可靠性試驗第二章2012

1、第二章可靠性試驗的基本方法與要素可靠性試驗的基本原理可靠性試驗的四大要素 試驗條件 試驗剖面 故障判據(jù) 性能檢測內容和檢測點設置1Dept。Of reliability and system engineering, BUAA可靠性試驗的基本方法可靠性試驗的方法就是模擬現(xiàn)場工作條件、環(huán)境條件，將各種工作模式及應力按照一定的關系和一定的循環(huán)次序反復地施加到受試產品上，通過對試驗中發(fā)生的故障的分析與處理，將信息反饋到有關環(huán)節(jié)并采取相應的糾正措施， 即可使受試對象的可靠性得到根本提高或做出合格與否的結論。2Dept。Of reliability and system engineering, BUA

2、A可靠性試驗的要素之一 試驗條件環(huán)境條件工作條件使用維護條件w 試驗條件3Dept。Of reliability and system engineering, BUAA一、 選擇試驗條件時應考慮的因素a)b)c)d)e)f)g)試驗目的現(xiàn)場實際使用條件使用條件下不同應力因素引起故障的可能性不同試驗條件的試驗費用試驗設備條件滿足產品合同要求的試驗時間預計的可靠性特征量隨試驗條件的變化情況4Dept。Of reliability and system engineering, BUAA二、 環(huán)境條件以試驗應力的形式體現(xiàn)環(huán)境應力溫度、濕度、振動、低氣壓、砂塵、鹽霧、霉w 試驗應力菌等工作應力電應力

3、、輸入/輸出、負載(機械負載、電負載） 等5Dept。Of reliability and system engineering, BUAA研究內容應力類型應力大?。ㄋ剑?應力作用時間長短應力施加的頻度及次數(shù)應力施加次序試驗應力( 含環(huán)境應力和工作應力）6Dept。Of reliability and system engineering, BUAAw 對產品可靠性影響最大的環(huán)境應力是溫度、濕度、振動，因此一般可靠性試驗常采用這三種環(huán)境應力，對于一些特殊的產品還應加上低氣壓（真空度）應力，試驗時還應對產品通電工作，即施加電應力。產品大多數(shù)故障可以通過這些基本應力的不同施加形式得到誘發(fā)， 但事

4、實證明，最有效的是上述應力綜合施加。7Dept。Of reliability and system engineering, BUAA溫度應力溫度應力應真實地模擬產品現(xiàn)場使用的環(huán)境溫度情況， 取決于飛機機型、執(zhí)行任務的地域、完成典型任務的氣 動加熱情況、飛機上升、下降的速度、產品所在機艙的 冷卻情況等。在確定溫度應力時應規(guī)定：起始溫度（地面停放時的冷浸、熱浸）及時間；工作溫度（執(zhí)行任務時最高、最低溫度，溫度變化率及 變化次數(shù))；溫度循環(huán)次數(shù)；冷卻方式及冷卻氣流的溫度和流量wa.b.c.d.8Dept。Of reliability and system engineering, BUAA濕度應力

5、濕度應力應真實地模擬產品現(xiàn)場使用的環(huán)境濕度情況，取決于執(zhí)行任務的地域等情況。試驗循環(huán)期間施加的濕度應力，除特殊情況外，一 般只有預計到現(xiàn)場使用中可能會出現(xiàn)冷凝、結 霜或結冰的試驗階段，才通過向試驗空間噴入水蒸汽（或其它方法）來提高產品試驗環(huán)境的濕度以模擬現(xiàn)場使用中所經(jīng)歷的濕度條件。試驗循環(huán)的其他階段，一般對濕度不加控制。w9Dept。Of reliability and system engineering, BUAA低氣壓應力w對于航空機載設備，當空氣壓力的變化影響裝備性能時，應采用高度模擬，即施加低氣壓應力。低氣壓應力是模擬飛機 升空以后，空氣密度下降的環(huán)境條件。應根據(jù)飛機執(zhí)行任務 時實際

6、的升降率、極限高度以及持續(xù)時間等來確定其試驗時 的應力水平。在確定低氣壓應力時應規(guī)定：極限高度； 升降速率；持續(xù)時間及次數(shù)；循環(huán)次數(shù)。a.b.c.d.10Dept。Of reliability and system engineering, BUAA電應力w電應力包括產品通、斷電時間，規(guī)定的工作模式及工作周期，規(guī)定的輸入標稱電壓及其拉偏（按機上最大允許偏差進行拉偏）。11Dept。Of reliability and system engineering, BUAA振動應力w施加于受試產品的振動激勵應盡量模擬實際使用時的振動應力，即模擬飛機在執(zhí)行各種任務時對產品產生的振動激勵。它與飛機的類型、

