仪表与系统可靠性-第1213讲-仪表可靠性试验及数据分析课件.ppt

1、吴 波2010年10月1日第一节第一节 概述概述 一、总论：一、总论：为验证、评价与分析产品的可靠性而进行的各种试验，总称为产为验证、评价与分析产品的可靠性而进行的各种试验，总称为产品的可靠性试验。品的可靠性试验。通过可靠性试验及对试验结果的统计处理，可以取得被试产品在各通过可靠性试验及对试验结果的统计处理，可以取得被试产品在各种试验条件或工作条件下的真实的可靠性指标，如可靠度种试验条件或工作条件下的真实的可靠性指标，如可靠度R(t)R(t)，失效，失效概率概率F(t)F(t)，平均寿命，平均寿命 ，失效率，失效率(t)(t)等，为产品的设计、生产和使用等，为产品的设计、生产和使用提供可靠性数

2、据。提供可靠性数据。可靠性试验还可以揭示产品在设计、材料选择、制造工艺等方面存可靠性试验还可以揭示产品在设计、材料选择、制造工艺等方面存在的问题，揭示产品的薄弱环节，通过失效分析，找出原因以制定改在的问题，揭示产品的薄弱环节，通过失效分析，找出原因以制定改进措施，控制质量，达到提高产品可靠性的目的。进措施，控制质量，达到提高产品可靠性的目的。因此，可靠性试验是保证产品可靠性的一个基本环节，也是机械产因此，可靠性试验是保证产品可靠性的一个基本环节，也是机械产品可靠性设计和可靠性预测的基础。品可靠性设计和可靠性预测的基础。通常，可靠性试验分为：寿命试验、环境试验、现场使用试验等。通常，可靠性试验分

3、为：寿命试验、环境试验、现场使用试验等。1 1 寿命试验寿命试验 寿命试验是可靠性试验的一项主要内容，用以考核、评价和分析产寿命试验是可靠性试验的一项主要内容，用以考核、评价和分析产品的寿命特征及失效规律等，以便得出产品的平均寿命和失效率等可品的寿命特征及失效规律等，以便得出产品的平均寿命和失效率等可靠性数据，作为可靠性设计、可靠性预测和改进产品质量的依据。靠性数据，作为可靠性设计、可靠性预测和改进产品质量的依据。对一般机械产品来说，寿命试验又分为：对一般机械产品来说，寿命试验又分为：(1)(1)工作寿命试验工作寿命试验 即产品在规定的条件下作加负荷的工作试验。它又分为静态试验和即产品在规定的

4、条件下作加负荷的工作试验。它又分为静态试验和动态试验。静态工作寿命试验就是加额定负荷的寿命试验，用以了解动态试验。静态工作寿命试验就是加额定负荷的寿命试验，用以了解产品在额定负荷下的工作可靠性，其实验设备较简单，但难以确切反产品在额定负荷下的工作可靠性，其实验设备较简单，但难以确切反映产品在实际工作状态下的可靠性。动态工作寿命试验指模拟产品实映产品在实际工作状态下的可靠性。动态工作寿命试验指模拟产品实际工作状态的试验，其试验结果更能反映实际情况，但试验设备较复际工作状态的试验，其试验结果更能反映实际情况，但试验设备较复杂，费用较高。杂，费用较高。(2)(2)加速寿命试验加速寿命试验 即是在既不

5、改变产品的失效机理，又不增加新的失效因素的前提下，即是在既不改变产品的失效机理，又不增加新的失效因素的前提下，提高试验应力、强化试验条件，使试件加速失效，以便在较短的时间提高试验应力、强化试验条件，使试件加速失效，以便在较短的时间内预测到正常负荷下的产品寿命。内预测到正常负荷下的产品寿命。第一节第一节 概述（续）概述（续）对汽车及其零部件等机械产品来说，寿命试验又分为：对汽车及其零部件等机械产品来说，寿命试验又分为：(1)(1)台架试验台架试验 在试验室的试验台架上进行正常工作负荷下的在试验室的试验台架上进行正常工作负荷下的“工作寿命试验工作寿命试验”，或为了缩短试验周期而进行的提高试验应力、

6、强化试验条件的或为了缩短试验周期而进行的提高试验应力、强化试验条件的“加加速寿命试验速寿命试验”。由于台架试验的试验条件稳定，试验时间集中，容。由于台架试验的试验条件稳定，试验时间集中，容易较快得到试验结果。易较快得到试验结果。台架试验的加载方法有很大差别，可以是定载荷幅值的简单重复；台架试验的加载方法有很大差别，可以是定载荷幅值的简单重复；或按预定程序使载荷幅值对应于不同循环次数而改变即程序加载，或按预定程序使载荷幅值对应于不同循环次数而改变即程序加载，或随机加载，随机加载是以汽车行驶在典型路面上的载荷谱为依据。或随机加载，随机加载是以汽车行驶在典型路面上的载荷谱为依据。(2)(2)试验场试

