050小时,试以图解法预估50ºC时之MTBF(解)利用图一标出A(200 ºC,350小时)及B(150ºC,1050小时)两点,由A,B点连成一直线,由外插法得知50ºC时之特性寿命(在恒定故障时期即为MTBF)为80,000小时,故200ºC对50ºC之加速因子为80,000÷350=228倍,而150ºC对50ººC加速因子为80000÷1050=76倍图一ESTI__TINGtheAC__LERATIONFACTORD=CharacteristicLife=C×e+△H/KTInD=InC+△H/K×1/TRunLifetestsatTWOstressconditions200℃and150ºCPlotInDvs1/Tandesti__teCand△H/K-△H/K[1/Ttest-1/Tfield]=Dfield/DfieldA=e300250200150TEMP__nt.100推定50℃D=80000hr500101003501000_____50K_____080000CHARACTERISTICLIFEhours
5.寿命试验(Burn-InTest)Burn-InTest之目的在消除早期故障期InfantMortalityperiod之高故障率,使产品到客户手中时已在恒定故障时期(Constantfailurerateperiod)使故障率大为降低,因此Burn-In在品管上是极为重要的步骤,Burn-In时间太短不足以消除早期故障期,时间太长则增加成本,影响出货,怎样决定一个合理的Burn-In时间是很重要的为了便利管理及上、下架Burn-In时间通常选择12的倍数,如12,24,36,48小时等,决定Burn-In时间方法很多,举最简单最实用之方法如下取一批产品(数量越多越准确)作可靠性试验,每一个小时记录其可靠性(即殘存数除以原试验数),若数量够大则应是指数递减如右当可靠性下降率明显趋之点即可作为Burn-In时间如右图可选择Burn-In48小时当量产过程中有材料122436486072变更或经过一段时间统计发现24小时以后故障已减小到可接受程度时可重覆上述试验以延长或缩短Burn-In时间决定Burn-In时间尚有其他方法因牵涉繁雜之统计不在此描述.[例]某客户要求MTBF=50000小时且信赖度为80%试以固定试验时间法故障不可置换来拟订一个可靠性试验计划.解先假设NumberofFailuresr=1查表一T.R=
2.9943所需总试验时间=MTBFХT.R=50000小时Х
2.9943=
149.715小时=6238天通常以100个产品参与试验则需6238天÷100=62天最常用的方法是以100个产品作二个月试验再以实际故障数及实际总试验时间依表一来计算MTBF.
1.本例中若实际62天均无故障则试验时间=62天Х24天小时=
148.800小时因r=0T.R查表一为
1.6094则MTBF=148800÷
1.6094=92457小时
2.若第50天有一个故障其余到62天均无故障则总试验时间=62天Х24小时Х99+50天Х24小时Х1=148512小时故MTBF=148512÷
2.9943=49598小时.时间t时残存数开始时试验总数λ1λ2λ3λnA实验求得□B□T1外插法□D2=350D1=10501Rt。