7、產品在飛機上的位置、安裝方式、飛機執(zhí)行典型任務等情況有關。確定振動應力時， 應考慮如下因素：振動類型（正弦、隨機、隨機+正弦）； 振動頻率范圍及量值；振動施加方向；振動持續(xù)時間及總時間。a.b.c.d.12Dept。Of reliability and system engineering, BUAA振動應力w除了要考慮以上因素外，在實驗室模擬振動激勵施加振動應力時還必須考慮機械阻抗效應、安裝夾具及產品的 頻響特性、模態(tài)、干擾以及振動的交互作用等等，這些 因素可能會影響實驗室內模擬振動環(huán)境的效果，有可能會對產品產生過應力甚至損傷、破壞。13Dept。Of reliability and sys

8、tem engineering, BUAA關于振動的一些基本知識1。正弦振動和隨機振動振動是運動（指位移、速度、加速度）的時間歷 程的描述。正弦定頻振動周期正弦振動w線性掃頻規(guī)則振動正弦掃頻振動w 振動非周期對數(shù)掃頻隨機振動14Dept。Of reliability and system engineering, BUAA1.1正弦振動1.1.1 正弦振動可以用運動的時間函數(shù)來表示用位移X表示的時間函數(shù)：X = Asin(2ft+)如果用角速度= 2f表示,則: X = Asin(t+)當初項角=0時,X = Asin(t)用速度X表示的時間函數(shù)：X= Acos(t)用加速度g表示的時間函數(shù)：

9、g= X= -A2sin(t)=A2sin(t+)15Dept。Of reliability and system engineering, BUAA設加速度幅值g0 = A2,則：g=g0sin(t+)1.1.2正弦振動也可以用振動能量與頻率來表示由于頻率f是周期T的倒數(shù)，因此對于正弦振動，全部能量集中在一個頻率f016Dept。Of reliability and system engineering, BUAA1.2隨機振動簡單地說，隨機振動是由連續(xù)分布于所在頻率范圍內的全部頻率的正弦波組成，各個正弦波的振幅、相角和周期是隨化的。17Dept。Of reliability and sys

10、tem engineering, BUAA1.2.1 隨機振動的特點：不能用一個確定的時間函數(shù)來表示振幅、周期、相位角等特征參數(shù)是隨振動那樣確定描述?；?，不能像正弦在相同條件下進行測試，各次結果不可能相同。隨機振動由統(tǒng)計特性來確定：時間域：平均值、均方值、均方根值幅值域：幅值概率分布、幅值概率密度頻域：功率譜密度(自功率譜密度）PSD，互功率譜密度，譜 相干函數(shù)（譜相關） 時差域：自相關函數(shù)，互相關函數(shù)18Dept。Of reliability and system engineering, BUAA1.2.2 隨機振動特性的假設：a.穩(wěn)態(tài)隨機過程其各種統(tǒng)計平均值（如均方根值）都與時間無關。

11、因此可以任取一段進行采樣分析，且不管該段時間間隔多長，都可以給出相同的均方根值。b.各態(tài)歷經(jīng)隨機過程任意樣本的統(tǒng)計特性與總體的統(tǒng)計特性相等（以樣本代替總體，即抽樣）一個隨機過程包含著大量的隨機振動時間歷程。19Dept。Of reliability and system engineering, BUAA2。隨機振動試驗中的簡單計算2.1隨機振動的平均值、均方值和均方根值隨機振動的幅值特性是由時間域內的加速度平均值、加速度均方值、加速度均方根值來描述的。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功率譜密度（加速度譜密度）（PSD）描述隨機振動在頻率域中的統(tǒng)計特性的一種方法。它描述信號的各個頻率分量所包含的功率是如何在頻譜中分布的。一個隨機信號在某給定頻率的功率譜密度定義如下：x2 (t)1TPSD = W = limdtDfTT 0Df 021Dept。Of reliability and system engineering, BUAA上式中：T 平均時間x 2 (t ) 信號在Df內的瞬時值的平方Df 帶寬_由均方值: x 2可知1T=x 2 (t )d

13、tT0_PSD只不過是信號的均方值x 2 在Df帶寬內的平均22Dept。Of reliability and system engineering, BUAAPSDPSDf1f2ff1f2f3f4f隨機譜正弦譜隨機+正弦PSDPSD在所取頻帶內PSD為常數(shù)f1f2ff1f2f3f4f平譜（白噪聲）混合譜23Dept。Of reliability and system engineering, BUAA理想的PSD是時間無限長（T ），而濾波器Df 無限小的（Df 0）。但實際并非如此。于是，用于有限平均時間和有限帶寬時，則有：x2PSD = W = Df換句話說，PSD表示單位頻率區(qū)間的功率

