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1.可靠性試驗(yàn)

 

什么是可靠性試驗(yàn)？

 

可靠性試驗(yàn)是指通過試驗(yàn)測(cè)定和驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性。研究在有限的樣本、時(shí)間和使用費(fèi)用下，找出產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)?？煽啃栽囼?yàn)是為了解、評(píng)價(jià)、分析和提高產(chǎn)品的可靠性而進(jìn)行的各種試驗(yàn)的總稱。

 

大部分人有一個(gè)認(rèn)識(shí)：提高產(chǎn)品的可靠性，會(huì)增加成本。

 

 

為什么開展可靠性試驗(yàn)

 

1、現(xiàn)階段，我國(guó)裝備與國(guó)際先進(jìn)設(shè)備相比，面臨一個(gè)重要問題：長(zhǎng)期質(zhì)量的差距。

 

 

2、產(chǎn)品可靠性不足引發(fā)事故，造成生命財(cái)產(chǎn)損失。

 

 

3、電力產(chǎn)品的新特點(diǎn)，給可靠性提出新的挑戰(zhàn)。

 

 

4、“一帶一路” 對(duì)中國(guó)產(chǎn)品走向世界提出了更嚴(yán)酷的可靠性需求。

 

 

5、國(guó)家和大客戶對(duì)可靠性的需求和要求不斷增強(qiáng)。

 

國(guó)家層面：

 

中國(guó)制造2025明確提出：使重點(diǎn)產(chǎn)品的環(huán)境可靠性，使用壽命達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。國(guó)家十三五科技規(guī)劃中，設(shè)立了繼電保護(hù)可靠性技術(shù)和應(yīng)用的研究課題。

 

大客戶層面：

 

國(guó)家電網(wǎng)：在就地化保護(hù)入網(wǎng)檢測(cè)中，首次引入可靠性試驗(yàn)，驗(yàn)證產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)水平和壽命指標(biāo)。在關(guān)于新型一、二次設(shè)備（例如：電子式互感器）的科研項(xiàng)目中，增加了可靠性驗(yàn)證和壽命評(píng)估等相關(guān)研究課題。

 

南方電網(wǎng)：在自動(dòng)化產(chǎn)品入網(wǎng)檢測(cè)中，要求廠家開展和提供關(guān)鍵元器件可靠性試驗(yàn)，明確選型原則。在配電自動(dòng)化終端方面深化研究，提出高可靠免維護(hù)的目標(biāo)，并引入環(huán)境和可靠性理念和手段進(jìn)行驗(yàn)證。

 

有哪些可靠性試驗(yàn)方法

 

可靠性試驗(yàn)分類方法很多，可以從標(biāo)準(zhǔn)角度歸納并分析。

 

 

1、定時(shí)截尾試驗(yàn)

 

定時(shí)截尾試驗(yàn)是指事先規(guī)定一個(gè)試驗(yàn)時(shí)間，當(dāng)試驗(yàn)達(dá)到所規(guī)定的時(shí)間就停止。樣本中出現(xiàn)故障的樣品數(shù)是隨機(jī)的，事先無法知道。

 

案例：假設(shè)在一批數(shù)量為N的產(chǎn)品中，任意抽取數(shù)量為n的樣本，規(guī)定試驗(yàn)截止時(shí)間為T0。按上述方法進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，設(shè)出現(xiàn)故障的序號(hào)為r，記錄第r個(gè)故障發(fā)生的時(shí)刻Tr。如果到規(guī)定的截尾時(shí)刻T0還沒有出現(xiàn)r個(gè)故障，即Tr≥T0，則判定可靠性試驗(yàn)合格或接受；如果在規(guī)定的試驗(yàn)截止時(shí)間T0以前，已出現(xiàn)r個(gè)故障，即Tr<T0，則認(rèn)為該產(chǎn)品不合格或拒收。

 

 

2、序貫試驗(yàn)

 

又稱序貫分析，對(duì)現(xiàn)有樣本一個(gè)接著一個(gè)或一對(duì)接著一對(duì)地展開試驗(yàn)，循序而連貫地進(jìn)行，直至出現(xiàn)規(guī)定的結(jié)果便適可而止結(jié)束試驗(yàn)。

 

