第八章 可靠性试验

② 试验条件及失效判据标准的确定。
③ 试验样品的选取及其抽样数。 注意： 寿命试验样品必须在经过筛选试验和例行试验后的合 格批产品中抽取。 ④ 试验的测试项目及测试设备。 ⑤ 试验的测试周期及截止时间的确定。
⑥ 试验结果的数据处理方法。
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总而言之进行一次寿命试验要化费大量的人力物 力和时间。因此，在试验未进行前应周密确定好以上 六方面问题。 2. 寿命试验的设计 由于时间关系，我们仅举例讨论产品的寿命分布服 从指数分布的测试周期，投试样品数量及试验截止时间 进行设计确定。
2
现从该总体选取容量为5的样本，我 们的任务是要根据选出的样本（5个数） 求出总体均值 的估计. 而全部信息就由 这5个数组成 .
设这5个数是: 1.65 1.67 1.68 1.78 1.69
估计 为1.68，这是点估计.
估计 在区间[1.57, 1.84]内， 这是区间估计.
一、点估计
元器件用于消费者产品，在其购进时，找到它失效且抛掉它仅损失2美元，但在现场使用时发 现它失效且抛掉它就要损失50美元。前后者相差近25倍。航天设备相差更大。
（4）常用的筛选方法：
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环境应力(该应力主要用于激发故障，而不是模拟使用环境）筛选：包括随机振 动、离心加速度，机械冲击，温度循环等。
注意在产品制造过程中，对各种工艺 质量的检验，成品、半成品的性能参 数测试都要进行筛选。
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筛选不同于质量验收。质量验收是通过抽样检验判定 一批产品是否合格从而决定接收或拒收，而筛选是对 于合格产品100%地进行试验，以剔除早期失效产品 筛选应力要选择好，不要对好产品造成损伤。
虽然可靠性筛选要付出相当代价（材料、时间即金钱） 但与筛选带来的好处相比，这种代价是值得的。
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• 截止时间与样品数及希望达到的失效数有关： 试验时间：
ln
n n 1
t i ln 1 1 F (ti )
• 截止时间与产品累积失效概率有关
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例8-3 已知上述产品投入贮存寿命试验。从摸底试验知： 其产品在300℃,250℃和200℃下的平均寿命分别约为80 小时、300小时和3000小时（同例1），求使累积失效概 率达到60%时，上述各温度下贮存寿命试验的截止时间。 解：(1) 求300℃时的截止时间
(2) 求250℃时的截止时间
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(3) 求200℃时的截止时间
以上所用公式并不适用于一切产品，各种不同寿命 分布的产品有各自的公式,这些公式是根据各自的寿命分 布函数进行数学推导。
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从例8 – 3 我们可以清楚地看出：当产品在200℃温 度下试验时需近四个月（三班倒），需2749小时，可 达到60%产品失效。 而在250℃同样达60%产品失效只要近11天半（三 班倒）274.9小时。 而上升到300℃,同样效果仅需3天（三班倒）73.3小时。 因此，为了用较短的时间评价产品的可靠性，我 们要研究和使用加速寿命试验。
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（1）定义：在产品制造过程中，将不符合要求的 产品（包括成品、半成品）剔除，而将符合要求 的产品保留下来的试验过程称为筛选。 （2）目的：剔除早期失效的产品。 （3）筛选应注意的问题： 可靠性筛选可以提高一批产品使用的可靠性，但并不能 提高每一个产品的固有可靠性，因为筛选不能改变失效 机理而延长任何单个元器件的寿命，它只是剔除早期失 效的产品后使剩下产品的平均寿命比筛选前平均寿命提 高了。
目的不同，试验样品、应力、时间的要求不同，分 析方法不同。 寿命试验主要有以下三种用途： (ｉ)可靠性测定： 即确定产品的寿命分布、失效率、平均寿命等参数。 (ii) 可靠性验证：
判断某批产品能否符合规定的可靠性要求。
(iii) 可靠性鉴定：
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鉴定产品的设计和生产工艺是否能生产出符合可靠性 要求的产品。
8.2 可靠性数量指标验证
分布参数估计的统计分析法：
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点估计：从一组观测值中计算的一个数，用以表示 对总体参数的估计。不足在于，抽样不同，估计值 不同。