14、（均方值）另一種解釋：將觀察到的帶寬分成各個小頻帶Df ，并在每個小頻帶內量取加速度均方值x2 ，然后取其在Df內的密度。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帶寬，即：x2PSD = W = DfPSD x2 = W * Df則均方根加速度：grms =W * Dfx2f2f1fnf? fk=總均方根加速度：GW(f )dfrmsf1即總均方根加速度等于功率譜密度（PSD）在頻率區(qū)間（f1）圍成的面積（）的平方根通常也可以寫成：Grms = D25Dept。O

15、f reliability and system engineering, BUAA實際上多數(shù)譜形是無規(guī)則的，很難得到其PSD方程并對其進行積分計算，將其在頻率范圍內分成若干小頻帶計算量也很 大，因此工程上常常將實際測得的不規(guī)則譜按照一定的簡化原則簡化成規(guī)則的多級譜（直譜、升譜、降譜）。PSD(g2/Hz)w0w11517830010002000f26Dept。Of reliability and system engineering, BUAA(a)直譜（平直譜、平譜）=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)升譜(1)升譜方程： 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)降譜PSD(g2/Hz)w1w2(1)降譜方程：f1f2 w =w ( f2f)m12f1式中：mN/3, N=（dB/OCT)（此處N不

17、考慮符號）m-1 w1f1f1f2(2) =S =w(f )df =1- ()rmsm -1 f2f11 2= f2當m=1時， N=3（dB/OCT), 則：2.3w f log()rms1 1f129Dept。Of reliability and system engineering, BUAA（d)多級折線譜PSD(g2/Hz)w0w11517830010002000f由多個直譜、升譜、降譜組成。=S =S1 + S2 +Sn ,n=1,2, rms30Dept。Of reliability and system engineering, BUAA例題：譜形如圖，求總均方根加速度Grms

18、PSD(g2/Hz)0.007w0-6dB/OCT4dB/OCTW0/2s3s2s4s11517830010002000f31Dept。Of reliability and system engineering, BUAA2.4分貝（dB）及其在隨機振動中的應用分貝（dB）表示兩個量之比比如，在電學中，電壓之比、功率之比分別表示為：dBV = 20 lg(V1 / V2 ) dBP = 10 lg(P1 / P2 )因為電壓正比于加速度，電功率正比于功率譜密度，因此定義為：dBg = 20 lg(g1 / g2 )= 10 lg(W1 / W2 )dBPSD說明：（1）加速度加倍或減半相當于6

19、dB的增減： 即：20 lg(1/ 2) = -6dB（衰減）20 lg(2 /1) = +6dB（增益） （2）功率譜密度加倍或減半相當于3dB的增減： 即：10 lg(1/ 2) = -3dB（衰減）10 lg(2 /1) = +3dB（增益）（3）分貝是一個無量綱的量，它是建立在一定的基準之上的。32Dept。Of reliability and system engineering, BUAA2.5倍頻程（OCT）倍頻程：比值等于2：1的兩個頻率之間的間距稱為一個倍頻程例如： 2040Hz， 4080Hz， 80160Hz等數(shù)學表達式：f= 2nf21f2或： = 2 f1如 ： 40

20、 =21 ?n 一個倍頻程20 80 =22 ? 4個倍頻程20160 =23 ? 8個倍頻程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小轎車振動譜36Dept。Of reliability and system engineering, BUAA試驗應力的確定準則：w在制定試驗方案時，對產品施加的應力水平，應按照實測應力估計應力推薦應力這樣一個順序來選取。即有充足的實測數(shù)據(jù)時，應優(yōu)先選取實測應力，其次是估計應力、推薦應力37Dept。Of reliability and system engineering, BUAA試驗應力的施加方法：w一般有四種方法：單應力、雙應力、組合應力、綜合環(huán)境應力a)綜合環(huán)境應力：將各種應力綜合于同一試驗時間和空間（P32圖）。

