MTBF的預(yù)計計算

2017-02-17 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

MTBF的預(yù)計計算

一個產(chǎn)品在設(shè)計、生產(chǎn)、材料、運輸、保存、使用環(huán)境中存在各種不確定的因素,使得產(chǎn)品的壽命成為隨機變量,對于隨機出現(xiàn)問題的時間,可通過各種統(tǒng)計計算得出。通常MTBF可以通過以下3種計算途徑求出。

1、可靠性預(yù)計計算

預(yù)計產(chǎn)品MTBF的好處是:首先,在產(chǎn)品設(shè)計階段就可以滿足客戶的制造要求;其次,對生產(chǎn)方而言,可使其以最少的費用對預(yù)計的產(chǎn)品弱點進行關(guān)注和改進。

在預(yù)計的方法上,針對整機可靠性試驗的失效模式多為指數(shù)分布的情形。各標準所采用的是產(chǎn)品中所有元器件的使用失效率累加后代入MTBF=1/λ的公式。求出MTBF。當(dāng)然計算時要考慮的失效率修正系數(shù)相當(dāng)多和復(fù)雜。事實上預(yù)計的準確度與各種修正系數(shù)(πe—環(huán)境系數(shù)、πq—質(zhì)量系數(shù)、πr—電流額定值系數(shù)、πa—應(yīng)用系數(shù)、πs—電壓應(yīng)力系數(shù)、πε—配置系數(shù)等)關(guān)系密切,因此,預(yù)計人員對失效率模型和修正系數(shù)的掌握和了解程度是準確預(yù)計的關(guān)鍵。

有兩項內(nèi)容直接影響了累計結(jié)果,一是失效率的大小,二是元器件數(shù)量的多少。

但要明確的是,這些預(yù)計的結(jié)果都是產(chǎn)品的設(shè)計期望,也就是我們常說的“潛在可靠性”,最終這些預(yù)計結(jié)果還是需要經(jīng)過對產(chǎn)品實際工作的檢驗來騎證,這個驗證無論是由生產(chǎn)方進行還是由獨立的第三方實驗室進行。

2、實驗室試驗和計算

產(chǎn)品設(shè)計結(jié)束后必須通過元器件的采購控制和生產(chǎn)工藝的保證,才能生產(chǎn)出好的產(chǎn)品,這時產(chǎn)品具有的可靠性被稱為“固有可靠性”,這是無論是生產(chǎn)方還是使用方都急需了解的。在產(chǎn)品設(shè)計定型階段和量產(chǎn)階段,生產(chǎn)單位一般是通過實驗室試驗來對產(chǎn)品進行可靠性壽命評價。實驗室的可靠性壽命評價試驗具有一定的破壞性,因而不可能對所有的產(chǎn)品都進行試驗,而且這樣的工作量也確實太大了。因此,通過實驗室試驗來獲取試驗樣品的基本方法是,從同型號(同批次)有限的一批產(chǎn)品中抽取一部分產(chǎn)品來進行試驗,這些產(chǎn)品在可靠性術(shù)語中被稱為“子樣”(或“樣本”),其中的每個產(chǎn)品被稱為“樣品”。顯然從概率統(tǒng)計的觀點看。抽取的試驗樣品數(shù)量越多,就越能真實地反映該批產(chǎn)品的可靠性水平。

在實際的壽命評價試驗中,由于試驗時間和失效數(shù)量的不確定性,在整個試驗過程中,試驗樣品往往無失效或部分失效時,就需要采用截尾試驗的方法,截尾試驗可分為定時截尾試驗(試驗到規(guī)定的時間而中止)或定數(shù)截尾試驗(試驗到出現(xiàn)規(guī)定的故障數(shù)或失效數(shù)時而中止),這兩類試驗方法是實驗室估算MTBF最為常用的試驗方法。