特點(diǎn)：這種試驗(yàn)既可避免盲目加大試驗(yàn)樣本數(shù)而造成浪費(fèi)，又不致于因試驗(yàn)樣本個(gè)數(shù)太少而得不到結(jié)論-節(jié)約樣本（比一般試驗(yàn)方法節(jié)約樣本30~50%）。常用的序貫試驗(yàn)法有對(duì)分法、0.618法、分?jǐn)?shù)法、拋物線法、爬山法和分批試驗(yàn)法等。

 

3、可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)

 

通過對(duì)產(chǎn)品施加真實(shí)的或模擬的綜合環(huán)境應(yīng)力，暴露產(chǎn)品的潛在缺陷并采取糾正措施，使產(chǎn)品的可靠性達(dá)到預(yù)定要求的一種試驗(yàn)，它是一個(gè)有計(jì)劃的試驗(yàn)-分析-改進(jìn)（TAAF）的過程。

 

注意：可靠性增長(zhǎng)活動(dòng)不是針對(duì)設(shè)計(jì)低劣的產(chǎn)品的，而是針對(duì)經(jīng)過認(rèn)真設(shè)計(jì)仍然由于某些技術(shù)原因達(dá)不到要求的產(chǎn)品。

 

切記：可靠性增長(zhǎng)的核心是消除影響設(shè)計(jì)缺陷。但是，把可靠性水平寄托在增長(zhǎng)活動(dòng)上的態(tài)度是錯(cuò)誤的。

 

4、加速試驗(yàn)

 

 

5、高加速試驗(yàn)（HALT）

 

高加速壽命試驗(yàn)（簡(jiǎn)稱HALT試驗(yàn)）是由美國(guó)軍方所延伸出的設(shè)計(jì)質(zhì)量驗(yàn)證與制造質(zhì)量驗(yàn)證的定性試驗(yàn)方法，利用快速高、低溫變換的震蕩體系來揭示電子和機(jī)械裝配件設(shè)計(jì)缺陷和不足。

 

HALT試驗(yàn)箱可提供-100℃～＋200℃的溫度區(qū)間，溫變速率可達(dá)到70℃～100℃/min。同時(shí)，提供六軸向隨機(jī)振動(dòng)（振動(dòng)強(qiáng)度0～75Grms，頻率范圍1Hz～1MHz。），在低頻范圍內(nèi)傳遞較高的振動(dòng)能量，激發(fā)大型產(chǎn)品潛在的缺陷。

 

HALT優(yōu)勢(shì)1：快速檢測(cè)缺陷，消除故障機(jī)會(huì)。

 

HALT優(yōu)勢(shì)2：評(píng)估失效率和MTBF，驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。

 

 

 

 

2、可靠性評(píng)估

 

基本概念

 

 

評(píng)估方法

 

 

評(píng)估案例

 

1、評(píng)估案例一：ALT評(píng)估（加速系數(shù)已知）

 

試驗(yàn)需求：產(chǎn)品的貯存和使用時(shí)間不小于20年；產(chǎn)品的年平均失效率為0.2%。

 

試驗(yàn)方法：利用溫度試驗(yàn)箱為被測(cè)樣品施加恒定溫度應(yīng)力環(huán)境

 

（1）加速應(yīng)力試驗(yàn)組數(shù)和樣品數(shù)：恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的組數(shù)選為1組，20 個(gè)樣品；試驗(yàn)樣品采用同一批次生產(chǎn)的；

 

（2）應(yīng)力水平：恒定溫度應(yīng)力選為90℃；加速系數(shù)取AF=25=32；

 

（3）將試品放入指定溫度箱并安裝固定好，上電檢查試品運(yùn)行和各項(xiàng)性能指標(biāo)是否正常，記錄相關(guān)參數(shù)跟檢測(cè)時(shí)間；

 

（4）試驗(yàn)從常溫開始，緩慢增加（避免溫度沖擊）到指定溫度應(yīng)力值（90℃）， 保持相應(yīng)恒定溫度應(yīng)力值，誤差不超過±5K；

 

（5）定時(shí)檢測(cè)試品運(yùn)行情況和各項(xiàng)性能指標(biāo)是否正常，記錄相關(guān)參數(shù)跟檢測(cè)時(shí)間；

 