7、验试验场试验 在专门的汽车试验场使汽车在高速试验跑道上按规定里程持续高速在专门的汽车试验场使汽车在高速试验跑道上按规定里程持续高速行驶，在包括比利时石块路等各种石块路、卵石路、搓板路、凹坑行驶，在包括比利时石块路等各种石块路、卵石路、搓板路、凹坑路面等坎坷不平的坏路面上按规定里程强行行驶等，以强化道路行路面等坎坷不平的坏路面上按规定里程强行行驶等，以强化道路行驶，进行加速寿命试验，在各种如柏油、水泥、砂石、土路等不同驶，进行加速寿命试验，在各种如柏油、水泥、砂石、土路等不同路面上按规定里程数及分配比例进行道路试验，以考核汽车及其零、路面上按规定里程数及分配比例进行道路试验，以考核汽车及其零、部

8、件的可靠性、强度构件在行驶中的安全性及寿命等部件的可靠性、强度构件在行驶中的安全性及寿命等第一节第一节 概述（续）概述（续）2 2 环境试验环境试验 为考核、评价与分析环境条件，例如：温度、湿度、含尘量、腐蚀为考核、评价与分析环境条件，例如：温度、湿度、含尘量、腐蚀介质、冲击、振动、电磁、辐射、日晒、气压等对产品可靠性、耐介质、冲击、振动、电磁、辐射、日晒、气压等对产品可靠性、耐久性及质量的影响而进行的各种试验。是确定产品在某种环境条件久性及质量的影响而进行的各种试验。是确定产品在某种环境条件下的可靠性指标的一种试验方法。下的可靠性指标的一种试验方法。汽车在热带，寒带，雪地，高原，沙漠，高含尘

9、、腐蚀介质、多汽车在热带，寒带，雪地，高原，沙漠，高含尘、腐蚀介质、多雨潮湿等地区的试验，均属环境试验。有时可人造特定环境条件，雨潮湿等地区的试验，均属环境试验。有时可人造特定环境条件，例如在试验场增设盐水池等，进行汽车及其零件的耐腐蚀试验等。例如在试验场增设盐水池等，进行汽车及其零件的耐腐蚀试验等。3 3 现场使用试验现场使用试验 指在使用现场对产品工作可靠性所进行的试验与测量。其试验条指在使用现场对产品工作可靠性所进行的试验与测量。其试验条件就是现场使用条件，它最符合使用实际。试验中应仔细做规定的件就是现场使用条件，它最符合使用实际。试验中应仔细做规定的各种记录，一般应填写设备履历表，包括

10、使用环境条件、工作时间、各种记录，一般应填写设备履历表，包括使用环境条件、工作时间、维护修理记录、失效零部件的失效时间、状况及原因分析等记录。维护修理记录、失效零部件的失效时间、状况及原因分析等记录。通过统计分析，就可得到产品的失效率、平均寿命及有效度等可通过统计分析，就可得到产品的失效率、平均寿命及有效度等可靠性数据，以便采取改进措施，提高产品的可靠性。靠性数据，以便采取改进措施，提高产品的可靠性。第一节第一节 概述（续）概述（续）一、寿命试验的目的一、寿命试验的目的 寿命试验的目的是：寿命试验的目的是：(1)(1)求得产品的各项可靠性指标求得产品的各项可靠性指标 通过寿命试验求得产品的各项

11、可靠性指标并评价产品质量，找出改通过寿命试验求得产品的各项可靠性指标并评价产品质量，找出改进产品可靠性的措施。进产品可靠性的措施。(2)(2)研究产品失效机理研究产品失效机理 通过寿命试验找出产品失效原因，弄清其失效机理，并在此基础上通过寿命试验找出产品失效原因，弄清其失效机理，并在此基础上建立合理的失效物理、数学模型，以便能用该模型对该产品进行可建立合理的失效物理、数学模型，以便能用该模型对该产品进行可靠性研究和理论预测。靠性研究和理论预测。(3)(3)弄清产品的寿命分布弄清产品的寿命分布 通过寿命试验，找出产品及其主要零部件的寿命分布，这对设计和通过寿命试验，找出产品及其主要零部件的寿命分

12、布，这对设计和应用都有重要意义。应用都有重要意义。二、寿命试验的分类二、寿命试验的分类 机械产品的寿命试验，除了可按照其试验加载情况及周期的长短，机械产品的寿命试验，除了可按照其试验加载情况及周期的长短，如前所述分为工作寿命试验和加速寿命试验外，还可按寿命试验的如前所述分为工作寿命试验和加速寿命试验外，还可按寿命试验的完成方式。分为：完成方式。分为：第二节第二节 寿命试验设计寿命试验设计 l l、完全寿命试验、完全寿命试验 指试验进行到投试样本全部失效为止。一般机械零件的常规疲劳指试验进行到投试样本全部失效为止。一般机械零件的常规疲劳试验就属于这一种。试验就属于这一种。要投入较多的花费和时间。

