如何简便计算出逆变器的MTBF.doc

MTBF计算方法一、 定义平均无故障工作时间:MTBF（Mean Time Between Fail）是指相邻两次故障之间的平均工作时间，也称为平均故障间隔。它仅适用于可维修产品。其度量方法为：在规定的条件下和规定的期间内，产品寿命单位总数与故障总次数比。二、 计算方法因为MTBF是一个统计值，通过取样、测试、计算后得到的值与真实值有一定的差异；而且具体到每个产品时，其失效间隔时间与MTBF又有一定的差异，又有置信度的概念，所以要想让客户认可，就必须把计算值与客户的要求高出一些（如多出1个数量级）。如客户要求我司产品的MTBF为25年，我们计算出来为50年以上，则可以接受的，如果计算出来刚好是25年，反而让人觉得是不是用不到25年。6SQ博客空间#cb9d x+6SQ博客空间(N-C r8J计算方法一： Bellcore计算公式： MTBFTtot/( N*r)； 6SQ博客空间+?NK*oN!S5j备注：N为失效数（当没有产品失效时N取1）；r为对应的系数（取值与失效数与置信度有关）；W:h.5mpD,w0Ttot为总运行时间。例如：kmz7POr4A-_$g06SQ博客空间L$oQ jx某一产品在“高温高湿贮存”的结果：11个样品在85%RH、85下贮存2000Hrs时没有失效发生； 4fI(T)ZI 采用Bellcore推荐的激活能Ea，为0.8eV； c#Q%sq;i!Y 计算在温室下的运行时间； Gr_b+|0 因为没有样品失效，所以N1； m-0 r取0.92（对应60%的置信度）或2.30（对应90%的置信度）；iK/U$F:Zo)_#z!:C0 产品在室温下运行，相当于40/85%的贮存； G87ZzI5Q5f0 Ea为0.8eV，计算得到从85/85%到40/85%的加速倍数为42； /O3XE*u$CUQ b0 60%的置信度下，MTBFTtot/(N*r)（11*2000*42）/(1*0.92),结果即为114年；;f6b*C |)YD O0 90%的置信度下，MTBFTtot/(N*r)（11*2000*41.6）/(1*2.30),结果即为45年； oS0l.Pd2og,v1L09kud0B|w6o0从上面的计算可以看出，此计算用到了两个条件：进行了高温高湿测试、产品对应的激活能取0.8，这两个条件在Bellcore里、针对光隔离器的文件1221中有推荐使用。1、 EA是基于失效机理的，失效机理不同EA不同 ! v y. i3 D% 2、 EA的计算式通过试验数据，用统计的估计方法得出的，大概做法如下：3、 % N+ z5 i, m# & / S根据AF=EXP(Ea/K(1/T1-1/T2)），进行2个温度点（或2个以上）的试验，由于AF等于两个条件下达到相同失效率的时间之比，所以AF可以通过试验结果直接得出，然后根据公式可直接计算出EA。原理是这样，不过标准中是要采用统计的方法进行未知量的点估计（比如简单无偏估计）。0Jj8K|06SQ博客空间n&c,bm+dm:h*r7l 很多时候，因为测试时间太长（如1000H、5000H等），测试条件有限、激活能难以确定用多少才合适，所以不可直接计算，需要进行一些相关的测试。如：p!wmkw I*u0w+gh)O0L*s&x _0取9个样品，分三组，分别在85、105、127下运行，运行过种中“在线监测”产品性能（虽然产品本身有很多参数要测试，在我们的测试中取最主要的参数IL监测，光通信业认为当产品的IL变化量超过0.5dB时就认为产品失效）。实际测试中，产品在127下运行很快失效，当产品在105下运行失效，停止了测试，各种数据如下表： d.Z;lWvVg1MM!f0/I$PKel p dq/U0温度值初始IL（dB）停止时间（h）停止IL（dB）IL变化量(dB)变化量均值1270.313000.810.500.500.465000.960.500.374000.870.501050.358000.850.500.4466676SQ博客空间8Hw WiovJ0.388000.900.520.338000.650.32850.328000.400.080.1033330.418000.530.120.348000.450.11s*cb9f;s_ N0foOt0从上表可以看出：6SQ博客空间99O A q9OSCbgi5_w0在127时，产品的寿命为400H，即（300500400）/ 3； 6SQ博客空间 EX lL6SBK JB#t在105时，产品的寿命为895.5H，即（800/0.4467）0.5；6SQ博客空间xZ vnYy说明：产品在105下800H时，并没有全部失效，不能像127那样直接算出，只能用“线性外延”来计算，虽然不是很准确，但可以接受。