（6）試品出現(xiàn)失效后，記錄相關(guān)參數(shù)跟檢測(cè)時(shí)間，繼續(xù)試驗(yàn)，直到失效樣品數(shù)占投入樣品的比例不小于50%，停止試驗(yàn)。

 

數(shù)據(jù)分析與結(jié)果判定：

 

（1）統(tǒng)計(jì)累積失效率F(t)；

 

（2）在威布爾概率紙上描點(diǎn)作圖；

 

（3）利用威布爾概率紙進(jìn)行分析，可以得到：a. 確定產(chǎn)品的失效分布規(guī)律；b. 確定產(chǎn)品的壽命特征值（中位壽命、特征壽命、可靠壽命等）。

 

2、評(píng)估案例二：ALT評(píng)估（加速系數(shù)未知）

 

 

3、評(píng)估案例三：HALT評(píng)估

 

美國(guó)OPS AlacarteReliability Consultants的 “HALT-to-AFR計(jì)算器”，對(duì)被試對(duì)象在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際失效率和MTBF進(jìn)行評(píng)估，方便用戶甄別不同廠家產(chǎn)品的優(yōu)劣屬性和程度，篩選優(yōu)秀供應(yīng)商。

 

3、測(cè)試的實(shí)踐

 

配網(wǎng)傳感器HALT試驗(yàn)

 

1、測(cè)試背景

 

近年來，在國(guó)家電網(wǎng)公司的關(guān)心支持和電力行業(yè)智能配電專委會(huì)的密切配合下，配電一二次專項(xiàng)工作組積極開展了有關(guān)工作，組織有關(guān)科研單位和生產(chǎn)企業(yè)研制開發(fā)了12kV智能配電柱上開關(guān)，并且在多個(gè)省/市和地區(qū)較大規(guī)模試點(diǎn)應(yīng)用，在支撐精益化線損管理、就地故障處理和專業(yè)化運(yùn)維等方面取得了較為明顯的成效。

 

2、測(cè)試目的

 

（1）摸底配電網(wǎng)10kV交流傳感器的可靠性設(shè)計(jì)水平；

 

（2）分析產(chǎn)品在不同環(huán)境和應(yīng)力條件下的失效規(guī)律、失效模式和失效機(jī)理;

 

（3）為企業(yè)改進(jìn)和完善產(chǎn)品提供依據(jù)，提升產(chǎn)品性能和可靠性。

 

3、樣品信息

 

 

4、試驗(yàn)方案

 

 

溫度應(yīng)力測(cè)試結(jié)果：

 

廠家E：低溫操作極限和高溫操作極限均滿足HALT試驗(yàn)的期望值，反映出廠家在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，充分考慮了低溫和高溫適應(yīng)性，預(yù)留的設(shè)計(jì)裕度較大，在快速溫變和低溫環(huán)境下表現(xiàn)出很好的可靠性。

 

廠家D：在低溫操作極限滿足HALT試驗(yàn)的要求，在快速溫變和低溫環(huán)境下表現(xiàn)出較好的可靠性；高溫操作極限雖符合T/CES 018-2018 的要求，但低于HALT試驗(yàn)的期望值，產(chǎn)品在高溫下的可靠性設(shè)計(jì)裕度有進(jìn)一步提升的空間。

 

其余廠家：在-40℃和+80℃溫度下失效，反應(yīng)出產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)裕度不足。

 

原因可能包括兩個(gè)：（1）產(chǎn)品對(duì)低溫和高溫的適應(yīng)性不夠，精度受溫度影響較大；（2）產(chǎn)品對(duì) 60℃以上的溫度變化率適應(yīng)性差，精度受影響大，且產(chǎn)品出現(xiàn)功能紊亂，在溫度穩(wěn)定后無法恢復(fù)正常。

 

振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：5個(gè)廠家的產(chǎn)品在振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力上均表現(xiàn)良好，操作極限滿足HALT試驗(yàn)的期望值。經(jīng)過6軸隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境的規(guī)定時(shí)間測(cè)試，這些傳感器產(chǎn)品的精度未受到明顯影響。 

 

可能的原因：傳感器本身電子元器件少，內(nèi)部的焊接點(diǎn)也少，且處于固封狀態(tài)，所以對(duì)振動(dòng)的適應(yīng)性較強(qiáng)。

 

結(jié)果分析：

 

 

配網(wǎng)傳感器壽命評(píng)估試驗(yàn)

