可靠性试验第二章2012

1、第二章可靠性试验的基本方法与要素可靠性试验的基本原理可靠性试验的四大要素 试验条件 试验剖面 故障判据 性能检测内容和检测点设置1Dept。Of reliability and system engineering, BUAA可靠性试验的基本方法可靠性试验的方法就是模拟现场工作条件、环境条件，将各种工作模式及应力按照一定的关系和一定的循环次序反复地施加到受试产品上，通过对试验中发生的故障的分析与处理，将信息反馈到有关环节并采取相应的纠正措施， 即可使受试对象的可靠性得到根本提高或做出合格与否的结论。2Dept。Of reliability and system engineering, BUA

2、A可靠性试验的要素之一 试验条件环境条件工作条件使用维护条件w 试验条件3Dept。Of reliability and system engineering, BUAA一、 选择试验条件时应考虑的因素a)b)c)d)e)f)g)试验目的现场实际使用条件使用条件下不同应力因素引起故障的可能性不同试验条件的试验费用试验设备条件满足产品合同要求的试验时间预计的可靠性特征量随试验条件的变化情况4Dept。Of reliability and system engineering, BUAA二、 环境条件以试验应力的形式体现环境应力温度、湿度、振动、低气压、砂尘、盐雾、霉w 试验应力菌等工作应力电应力

3、、输入/输出、负载(机械负载、电负载） 等5Dept。Of reliability and system engineering, BUAA研究内容应力类型应力大小（水平） 应力作用时间长短应力施加的频度及次数应力施加次序试验应力( 含环境应力和工作应力）6Dept。Of reliability and system engineering, BUAAw 对产品可靠性影响最大的环境应力是温度、湿度、振动，因此一般可靠性试验常采用这三种环境应力，对于一些特殊的产品还应加上低气压（真空度）应力，试验时还应对产品通电工作，即施加电应力。产品大多数故障可以通过这些基本应力的不同施加形式得到诱发， 但事

4、实证明，最有效的是上述应力综合施加。7Dept。Of reliability and system engineering, BUAA温度应力温度应力应真实地模拟产品现场使用的环境温度情况， 取决于飞机机型、执行任务的地域、完成典型任务的气 动加热情况、飞机上升、下降的速度、产品所在机舱的 冷却情况等。在确定温度应力时应规定：起始温度（地面停放时的冷浸、热浸）及时间；工作温度（执行任务时最高、最低温度，温度变化率及 变化次数)；温度循环次数；冷却方式及冷却气流的温度和流量wa.b.c.d.8Dept。Of reliability and system engineering, BUAA湿度应力

5、湿度应力应真实地模拟产品现场使用的环境湿度情况，取决于执行任务的地域等情况。试验循环期间施加的湿度应力，除特殊情况外，一 般只有预计到现场使用中可能会出现冷凝、结 霜或结冰的试验阶段，才通过向试验空间喷入水蒸汽（或其它方法）来提高产品试验环境的湿度以模拟现场使用中所经历的湿度条件。试验循环的其他阶段，一般对湿度不加控制。w9Dept。Of reliability and system engineering, BUAA低气压应力w对于航空机载设备，当空气压力的变化影响装备性能时，应采用高度模拟，即施加低气压应力。低气压应力是模拟飞机 升空以后，空气密度下降的环境条件。应根据飞机执行任务 时实际

6、的升降率、极限高度以及持续时间等来确定其试验时 的应力水平。在确定低气压应力时应规定：极限高度； 升降速率；持续时间及次数；循环次数。a.b.c.d.10Dept。Of reliability and system engineering, BUAA电应力w电应力包括产品通、断电时间，规定的工作模式及工作周期，规定的输入标称电压及其拉偏（按机上最大允许偏差进行拉偏）。11Dept。Of reliability and system engineering, BUAA振动应力w施加于受试产品的振动激励应尽量模拟实际使用时的振动应力，即模拟飞机在执行各种任务时对产品产生的振动激励。它与飞机的类型、

7、产品在飞机上的位置、安装方式、飞机执行典型任务等情况有关。确定振动应力时， 应考虑如下因素：振动类型（正弦、随机、随机+正弦）； 振动频率范围及量值；振动施加方向；振动持续时间及总时间。a.b.c.d.12Dept。Of reliability and system engineering, BUAA振动应力w除了要考虑以上因素外，在实验室模拟振动激励施加振动应力时还必须考虑机械阻抗效应、安装夹具及产品的 频响特性、模态、干扰以及振动的交互作用等等，这些 因素可能会影响实验室内模拟振动环境的效果，有可能会对产品产生过应力甚至损伤、破坏。13Dept。Of reliability and sys