因为800H时变化0.4467dB，所以变化量达0.5dB时总运行895.5H； 6SQ博客空间 ic/Ti5I8w C0P同理在85时，产品的寿命为3870.2H； n;X?iO;_b Gw1cQ0将Arrhenius 公式两边取自然对数得到：Ln(Life)（Ea/k）*(1/T)；T温度下对应的Life满足上述公式，把三点中的温度和寿命，按（X,Y）的形式，X =1/T、 Y =ln(life)，得到相应的三点（0.002793，8.26126）、（0.002646，6.797407）、（0.002498、5.991465）；6SQ博客空间C2e2L-oPYz E将第步中的三点在EXCEL中作图，将对应的曲线用直线拟合得到直线的斜率为7893.0；也就是(Ea/k)=7893.0，故Ea0.68eV；6SQ博客空间 Y(;koR T故产品在常温25（对应的1/T=0.003356）时寿命为：（105时的寿命）（105对25的加速倍数）；当(Ea/k)=7893.0时，105对25的加速倍数为272。6SQ博客空间U9Syog!t oA?故25时产品寿命为272*895.5/356/2427.8 （年）。6SQ博客空间T|4X m&GfP故产品失效率为10E9/(272*895.5)=4103 FIT.上述方法缺点就是：6SQ博客空间/G4p S?%Xfxx,r1?3G.Evz0上述方法撒谎样品数据较少，每组只有3个样品，随机性较大；6SQ博客空间 o2mv!fQ中温、低温时产品没有达到寿命时间，以平均值“外延”代替，误差较大； 3N|E3aJmBp#R0取到三个点时，用直线拟合，带来很多误差；6SQ博客空间QIB&b*QlH计算25度时的寿命，用“85时的寿命”与“加速倍数”相乘，而这两个参数都有误差；6SQ博客空间Dd&o8Y#by优点是：在没有以前H$l/o.k0的测试数据、激活能用多少也不知道的情况下，可以用此种方法进行估计产品的MTBF值。6SQ博客空间8hMG4Re-z计算方法二：5e*Z2VM:U+A%j O4!s0此方法是将样品进行加速试验，记录每次故障发生的时间，然后套用寿命模型、选择最好的一种来计算。如：在常温下，对100个产品做测试，当出现10次故障时停止测试。10次故障的时间为：268、401、428、695、725、738、824、905、934、1006小时。求此产品的MTBF。l0t,u&W.ow5r0D B |gK%_0第一步：求F(t)，即产品的累积失效率（CDF）。这里用这样的方法： m F.m!Zj9PZ:z0第一次失效的F(1)=(1-0.3)/(100+0.4)0.006972；6SQ博客空间&kmO6W*hL+F 第二次失效的F(2)=(2-0.3)/(100+0.4)0.016932；6SQ博客空间 m/$J&A#gc第三次失效的F(3)=(3-0.3)/(100+0.4)0.026892； R,L#|9Q$mi%m2a6g0 其它类推（分子为：失效次数-0.3；分母为：样品数+0.4）。W+;H#v(w0第二步：求Ln(1/(1-F(t)，即第一步求得的F(t)代入Ln(1/(1-F(t)计算出数据。