13、要投入较多的花费和时间。2 2截尾寿命试验截尾寿命试验 又称为不完全寿命试验。按照停止试验的依据，它又分为：又称为不完全寿命试验。按照停止试验的依据，它又分为：(1)(1)定时截尾试验定时截尾试验 试验进行到规定的时间试验进行到规定的时间t t0 0时停止，这里投试样本数时停止，这里投试样本数n及试验时间及试验时间t t0 0为定值，而样本的失效数为定值，而样本的失效数r是随机变量。规定的是随机变量。规定的t t0 0应保证被试样本应保证被试样本有足够的失效数有足够的失效数r 。(2)(2)定数截尾试验定数截尾试验 试验达到规定的失效数试验达到规定的失效数r时停止，时停止，r2020时，用秩的

14、公式算出：时，用秩的公式算出：(3)(3)当，当，n 20 20时，用平均秩的公式算出：时，用平均秩的公式算出：(4)(4)式中式中 r是是结束试验时被试样本失效个数；结束试验时被试样本失效个数；F F(t t)是是结束试验时的失效概率。结束试验时的失效概率。第二节第二节 寿命试验设计寿命试验设计(续续)(6)(6)决定试验截止时间决定试验截止时间 试验截止时间与投试样本数量及希望达到的失效数有关。当试验试验截止时间与投试样本数量及希望达到的失效数有关。当试验中累积失效概率中累积失效概率 达到某规定值就截止试验时，当产品的寿达到某规定值就截止试验时，当产品的寿命为指数分布时，将命为指数分布时，

15、将 代入式代入式(1)(1)，则可求得试验截止时间即，则可求得试验截止时间即试验时间约为试验时间约为:(5)(5)粗略估计一下产品在该试验条件下的平均寿命粗略估计一下产品在该试验条件下的平均寿命后，就可按上式后，就可按上式求出试验截止时间。求出试验截止时间。同理，当产品的寿命为其它分布时，对于定时截尾试验，在已知同理，当产品的寿命为其它分布时，对于定时截尾试验，在已知与与r后可按式后可按式(2)(2)或式或式(3)(3)求出失效概率求出失效概率F(t)值，再按不同分布函数值，再按不同分布函数F(t)的类型反解出达到的类型反解出达到F(t)就停止试验的时间就停止试验的时间t t0 0。第二节第二

16、节 寿命试验设计寿命试验设计(续续)例例 1 1 已知某组样本的寿命为指数分布，且估计其平均寿命已知某组样本的寿命为指数分布，且估计其平均寿命约为约为3000h3000h，若想在达到，若想在达到1000h1000h试验时有试验时有5 5个试样失效，问需设试多少个试样失效，问需设试多少样本样本?解解 由对指数分布式可知由对指数分布式可知 因为因为n202020时时 将将t1 t2 tn的时间区间的时间区间00，tn 等分等分(或不等分或不等分)成成m组，为组，为了保证一定精度，了保证一定精度，m一般不小于一般不小于8 8。这样得。这样得 ，然后统计各时间，然后统计各时间区间末端时刻的累积失效数区

17、间末端时刻的累积失效数nf(t)和剩余的未失效数和剩余的未失效数ns(t)。这时有。这时有:(8)(8)第三节第三节 寿命试验结果的统计分析（续）寿命试验结果的统计分析（续）其它有关参数可按以下相应公式求得；其它有关参数可按以下相应公式求得；可靠度可靠度 (9)(9)累积失效概率累积失效概率 (10)(10)失效概率密度失效概率密度 (11)(11)(12)(12)失效率失效率(13)(13)第三节第三节 寿命试验结果的统计分析（续）寿命试验结果的统计分析（续）MTTFMTTF：（1414）式中：式中：ti是第是第i组时间区间的中值；组时间区间的中值；是落在第是落在第i i组中的失效数据组中的

18、失效数据个数，称为频数。个数，称为频数。(2)(2)当当n2020时时 因数据较少，故不分组而采用逐个计算法，对每个因数据较少，故不分组而采用逐个计算法，对每个ti算出相应的算出相应的累积失效概率累积失效概率F(F(ti)。当当n不大时，运用格里汶科定理会引起较大误差，这时可采用按不大时，运用格里汶科定理会引起较大误差，这时可采用按平均秩或中位秩来计算：平均秩或中位秩来计算：按平均秩：按平均秩：（1515）按中位秩按中位秩（1616）第三节第三节 寿命试验结果的统计分析（续）寿命试验结果的统计分析（续）2 2已知分布的试验数据处理已知分布的试验数据处理 如果样品寿命如果样品寿命(母体母体)的分