8、tem engineering, BUAA关于振动的一些基本知识1。正弦振动和随机振动振动是运动（指位移、速度、加速度）的时间历 程的描述。正弦定频振动周期正弦振动w线性扫频规则振动正弦扫频振动w 振动非周期对数扫频随机振动14Dept。Of reliability and system engineering, BUAA1.1正弦振动1.1.1 正弦振动可以用运动的时间函数来表示用位移X表示的时间函数：X = Asin(2ft+)如果用角速度= 2f表示,则: X = Asin(t+)当初项角=0时,X = Asin(t)用速度X表示的时间函数：X= Acos(t)用加速度g表示的时间函数：

9、g= X= -A2sin(t)=A2sin(t+)15Dept。Of reliability and system engineering, BUAA设加速度幅值g0 = A2,则：g=g0sin(t+)1.1.2正弦振动也可以用振动能量与频率来表示由于频率f是周期T的倒数，因此对于正弦振动，全部能量集中在一个频率f016Dept。Of reliability and system engineering, BUAA1.2随机振动简单地说，随机振动是由连续分布于所在频率范围内的全部频率的正弦波组成，各个正弦波的振幅、相角和周期是随化的。17Dept。Of reliability and sys

10、tem engineering, BUAA1.2.1 随机振动的特点：不能用一个确定的时间函数来表示振幅、周期、相位角等特征参数是随振动那样确定描述。化的，不能像正弦在相同条件下进行测试，各次结果不可能相同。随机振动由统计特性来确定：时间域：平均值、均方值、均方根值幅值域：幅值概率分布、幅值概率密度频域：功率谱密度(自功率谱密度）PSD，互功率谱密度，谱 相干函数（谱相关） 时差域：自相关函数，互相关函数18Dept。Of reliability and system engineering, BUAA1.2.2 随机振动特性的假设：a.稳态随机过程其各种统计平均值（如均方根值）都与时间无关。

11、因此可以任取一段进行采样分析，且不管该段时间间隔多长，都可以给出相同的均方根值。b.各态历经随机过程任意样本的统计特性与总体的统计特性相等（以样本代替总体，即抽样）一个随机过程包含着大量的随机振动时间历程。19Dept。Of reliability and system engineering, BUAA2。随机振动试验中的简单计算2.1随机振动的平均值、均方值和均方根值随机振动的幅值特性是由时间域内的加速度平均值、加速度均方值、加速度均方根值来描述的。加速度平均值：1-x =Tx(t )dtT0加速度均方值：x21T=x2 (t )dtT0加速度均方根值：1/ 2-x2 1Tgrms = x

12、2 (t )dt T020Dept。Of reliability and system engineering, BUAA2.2功率谱密度（加速度谱密度）（PSD）描述随机振动在频率域中的统计特性的一种方法。它描述信号的各个频率分量所包含的功率是如何在频谱中分布的。一个随机信号在某给定频率的功率谱密度定义如下：x2 (t)1TPSD = W = limdtDfTT 0Df 021Dept。Of reliability and system engineering, BUAA上式中：T 平均时间x 2 (t ) 信号在Df内的瞬时值的平方Df 带宽_由均方值: x 2可知1T=x 2 (t )d

13、tT0_PSD只不过是信号的均方值x 2 在Df带宽内的平均22Dept。Of reliability and system engineering, BUAAPSDPSDf1f2ff1f2f3f4f随机谱正弦谱随机+正弦PSDPSD在所取频带内PSD为常数f1f2ff1f2f3f4f平谱（白噪声）混合谱23Dept。Of reliability and system engineering, BUAA理想的PSD是时间无限长（T ），而滤波器Df 无限小的（Df 0）。但实际并非如此。于是，用于有限平均时间和有限带宽时，则有：x2PSD = W = Df换句话说，PSD表示单位频率区间的功率

