基于零部件故障數(shù)據(jù)的家用電器可靠性預(yù)計(jì)方法

黃遜青

（廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司，廣東 佛山 528305）

基于零部件故障數(shù)據(jù)的家用電器可靠性預(yù)計(jì)方法

黃遜青

（廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司，廣東 佛山 528305）

根據(jù)家用電器產(chǎn)品的特點(diǎn)，提出了一種利用簡(jiǎn)單的串聯(lián)系統(tǒng)模型，以故障率排序處于前5位的零部件故障率上限值來(lái)計(jì)算整機(jī)的故障率上限值，從而確定整機(jī)的可靠度下限值的家用電器的可靠性預(yù)計(jì)方法。該方法便于利用加速試驗(yàn)方法對(duì)零部件的故障率進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)也便于利用歷史數(shù)據(jù)來(lái)改善可靠性預(yù)計(jì)工作的效率和質(zhì)量。

家用電器；零部件；故障數(shù)據(jù)；可靠性預(yù)計(jì)

0 引言

家用電器產(chǎn)品的可靠性主要體現(xiàn)為使用階段故障的可控性，包括故障類(lèi)型和故障率的可控程度[1]。可靠性作為一項(xiàng)重要的質(zhì)量特性，是產(chǎn)品質(zhì)量控制工作中不容忽視的內(nèi)容。在產(chǎn)品的全生命周期中，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)階段的可靠性控制措施對(duì)產(chǎn)品使用階段的可靠性表現(xiàn)起著決定性的作用[2]。家用電器的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)人員對(duì)可靠性問(wèn)題的關(guān)注通常聚焦于產(chǎn)品生命周期中偶發(fā)故障期間出現(xiàn)的故障，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)階段對(duì)偶然故障期間的故障率進(jìn)行定量的預(yù)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量控制具有重要的意義[3]。

長(zhǎng)期以來(lái)，時(shí)間和費(fèi)用一直是制約產(chǎn)品整機(jī)可靠性評(píng)價(jià)的重要因素。按常規(guī)的可靠性評(píng)價(jià)方法對(duì)產(chǎn)品的整機(jī)可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，不僅需要較大數(shù)量的樣品，而且需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的運(yùn)行測(cè)試時(shí)間才能獲得較為滿意的評(píng)價(jià)結(jié)果[4]。由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)等因素的影響，家用電器產(chǎn)品通常更新?lián)Q代頻繁，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)周期較短，同時(shí)受設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)費(fèi)用的約束，因而采用常規(guī)的可靠性評(píng)價(jià)方法難以對(duì)其可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，多數(shù)可靠性預(yù)計(jì)方法都需要利用較為復(fù)雜的數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具，推廣工作需要較強(qiáng)的數(shù)學(xué)能力。

為了解決以上問(wèn)題，本文以在家用或類(lèi)似場(chǎng)所使用的以力或燃?xì)庾鳛轵?qū)動(dòng)能源的電氣器具和燃?xì)馄骶叩犬a(chǎn)品為例，討論了在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)階段對(duì)家用電器產(chǎn)品整機(jī)可靠性水平進(jìn)行評(píng)估的方法，利用主要零部件的故障率數(shù)據(jù)計(jì)算整機(jī)的可靠性指標(biāo)，以評(píng)估產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)輸出滿足設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)輸入的程度，同時(shí)數(shù)學(xué)工具方面主要立足于初等數(shù)學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)，從而降低了數(shù)據(jù)處理的難度。

1 故障率計(jì)算

對(duì)于由單元A和單元B構(gòu)成的簡(jiǎn)單串聯(lián)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多次測(cè)試，而且次數(shù)足夠多時(shí)，系統(tǒng)的故障數(shù)為：

當(dāng)A和B的故障均為獨(dú)立故障時(shí)，即

rA、 rB分別是區(qū)間 （rAL， rAU） 和 （rBL， rBU） 內(nèi)的數(shù)值，在工程實(shí)踐中，對(duì)于相互獨(dú)立的rA和rB，串聯(lián)系統(tǒng)A+B出現(xiàn)rAU的狀態(tài)與出現(xiàn)rBU的狀態(tài)是不同的；換言之，rAU狀態(tài)與rBU狀態(tài)不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，因此，就存在以下關(guān)系：

對(duì)于類(lèi)似的問(wèn)題，通常的處理方式是將 （3）式兩邊平方，得：

由于rAU狀態(tài)與rBU狀態(tài)不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，于是令

從而得到：

以此類(lèi)推可得，由n個(gè)單元構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)的故障率上限為：

2 可靠性預(yù)計(jì)方法

多數(shù)的家用電器產(chǎn)品的整機(jī)可靠性分析可以采用串聯(lián)模型，即把整機(jī)視為由若干個(gè)零部件串聯(lián)組成的系統(tǒng)，其主要目標(biāo)是定量地確定系統(tǒng)的可靠度下限。