 

需求：產(chǎn)品的貯存和使用時(shí)間不小于20年；產(chǎn)品的年平均失效率為0.2%。

 

標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)：

 

（1）GB/T 2689.1-1981 恒定應(yīng)力壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)方法總則；

 

（2）GB/T 2689.2-1981 壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)的圖估計(jì)法（用于威布爾分布）；

 

（3）T/ZDG 018-2018 配電網(wǎng)10kV及20kV交流傳感器技術(shù)條件。

 

數(shù)據(jù)分析與結(jié)果判定：

 

（1）統(tǒng)計(jì)累積失效率F(t)；

 

（2） 在威布爾概率紙上描點(diǎn)作圖；

 

（3）利用威布爾概率紙進(jìn)行分析，可以得到：a. 確定產(chǎn)品的失效分布規(guī)律；b. 確定產(chǎn)品的壽命特征值（中位壽命、特征壽命、可靠壽命等）。

 

試驗(yàn)方法：利用溫度試驗(yàn)箱為被測(cè)樣品施加恒定溫度應(yīng)力環(huán)境

 

（1）加速應(yīng)力試驗(yàn)組數(shù)和樣品數(shù)：恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的組數(shù)選為 1組，20個(gè)樣品；試驗(yàn)樣品采用同一批次生產(chǎn)的；

 

（2）應(yīng)力水平：恒定溫度應(yīng)力選為90℃；加速系數(shù)取AF=25=32；

 

（3）將試品放入指定溫度箱并安裝固定好，上電檢查試品運(yùn)行和各項(xiàng)性能指標(biāo)是否正常，記錄相關(guān)參數(shù)跟檢測(cè)時(shí)間；

 

（4）試驗(yàn)從常溫開始，緩慢增加（避免溫度沖擊）到指定溫度應(yīng)力值 （90℃），保持相應(yīng)恒定溫度應(yīng)力值，誤差不超過±5K;

 

（5）定時(shí)檢測(cè)試品運(yùn)行情況和各項(xiàng)性能指標(biāo)是否正常，記錄相關(guān)參數(shù) 跟檢測(cè)時(shí)間；

 

（6）試品出現(xiàn)失效后，記錄相關(guān)參數(shù)跟檢測(cè)時(shí)間，繼續(xù)試驗(yàn)，直到失效樣品數(shù)占投入樣品的比例不小于50%，停止試驗(yàn)。

 

配網(wǎng)傳感器測(cè)試意義：

 

（1）首次引入HALT試驗(yàn)理念，快速驗(yàn)證10kV配網(wǎng)傳感器的可靠性設(shè)計(jì)水平。

 

（2）首次借助加速試驗(yàn)理論和壽命評(píng)估模型，驗(yàn)證10kV配網(wǎng)傳感器的壽命指標(biāo)。

 

（3）為建立配網(wǎng)傳感器可靠性試驗(yàn)、評(píng)估和標(biāo)準(zhǔn)體系積累數(shù)據(jù)，篩選優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品及供應(yīng)商。

 

（4）積極探索，從可靠性領(lǐng)域?yàn)榕渚W(wǎng)一二次融合產(chǎn)品提供經(jīng)驗(yàn)支撐，助推國(guó)家在配網(wǎng)方面的戰(zhàn)略部署。

 

4、總結(jié)

 

可靠性試驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)力

 

（1）第一驅(qū)動(dòng)力是企業(yè)；

 

（2）需要用戶的要求和引導(dǎo)；

 

（3）需要行業(yè)的刺激和支撐。

 

正確認(rèn)識(shí)可靠性試驗(yàn)

 

（1）與型式試驗(yàn)相區(qū)分；

 

（2）對(duì)企業(yè)生存競(jìng)爭(zhēng)的意義；

 

（3）對(duì)行業(yè)進(jìn)步的支撐作用。

 

構(gòu)建可靠性體系

 

（1）試驗(yàn)是驗(yàn)證和提高可靠性的重要環(huán)節(jié)，但試驗(yàn)不等于可靠性；

 

（2）可靠性是設(shè)計(jì)和管理出來的，需要用戶、企業(yè)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)共同努力；

 

（3）可靠性是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要從設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造、運(yùn)行等各個(gè)角度入手，構(gòu)建可靠性管理體系。