区间估计：进一步对估计的数用可靠的概念确定一个 区间，说明该区间包含总体参数的概率大小。
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假如我们要估计某队男生的平均身高. （假定身高服从正态分布 N ( , 0.1 ) ）
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4、寿命试验和加速寿命试验 寿命实验是评价分析产品寿命特征的试验。通过寿 命试验可以获得失效率、平均寿命等可靠性特征量。 加速寿命试验就是在不改变产品失效机理、不引 入新的失效因子的前提下，提高试验应力，加速产品 失效进程，再根据加速试验结果，预计正常应力下的 产品寿命。
这种试验可以用较短的时间快速的评价产品的可 靠性。
F t
例8-2 已知上述产品平均寿命约为3000小时，希望在 1000小时试验中观察到r = 20个失效，求应投入试验 的样品数目。 解： ①求F(t) 累积失效概率
查表8-1得： F ( t ) = 28%
②求投入试验的样品数 >20 应投入试验的样品数为71个。 3、产品寿命试验的截止时间
机械环境条件 振 冲 离 碰 跌 摇 静 失 声 爆 冲等
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动 击 心 撞 落 摆 力 重 振 炸 击
辐射条件 生物条件 电磁条件 人为因素
（2）环境试验方法 现场使用试验
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当一些产品在样机研制完成之后，必须经过一段 时间的现场使用考验，才能大批生产。 这个现场使用试验取得的数据可真实地反映产品 在实际使用条件下的可靠性，但是周期长，花费大， 故有一定局限性，用于重要产品。 天然暴露试验 把样品长期暴露于天然环境，样品可处于工作负 荷状态或贮存状态，通过定期观测去取得产品各参数， 性能和外观的变化。
通过向产品施加合理的环境应力，将其内部的潜 在缺陷加速变成故障。 如航天部有些单位采用了高效应力筛选，把有效性最高 的温度循环和随机振动结合起来取得了很好的效果。 寿命筛选：如用高温贮存促使早期失效，
产品提前失效等。
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2、环境（使用环境）试验 众所周知，产品的使用环境对其可靠性影响很大， 所以要进行环境适应性试验。 通过实验结果对故障特征机理进行分析，找出改 进措施，进一步提高产品可靠性。使产品可靠性接近 设计规定固有可靠性水平。 （1）环境条件 气候环境条件 温 湿 气 风 雨 雪 水 露 霜 沙 盐 油游离等 度度压 雪 尘 雾 雾气体
t i ln 1 1 F (ti )
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为了工程使用方便，我们分别取F(t)为2%，4%， 6%......70%等值，求出相应的t/θ值，见表8-1。
各种情况的测试时间见表8-2。
（2）产品寿命试验的投试样品量 试样数大于20时，投试样品量n为：
n r
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AMSAA 增长模型是由美国物资系统分析中心 L.Crow提出的，它是根据Duane 增长模型改进而来。
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AMSAA 模型与Duane 模型具有内在联系,但 AMSAA 模型可以直接用试验原始数据(试验时间与失 效数)，计算较为简单，也更精确。因此,目前工程上广 泛采用AMSAA 模型。
产品累积失效概率分布函数： F ( t ) 1 e
t

（1）产品寿命试验周期 测试时间ti:
t i ln 1 1 F (ti )
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例8-1 某种开关管寿命分布服从参数为的指数分布，从摸 底试验知其在300℃下的平均寿命约80小时，在250℃下 约为300小时，在200℃下约为3000小时。现作300℃、 250℃、200℃下的贮存试验，要求在测试过程中得到的 累积失效概率分别为4%,10%,2%,40%,60%,求测试时间 安排（测试周期）。
x E ( x) 1 n
n
xi , S
2 2
1 n 1
( xi x )
i 1
n
2
i 1
那么要问: 样本均值是否是 的一个好的估计量？ 样本方差是否是 2 的一个好的估计量？
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1．无偏性
2．有效性 3．一致性 4．充分性
估计量是随机变量，对于不同的样本值会得到不同的估计值 . 我们希望估计值在未知参数真值附近摆动，而它的期望值等于未知参数的真值. 一个参数往往有不止一个无偏估计, 无偏估计以方差小者为好