19、布已知而某些参数未知，则可根据样本的分布已知而某些参数未知，则可根据样本数据对母体的分布参数作出估计。数据对母体的分布参数作出估计。二、二、指数分布截尾寿命试验及参数的点估计指数分布截尾寿命试验及参数的点估计 1 1按失效时间的统计分析按失效时间的统计分析 一般产品在偶然失效期，其寿命接近指数分布。设投试样本数为一般产品在偶然失效期，其寿命接近指数分布。设投试样本数为n，在试验结束时共有，在试验结束时共有r个样本失效，且失效时间分别为个样本失效，且失效时间分别为t1 t2 tn；现就四种截尾试验分别讨论平均寿命；现就四种截尾试验分别讨论平均寿命和失效率和失效率的点的点估计问题。估计问题。(1)

20、(1)n，无，无，t0 寿命试验寿命试验 对无替换定时截尾寿命试验，若到规定试验时间对无替换定时截尾寿命试验，若到规定试验时间t0时时n个样本中有个样本中有r个失效个失效(r是随机的是随机的)，t1 t2 tn 。如图。如图1 1所示，则所示，则 n个样本个样本总的试验时间为：总的试验时间为：（1717）第三节第三节 寿命试验结果的统计分析（续）寿命试验结果的统计分析（续）这时平均寿命这时平均寿命的估计值为：的估计值为：（1818）图图1 1 n，无，无，t0 试验示意图试验示意图第三节第三节 寿命试验结果的统计分析（续）寿命试验结果的统计分析（续）而失效率而失效率的估计值为：的估计值为：（1

21、919）(2)(2)n，无，无，r 寿命试验寿命试验 对无替换定数截尾寿命试验，若到规定的失效数对无替换定数截尾寿命试验，若到规定的失效数r时就停止试验，时就停止试验，它们的失效时间为：它们的失效时间为：t1 t2 tr，剩下，剩下(n-r)个样本未失效，个样本未失效，如图如图2 2所示，则所示，则n个样本总的试验时间为：个样本总的试验时间为：(20)(20)这时平均寿命这时平均寿命的估计值为：的估计值为：(21)(21)第三节第三节 寿命试验结果的统计分析（续）寿命试验结果的统计分析（续）而失效率而失效率的估计值为：的估计值为：(22)(22)图图2 2 n，无，无，r 试验示意图试验示意图

22、第三节第三节 寿命试验结果的统计分析（续）寿命试验结果的统计分析（续）(3)(3)n，有，有，t0 寿命试验寿命试验 对有替换定时截尾寿命试验，当对有替换定时截尾寿命试验，当fl fl今样本同时进入试验且发生失今样本同时进入试验且发生失效时立即替换，直至试验到规定时间效时立即替换，直至试验到规定时间t0时停止，在停止前有时停止，在停止前有r个失个失效，如图效，如图 3 3所示，则总的试验时间为：所示，则总的试验时间为：（2323）这时平均寿命这时平均寿命的估计值为：的估计值为：（2424）而失效率而失效率的估计值为：的估计值为：（2525）第三节第三节 寿命试验结果的统计分析（续）寿命试验结果

23、的统计分析（续）图图3 3 n，有，有，t0 试验示意试验示意图图图图4 4 n，有，有，r 试验示意图试验示意图第三节第三节 寿命试验结果的统计分析（续）寿命试验结果的统计分析（续）(4)(4)n，有，有，r 寿命试验寿命试验 对有替换定数截尾寿命试验，当对有替换定数截尾寿命试验，当n个样本同时进入试验且发生失个样本同时进入试验且发生失效时立即替换，直至达到预先规定的失效样本数效时立即替换，直至达到预先规定的失效样本数r时停止，这时投时停止，这时投入样本的总数为入样本的总数为(n+(n+r)个，如图个，如图 4 4所示，则总的试验时间为：所示，则总的试验时间为：（2626）平均寿命平均寿命的

24、估计值为；的估计值为；（2727）失效率失效率的估计值为：的估计值为：（2828）第三节第三节 寿命试验结果的统计分析（续）寿命试验结果的统计分析（续）若令投试样本实际试验时间的总和为若令投试样本实际试验时间的总和为 ，失效样本数为，失效样本数为r，则上，则上述四种截尾寿命试验平均寿命述四种截尾寿命试验平均寿命的估计值可用统一公式表达为：的估计值可用统一公式表达为：（2929）失效率失效率的估计值为：的估计值为：（3030）可根据不同类型的截尾试验，分别按式可根据不同类型的截尾试验，分别按式(17)(17)、(20)(20)、(23)(23)、(26)(26)计计算。算。而可靠度而可靠度R（t

25、）的估计值则为；的估计值则为；(31)(31)第三节第三节 寿命试验结果的统计分析（续）寿命试验结果的统计分析（续）例例 2 2 对寿命呈指数分布的某产品作无替换定数截尾寿命试验，若对寿命呈指数分布的某产品作无替换定数截尾寿命试验，若投试样本数投试样本数2020，观察到的，观察到的6 6个样本的失效时间为；个样本的失效时间为；t t1 1=35h=35h，t t2 2=65h65h，t t3 3=lOOh=lOOh，t t4 4=150h=150h，t t5 5=185h,=185h,t t6 6=220h=220h，即，即r6 6，求，求平均寿命平均寿命 ，失效率，失效率及及t t50h50