在截尾試驗中,通過部分失效的樣品和較短的試驗時間來推算整批產(chǎn)品的MTBF時,需要涉及大量的概率論知識。在通過大量統(tǒng)計的基礎(chǔ)上,給出了3種可用于估算僅有部分產(chǎn)品失效或未失效的MTBF計算方法的公式,它們分別是“平均壽命的點估計”、“雙側(cè)置信區(qū)間估計”和“單側(cè)置信下限估計”。

通過這3種涉及概率統(tǒng)計方法計算出的MTBF結(jié)果,可信度是一個大問題。為解決這個間題提出了“置信度”的概念,其含義是:通過月算對未知的參數(shù)θ(平均壽命)估計出一個取值的范圍,如(θL,θU)的區(qū)間,而未知參數(shù)θ的取值會以一定的概率落人這個估計區(qū)間的范圍內(nèi),這個概率值就被稱為數(shù)值估計的“置信度”或“置信水平”,以字母C來表示。而不落人估計區(qū)問的的概率被稱為數(shù)值估計的“風(fēng)險度”或“顯著性水平”,以字母α表示。

在實際的應(yīng)用中,接收單位對產(chǎn)品的試驗結(jié)果,一般采用單側(cè)置信下限估計的方法計算。這是因為除了計算簡單外,同時還有較高的置信度。點估計的計算方法往往是生產(chǎn)單位喜歡采用的。因為點估計值的計算結(jié)果是最大可能的結(jié)果。

如希望了解產(chǎn)品的大致壽命范圍,以便對產(chǎn)品進行可靠性增長改進或?qū)S護時間、維護備件進行控制時、就會采用雙側(cè)置信區(qū)間估計的方法。

在截尾試驗方法中,還有失效產(chǎn)品可替換和無替換等試驗方法可用于估算MTBF,另外,利用成敗型抽樣檢驗平均壽命等方法也是實驗室的工作?？傊?大部分的可靠性試驗方法和MTBF的汁算,以及大最有關(guān)可靠性的工作內(nèi)容都會在實驗室完成,但是需要清醒地認識到,實驗室試驗的條件還是不能和實際使用的條件一樣,如高溫老化試驗就很難暴露因潮濕環(huán)境造成的失效,因此。所有實驗室的MTBF結(jié)果還是有待現(xiàn)場使用來驗證。

3、現(xiàn)場失效數(shù)統(tǒng)計計算

產(chǎn)品在完成設(shè)計改進、準備批量生產(chǎn)前,原則上需要通過部分樣機進行試驗室試驗來評價產(chǎn)品的MTBF,再確定是否批量生產(chǎn)。而實際上,由于新產(chǎn)品在推出時間上的需要,不可能進行長時間的MTBF試驗。對于民用產(chǎn)品來說。試驗室試驗由于時間和費用的關(guān)系根本無法操作;對于部分軍用產(chǎn)品來說,由于生產(chǎn)的數(shù)量極有限,不可能抽取過多的試驗樣品進行NfTBF試驗,這樣通過極少樣品評價出的MTBF可信度是個大問題。

同時,由于實驗室試驗條件的單一性和產(chǎn)品在外場使用條件的多樣性,因此,試驗室試驗的真實性與產(chǎn)品的外場使用會有較大的差異。這時就需要通過現(xiàn)場失效統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來了解產(chǎn)品真實的MTBF當(dāng)然這種方法帶來的時間滯后性是無法克服的,但對于驗證實驗室的試驗數(shù)據(jù)和連續(xù)生產(chǎn)同類產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家還是有價值的。

計算公式用代數(shù)方式表達,以方便對現(xiàn)場統(tǒng)計計算的應(yīng)用。

T總=N(月銷量)×t(每天開機時問)×2160(一年總開機天數(shù))

×K(開機率)

當(dāng)然這個計算公式并不是唯一的,在對現(xiàn)場統(tǒng)計的研究中,根據(jù)不同的情況還有許多不同的計算方法都是可以參考的。

計算MTBF時要注意失效分布在計算中的意義:

1)產(chǎn)品的失效分布不同時,MTBF是有較大差異的,因此,失效分布的形態(tài)對MTBF的計算有很大的影響;

2)對設(shè)計、制造良好的整機產(chǎn)品來說失效分布多為指數(shù)分布。也就是常說的偶然失效的情形。如果不廠解產(chǎn)品的失效分布形態(tài),可以先內(nèi)接采用指數(shù)分布的公式計算;

3)正態(tài)分布常用來表示磨損失效的情形,通常設(shè)計、制造不良的產(chǎn)品在較短的時問內(nèi)就會進入磨損損耗期,如果在試驗中發(fā)現(xiàn)失效分布呈現(xiàn)的是正態(tài)分布,且壽命時問較短時要注意產(chǎn)品本身存在的問題。

對MTBF進行一下總結(jié):

首先,“平均無故障工作時間”表示的是一批產(chǎn)品無故障工作時間的平均值,而“無故障工作時間”指該批產(chǎn)品第一次出現(xiàn)故障前的工作時間。實際上,當(dāng)一批電子產(chǎn)品在工作到平均無故障工作時間時,己經(jīng)約有60%的產(chǎn)品會發(fā)生硬件故障而無故障工作時間(出現(xiàn)首次故障的時間)則遠低于MTBF時間。

其次,在一些可靠性工程書籍中,有時也會把MTBF/MTTF叫做平均壽命。這對不可修復(fù)的產(chǎn)品,如電子元器件是完全可以理解的;但對可修復(fù)的整機電子產(chǎn)品來說,MTBF表征的平均壽命并不是指產(chǎn)品的平均終了壽命,而只是發(fā)生故障的平均時間。同樣,可靠壽命這個概念,對不可修復(fù)產(chǎn)品來說,就是我們通常理解的壽終正寢的壽命;而對可修復(fù)產(chǎn)品來說,可靠壽命也并非指產(chǎn)品耗損期的壽命。

第三,不同的應(yīng)用目的,MTBF的計算方法也不同。

a)在可靠性預(yù)計中,MTBF的計算主要根據(jù)相關(guān)標準以及組成元器件的基本失效率和各種修正系數(shù)來進行的。這時得到的MTBF值只是產(chǎn)品的設(shè)計期望,也就是我們常說的“潛在可靠性”。并且,由于存在指數(shù)分布等理想假設(shè)、元器件基本失效率與實際值的差異、以及修正系數(shù)選取方法的不同,計算得到的MTBF值可以有很大的差異(差兒個數(shù)量級)。但就同樣的產(chǎn)品來說,對選擇不同的設(shè)計方案或是選擇不同的元器件進行可靠性預(yù)計比較時,還是很有意義的。

b)生產(chǎn)單位一般是通過實驗室試驗來對產(chǎn)品進行可靠性壽命評價,并計算得到產(chǎn)品的MTBF數(shù)據(jù)。MTBF試驗往往采用定時或定數(shù)截尾的試驗方法,當(dāng)僅有部分產(chǎn)品失效或未失效,可采用“平均壽命的點估計”、“雙側(cè)置信區(qū)間估計,’和“單側(cè)置信下限估計”3種MTBF計算方法,從而得到MTBF的估算值:具體應(yīng)用時,可通過計算公式及查表來得到在某個置信水平下的試驗方案或是計算得到MTBF值。

c)還可通過現(xiàn)場失效統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來計算MTBF,用這種方法得到的MTBF可以比較準確地反映產(chǎn)品的真實可靠性水平。具體的計算方法也相對簡單,只要能得到產(chǎn)品的年返修率和年銷售量及年總的開機時間(估算),就可以通過簡單的算術(shù)運算獲得MTBF值,實際上產(chǎn)品的年返修率的高低與MTBF的大小也就是說可靠性水平的高低是最直接相關(guān)的。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才