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在实际工程中,用Compertz 增长模型曲线调整管理计 划、改进研究策略,使产品可靠性增长符合预期要求。 （2）Duane （杜安）增长模型 Duane 增长模型是1962年美国通用电气公司 (J.D.Duane)提出的。主要用于电子、机械系统的研制 实验。
（3）AMSAA 增长模型
人工模拟试验
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人工模拟试验是人工控制条件下的试验，是在试 验箱内或试验台上进行的。 这种方法经常应用于产品制造厂家，具体试验方 法参照有关(GB、GJB等)标准。
3、可靠性增长试验
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为暴露产品可靠性的薄弱环节，并证明改进 措施能防止薄弱环节再出现而进行的提高可靠性 的一系列试验。 从研制初期到批量生产过程中的一系列实验：实 验——分析——改进过程。在该过程中可靠性一直在 增长。 可靠性增长试验对象是经环境试验的样机或是生 产的样品。在真实或模拟真实的环境条件下对产品进 行正规试验。
力试验的影响，这是不符合实际情况的）
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其试验周期短，故常用于定性分析场合。 • 序进应力加速寿命试验 试验过程中应力随时间等速连续增强 的试验。
试验周期短，但需要有专门的程 特点： 序控制设备，数据处理复杂。
二、寿命试验设计
1. 寿命试验设计需要考虑的问题 ① 试验目的：
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第 八 章
可靠性实验、验证及评定
为了评价或提高产品（包括系统、设备、元器件、原材料） 可靠性而进行的试验，称可靠性试验。
可靠性试验的目的：
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是对产品的可靠性进行调研、分析和评价的一种 手段，也是提供和保证可靠性的一个重要环节。 （1）研制阶段使产品达到预定的可靠性指标 在不同应力条件下，测定产品的可靠性特征值， 掌握产品在各种应力条件下的寿命分布模型。通过实 验找出产品在原材料、结构、工艺和适应环境的能力 等方面所存在的问题。
可靠性增长模型：
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为了实现对可靠性增长的管理, 需用数学模型对增 长速度作评估。 常用模型很多, 下面介绍三种模型。 （1）Compertz 增长模型 Compertz 增长模型是时间序列分析中用来反映增 长趋势的一种工具。 特点：
这模型开始增长较快, 以后逐步减慢, 最后趋于 一个极限。
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（2）产品研制定型中，进行可靠性鉴定
判断产品的设计和生产工艺是否符合可靠性要求， 确定能否进行批量生产。 （3）产品的生产过程中控制产品的质量
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8.1 可靠性试验分类及方法
一、可靠性试验的分类
筛选试验 按试验项目 环境试验 可靠性增长试验 寿命试验
1、可靠性筛选试验
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例1 已知某地区新生婴儿的体重X~N ( , 2 ),
, 未知,
2
随机抽查100个婴儿 得100个体重数据 10,7,6,6.5,5,5.2, … 而全部信息就由这100个数组成. 据此,我们应如何估计 和 呢?
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为估计 ,我们需要构造出适当的样本 的函数T(x1,x2,…,xn)，每当有了样本，就代 入该函数中算出一个值，用来作为 的估 计值 . 把样本体重的平均值作为总体平均体 （1）矩估计法 重的一个估计. 类似地，用样本体重的方差 S 2估计 2 .
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如钟表发条的拉平试验就是一种加速试验（因为它 试验中施加的应力远远大于正常工作时承受的应力，任 何钟表工作中发条都不会出现被拉成直线的状态）。 分类： • 恒定应力加速寿命试验 在试验过程中应力保持不变的试验。 特点：数据容易处理,外推准确性 较高，但试验时间较长。
• 步进应力加速寿命试验 试验过程中应力随时间分阶段逐步增强 的试验。 特点： 预计精确性低。（因为这种方法忽略了低一级应力试验对高一级应