如： b,gY7e(K5VVc(d6F70第一次失效的Ln(1/(1-F(1)= Ln(1/(1-0.006972)0.006997； fsk%_:Y T ri D0 第二次失效的Ln(1/(1-F(1)= Ln(1/(1-0.016932)0.017077； Sc75Q&QP$ZG0 第三次失效的Ln(1/(1-F(1)= Ln(1/(1-0.026892)0.027261；6SQ博客空间c C&d_T k#tneX#2Q 其它类推； YQ!o:Xf0第三步：套用公式：正态分布、威布尔分布（不同产品有不同的寿命分布模型）6SQ博客空间#R;m&|0f:GM1、套用正态分布； *khY(*iR/j0 根据正态分布公式1F(t)EXP(-t)，变换后得到：Ln(1/(1-F(t)t；6SQ博客空间6z9VG3w+k 将第二步中求出的Ln(1/(1-F(t)作为y，将每个故障发生的时间t作为x，组成坐标点(x,y)，如(0.006997,268)、(0.017077,401)、(0.027261,428)等，将10个点以EXCEL作图； 7r%LT_ ;?R Y Q02、套用威布尔分布； TR.OE1iG6s0由威布尔公式1F(t)EXP(-（t/m）n)，变换后得到：Log(ln(1/(1-F(t)n*log(t)-n*log(m)； %hD3.Abi0将第二步中求出的Ln(1/(1-F(t)作为Y，将每个故障发生的时间t作为X，取y=logY, x=logX,组成坐标点(x,y)，将10个点以EXCEL作图； d.ZN!DZd 3、套用其它分布；方法同上，先找出对应的公式，再变换，再作图； Gtnum2_$0第四步：观察与计算；查看第三步中作的图。6SQ博客空间)6F9qUh/J找出哪一个图的10个点看起来最有线性关系，并选定“最直”的那一图； 2L&k/y3J;m$F0将“最直”的那个图用直线拟合，找出直线的斜率k、截距b；6SQ博客空间 Zu)TC#D0AW&W(Ko若是正态图最直，则MTBF1/k；若是威布尔图最直，则由k,b计算出m,n，MTBFm*(1+1/n)；6SQ博客空间&J#B wpTu9FG此方法的优点：$d|#s oDn0此方法1、可以较准确地计算出产品在常温下的MTBF。)e&tR6W%X02、若常温下产品MTBF很长，也可以用这种方法先计算85、105等高温下的MTBF，再通过计算激活能后计算出常温下产品的MTBF。计算方法三：在产品研发早期阶段各种信息还不足，无法确定将要设计的系统的MTBF值，可以一种简便、准确、实用方法，即简单枚举不完全归纳快速预计法，简称CW可靠性指标预计法。CW法预计公式：S系统失效率0电子元器件平均基本失效率，对于国产器件0=10-5-10-6（1/h）、对于进口器件0=10-7-10-8（1/h）；K1降额设计*效果因子，根据降额设计水平不一样，一般取K1=（101）10-2；考虑到产品的体积、重量与成本，一般取K1=10-1；K2环境应力筛选效果因子、产品经过环境应力筛选测试，可靠性将有一定幅度提高，一般K1=0.5-0.1。K3环境影响因子。产品使用于不同环境其取值也不同，K3取值见下表：使用环境K3推荐值测试室内0.5-11普通室内1.1-105陆用（固定）5-108车载13-3020舰船载10-2215机载40-8050K4机械结构影响因子。在使用中，机械结构件也会产生故障。一般取值K4=1.5-3.5；K5制造工艺影响因子。产品在制造过程中，制造工艺不良也会影响产品可靠性；一般取值K5=1.5-3.5；N系统所含电子元器件数量；MTBFS系统平均故障间隔时间；用CW法预计可靠性指标，只需要知道设计中所以用到的电子元器件的个数、电子元器件的产地、系统将要使用的环境，就可以估计出系统的S，从而得到MTBF；例子：某军用产品，该产品含有进口电子元器件约为2000个，其固有可靠性指标为：S=0K 1K 2K3K4K 5N=10-710-10.551.522000=1510-5/h在使用过程中，要求MTBF为200H，则设计目标值为800H，而设计估计的MTBF值：6667h800，设计就不需要改动。但用户要求MTBF为2000H（则设计目标值为8000H），对于一个MTBF为6667H的系统（此时的可靠性称为系统的基本可靠性），为了达到MTBF为8000H的要求，就必须提升系统完成任务的能力（即就是提升系统的任务可靠性）。这种使产品的可靠性获得提高的过程称为可靠性增长。此种方法优点是：适用于产品研发初级阶段，简单、便捷。缺点是：计算值与实际值产别很大，一般情况下设计目标值必须使用要求值的4倍以上。