14、（均方值）另一种解释：将观察到的带宽分成各个小频带Df ，并在每个小频带内量取加速度均方值x2 ，然后取其在Df内的密度。24Dept。Of reliability and system engineering, BUAA2.3 均方根加速度（加速度均方根值）grmsPSD等于加速度均方值除以带宽，即：x2PSD = W = DfPSD x2 = W * Df则均方根加速度：grms =W * Dfx2f2f1fnf? fk=总均方根加速度：GW(f )dfrmsf1即总均方根加速度等于功率谱密度（PSD）在频率区间（f1）围成的面积（）的平方根通常也可以写成：Grms = D25Dept。O

15、f reliability and system engineering, BUAA实际上多数谱形是无规则的，很难得到其PSD方程并对其进行积分计算，将其在频率范围内分成若干小频带计算量也很 大，因此工程上常常将实际测得的不规则谱按照一定的简化原则简化成规则的多级谱（直谱、升谱、降谱）。PSD(g2/Hz)w0w11517830010002000f26Dept。Of reliability and system engineering, BUAA(a)直谱（平直谱、平谱）=S =w0 (f2 - f1 )rms例如：f= 300,f= 1000,= 0.007g2w/ Hz,求g120rmsP

16、SD(g2/Hz)w0ff1f227Dept。Of reliability and system engineering, BUAA(b)升谱(1)升谱方程： w=w ( f2)m21f1式中：mN/3,N=（dB/OCT)w 2f21 - ( f1f2=S =m+1(2) w(f )df)rmsm + 1 f2f1PSD(g2/Hz)w2w1ff1f228Dept。Of reliability and system engineering, BUAA(c)降谱PSD(g2/Hz)w1w2(1)降谱方程：f1f2 w =w ( f2f)m12f1式中：mN/3, N=（dB/OCT)（此处N不

17、考虑符号）m-1 w1f1f1f2(2) =S =w(f )df =1- ()rmsm -1 f2f11 2= f2当m=1时， N=3（dB/OCT), 则：2.3w f log()rms1 1f129Dept。Of reliability and system engineering, BUAA（d)多级折线谱PSD(g2/Hz)w0w11517830010002000f由多个直谱、升谱、降谱组成。=S =S1 + S2 +Sn ,n=1,2, rms30Dept。Of reliability and system engineering, BUAA例题：谱形如图，求总均方根加速度Grms

18、PSD(g2/Hz)0.007w0-6dB/OCT4dB/OCTW0/2s3s2s4s11517830010002000f31Dept。Of reliability and system engineering, BUAA2.4分贝（dB）及其在随机振动中的应用分贝（dB）表示两个量之比比如，在电学中，电压之比、功率之比分别表示为：dBV = 20 lg(V1 / V2 ) dBP = 10 lg(P1 / P2 )因为电压正比于加速度，电功率正比于功率谱密度，因此定义为：dBg = 20 lg(g1 / g2 )= 10 lg(W1 / W2 )dBPSD说明：（1）加速度加倍或减半相当于6

19、dB的增减： 即：20 lg(1/ 2) = -6dB（衰减）20 lg(2 /1) = +6dB（增益） （2）功率谱密度加倍或减半相当于3dB的增减： 即：10 lg(1/ 2) = -3dB（衰减）10 lg(2 /1) = +3dB（增益）（3）分贝是一个无量纲的量，它是建立在一定的基准之上的。32Dept。Of reliability and system engineering, BUAA2.5倍频程（OCT）倍频程：比值等于2：1的两个频率之间的间距称为一个倍频程例如： 2040Hz， 4080Hz， 80160Hz等数学表达式：f= 2nf21f2或： = 2 f1如 ： 40

20、 =21 ?n 一个倍频程20 80 =22 ? 4个倍频程20160 =23 ? 8个倍频程2033Dept。Of reliability and system engineering, BUAA例2 已知：W1 =0.0035，W2 =0.007，f1 =178,f2 =300 求：斜率PSD(g2/Hz)w2w1ff1f234Dept。Of reliability and system engineering, BUAA例3 已知：W2 =0.007，f1 =178,f2 =300，斜率N=4（dB/OCT) 求：W1PSD(g2/Hz)w2w1ff1f235Dept。Of reliab