26、h时的可靠度估计值时的可靠度估计值T(tT(t50)50)。解解:20:20个样本总的试验时间按式个样本总的试验时间按式(20)(20)为为 平均寿命平均寿命的估计值的估计值 按式按式(21)(21)计算计算 为为 失效率失效率的估计值的估计值 按式按式(22)(22)计算为：计算为：第三节第三节 寿命试验结果的统计分析（续）寿命试验结果的统计分析（续）可靠度的估计值按式可靠度的估计值按式(31)(31)计算为：计算为：2 2按失效数的统计分析按失效数的统计分析 有时在一些产品试验中，在结束试验时才得知样本是否失效而不有时在一些产品试验中，在结束试验时才得知样本是否失效而不知样本失效的时间。知

27、样本失效的时间。这时若投试样本数这时若投试样本数n足够大，足够大，(例如，例如，n 50)50)，经试验时间，经试验时间t后有后有r个失效，则可用下式近似计算：个失效，则可用下式近似计算：(32)(32)对上式改写后即可得近似的平均寿命估计值对上式改写后即可得近似的平均寿命估计值:(33)(33)第三节第三节 寿命试验结果的统计分析（续）寿命试验结果的统计分析（续）关于关于“指数分布截尾寿命试验结果的参数区间估计和指数分布截尾寿命试验结果的参数区间估计和下限估计下限估计”内容请参阅文献：内容请参阅文献：三、正态分布和威布尔分布完全寿命试验的参数估计三、正态分布和威布尔分布完全寿命试验的参数估计

28、 1 1正态分布完全寿命试验的参数估计正态分布完全寿命试验的参数估计 设投试的设投试的n个样本的失效时间分别是个样本的失效时间分别是t1 t2 tn ，则正态，则正态分布寿命的数学期望分布寿命的数学期望,平均寿命平均寿命 与标准差与标准差s(s()的估计值分别的估计值分别为：为：(34)(34)(35)(35)显然，这里显然，这里n个样本的试验条件应当相同个样本的试验条件应当相同第三节第三节 寿命试验结果的统计分析（续）寿命试验结果的统计分析（续）2 2威布尔分布完全寿命试验的参数估计威布尔分布完全寿命试验的参数估计 设投试的设投试的 个样本的失效时间分别是个样本的失效时间分别是t1 t2 t

29、n 。若其位置。若其位置参数为零，即为两参数威布尔分布，则其形状参数参数为零，即为两参数威布尔分布，则其形状参数m与尺度参数与尺度参数 (此时即特征寿命此时即特征寿命)的估计值可用下式计算：的估计值可用下式计算：(36)(36)(37)(37)式中式中:是与样本数是与样本数n有关的系数，见表有关的系数，见表1 1；第三节第三节 寿命试验结果的统计分析（续）寿命试验结果的统计分析（续）表表1 1 系数系数 值值第三节第三节 寿命试验结果的统计分析（续）寿命试验结果的统计分析（续）例例3 3 滚动轴承在等幅变应力作用下，其接触疲劳寿命近似地服从滚动轴承在等幅变应力作用下，其接触疲劳寿命近似地服从二

30、参数威布尔分布。今投试二参数威布尔分布。今投试2020个，其疲劳寿命的失效时间个，其疲劳寿命的失效时间(h)(h)分别分别为：为：196196，212212，218218，238238，260260，284284，310310，324324，368368，398398，422422，453453，521521，552552，592592，648648，693693，751751，840840，892892。试估。试估计其威布尔分布的形状参数与尺度参数。计其威布尔分布的形状参数与尺度参数。解解 (1)(1)计算对数均值及对数标准差计算对数均值及对数标准差(2)(2)查出查出 由样本数，由样本数，

31、n n2020，查表，查表1 1得；得；1.06281.0628，yn 0.52360.5236。计算。计算 和和 ：第三节第三节 寿命试验结果的统计分析（续）寿命试验结果的统计分析（续）第三节第三节 寿命试验结果的统计分析（续）寿命试验结果的统计分析（续）第四节第四节 加速寿命试验加速寿命试验 在正常工作条件下进行的寿命试验，包括完全寿命试验和截尾寿在正常工作条件下进行的寿命试验，包括完全寿命试验和截尾寿命试验，均为基本的可靠性试验方法。但这种试验方法对长寿命命试验，均为基本的可靠性试验方法。但这种试验方法对长寿命的产品来说，需要花费长的试验时间。为了缩短试验周期，快速的产品来说，需要花费长

