(minitab程序)基于加速寿命试验的产品可靠性试验方法_朱月伟

汽车技术 基于加速寿命试验的产品可靠性试验方法 朱月伟叶丽君薛肇江 ( 温州华润电机有限公司) 【 摘要】 建立了加速寿命试验的基础模型。 针对某公司电喷燃油泵产品潜在的失效模式和机理, 利用加速应力的 方式来即加大电压和升高压力进行产品使用寿命试验。介绍了试验流程、 试验计划制定、 试验数据的分析和处理等, 并通过模型预测出了该产品在不同应力水平下的使用寿命。 主题词: 电喷燃油泵加速寿命试验可靠性 中图分类号:U 4 6 7 . 4 + 9 7文献标识码:A文章编号:1 0 0 0 - 3 7 0 3(2 0 0 8)0 3 - 0 0 4 6 - 0 3 T e s t Me t h o d s o f P r o d u c t R e l i a b i l i t yB a s e do nA c c e l e r a t i o nL i f e T e s t Z h uY u e w e i , Y e L i j u n , X u e Z h a o j i a n g (We n z h o uH u a r u nM o t o r C o . , L t d .) 【A b s t r a c t】T h eb a s i cm o d e lo fa c c e l e r a t i o nl i f et e s tw a se s t a b l i s h e d . I nv i e w o ft h el a t e n tf a i l u r em o d ea n d m e c h a n i s m o fe l e c t r o n i ci n j e c t i o nf u e lp u m po fac o m p a n y , t h ep r o d u c ts e r v i c el i f et e s t sw e r ep e r f o r m e db yu s i n g a c c e l e r a t i o ns t r e s s m e t h o d , i . e . i n c r e a s i n gv o l t a g ea n dp r e s s u r e . T h et e s t f l o w , e s t a b l i s h m e n t o f t e s t p l a n , a n a l y s i s a n dd i s p o s a l o f t e s t d a t a w e r e a l s o d i s c u s s e di nt h e p a p e r , a n dt h e s e r v i c e l i f e a t d i f f e r e n t s t r e s s l e v e l s w a s p r e d i c t e dw i t hm o d e l s . K e yw o r d s:E l e c t r o n i ci n j e c t i o nf u e l p u mp , A c c e l e r a t i o nl i f et e s t , R e l i a b i l i t y 1前言 加速寿命试验(A c c e l e r a t e d L i f e T e s t,A L T) 是在 进行合理工程及统计假设的基础上, 利用与物理失 效规律相关的统计模型对在超出正常应力水平的 加速环境下获得的可靠性信息进行转换, 得到试件 在额定应力水平下可靠性特征的一种试验方法。加 速寿命试验采用加速应力方式对试件进行寿命试 验, 从而缩短了试验时间, 提高了试验效率, 降低了 试验成本, 该试验方法使对高可靠、 长寿命产品的 可靠性评定成为可能。 某公司生产的电喷燃油泵属于机电类产品, 使 用寿命为1 2年, 平均无故障运行时间为20 0 0 3 0 0 0 h, 对其开展产品寿命试验存在试验周期过长 等问题, 为此提出了运用加速寿命试验来预测该产 品可靠性的方法, 为产品可靠性的快速预测提供了 解决方案。 2加速寿命试验的基础模型 定量加速寿命试验通过加速使用频率或加速 应力来加速产品的失效。加速使用频率的方式是在 正常条件下加大使用频率, 使其在一段时间内连续 工作, 此类试验所获得的数据可利用标准的寿命数 据分析技术进行分析, 该方式适于在正常条件下非 连续工作的产品; 加速应力试验是通过提高在正常 运行条件下的应力水平来加速产品失效,所获得的 数据需要通过建立数学模型、利用加速应力寿命数 据来推测产品在正常应力条件下的寿命。 2 . 1应力类型和应力水平 应力类型包括温度、 电压、 振动、 压力、 湿度或直 接影响产品寿命的其它应力,应力水平代表了所选 应力所处的水平状态。如,某产品正常工作条件为 2 9 0 K, 为了促使该产品更快失效, 设计了在3 1 0 K、 3 2 0 K和3 3 0 K应力条件下的加速寿命试验。即该 例中的应力类型为温度,加速应力水平为3 1 0 K、 3 2 0 K和3 3 0 K, 正常使用应力水平为2 9 0 K。 通过加速寿命试验可获得各加速应力水平下的 寿命数据,然后采用标准的寿命数据分析工具来预 测每组加速应力下的寿命分布( 如威布尔分布、 指数 分布、 对数正态分布等) , 在每组加速应力水平下都 有一个概率密度函数(p d f) , 通过建立寿命应力关 系模型来推测产品在正常使用条件下的p d f。 