其中MTBF的设计目标值计算方法：如果要求产品在使用时MTBF为200H，那产品在设计的MTBF就应该比200H大，才有把握保证产品的MTBF满足这一要求。使用时MTBF与设计时MTBF一般情况下满足如下关系：可靠性定量指标MTBF（）有诸多参数，它们之间关系上图所示。T（MFHBF）门限值。根据用户需求或使用要求而定；MAV最低可接收值，一般MAV/T=1.25，它是考核指标；1MTBF检验下限值，在统计测试方案中，当产品MTBF真值接近或等于1时，以高概率拒收该产品，一般1/MAV =1.25。0MTBF检验上限值，在统计测试方案中，当产品MTBF真值接近或等于1时，以高概率接收该产品，一般0/1 =D0；按GJB 899测试方案，=0.1，D0=D=2；pMTBF设计值，又称规模值，是研制任务书中规定和期望达到的指标；按GJB299预计p/o=1.25。所以p/T3.9；也就是说，设计目标值最小应该在实现使用要求值的4倍；一般情况下设计值为实现使用要求值的510倍。PO1MAVT25%经验因子200h250h312h625h781hD=225%安全余量25用户使用要求设计目标值计算方法四：现场失效数统计计算 产品在完成设计改进、准备批量生产前，原则上需要通过部分样机进行试验室试验来评价产品的MTBF，再确定是否批量生产。而实际上，由于新产品在推出时间上的需要，不可能进行长时间的MTBF试验。对于民用产品来说。试验室试验由于时间和费用的关系根本无法操作;对于部分军用产品来说，由于生产的数量极有限，不可能抽取过多的试验样品进行MTB F试验，这样通过极少样品评价出的 MTBF可信度是个大问题。同时，由于实验室试验条件的单一性和产品在外场使用条件的多样性，因此，试验室试验的真实性与产品的外场使用会有较大的差异。这时就需要通过现场失效统计的数据来了解产品真实的MTBF当然这种方法带来的时间滞后性是无法克服的，但对于验证实验室的试验数据和连续生产同类产品的生产厂家还是有价值的。对于大量投人市场的民用产品（如公司500kW逆变器），可以通过对维修率的统计，求出MTBF的大致水平，其计算方法如下:假设公司500kW并网逆变器的年销售量为600台，一年内返修产品10台，要求计算500kW逆变器的MTBF值。已知月平均销售数量N=50台；平均每天的使用时间为t=8h；每天的使用率约为k=90 %。则对于当月售出的产品的工作时间为:T=销售台数*每天使用时间*平均使用天数。考虑跟实际情况接近，故设每个月的销售逆变器是逐步进入用户，而不是一次性且每月的第一天进入用户，因此，当月平均使用天数是15天，往后每月天数为30天（不考虑大小月，一30天为平均值），计算结果为:第一个月售出产品的总工作时间和各月产品的工作时间如下:T1=(50*8*15)+(50*8*11个月) 第1个月T2=(50*8*15)+(50*8*10个月) 第2个月T11=(50*8*15)+(50*8*1个月) 第11个月T12=(50*8*15)+(50*8*1个月) 第12个月总工作时间为各月工作时间的累加和：T总=T1+T2+T12通过合并同类项并考虑每天产品的使用率90%，最终的计算结果为:TS=(T1+T2+T12)*90%=(50*8*6个月)+50*8（1+2+11）*90%=50*8*72个月*90%=50台*8h*2160天*90%=777600h则MTBF= TS/返修数=777600/10=77760h。所以经过计算得出公司的500kW逆变器的MTBF值为77760h。总结：TS =N(月销量)*t(每天开机时问)*2 160(一年总开机天数)*k(开机率) 此种计算方法计算出来的MTBF值是最接近产品的实际真实值，所以如果公司产品实现批量化生产和销售，可采取此方法，只是相关的参数统计时间比较长，统计时间越长，计算出来的MTBF值可信度越高。产品的失效分布决定计算方法，计算结果也有很大的差异：如：客户要求我们公司提供的逆变器产品年返修率为2.5 %，生产方至少要达到什么水平的MTBF才算合格？ 解1:产品的失效分布满足指数规律时，可以套用MTBF=l/的公式: MTBF=1/(2.