32、的试验时间。为了缩短试验周期，快速地对产品可靠性作出评价，可采用加速寿命试验方法。地对产品可靠性作出评价，可采用加速寿命试验方法。一、加速寿命试验的原理与类型一、加速寿命试验的原理与类型 加速寿命试验，就是在保持产品原有的失效机理、故障模式和不加速寿命试验，就是在保持产品原有的失效机理、故障模式和不增加新的失效因素的前提下，提高试验应力、强化试验条件，使增加新的失效因素的前提下，提高试验应力、强化试验条件，使受试样本加速失效，以便在较短时间内对产品在正常工作条件下受试样本加速失效，以便在较短时间内对产品在正常工作条件下的可靠性或寿命特征作出预测和评估。的可靠性或寿命特征作出预测和评估。加速寿命

33、试验后的样本，除了其故障模式应与常规寿命试验或实加速寿命试验后的样本，除了其故障模式应与常规寿命试验或实际使用中的故障模式一致外，故障分布规律也要大致相同。际使用中的故障模式一致外，故障分布规律也要大致相同。有了有了S SNN疲劳曲线，就可以预测在规定的试验时间内应施加的应疲劳曲线，就可以预测在规定的试验时间内应施加的应力水平，或在规定的应力水平下所需要的时间。力水平，或在规定的应力水平下所需要的时间。显然，提高应力水平显然，提高应力水平S S就可以减少应力循环次数就可以减少应力循环次数NN即缩短试验时间即缩短试验时间(见图见图5)5)。根据。根据S SNN曲线确定应力水平可保证失效机理的一致

34、性。曲线确定应力水平可保证失效机理的一致性。只有那些具有相似的只有那些具有相似的S SNN曲线的机械零件才可以进行寿命比较曲线的机械零件才可以进行寿命比较(见见图图6)6)，否则不宜进行，如图，否则不宜进行，如图7 7所示，因为这时在加速寿命试验时会所示，因为这时在加速寿命试验时会得出相反结论。得出相反结论。图图5 5 根据根据S SNN曲线确定加速曲线确定加速试验的应力水平试验的应力水平图图6 6 两个两个S SNN疲劳曲线相似疲劳曲线相似第四节第四节 加速寿命试验（续）加速寿命试验（续）对于具有对于具有S SNN疲劳曲线的机械零件，均可通过增大应力水平进行疲劳曲线的机械零件，均可通过增大应

35、力水平进行加速试验。加速试验的效果可以用加速系数来反映，后者是正常加速试验。加速试验的效果可以用加速系数来反映，后者是正常应力水平下的某种寿命与加速应力水平下的相应寿命的比值，即应力水平下的某种寿命与加速应力水平下的相应寿命的比值，即加速系数加速系数Ca为，为，(39)(39)式中式中 ,Tg正常使用条件下进行正常使用条件下进行寿命试验所需时间；寿命试验所需时间；Ta加速试验所加速试验所需的时间。需的时间。根据试验时应力的施加方式，根据试验时应力的施加方式，加速寿命试验分为：加速寿命试验分为：图图7 7 两个两个S SNN疲劳曲线不相似疲劳曲线不相似第四节第四节 加速寿命试验（续）加速寿命试验

36、（续）1 1恒定应力加速寿命试验恒定应力加速寿命试验 将将 n个试件分成个试件分成h组，第组，第1 1组固组固定在应力水平定在应力水平S1 上，第上，第2 2组固组固定在应力水平定在应力水平S2上，上，第，第h组组固定在应力水平固定在应力水平Sh上做寿命试上做寿命试验。设验。设S0 为正常工作应力，则为正常工作应力，则应取应取S0 S1 S2 S0-正常工正常工作条件下的应力水平作条件下的应力水平)下进行下进行试验，试验到试验，试验到t t1 1时刻把应力水时刻把应力水平提高到平提高到S2，试验到，试验到t t2 2时刻再时刻再将应力水平提高到将应力水平提高到S3 ，并依，并依次步进加大应力水

37、平的方式，次步进加大应力水平的方式，继续试验那些未失效的试件，继续试验那些未失效的试件，一直试验到一定数量的样品一直试验到一定数量的样品发生失效为止，如图发生失效为止，如图9 9所示。所示。这种试验方法的优点是试件这种试验方法的优点是试件少，试验周期短，但外推的少，试验周期短，但外推的精度较差。精度较差。图图9 9 步进应力加速寿命试验步进应力加速寿命试验第四节第四节 加速寿命试验（续）加速寿命试验（续）3 3序进应力加速寿命试验序进应力加速寿命试验 试验应力随时间按线性或其它试验应力随时间按线性或其它规律连续增长的寿命试验。这规律连续增长的寿命试验。这种方法的试件可更少，试验周种方法的试件可