在規(guī)定的條件下的可靠度下限與該條件下的累計(jì)故障率上限存在互補(bǔ)關(guān)系，即：

RL=1-FU（8）

對(duì)于具有足夠試驗(yàn)次數(shù)N的系統(tǒng)，累計(jì)故障率上限為：

相應(yīng)地，各單元的故障率上限為：

將 （9）式兩邊平方可得：

于是可得，系統(tǒng)的可靠度下限RSL為：

式 （12）的物理意義是，產(chǎn)品的可靠度可以利用零部件的故障數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)計(jì)。整機(jī)的故障通常是由一個(gè)或多個(gè)部件的故障造成的，導(dǎo)致這些部件出現(xiàn)故障的原因是不同的，通過(guò)失效模式分析識(shí)別失效模式，利用零部件的專項(xiàng)試驗(yàn)中針對(duì)特定故障類(lèi)型的可靠性評(píng)價(jià)方法來(lái)識(shí)別整機(jī)的故障模式，往往比利用整機(jī)進(jìn)行測(cè)試更為準(zhǔn)確和高效。并且，利用式（12）計(jì)算系統(tǒng)的故障率上限值時(shí)，可以直接地利用現(xiàn)有的零部件可靠性試驗(yàn)方案的結(jié)果來(lái)確定相應(yīng)零部件的可靠度下限值或故障率上限值。

加速試驗(yàn)方法目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于可靠性評(píng)價(jià)的多個(gè)領(lǐng)域中，其可以顯著地縮短可靠性試驗(yàn)的時(shí)間、節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用。但是，加速試驗(yàn)是針對(duì)特定的失效機(jī)理實(shí)施的，加速方法通常只能針對(duì)一種失效機(jī)理實(shí)施，同時(shí)針對(duì)兩種或多種失效機(jī)理的加速方法較為少見(jiàn)而且適用的范圍有限[5]。由于整機(jī)的失效模式較多，在整機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中通常無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種失效模式的加速條件，然而，利用零部件故障數(shù)據(jù)進(jìn)行整機(jī)可靠性預(yù)計(jì)的方法卻將同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種失效模式的加速條件變成了可能。

當(dāng)然，在多數(shù)部件的加速試驗(yàn)過(guò)程中，通常都是無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)全部失效模式的加速的，即使在僅同時(shí)施加兩種加速應(yīng)力的條件下，也難以實(shí)現(xiàn)兩種應(yīng)力的同步加速，有時(shí)不同的失效模式的加速效應(yīng)甚至可能會(huì)出現(xiàn)相互影響的現(xiàn)象，因此，即使是一個(gè)部件也可能要分別進(jìn)行多個(gè)加速試驗(yàn)項(xiàng)目才能較準(zhǔn)確地反映該部件的可靠性特性。所以，在工程實(shí)踐中，通常以單一模式失效加速試驗(yàn)方法作為基本的試驗(yàn)方法，同時(shí)，也采納成熟的多模式加速試驗(yàn)方法來(lái)對(duì)部件的失效模式進(jìn)行分析。

對(duì)于存在多種失效模式的零部件，部件的故障率上限值可以按下式計(jì)算：

式 （13）中：FiU——部件i的故障率上限；

fijU——部件i的失效模式j(luò)所導(dǎo)致的故障率上限。

3 工程應(yīng)用

從可靠性管理的角度來(lái)看，通常家用電器產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)。

a）使用壽命長(zhǎng)，一般為10年左右。

b）故障率低，在壽命結(jié)束時(shí)可靠度大致可以保持在0.90的水平，多數(shù)產(chǎn)品在整個(gè)使用階段不會(huì)發(fā)生故障。

c）功能和系統(tǒng)組成較為簡(jiǎn)單，相對(duì)于汽車(chē)、工業(yè)設(shè)備等產(chǎn)品而言，家用電器整機(jī)的功能較少而且零部件的數(shù)量較少。

家用電器產(chǎn)品整機(jī)在偶發(fā)故障階段出現(xiàn)的故障全部都可以歸結(jié)為零部件的故障。在工程實(shí)踐中，可以總結(jié)家用電器產(chǎn)品整機(jī)在偶發(fā)故障階段的一些規(guī)律，具體的內(nèi)容如下所述。

a）整機(jī)的故障是由一個(gè)或多個(gè)部件的故障造成的，導(dǎo)致這些部件發(fā)生故障的原因是不同的，要想全面地評(píng)價(jià)整機(jī)的可靠性，通常需要采用多個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目或試驗(yàn)條件進(jìn)行。