21、ility and system engineering, BUAA小轿车振动谱36Dept。Of reliability and system engineering, BUAA试验应力的确定准则：w在制定试验方案时，对产品施加的应力水平，应按照实测应力估计应力推荐应力这样一个顺序来选取。即有充足的实测数据时，应优先选取实测应力，其次是估计应力、推荐应力37Dept。Of reliability and system engineering, BUAA试验应力的施加方法：w一般有四种方法：单应力、双应力、组合应力、综合环境应力a)综合环境应力：将各种应力综合于同一试验时间和空间（P32图）。

22、适用于电子产品、某些机电产品、复杂系统。 一般选取较为敏感的温度、湿度和振动环境。组合环境应力：把多个单应力按一定顺序组合（先后）施 加。适用于没有条件实现综合试验的情况。双应力：适用于仅对2个应力敏感的情况。单应力：仅对一种应力敏感的情况，比如有些机电产品，仅仅对电应力敏感，那么在寿命试验中考虑到试验费用， 没有必要施加多应力，因此通常只施加电应力。b)c)d)38Dept。Of reliability and system engineering, BUAA综合环境条件：航空机载产品的环境条件通常由主机厂所或其他使用部门提供。研制单位据此制定可靠性试验的环境条件。通常可靠性试验应在电压输入

23、、温度、湿度、振动和其它相关应力的综合作用下进行。这些综合环境应力的量值应根据产品的任务来确定。确定综合环境条件就是由产品的任务剖面得到环境剖面从而导出最后试验剖面的过程。39Dept。Of reliability and system engineering, BUAA三、工作和使用维护条件：w工作条件：包括功能模式、输入/输出信号、负载条件、工作能源、产品的实际操作等。w使用维护条件：包括应采取的使用维护措施和必不可少的维护项目；维护的时间间隔等。40Dept。Of reliability and system engineering, BUAA第二章可靠性试验的基本方法与要素可靠性试验的

24、基本原理可靠性试验的四大要素 试验条件 试验剖面 故障判据 性能检测内容和检测点设置41Dept。Of reliability and system engineering, BUAA可靠性试验的要素之二 试验剖面ww关于几个剖面的概念确定试验剖面的基本方法和步骤*确定任务剖面确定环境剖面（温度、湿度、振动） 确定试验剖面42Dept。Of reliability and system engineering, BUAAw关于几个剖面的概念* 寿命剖面产品从接收到寿终所经历的各种产品出厂运输贮存使用报废* 任务剖面产品在完成规定任务经历的全部和状态。状态的时序描述。它是寿命剖面的一部分，可以是

25、一个，也可以是多个。* 环境剖面产品在运输、贮存、使用中遇到的各种主要环境参数的 时序描述。主要根据任务剖面确定，同时兼顾运输和贮存；任务剖面与环境剖面一 一对应。* 试验剖面试验用的环境参数与时间的关系对于多任务剖面，一般应合成一个试验剖面。43Dept。Of reliability and system engineering, BUAAw确定试验剖面的基本方法和步骤*1确定任务剖面每一种飞机的设计都有特定的飞行包线及特有的飞行任务剖面。一般来讲，民机只有一个任务剖面，而军机则有多个任务剖面（如巡航、转场、作战、特技等）任务剖面的特性参数应按空间状态分阶段给出，包括：阶段高度、阶段马赫数、

26、阶段持续时间等。一般由飞机设计部门提供。44Dept。Of reliability and system engineering, BUAAw确定试验剖面的基本方法和步骤*2确定环境剖面由任务剖面确定，一般包括两部分：冷天和热天确定环境剖面必需了解以下信息：设备类别（GJB/Z457-2001）：1类设备、2类设备设备在飞机上的安装位置：座舱、前设备舱、后设备舱、 雷达舱、发动机舱、尾舱、机翼等。设备安装舱段的冷却方式：空调冷却（密封）、冲压空气 冷却（不密封）设备本身冷却方式：环境空气冷却、辅助空气冷却a)b)c)d)45Dept。Of reliability and system engi

27、neering, BUAAw确定试验剖面的基本方法和步骤*2确定环境剖面确定环境剖面，就是编制环境数据表（P37）任务阶段地面不工作、地面工作、起飞、爬升、巡航、俯冲等 持续时间每个任务阶段的时间i.ii.iii. 高度每个任务阶段的飞行高度iv. 马赫数每个任务阶段的飞行速度v. 设备温度查表、计算（如表中没有对应数据，可采用线性插值的方 法）（注意辅助通风冷却的设备）vi. 温变率对应高度和马赫数变化的过渡阶段。主要是爬升、俯冲等任 务阶段。（P37表中举例）vii. 动压计算动压的目的是为了计算随机振动应力的功率谱密度W0（动 压可以通过查表和用公式精确计算）46Dept。Of reli