38、更少，试验周期更短。但需专门的程序控制期更短。但需专门的程序控制加载设备。加载设备。对应于上述一般机械产品的加对应于上述一般机械产品的加速寿命试验方法，汽车及其零速寿命试验方法，汽车及其零部件在台架上进行的加速寿命部件在台架上进行的加速寿命试验可以有定载荷幅值的简单试验可以有定载荷幅值的简单重复加载、预定程序加载或随重复加载、预定程序加载或随机加载等方法。后者是以汽车机加载等方法。后者是以汽车行驶在具有典型路面谱的路段行驶在具有典型路面谱的路段上的载荷谱上的载荷谱 为依据。为依据。图图10 10 序进应力加速寿命试验序进应力加速寿命试验第四节第四节 加速寿命试验（续）加速寿命试验（续）二、二、

39、恒定应力加速寿命试验设计恒定应力加速寿命试验设计 1 1加速应力加速应力S S的选择的选择 任何产品的失效都任何产品的失效都有其失效机理，因此就要研究各种环境应力对失有其失效机理，因此就要研究各种环境应力对失效机理的影响。以便找出什么样的应力加大时会加速产品失效，并效机理的影响。以便找出什么样的应力加大时会加速产品失效，并依此选择加速应力。所谓环境应力是指产品在正常使用过程中所经依此选择加速应力。所谓环境应力是指产品在正常使用过程中所经受的且会影响其性能和寿命的任何工作环境，例如载荷、振动、冲受的且会影响其性能和寿命的任何工作环境，例如载荷、振动、冲击击(属机械应力属机械应力)，温度，温度(产

40、生热应力或冷脆性产生热应力或冷脆性)，湿度、腐蚀，湿度、腐蚀(产生锈产生锈蚀蚀)，电、磁，电、磁(产生电、磁力产生电、磁力)等。当有多种失效机理起作用时，则应等。当有多种失效机理起作用时，则应选择对产品失效影响最显著的那种应力作为加速应力。选择对产品失效影响最显著的那种应力作为加速应力。在遇到多种失效机理时，要选择那种对主要失效机理起主导作用的在遇到多种失效机理时，要选择那种对主要失效机理起主导作用的加速应力。如电子元器件，常加速应力。如电子元器件，常 可选择温度作为加速应力，机械一电可选择温度作为加速应力，机械一电子零部件组成的仪表，可选择温度或机械负载或电流子零部件组成的仪表，可选择温度或

41、机械负载或电流 (电压电压)作为加作为加速应力。速应力。加速寿命试验的理论依据是故障物理。故障物理主要研究元器件和加速寿命试验的理论依据是故障物理。故障物理主要研究元器件和材料失效的原因，特材料失效的原因，特 别是与能量有关的失效原因。理论上已经建立别是与能量有关的失效原因。理论上已经建立了不少失效模型，将它们应用于加速寿命试了不少失效模型，将它们应用于加速寿命试 验，得到加速寿命方程。验，得到加速寿命方程。第四节第四节 加速寿命试验（续）加速寿命试验（续）第四节第四节 加速寿命试验（续）加速寿命试验（续）(2)(2)逆幂律方程逆幂律方程 估计电子元器件在额定条件下的工作寿命特征时，可以选择直

42、流电估计电子元器件在额定条件下的工作寿命特征时，可以选择直流电压压(或电流，功率等或电流，功率等)作为加速应力，物理学上知道在产品寿命作为加速应力，物理学上知道在产品寿命t t与直与直流电压流电压V V之间存在逆幂律关系之间存在逆幂律关系（4040）其中其中d d与与c c 是正常数。是正常数。(3)(3)其它加速寿命方程其它加速寿命方程 如果以温度和电压同时作为加速应力，对于电容器可采用的加如果以温度和电压同时作为加速应力，对于电容器可采用的加速寿命方程为：速寿命方程为：（4141）其中其中V V为电压，为电压，T T为绝对温度，为绝对温度，A A、B B、C C 都是参数；都是参数；第四节

43、第四节 加速寿命试验（续）加速寿命试验（续）如果用温度，相对湿度和电压同时作为加速应力，对于集成电路，如果用温度，相对湿度和电压同时作为加速应力，对于集成电路，可采用的加速寿命方程为可采用的加速寿命方程为 （4242）其中其中T T为绝对温度，为绝对温度，RHRH为相对湿度，为相对湿度，V V为电压，为电压，k为玻尔兹曼常数，为玻尔兹曼常数，A A，B B，C C为参数，为参数，E E为激活能；为激活能；如果以温度和电压同时作为加速应力，对于微型电路，可采用的如果以温度和电压同时作为加速应力，对于微型电路，可采用的加速寿命方程为加速寿命方程为（4343）其中其中G G，C C，D D为常数，为

44、常数，E E为激活能，为激活能，k为玻尔兹曼常数，为玻尔兹曼常数，T T为绝对温为绝对温度，度，V V为电压。为电压。第四节第四节 加速寿命试验（续）加速寿命试验（续）2 2加速应力水平和应力个数的选定加速应力水平和应力个数的选定 设加速应力水平取为设加速应力水平取为I I S1 I I I I S2 I I I I Sh I,I,共共h个。个。h h为应力水为应力水平数，一般要求平数，一般要求h h不小于不小于4 4。h h太小，影响统计分析的精度太小，影响统计分析的精度,h,h太大，太大，使试验费用增加使试验费用增加,通常取通常取h=45=45。其中最低应力水平其中最低应力水平|S1|应选