22、適用于電子產品、某些機電產品、復雜系統(tǒng)。 一般選取較為敏感的溫度、濕度和振動環(huán)境。組合環(huán)境應力：把多個單應力按一定順序組合（先后）施 加。適用于沒有條件實現(xiàn)綜合試驗的情況。雙應力：適用于僅對2個應力敏感的情況。單應力：僅對一種應力敏感的情況，比如有些機電產品，僅僅對電應力敏感，那么在壽命試驗中考慮到試驗費用， 沒有必要施加多應力，因此通常只施加電應力。b)c)d)38Dept。Of reliability and system engineering, BUAA綜合環(huán)境條件：航空機載產品的環(huán)境條件通常由主機廠所或其他使用部門提供。研制單位據(jù)此制定可靠性試驗的環(huán)境條件。通?？煽啃栽囼瀾陔妷狠斎?/p>

23、、溫度、濕度、振動和其它相關應力的綜合作用下進行。這些綜合環(huán)境應力的量值應根據(jù)產品的任務來確定。確定綜合環(huán)境條件就是由產品的任務剖面得到環(huán)境剖面從而導出最后試驗剖面的過程。39Dept。Of reliability and system engineering, BUAA三、工作和使用維護條件：w工作條件：包括功能模式、輸入/輸出信號、負載條件、工作能源、產品的實際操作等。w使用維護條件：包括應采取的使用維護措施和必不可少的維護項目；維護的時間間隔等。40Dept。Of reliability and system engineering, BUAA第二章可靠性試驗的基本方法與要素可靠性試驗的

24、基本原理可靠性試驗的四大要素 試驗條件 試驗剖面 故障判據(jù) 性能檢測內容和檢測點設置41Dept。Of reliability and system engineering, BUAA可靠性試驗的要素之二 試驗剖面ww關于幾個剖面的概念確定試驗剖面的基本方法和步驟*確定任務剖面確定環(huán)境剖面（溫度、濕度、振動） 確定試驗剖面42Dept。Of reliability and system engineering, BUAAw關于幾個剖面的概念* 壽命剖面產品從接收到壽終所經(jīng)歷的各種產品出廠運輸貯存使用報廢* 任務剖面產品在完成規(guī)定任務經(jīng)歷的全部和狀態(tài)。狀態(tài)的時序描述。它是壽命剖面的一部分，可以是

25、一個，也可以是多個。* 環(huán)境剖面產品在運輸、貯存、使用中遇到的各種主要環(huán)境參數(shù)的 時序描述。主要根據(jù)任務剖面確定，同時兼顧運輸和貯存；任務剖面與環(huán)境剖面一 一對應。* 試驗剖面試驗用的環(huán)境參數(shù)與時間的關系對于多任務剖面，一般應合成一個試驗剖面。43Dept。Of reliability and system engineering, BUAAw確定試驗剖面的基本方法和步驟*1確定任務剖面每一種飛機的設計都有特定的飛行包線及特有的飛行任務剖面。一般來講，民機只有一個任務剖面，而軍機則有多個任務剖面（如巡航、轉場、作戰(zhàn)、特技等）任務剖面的特性參數(shù)應按空間狀態(tài)分階段給出，包括：階段高度、階段馬赫數(shù)、

26、階段持續(xù)時間等。一般由飛機設計部門提供。44Dept。Of reliability and system engineering, BUAAw確定試驗剖面的基本方法和步驟*2確定環(huán)境剖面由任務剖面確定，一般包括兩部分：冷天和熱天確定環(huán)境剖面必需了解以下信息：設備類別（GJB/Z457-2001）：1類設備、2類設備設備在飛機上的安裝位置：座艙、前設備艙、后設備艙、 雷達艙、發(fā)動機艙、尾艙、機翼等。設備安裝艙段的冷卻方式：空調冷卻（密封）、沖壓空氣 冷卻（不密封）設備本身冷卻方式：環(huán)境空氣冷卻、輔助空氣冷卻a)b)c)d)45Dept。Of reliability and system engi

27、neering, BUAAw確定試驗剖面的基本方法和步驟*2確定環(huán)境剖面確定環(huán)境剖面，就是編制環(huán)境數(shù)據(jù)表（P37）任務階段地面不工作、地面工作、起飛、爬升、巡航、俯沖等 持續(xù)時間每個任務階段的時間i.ii.iii. 高度每個任務階段的飛行高度iv. 馬赫數(shù)每個任務階段的飛行速度v. 設備溫度查表、計算（如表中沒有對應數(shù)據(jù)，可采用線性插值的方 法）（注意輔助通風冷卻的設備）vi. 溫變率對應高度和馬赫數(shù)變化的過渡階段。主要是爬升、俯沖等任 務階段。（P37表中舉例）vii. 動壓計算動壓的目的是為了計算隨機振動應力的功率譜密度W0（動 壓可以通過查表和用公式精確計算）46Dept。Of reli