28、ability and system engineering, BUAAw确定试验剖面的基本方法和步骤*2确定环境剖面viii.功率谱密度m/s )/ Hz =2292.5（g)22222.925（/ HzW1 = W0 - 3dB湿度根据不同的飞机，由标准来确定。设备状态通电工作或不通电不工作输入电压（电应力）根据标准（标称，上限，下限）ix.x.xi.47Dept。Of reliability and system engineering, BUAAw确定试验剖面的基本方法和步骤*3确定试验剖面（P36）由环境剖面转化为试验剖面不是一一对应的关系，有一些简化原则（P46） 温度简化原则：最

29、后冷天、热天各剩下5个温度量值：地面不工作、地面 工作、最高、最低、加权。振动应力简化原则：最后剩下5个振动量值：起飞、最大、最小、加权、连续。48Dept。Of reliability and system engineering, BUAA第二章可靠性试验的基本方法与要素可靠性试验的基本原理可靠性试验的四大要素 试验条件 试验剖面 故障判据 性能检测内容和检测点设置49Dept。Of reliability and system engineering, BUAA可靠性试验的要素之三 故障判据w 一切可靠性活动都是围绕故障展开的，都是为了防止、消除和控制故障的发生，故研究可靠性问题就是研究

30、故障问 题。在可靠性试验中，产品的故障及故障的分析和处理是 最关键、最重要的工作之一，它直接关系到试验结果的准 确性。所以对试验过程中出现的故障，一定要抓住不放，并充分利用故障信息去分析、评价和改进产品的可靠性。50Dept。Of reliability and system engineering, BUAA一、 故障（failure, fault) 定义w 在GJB451A-2005可靠性维修性保障性术语中定义为验而言，故障是指原为合格的产品在规定的时间和条件下，其一个或几个功能丧失，或其性能参数超出了容许范围，也指产品的机械部件、结构部件或元件的破裂、断裂或损 坏(GJB899)。51D

31、ept。Of reliability and system engineering, BUAA（1） 按照故障发生在产品不同寿命阶段分（2） 按照故障性质分(3)(4)按故障在实际使用现场是否可预计出现按照故障之间的关系分（5）按照故障度分（6）按故障产生原因(7)按故障机理分52Dept。Of reliability and system engineering, BUAA二、 故障分类（ 1 ） 按照故障发生在产品不同寿命阶段分：a. 早期故障通过筛选剔除b. 偶然故障可靠性试验中发生的故障c. 耗损故障通过寿命（耐久性）试验暴露53Dept。Of reliability and syst

32、em engineering, BUAA（2）按照故障性质分：a. 批次性故障一般与设计、元器件质量和筛选有关b. 个别故障与使用和试验方法有关（3）按故障在实际使用现场是否可预计出现：非关联故障责任故障关联故障非责任故障54Dept。Of reliability and system engineering, BUAA(4)按照故障之间的关系分：a.独立故障产品本身故障，不是由其它产品引起(undependent failure) b.从属故障由另一产品引起c.间歇故障产品发生故障后不经修复而在有限时间内可自行恢复的故障55Dept。Of reliability and system eng

33、ineering, BUAA（5）按照故障度分：a.性故障机毁人亡b. 严重故障机毁人不亡c. 轻度故障(7)按故障机理分：a. 渐发性故障如磨损、疲劳、性能下降（可预测）b. 突发性故障如卡死、断裂、器件烧坏等（不可预测）（6）按故障产生原因：a.设计缺陷引起的故障b.制造缺陷引起的故障c. 元器件缺陷引起的故障d. 操作错误引起的故障56Dept。Of reliability and system engineering, BUAAw 可靠性试验（特别是验证试验）中，受试产品的故障按是否在以后的现场使用中预计出现而分关联故障 （ relevantfailure) 和 非 关 联 故 障 (non-relevantfailure)。关联故障是指可以预期在以后的现场使用中发生的故障，又进一步分为责任故障和非责任故障。而非关联故障是指由受试产品的外 部条件引起的产品故障，在使用现场中不会发生的, 包括某些