45、得既高于又接近实际工作时的应力水应选得既高于又接近实际工作时的应力水平，以提高由其试验结果推算正常应力水平下的寿命特征平，以提高由其试验结果推算正常应力水平下的寿命特征(外推外推)的准的准确性；最高应力水平确性；最高应力水平I I Sh I I应在不改变产品失效机理的前提下尽量取应在不改变产品失效机理的前提下尽量取得高一些，以达到最佳的加速效果。中间的各应力水平亦应适当分得高一些，以达到最佳的加速效果。中间的各应力水平亦应适当分散，使相邻应力水平的间隔比较合理。一般应力水平之间常取等间散，使相邻应力水平的间隔比较合理。一般应力水平之间常取等间隔分配。隔分配。确定加速应力水平确定加速应力水平S1

46、 ，S2，,Sh的一个重要原则，就是在各个应的一个重要原则，就是在各个应力水平力水平S S下，产品的失效机理与在正常应力水平下，产品的失效机理与在正常应力水平S S0 0下产品的失效机理下产品的失效机理必须相同。否则就不能通过加速寿命试验所得到的失效数据，去估必须相同。否则就不能通过加速寿命试验所得到的失效数据，去估计正常应力水平下产品的各种可靠性指标。计正常应力水平下产品的各种可靠性指标。3 3试验样品的选取与分组试验样品的选取与分组 整个恒定应力加速寿命试验由整个恒定应力加速寿命试验由h(h 45)45)个加速应力水平下的寿个加速应力水平下的寿命试验组成。设在命试验组成。设在Si应力水平下

47、投入的试样数为应力水平下投入的试样数为ni件，则整个恒定件，则整个恒定应力加速寿命试验所投试样的总数应力加速寿命试验所投试样的总数n为：为：(44)(44)式中：式中：h是加速应力水平数是加速应力水平数 ni(il l，2 2，h)是组试样数。是组试样数。各组试样数可以相等也可以不等，但一般均不少于各组试样数可以相等也可以不等，但一般均不少于5 5个。整个试个。整个试样应在同一批合格产品中随机抽取。样应在同一批合格产品中随机抽取。第四节第四节 加速寿命试验（续）加速寿命试验（续）4 4测试周期及试验停止时间的确定测试周期及试验停止时间的确定 自动监测设备可记录准确的失效时间，否则就需要对试样作

48、周期自动监测设备可记录准确的失效时间，否则就需要对试样作周期性的测试。测试周期愈短，测试的次数愈多，则所得的失效时间性的测试。测试周期愈短，测试的次数愈多，则所得的失效时间就愈准确。测试时间的确定与产品的寿命分布就愈准确。测试时间的确定与产品的寿命分布 有关。当产品的寿有关。当产品的寿命为指数分布时，可按式命为指数分布时，可按式(1)(1)确定，且应使每个测试周期内测到的确定，且应使每个测试周期内测到的失效试样数比较接近。失效试样数比较接近。为了缩短试验时间和节约试验费用，对组成恒定应力加速寿命试为了缩短试验时间和节约试验费用，对组成恒定应力加速寿命试验的每组寿命试验常采用截尾寿命试验方法。一

49、般要求每组试验验的每组寿命试验常采用截尾寿命试验方法。一般要求每组试验的截尾数的截尾数ri占该组投试样品数占该组投试样品数ni的的5050以上，至少也要占以上，至少也要占3030，且，且应使应使ri 5(5(i1 1，2 2，h)，否则会影响统计分析的精度。，否则会影响统计分析的精度。第四节第四节 加速寿命试验（续）加速寿命试验（续）5 5 加速寿命曲线与方程加速寿命曲线与方程 在加速寿命试验中，根据恒定应在加速寿命试验中，根据恒定应力加速试力加速试 验所取得的数据，即在验所取得的数据，即在各级应力水平各级应力水平Si(i1 1，2 2，h)下试验样品的失效时间下试验样品的失效时间ti1，ti

50、2 ，tir (i1 1，2 2，h)。加速寿命曲线，如图加速寿命曲线，如图11 11所示。它所示。它反反 映了寿命与应力水平间的关系，映了寿命与应力水平间的关系，其数学方程即其数学方程即 为加速寿命方程，为加速寿命方程，可用于推算正常应力条件下的寿可用于推算正常应力条件下的寿命特征。命特征。图图11 11 加速寿命曲线加速寿命曲线第四节第四节 加速寿命试验（续）加速寿命试验（续）通常，对机械产品，均以机械应力作为加速应力进行恒定应力加通常，对机械产品，均以机械应力作为加速应力进行恒定应力加速寿命试验。这时的速寿命试验。这时的 加速寿命曲线就是加速寿命曲线就是S SNN及及P PS SNN曲线