b）家用電器產(chǎn)品零部件的數(shù)量相對(duì)較少，多數(shù)故障集中出現(xiàn)在少數(shù)的零部件上，一般來(lái)說(shuō)，故障數(shù)排序在前5位的零部件包攬了約80%的整機(jī)故障數(shù)，剩下的故障為其余零部件的故障和少數(shù)不易定位的故障，例如：零部件之間的互聯(lián)影響的故障。

c）在整機(jī)狀態(tài)下，其他主要零部件故障與上述故障數(shù)排序處于前幾位的零部件故障同時(shí)出現(xiàn)的概率很小，因此，故障數(shù)排序處于前幾位的零部件故障全部按獨(dú)立故障來(lái)進(jìn)行處理。

d）故障模式的危害性可以通過(guò)失效模式分析來(lái)進(jìn)行識(shí)別，較高風(fēng)險(xiǎn)的故障模式的危害性則可以通過(guò)可靠性評(píng)價(jià)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)際上，對(duì)具體的某一種零部件的故障數(shù)進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，排序在前2位的失效模式通常導(dǎo)致了80%的故障，所以，一般情況下，雖然導(dǎo)致零部件出現(xiàn)故障的失效模式往往有幾個(gè)，但對(duì)零部件的故障率考核只需要針對(duì)影響最大的前2位失效模式進(jìn)行即可。

e）直接導(dǎo)致人員傷亡和重大財(cái)產(chǎn)損失的故障類(lèi)型，由于其故障率很低，因此不允許在評(píng)價(jià)過(guò)程中出現(xiàn)，所以在故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)范圍中需排除此類(lèi)故障，若在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)1項(xiàng)此類(lèi)故障，即判產(chǎn)品不合格。

由于數(shù)據(jù)處理時(shí)只考慮了數(shù)障數(shù)排序前5位的零部件故障和排序前2位的零部件故障模式，因而部分故障數(shù)據(jù)存在不完整的情況，所以，本文將整機(jī)故障率上限的20%作為余下故障數(shù)的上限計(jì)入了整機(jī)的故障率上限中。于是，整機(jī)的故障率上限為：

式 （14）中：FSU——整機(jī)故障率上限；

F1U——部件1故障率上限；

F2U——部件2故障率上限；

F3U——部件3故障率上限；

F4U——部件4故障率上限；

F5U——部件5故障率上限。

相應(yīng)的整機(jī)可靠度下限RSL，可用下式計(jì)算：

對(duì)于確定的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)輸入的整機(jī)可靠度下限RDL，可靠性預(yù)計(jì)的驗(yàn)證合格判定條件為：

RSL≥RDL

利用零部件故障數(shù)據(jù)進(jìn)行整機(jī)可靠性預(yù)計(jì)的方法，是以故障模式及其影響分析的合理性為前提而進(jìn)行的，因此，在開(kāi)展一系列的零部件可靠性試驗(yàn)的同時(shí)，需要利用整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)定性地驗(yàn)證故障模式分析的準(zhǔn)確性，整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)是判定零部件試驗(yàn)數(shù)據(jù)可接受程度的依據(jù)。例如：由于整機(jī)累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間為整機(jī)壽命的對(duì)應(yīng)時(shí)間，因此在試驗(yàn)過(guò)程中若無(wú)故障出現(xiàn)，則判定零部件試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以接受；若在整機(jī)試驗(yàn)期間出現(xiàn)故障，允許將故障修復(fù)后繼續(xù)試驗(yàn)，在第一次試驗(yàn)不能通過(guò)需要進(jìn)行第二次試驗(yàn)時(shí)，累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間需重新計(jì)算，并且累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間需增加1倍，在第二次試驗(yàn)過(guò)程中若無(wú)故障出現(xiàn)，則判定零部件試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以接受，若在第二次整機(jī)試驗(yàn)期間再次出現(xiàn)故障，則判定該產(chǎn)品不合格。在整機(jī)試驗(yàn)判定產(chǎn)品不合格的情況下，不論零部件試驗(yàn)結(jié)果如何，均判定該產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目不合格。

顯然，如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)發(fā)生重大的變更，則可能導(dǎo)致故障率的構(gòu)成發(fā)生較大的變化，包括零部件的失效模式對(duì)零部件的影響程度發(fā)生變化、預(yù)先的可靠性預(yù)計(jì)模型可能相應(yīng)地發(fā)生明顯的變化等。這樣一來(lái)，驗(yàn)證措施仍然不足以對(duì)故障模式及其影響分析的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，因而可能需要開(kāi)展更為深入的分析研究工作。

4 討論

盡管本文提供的可靠性預(yù)計(jì)方法有利于顯著地降試驗(yàn)低費(fèi)用和縮短試驗(yàn)時(shí)間，但是，就家用電器而言，由于經(jīng)濟(jì)方面的原因，完全利用可靠性預(yù)計(jì)過(guò)程中對(duì)零部件測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，可能難以滿足較高的置信度要求，所以，通常還需要利用歷史數(shù)據(jù)來(lái)改善零部件測(cè)試數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