2 . 2寿命应力关系模型 寿命应力关系模型描述了从一个应力水平到 另一个应力水平时寿命分布的寿命特征,寿命特征 可以是任何的寿命估量(M T T F或M T B F) 表示为应 力的一个函数, 即f(t)= f(x 1,x2, ) 。 典型寿命分布( 威布尔分布) 的p d f为: f(t)= ( t - ) - 1 e - t - ! (1) 试验 测试 4 6 2 0 0 8年第3期 式中,为形状参数,定义分布的形状和位置;为 寿命特征参数, 定义分布的范围;定义分布的初始 时间位置。 其累计分布函数(c d f) 为: F(t)= 1 - e - t - ! (2) 2 . 3参数估计 在寿命分布模型中,估计寿命分布的参数可使 分布函数和寿命数据保持良好的拟合性。该参数能 控制p d f的范围、 形状和位置。 可行的参数估计方法 包括概率图估计、 在X轴的秩回归(R R X) 、 在Y轴 的秩回归(R R Y) 和极大似然估计(M L E) 。 3加速寿命试验 某公司电喷燃油泵属典型的机电类产品,在产 品开发阶段开展了产品的失效模式和后果分析 (F a i l u r e m o d e a n d e f f e c t a n a l y s i s) 并形成了D - F M E A 文件。根据D - F M E A文件的分析结果, 对电喷燃油 泵产品寿命产生重大影响的是电刷和换向器的磨 损, 促使此摩擦副加速磨损可采用加大电压、 升高压 力、 变化环境温度等方式, 因此在加速寿命试验中选 择了电压和压力作为加速应力。 加速寿命试验过程包括计划阶段、 实施阶段、 数 据处理阶段和验证阶段等。 3 . 1试验计划制定 在该试验中, 选取了1 8台样件, 以电压和压力 作为加速应力,同时分别定义了电压和压力的4个 应力水平,并在各应力组条件下安排了样件的试验 计划。 3 . 2试验实施和数据采集 按试验计划的安排,在产品耐久性试验台上设 定各组应力及应力水平, 定期检查产品的失效状况, 并保持记录。该试验按表1的试验计划进行加速寿 命试验, 并采集了产品寿命数据。 3 . 3数据分析和处理 将 表1中 的 数 据 导 入M i n i t a b软 件 , 运 用 M i n i t a b中的“S t a t R e l i a b i l i t y / S u r v i v a l A c c e l e r a t e d L i f e T e s t i n g”可靠性和幸存度中的加速寿命试验工 具,设定电压U为第1个加速变量,压力P为第2 个加速变量,F(t) 为故障时间, 然后对数据进行处 理。 将表1中故障时间和加速变量( 电压和压力) 的 关系均设定为“ 常规加速” , 并用系统默认的威布尔 分布来拟合加速寿命试验的数学模型。 表1加速寿命试验计划及寿命数据 3 . 4图形和结果输出 3 . 4 . 1软件窗口及图形的输出 在M i n i t a b软件中对表1的数据进行处理后, 在软件窗口中输出了如图1所示的信息;同时输出 了此加速寿命试验模型的图形, 包括故障时间F(t) 与电压U、 压力P之间的拟合关系( 图2) , 以及产品 在各组应力下的故障时间F(t) 概率分布( 图3) 。 图1软件窗口输出信息 零件号I D电压U/ V压力P / M P a故障时间F(t)/ h 21 3 . 50 . 32 2 9 4 1 21 3 . 50 . 32 1 0 2 31 3 . 50 . 42 0 8 7 1 11 3 . 50 . 42 1 1 4 51 3 . 50 . 51 9 3 8 61 3 . 50 . 51 9 3 0 71 3 . 50 . 62 1 2 1 1 01 3 . 50 . 61 9 9 9 1 71 3 . 50 . 62 0 4 8 1 31 4 . 00 . 42 0 3 0 1 41 4 . 00 . 41 8 2 5 1 61 4 . 00 . 62 0 9 9 1 81 4 . 00 . 62 0 1 3 1 91 4 . 50 . 41 9 7 6 2 01 4 . 50 . 41 3 3 2 2 71 4 . 50 . 69 3 3 2 81 4 . 50 . 62 0 3 1 2 11 5 . 00 . 67 9 2 试验 测试 加速寿命试验: 故障时间F(t) 与电压U、 压力P关系 响应变量: 故障时间F(t) 删失信息: 计数 未删失值:1 8 估计法: 极大似然 分布: 威布尔分布 与加速变量的关系: 常规加速, 常规加速 回归表格 9 5 . 0 %正态置信区间 自变量系数标准差ZP下限上限 截距- 4 2 9 . 6 4 55 2 7 3 3 . 0 - 0 . 0 1 0 . 9 9 3 - 1 0 3 7 8 41 0 2 9 2 5 电压U1 0 . 2 5 1 41 3 0 4 . 0 50 . 0 1 0 . 9 9 4 - 2 5 4 5 . 6 4 2 5 6 6 . 1 4 压力P9 . 2 1 0 4 81 2 4 3 . 4 60 . 0 1 0 . 9 9 4 - 2 4 2 7 . 9 3 2 4 4 6 . 3 5 电压U 压力P - 0 . 2 1 4 5 2 93 0 . 7 5 0 0 - 0 . 0 1 0 . 9 9 4 - 6 0 . 4 8 3 3 6 0 . 0 5 4 3 形状7 . 