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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2021-07-02 20:44
針對(duì)定時(shí)截尾試驗(yàn)中裝備無(wú)失效被接收時(shí)平均無(wú)故障間隔時(shí)間(Mean Time BetweenFailures, MTBF)估計(jì)的問(wèn)題,通過(guò)一種簡(jiǎn)易的方法從理論上推導(dǎo)得出了無(wú)失效情形下MTBF置信下限的計(jì)算公式,并與其他方法進(jìn)行了比較。同時(shí)根據(jù)置信下限計(jì)算的公式分析出一種定時(shí)截尾試驗(yàn)點(diǎn)估計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案。最后通過(guò)實(shí)際工程應(yīng)用,驗(yàn)證了方法的有效性。
隨著軍方對(duì)裝備可靠性的重視,裝備的設(shè)計(jì)不斷更新優(yōu)化,相應(yīng)配套元器件的可靠度也在逐漸提高,在進(jìn)行可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)零失效被接收的情況是越來(lái)越多。
然而,在MTBF值的實(shí)際驗(yàn)證過(guò)程中,當(dāng)失效數(shù)大于0時(shí),根據(jù)GJB 899A-2009《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》提供的方法可以很方便的計(jì)算出MTBF的估計(jì),但對(duì)于失效數(shù)為0時(shí)的情況,標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有給出明確說(shuō)明。
對(duì)于這一問(wèn)題,有文獻(xiàn)從應(yīng)用數(shù)學(xué)的角度推導(dǎo)出了指數(shù)分布下失效數(shù)為0時(shí)MTBF置信下限的計(jì)算公式,理論性較強(qiáng),對(duì)工程人員來(lái)說(shuō)理解起來(lái)需要花費(fèi)精力。本文給出了一種簡(jiǎn)易的推導(dǎo)方法,并對(duì)MTBF的點(diǎn)估計(jì)做了初步探討,給出了一種計(jì)算公式。
失效數(shù)為r(r>0)時(shí)被接收的估計(jì)
根據(jù)GJB 899A,當(dāng)做出的試驗(yàn)判定為接收時(shí),該試驗(yàn)停止前發(fā)生的責(zé)任失效數(shù)一定小于等于接收判決的失效數(shù),試驗(yàn)必須是在達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間后就停止的。
即MBTF的點(diǎn)估計(jì) 為:
(1)
式中:
T—裝備的總試驗(yàn)時(shí)間;
r—責(zé)任失效數(shù)。
置信度為C的MTBF驗(yàn)證區(qū)間為(θL,θU),其中θL為置信下限,θU為置信上限。計(jì)算公式為:
(2)
(3)
其中C’=(1+C)/2為單邊置信限的置信度,θL(C’,r)和θU=θU(C’,r)分別為置信下限系數(shù)和置信上限系數(shù)。計(jì)算公式為:
(4)
(5)
標(biāo)準(zhǔn)中給出了取置信度C=1-2β(其中β為使用方所承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn))時(shí),失效數(shù)大于0情況下的置信下限和置信上限系數(shù)。通過(guò)查表就可以計(jì)算出MTBF的驗(yàn)證區(qū)間。但是當(dāng)失效數(shù)為0時(shí)上述方法無(wú)法應(yīng)用。
失效數(shù)為r(r=0)時(shí)被接受的估計(jì)
01、MTBF置信下限的推導(dǎo)
任取n個(gè)失效率為λ的指數(shù)型樣品做定時(shí)截尾試驗(yàn),則到試驗(yàn)截止時(shí)間t時(shí)已失效k個(gè)的概率服從二項(xiàng)分布為:
(6)
因此,到時(shí)間 t時(shí),已失效的樣品數(shù)k≤a(k為試驗(yàn)方案中規(guī)定的接收失效數(shù))的概率就是裝備被接收的概率,公式為:
(7)
當(dāng)n比較大,λt比較小時(shí),可以用泊松概率近似該二項(xiàng)概率,此時(shí)裝備被接收的概率可以近似表示為:
(8)
對(duì)于有替換的試驗(yàn)總試驗(yàn)時(shí)間T=nt ,對(duì)于無(wú)替換的試驗(yàn)
,由于k相對(duì)于n來(lái)說(shuō)較小,近似取T=nt,則:
(9)
由此可得試驗(yàn)方案中MTBF的真值θ與接收概率P(θ)的關(guān)系為:
(10)
由于β為使用方風(fēng)險(xiǎn),即當(dāng)實(shí)際的θ=θ1(θ1為檢驗(yàn)下限值)時(shí),裝備被接收的概率,代入上式有:
(11)
當(dāng)達(dá)到截止時(shí)間,失效數(shù)為0時(shí),代入上式得:


對(duì)于θ1滿足

根據(jù)單側(cè)置信限的定義,此時(shí)稱θ1為置信度為1-β的單側(cè)置信下限,記為θL,即:
(12)
該公式與相關(guān)文獻(xiàn)推導(dǎo)出來(lái)的公式是一致的,區(qū)別在于部分文獻(xiàn)推導(dǎo)過(guò)程理論性比較強(qiáng),工程試驗(yàn)人員理解起來(lái)比較困難,不易掌握,而另有文獻(xiàn)是基于失效數(shù)不為零的情況下進(jìn)行的推導(dǎo),不具備較強(qiáng)的說(shuō)服力。
02、無(wú)失效時(shí)的點(diǎn)估計(jì)
當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)截止時(shí)間,責(zé)任失效數(shù)為0,做出接收判決時(shí),GJB 899A中沒(méi)有給出MTBF點(diǎn)估計(jì)的計(jì)算方法,而GB5080.4-85《設(shè)備可靠性試驗(yàn)可靠性測(cè)定試驗(yàn)的點(diǎn)估計(jì)和區(qū)間估計(jì)方法(指數(shù)分布)》 中則給出了推薦公式
,即
,但應(yīng)用此方案需要使用方承擔(dān)很高的風(fēng)險(xiǎn)。
針對(duì)此問(wèn)題, 由于MTBF點(diǎn)估計(jì)值在不同置信水平C下存在于真值θ與檢驗(yàn)下限θ1之間,通過(guò)式(12)可以推斷,此時(shí)必有一估計(jì)下限θ1’使得
(13)
取 θ1’作為無(wú)失效時(shí)MTBF的點(diǎn)估計(jì),則
(14)
若采用GJB 899A中建議的置信度 C=1-2β,則
(15)
不同 β值下的點(diǎn)估計(jì)見(jiàn)下表1。
表1. 不同 β值下的點(diǎn)估計(jì)

根據(jù)式(15)的單調(diào)性,可知β 越大
越大,當(dāng)β=0.3時(shí),
,相對(duì)于GB 5080.4推薦的圖片,有效控制了使用方風(fēng)險(xiǎn)。
案列分析
某型北斗車載終端要求的MTBF最低可接受值為θ1=160 h ,在定型階段的可靠性鑒定試驗(yàn)中,通過(guò)對(duì)該終端全壽命周期分析,確定了其不同的任務(wù)剖面,再參照其每一種任務(wù)剖面的特征參數(shù)圖,擬定出了其在該任務(wù)剖面下的環(huán)境剖面,參考標(biāo)準(zhǔn)對(duì)環(huán)境剖面數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化后形成制式表格,最終繪制出了針對(duì)該終端的試驗(yàn)剖面圖。根據(jù)試驗(yàn)大綱要求采取定時(shí)截尾試驗(yàn)驗(yàn)證,選用標(biāo)準(zhǔn)GJB 899A中標(biāo)準(zhǔn)型試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方案17進(jìn)行本次試驗(yàn),總試驗(yàn)時(shí)間為
。
試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,責(zé)任故障為零,結(jié)果為無(wú)失效,對(duì)該終端給出的判定為接收。
依據(jù)技術(shù)文件要求,在形成正式報(bào)告時(shí)需要對(duì)該型終端的可靠性指標(biāo)進(jìn)行估計(jì),由于提供的技術(shù)文件中沒(méi)有對(duì)無(wú)失效接收時(shí)的點(diǎn)估計(jì)進(jìn)行明確約定。與相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)一步溝通后了解到該型號(hào)技術(shù)還不盡完善,成熟度可能不高。于是議定采用式(15)計(jì)算點(diǎn)估計(jì)得
。
由于試驗(yàn)結(jié)果為無(wú)失效,在獲得MTBF驗(yàn)證區(qū)間時(shí)只需計(jì)算其置信下限,依據(jù)式(12)得
。
針對(duì)本次試驗(yàn),對(duì)于點(diǎn)估計(jì)的計(jì)算,如果依據(jù)GB 5080.4推薦的公式計(jì)算可以得到
,此計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于750.8h,這個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)于使用方了解裝備可靠性是沒(méi)有指導(dǎo)意義的。當(dāng)裝備成熟度比較高時(shí),可以參考引用。
結(jié) 束 語(yǔ)
隨著使用方對(duì)裝備可靠性要求越來(lái)越具體化,針對(duì)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)中無(wú)失效被接收的情況,只對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行接收判定已不能滿足使用方要求。本文從裝備被接收的概率公式出發(fā),考慮當(dāng)樣品無(wú)失效時(shí)這一特殊情況,對(duì)概率公式進(jìn)行簡(jiǎn)化,進(jìn)一步從理論上推導(dǎo)出了MTBF的置信下限及點(diǎn)估計(jì)公式,通過(guò)案例借用推導(dǎo)的公式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了定量分析,有效的幫助了使用方對(duì)裝備可靠性的直觀了解,得到了生產(chǎn)方和使用方的認(rèn)可,同時(shí)為工程試驗(yàn)人員提供了一種可行的實(shí)施方案。

來(lái)源:環(huán)境技術(shù)核心期刊