MTBF可靠性保证试验

可靠性保证试验

1 概述

1.1 环境应力筛选的无故障检验试验

1.1.1 试验目的与判据

前已说明，在GJB 1032《电子产品环境应力筛选方法》中规定，在环境应力筛选的后期程序中要安排无故障检验试验。其目的是验证筛选的有效性。其方法是先进行80小时的温度循环，后进行最长15分钟的随机振动，所用应力参数与前面缺陷剔除程序的相同。 无故障检验试验的判据是：在80小时温度循环中如果有连续40小时无故障、在最长15分钟随机振动中如果有连续5分钟无故障，就认为产品通过了环境应力筛选，否则要继续进行缺陷剔除筛选，之后再进行无故障检验试验。

1.1.2 无故障检验试验的概念与发展

无故障检验试验作为环境应力筛选效果的验证试验，要验证产品是否达到了筛选方案中预期要剔除的缺陷百分值，也是衡量产品是否已经消除早期失效并进入随机失效期。随机失效期的失效率正是装备可靠性水平的标志。因此，无故障验证试验的最终目的是验证产品是否达到了设计的可靠性要求值。如果无故障检验试验通过了，我们就有理由认为产品达到了定量环境应力筛选方案所预期的要消除缺陷的高百分值（例如98％），也就是说产品以该百分值的置信水平达到了可靠性设计值。从这个含义出发，我们可以用这种试验来证明产品是否实现了设计的MTBF 值，其置信概率可与环境应力筛选方案要求的相同。这就是由环境应力筛选发展而来的可靠性保证试验的出发点。

1.2 可靠性保证试验的性质与用途

1.2.1 可靠性保证试验的性质

可靠性保证试验以无失效的试验时间来验证设备的MTBF 值，是环境应力筛选工作的外延和发展，其性质仍属工程试验的范畴。

1.2.2 可靠性保证试验的应用

如前所述，通过MTBF 保证试验的产品，被认为消除了高百分比的缺陷型早期失效和达到了设计的MTBF 值。因此可靠性保证试验可用于推断产品的MTBF 值。可为承制单位评估产品的MTBF 值提供工程依据。

2 试验参数的确定

2.1 试验参数的定义

在制定可靠性保证试验方案时，必须使用以下参数，各自的定义为：

MTBF=设备通过无缺陷失效试验的概率；

T(r)＝MTBF 保证试验时间；

T(W)＝最佳试验时间；

M ＝设备的MTBF 设计值。

2.2 试验时间的确定

可靠性保证试验的试验时间与上述参数有关，由以下关系式计算求解。

(5-2-1)

式中： MTBF 可靠性值需要综合考虑，其原则是：

当 MTBF 可靠性值 ＜２时，通过试验的概率下降较多；当MTBF 可靠性值 ＞2时，试验时间将加长，耗费较大；因此选取MTBF 可靠性值=2是最佳的。

保证试验时间MTBF 可靠性求解过程如下：

将MTBF 可靠性值=2，即MTBF 可靠性值代入上式，并令产品通过无缺陷失效试验概率MTBF=0.98（高概率），可解得：

MTBF=0.212MTR (5-2-2)

由此可知，可靠性保证试验所需的时间是很少的。

2.3 可靠性保证试验与环境应力筛选无故障验证试验的同异

环境应力筛选无故障检验试验与可靠性保证试验都是在环境应力筛选剔除了早期失效之后的工作，都可以检验环境应力筛选工作是否达到了预期的目的，在试验中如果发生故障都可在排除之后继续试验。这是它们的相同之处。

在试验时间上，环境应力筛选的无故障检验试验一般只要连续40小时不发生故障，试验就可以结束，环境应力筛选工作判为通过；而可靠性保证试验需要有连续MTBF 小时不发生故障，试验才可结束，总试验时间取决于产品的MTBF 值，一般要比前者稍长。

2.4 试验时间计算示例

设某雷达的可靠性指标要求为150小时，设计的MTBF 值比指标略有裕量，在环境应力筛选方案中要求以0.98的高概率通过MTBF 保证试验，试求对其进行可靠性保证试验的时间( 即连续不发生失效的工作时间) 。