9 1 9 9 71 . 7 4 6 0 05 . 1 4 1 2 8 1 2 . 2 0 0 4 对数似然= - 1 2 8 . 4 5 3 故障时间F(t) 的概率图( 拟合常规加速, 拟合常规加速) A n d e r s o n - D a r l i n g( 调整) 拟合优度检验 在各组加速应力水平 水平模型拟合值 1 3 . 5 0 . 35 . 2 1 0 1 3 . 5 0 . 44 . 8 3 8 1 3 . 5 0 . 54 . 5 4 1 1 3 . 5 0 . 63 . 8 1 6 1 4 . 0 0 . 44 . 7 4 8 1 4 . 0 0 . 65 . 8 6 8 1 4 . 5 0 . 44 . 9 8 8 1 4 . 5 0 . 65 . 9 8 7 1 5 . 0 0 . 67 . 3 5 5 百分位数表格 9 5 . 0 %正态置信区间 百分比电压U压力P百分位数标准差下限上限 1 01 20 . 32 0 6 4 . 2 55 6 4 . 6 9 01 2 0 7 . 5 7 3 5 2 8 . 7 0 5 01 20 . 32 6 1 8 . 5 86 9 6 . 9 7 01 5 5 4 . 2 0 4 4 1 1 . 8 9 9 01 20 . 33 0 4 7 . 1 88 1 2 . 9 1 41 8 0 6 . 4 1 5 1 4 0 . 1 8 4 7 汽车技术 图3故障时间F(t) 概率图 1 3 . 50 . 3 1 3 . 50 . 4 1 3 . 50 . 5 1 3 . 50 . 6 1 4 . 00 . 4 1 4 . 00 . 6 1 4 . 50 . 4 1 4 . 50 . 6 1 5 . 00 . 6 电压U压力P 1 2 . 00 . 3 统计量表 形状尺度A D + F C 7 . 9 1 9 9 72 1 4 8 . 0 55 . 2 1 020 7 . 9 1 9 9 72 1 3 0 . 6 04 . 8 3 820 7 . 9 1 9 9 72 1 1 3 . 3 14 . 5 4 120 7 . 9 1 9 9 72 0 9 6 . 1 73 . 8 1 620 7 . 9 1 9 9 71 9 6 4 . 6 04 . 7 4 830 7 . 9 1 9 9 71 9 3 1 . 9 55 . 8 6 820 7 . 9 1 9 9 71 8 1 2 . 0 44 . 9 8 820 7 . 9 1 9 9 71 7 8 1 . 0 95 . 9 8 720 7 . 9 1 9 9 71 6 4 2 . 4 87 . 3 5 510 9 9 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 5 3 2 1 故障时间F(t)/ h 设计值统计量表 形状尺度 7 . 9 1 9 9 7 2 7 4 2 . 6 0 8 0 0 1 0 0 01 5 0 0 2 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 0 0 6 0 0 0 百分比/ % 图2故障时间F(t) 与电压U、 压力P的关系 3 . 4 . 2预测运行寿命 根据软件窗口输出的信息对加速寿命试验的模 型参数进行估计。根据图1中的数据,即截距为- 4 2 9 . 6 4 5, 电压系数为1 0 . 2 5 1 4, 压力系数为9 . 2 1 0 4 8, 电压压力的系数为- 0 . 2 1 4 5 2 9, 形状参数为7 . 9 1 9 9 7 等, 可以得到此加速寿命试验的数学模型为: L o g eF(t) = - 4 2 9 . 6 4 5 + 1 0 . 2 5 1 4 U + 9 . 2 1 0 4 8 P - 0 . 2 1 4 5 2 9 U P + 1 / 7 . 9 1 9 9 7 p 式中,p为标准极值分布的第p个百分位数。 通过此数学模型可以预测产品在正常应力下 (1 2 V、0 . 3 M P a) 的故障时间, 如表2所列。 3 . 4 . 3预测结果的验证和分析 通过表2的寿命预测数据, 在1 2 V、0 . 3 M P a条 件下,5 0 %产品的失效时间约为2 6 1 8 h,因常规应 力下产品寿命试验的失效时间为2 5 0 0 4 0 0 0 h, 所 以此模型的预测结果与实际运行状况较一致,可以 满足试验分析和预测的要求。 表2 1 2 V、0 . 3 MP a下的寿命预测结果 根据加速试验模型可得到在1 8V、0 . 3M P a时 的产品预测寿命, 其结果如表3所列。 表3 1 8 V、0 . 3MP时的寿命预测结果 根据表3的预测结果, 在1 8 V、0 . 3 M P a时,5 0 % 产品的失效时间约为1 0 0 0 h, 而产品寿命试验要求 在常规应力下满足至少2 5 0 0 h的运行时间。 由此可 知, 通过加速寿命试验可以显著缩短试验周期。 5 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 故障时间F(t)/ h 1 21 31 31 41 41 51 5 电压U/ V 压力P 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 百分位数 9 0 5 0 1 0 百分比 / % 电压U / V 压力P / M P a 故障时间 F(t)/ h 标准差 9 5 . 0 %正态置