歷史數(shù)據(jù)包括同類(lèi)產(chǎn)品在可靠性試驗(yàn)過(guò)程中積累的數(shù)據(jù)和同類(lèi)整機(jī)產(chǎn)品在使用過(guò)程中反饋的售后服務(wù)數(shù)據(jù)等。建議在編制零部件試驗(yàn)方案時(shí)，按有無(wú)足夠的歷史數(shù)據(jù)作為置信度的確定依據(jù)，有歷史數(shù)據(jù)的產(chǎn)品的置信度按0.90考核，無(wú)歷史數(shù)據(jù)的全新產(chǎn)品的置信度按0.70考核。

對(duì)于歷史數(shù)據(jù)的識(shí)別和利用，可以考慮以下幾個(gè)因素。

a）不同型號(hào)、不同規(guī)格的整機(jī)若采用相同的部件，則該部件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以直接用于新型號(hào)、新規(guī)格的整機(jī)的可靠性評(píng)價(jià)，除非經(jīng)過(guò)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，確認(rèn)該部件在新型號(hào)、新規(guī)格的整機(jī)中應(yīng)用時(shí)，其應(yīng)力水平、失效率等技術(shù)狀態(tài)會(huì)發(fā)生顯著的變化。

b）同型號(hào)、同規(guī)格的部件若有歷史數(shù)據(jù)R（T，r），在確認(rèn)該歷史數(shù)據(jù)有效的情況下，允許將新的試驗(yàn)結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，從而更新該部件的數(shù)據(jù)RN（T+TN，r+rN），以改善數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

c）同型號(hào)、同規(guī)格的部件若在其他項(xiàng)目 （例如：安全性或性能測(cè)試等）中進(jìn)行過(guò)同類(lèi)測(cè)試，則其結(jié)果經(jīng)過(guò)評(píng)估，符合要求的可以直接引用；供應(yīng)商提供的可靠性數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)評(píng)估符合要求的也可以直接引用。

5 結(jié)束語(yǔ)

家用電器產(chǎn)品的整機(jī)可靠度可以利用零部件的故障數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行預(yù)計(jì)，利用簡(jiǎn)單的串聯(lián)系統(tǒng)模型，以故障率排序處于前5位的零部件故障率上限值，可以計(jì)算整機(jī)的故障率上限值，從而確定整機(jī)的可靠度下限值。該方法便于利用加速試驗(yàn)方法對(duì)零部件的故障率進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)也便于利用歷史數(shù)據(jù)來(lái)改善可靠性預(yù)計(jì)工作的效率和質(zhì)量。在具備系統(tǒng)構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單、零部件數(shù)量較少和故障率較低等特征的家用電器產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)中采用本文提出的方法，可以顯著地減少可靠性預(yù)計(jì)的費(fèi)用、縮短試驗(yàn)時(shí)間，基本上利用初等數(shù)學(xué)工具就可以解決可靠性參數(shù)的定量計(jì)算問(wèn)題，降低了計(jì)算難度，具有一定的推廣價(jià)值。

[1]黃遜青.家用電器無(wú)故障定時(shí)截尾可靠性試驗(yàn)方案探討[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2010，28（6）：27-31.

[2]張?jiān)稣?，潘?電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì) [M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[3]黃遜青.家用電器無(wú)故障數(shù)據(jù)成敗型可靠性試驗(yàn)方法探討 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2011，29（3)：37-39.

[4]張?jiān)稣?全面而正確地認(rèn)識(shí)可靠性預(yù)計(jì) [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2001，19（6）：50-52.

[5]彭道勇，張國(guó)彬，陳艷妮，等.可靠性預(yù)計(jì)和分配研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2009，27（S1）: 174-177.

Reliability Prediction Method of Household Applicances Based on Component Failure Data

HUANG Xunqing
（Guangdong Vanward New Electric Co.，Ltd.，F(xiàn)oshan 528305，China）

According to the characteristics of household applicances，a reliability prediction method for household applicances that the upper limit value of the failure rate of the whole machine is calculated by the upper limit value of the component failure rate in the top five so as to determine the lower limit rate of the reliability of the whole machine based on simple series system model is proposed.This method is convenient to evaluate the failure rate of components by accelerated test method，and also convenient to improve the efficiency and quality of reliability prediction work by using historical data.

household applicance；component；failure data；reliability prediction

TB 114.3

：A

：1672-5468（2017）01-0036-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.01.008

2016-06-06

黃遜青 （1962-），男，廣東廣州人，廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司高級(jí)工程師，從事家電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和技術(shù)管理工作。