解：由MTBF=0.212MTR，有：

MTBF=0.212×150=31.8小时。

取整为33小时，比环境应力筛选无故障检验试验时间还少。

需要说明，上述关系式是在通过概率α＝0.98的特定条件下的求解试验时间式，有一定的局限性。为了便于可靠性工程的应用，有的资料给出了α、MTR 和MTBF 三者的关系曲线图，可以快速查出不同的α和MTR 对应MTBF 的值。

2.5 试验剖面的确定

可靠性保证试验是在环境应力筛选的基础上进行的，由此试验剖面可以是环境应力筛选的温度循环应力，也可以用任务剖面。为了方便起见，一般采用前者。具体剖面的确定方法，可参考本教材第二章《环境应力筛选》有关内容。

3 试验方案

可靠性保证试验是环境应力筛选工作的延续，试验方案与之衔接得十分紧密，一般可在环境应力筛选方案之上补充此部分内容即可。试验实施中的所有要求都和环境应力筛选的要求一样。但是，必须注意以下问题：

a) 可靠性保证试验对承制方评估(推断) 产品的MTBF 值可能是十分经济有效的。但它不能取代可靠性鉴定或验收试验。

b) 从试验时间来看，可靠性保证试验要比老炼时间长，对大批量产品而言，它只适用于样本；对数量少的产品（如大型设备或大系统）来说，可适用于全部产品。

c) 如果在可靠性保证试验时间内发生了故障，必须进行分析，一旦发生缺陷型失效，必须中断试验；此时要检查环境应力筛选的效果，待补做环境应力筛选并确认所有缺陷都消除之后，再重做可靠性保证试验，直至通过为止，这样试验目的才能达到。

d) 对大多数电子设备而言，此项试验连同环境应力筛选一起所需试验时间在 100~150小时之间，远比可靠性鉴定或验收试验（统计试验）所需的时间短，承制方用可靠性保证试验的方法对产品进行自我可靠性评价，是很经济的。

4 实例

4.1 基本情况

1991～1992年五所工程中心对某厂生产的3部军用短波自适应电台进行了环境应力筛选和可靠性保证试验。环境应力筛选的情况已在本书第二章介绍。在环境应力筛选之后接着进行了123小时的可靠性保证试验，推断出该电台的可靠性定量值，取得了良好的效果。

4.2 试验方案

4.2.1 可靠性保证试验剖面的确定

本试验是接续环境应力筛选工作进行的，因此就采用环境应力筛选的高低温循环和随机振动两种应力组合。

a) 温度应力

温度变化范围：＋60℃、－40℃；

温度变化率：＋7℃/min、－11℃/min；

高、低温停留时间：1.5小时，一个循环用时3.5小时。

b) 随机振动应力

频率范围：20~2000Hz；

功率谱密度：0.04g2/Hz(80~350Hz)；

频率高低端功率谱密度变化率：±3dB/倍频程。

4.2.2 试验时间计算

已知条件：电台设计要求的MTBF=500小时；

按照式(5-2-1)，令接收概率α=0.98（高概率），可以直接引用式(5-2-2)，即保证试验的观察窗口时间：

T(r)=0.212M=0.212×500=106小时。

取32个循环。

4.2.3 应力施加程序

在完成40小时（随机振动和12个温度循环）的环境应力筛选后，接着安排可靠性保证试验，其程序是：

15min 的随机振动（进行5分钟未发生故障即停止振动试验）接着进行 32个温度循环。

说明：由于可靠性保证试验与环境应力筛选的无故障检测验收试验合并进行，由此没有在连续有40小时不发生故障时停止试验，而是按照可靠性保证试验的方案做完32个温度循环。

4.2.3 试验结果

3部电台累计试验368小时（含随机振动和温度循环），连续无故障。

4.2.4 数据处理与跟踪结果

对试验数据进行简单处理，可获得该电台MTBF 的推断值在868小时以上。由此可知，比指标值500小时提高了70％多。

根据近两年的跟踪调查结果表明，该电台的现场使用MTBF 值已远远超过500小时， 体现了环境应力筛选和可靠性保证试验获得的效益。