28、ability and system engineering, BUAAw確定試驗剖面的基本方法和步驟*2確定環(huán)境剖面viii.功率譜密度m/s )/ Hz =2292.5（g)22222.925（/ HzW1 = W0 - 3dB濕度根據(jù)不同的飛機，由標準來確定。設備狀態(tài)通電工作或不通電不工作輸入電壓（電應力）根據(jù)標準（標稱，上限，下限）ix.x.xi.47Dept。Of reliability and system engineering, BUAAw確定試驗剖面的基本方法和步驟*3確定試驗剖面（P36）由環(huán)境剖面轉化為試驗剖面不是一一對應的關系，有一些簡化原則（P46） 溫度簡化原則：最

29、后冷天、熱天各剩下5個溫度量值：地面不工作、地面 工作、最高、最低、加權。振動應力簡化原則：最后剩下5個振動量值：起飛、最大、最小、加權、連續(xù)。48Dept。Of reliability and system engineering, BUAA第二章可靠性試驗的基本方法與要素可靠性試驗的基本原理可靠性試驗的四大要素 試驗條件 試驗剖面 故障判據(jù) 性能檢測內容和檢測點設置49Dept。Of reliability and system engineering, BUAA可靠性試驗的要素之三 故障判據(jù)w 一切可靠性活動都是圍繞故障展開的，都是為了防止、消除和控制故障的發(fā)生，故研究可靠性問題就是研究

30、故障問 題。在可靠性試驗中，產品的故障及故障的分析和處理是 最關鍵、最重要的工作之一，它直接關系到試驗結果的準 確性。所以對試驗過程中出現(xiàn)的故障，一定要抓住不放，并充分利用故障信息去分析、評價和改進產品的可靠性。50Dept。Of reliability and system engineering, BUAA一、 故障（failure, fault) 定義w 在GJB451A-2005可靠性維修性保障性術語中定義為驗而言，故障是指原為合格的產品在規(guī)定的時間和條件下，其一個或幾個功能喪失，或其性能參數(shù)超出了容許范圍，也指產品的機械部件、結構部件或元件的破裂、斷裂或損 壞(GJB899)。51D

31、ept。Of reliability and system engineering, BUAA（1） 按照故障發(fā)生在產品不同壽命階段分（2） 按照故障性質分(3)(4)按故障在實際使用現(xiàn)場是否可預計出現(xiàn)按照故障之間的關系分（5）按照故障度分（6）按故障產生原因(7)按故障機理分52Dept。Of reliability and system engineering, BUAA二、 故障分類（ 1 ） 按照故障發(fā)生在產品不同壽命階段分：a. 早期故障通過篩選剔除b. 偶然故障可靠性試驗中發(fā)生的故障c. 耗損故障通過壽命（耐久性）試驗暴露53Dept。Of reliability and syst

32、em engineering, BUAA（2）按照故障性質分：a. 批次性故障一般與設計、元器件質量和篩選有關b. 個別故障與使用和試驗方法有關（3）按故障在實際使用現(xiàn)場是否可預計出現(xiàn)：非關聯(lián)故障責任故障關聯(lián)故障非責任故障54Dept。Of reliability and system engineering, BUAA(4)按照故障之間的關系分：a.獨立故障產品本身故障，不是由其它產品引起(undependent failure) b.從屬故障由另一產品引起c.間歇故障產品發(fā)生故障后不經(jīng)修復而在有限時間內可自行恢復的故障55Dept。Of reliability and system eng

33、ineering, BUAA（5）按照故障度分：a.性故障機毀人亡b. 嚴重故障機毀人不亡c. 輕度故障(7)按故障機理分：a. 漸發(fā)性故障如磨損、疲勞、性能下降（可預測）b. 突發(fā)性故障如卡死、斷裂、器件燒壞等（不可預測）（6）按故障產生原因：a.設計缺陷引起的故障b.制造缺陷引起的故障c. 元器件缺陷引起的故障d. 操作錯誤引起的故障56Dept。Of reliability and system engineering, BUAAw 可靠性試驗（特別是驗證試驗）中，受試產品的故障按是否在以后的現(xiàn)場使用中預計出現(xiàn)而分關聯(lián)故障 （ relevantfailure) 和 非 關 聯(lián) 故 障 (non-relevantfailure)。關聯(lián)故障是指可以預期在以后的現(xiàn)場使用中發(fā)生的故障，又進一步分為責任故障和非責任故障。而非關聯(lián)故障是指由受試產品的外 部條件引起的產品故障，在使用現(xiàn)場中不會發(fā)生的, 包括某些