黃遜青

（廣東萬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計方法

黃遜青

（廣東萬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，提出了一種利用簡單的串聯(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計算整機的故障率上限值，從而確定整機的可靠度下限值的家用電器的可靠性預計方法。該方法便于利用加速試驗方法對零部件的故障率進行評價，同時也便于利用歷史數(shù)據(jù)來改善可靠性預計工作的效率和質(zhì)量。

家用電器；零部件；故障數(shù)據(jù)；可靠性預計

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，包括故障類型和故障率的可控程度[1]?？煽啃宰鳛橐豁椫匾馁|(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)計和開發(fā)階段的可靠性控制措施對產(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)計和開發(fā)人員對可靠性問題的關(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)計和開發(fā)階段對偶然故障期間的故障率進行定量的預計，對產(chǎn)品的質(zhì)量控制具有重要的意義[3]。

長期以來，時間和費用一直是制約產(chǎn)品整機可靠性評價的重要因素。按常規(guī)的可靠性評價方法對產(chǎn)品的整機可靠性進行評價時，不僅需要較大數(shù)量的樣品，而且需要經(jīng)歷較長的運行測試時間才能獲得較為滿意的評價結(jié)果[4]。由于市場競爭等因素的影響，家用電器產(chǎn)品通常更新?lián)Q代頻繁，設(shè)計和開發(fā)周期較短，同時受設(shè)計和開發(fā)費用的約束，因而采用常規(guī)的可靠性評價方法難以對其可靠性進行評價。此外，多數(shù)可靠性預計方法都需要利用較為復雜的數(shù)理統(tǒng)計工具，推廣工作需要較強的數(shù)學能力。

為了解決以上問題，本文以在家用或類似場所使用的以力或燃氣作為驅(qū)動能源的電氣器具和燃氣器具等產(chǎn)品為例，討論了在設(shè)計和開發(fā)階段對家用電器產(chǎn)品整機可靠性水平進行評估的方法，利用主要零部件的故障率數(shù)據(jù)計算整機的可靠性指標，以評估產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)輸出滿足設(shè)計和開發(fā)輸入的程度，同時數(shù)學工具方面主要立足于初等數(shù)學知識的基礎(chǔ)，從而降低了數(shù)據(jù)處理的難度。

1 故障率計算

對于由單元A和單元B構(gòu)成的簡單串聯(lián)系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行多次測試，而且次數(shù)足夠多時，系統(tǒng)的故障數(shù)為：

當A和B的故障均為獨立故障時，即

rA、 rB分別是區(qū)間 （rAL， rAU） 和 （rBL， rBU） 內(nèi)的數(shù)值，在工程實踐中，對于相互獨立的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)不會同時出現(xiàn)，因此，就存在以下關(guān)系：

對于類似的問題，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)不會同時出現(xiàn)，于是令

從而得到：

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

2 可靠性預計方法

多數(shù)的家用電器產(chǎn)品的整機可靠性分析可以采用串聯(lián)模型，即把整機視為由若干個零部件串聯(lián)組成的系統(tǒng)，其主要目標是定量地確定系統(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故障率上限存在互補關(guān)系，即：

RL=1-FU（8）

對于具有足夠試驗次數(shù)N的系統(tǒng)，累計故障率上限為：

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)來預計。整機的故障通常是由一個或多個部件的故障造成的，導致這些部件出現(xiàn)故障的原因是不同的，通過失效模式分析識別失效模式，利用零部件的專項試驗中針對特定故障類型的可靠性評價方法來識別整機的故障模式，往往比利用整機進行測試更為準確和高效。并且，利用式（12）計算系統(tǒng)的故障率上限值時，可以直接地利用現(xiàn)有的零部件可靠性試驗方案的結(jié)果來確定相應(yīng)零部件的可靠度下限值或故障率上限值。

加速試驗方法目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于可靠性評價的多個領(lǐng)域中，其可以顯著地縮短可靠性試驗的時間、節(jié)省試驗費用。但是，加速試驗是針對特定的失效機理實施的，加速方法通常只能針對一種失效機理實施，同時針對兩種或多種失效機理的加速方法較為少見而且適用的范圍有限[5]。由于整機的失效模式較多，在整機試驗過程中通常無法同時實現(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)進行整機可靠性預計的方法卻將同時實現(xiàn)多種失效模式的加速條件變成了可能。

當然，在多數(shù)部件的加速試驗過程中，通常都是無法同時實現(xiàn)全部失效模式的加速的，即使在僅同時施加兩種加速應(yīng)力的條件下，也難以實現(xiàn)兩種應(yīng)力的同步加速，有時不同的失效模式的加速效應(yīng)甚至可能會出現(xiàn)相互影響的現(xiàn)象，因此，即使是一個部件也可能要分別進行多個加速試驗項目才能較準確地反映該部件的可靠性特性。所以，在工程實踐中，通常以單一模式失效加速試驗方法作為基本的試驗方法，同時，也采納成熟的多模式加速試驗方法來對部件的失效模式進行分析。

對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)所導致的故障率上限。

3 工程應(yīng)用

從可靠性管理的角度來看，通常家用電器產(chǎn)品具有以下特點。

a）使用壽命長，一般為10年左右。

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

c）功能和系統(tǒng)組成較為簡單，相對于汽車、工業(yè)設(shè)備等產(chǎn)品而言，家用電器整機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。在工程實踐中，可以總結(jié)家用電器產(chǎn)品整機在偶發(fā)故障階段的一些規(guī)律，具體的內(nèi)容如下所述。

a）整機的故障是由一個或多個部件的故障造成的，導致這些部件發(fā)生故障的原因是不同的，要想全面地評價整機的可靠性，通常需要采用多個試驗項目或試驗條件進行。

b）家用電器產(chǎn)品零部件的數(shù)量相對較少，多數(shù)故障集中出現(xiàn)在少數(shù)的零部件上，一般來說，故障數(shù)排序在前5位的零部件包攬了約80%的整機故障數(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立故障來進行處理。

d）故障模式的危害性可以通過失效模式分析來進行識別，較高風險的故障模式的危害性則可以通過可靠性評價進行測試。實際上，對具體的某一種零部件的故障數(shù)進行分析時發(fā)現(xiàn)，排序在前2位的失效模式通常導致了80%的故障，所以，一般情況下，雖然導致零部件出現(xiàn)故障的失效模式往往有幾個，但對零部件的故障率考核只需要針對影響最大的前2位失效模式進行即可。

e）直接導致人員傷亡和重大財產(chǎn)損失的故障類型，由于其故障率很低，因此不允許在評價過程中出現(xiàn)，所以在故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計范圍中需排除此類故障，若在試驗過程中出現(xiàn)1項此類故障，即判產(chǎn)品不合格。

由于數(shù)據(jù)處理時只考慮了數(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，本文將整機故障率上限的20%作為余下故障數(shù)的上限計入了整機的故障率上限中。于是，整機的故障率上限為：

式 （14）中：FSU——整機故障率上限；

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)的整機可靠度下限RSL，可用下式計算：

對于確定的設(shè)計和開發(fā)輸入的整機可靠度下限RDL，可靠性預計的驗證合格判定條件為：

RSL≥RDL

利用零部件故障數(shù)據(jù)進行整機可靠性預計的方法，是以故障模式及其影響分析的合理性為前提而進行的，因此，在開展一系列的零部件可靠性試驗的同時，需要利用整機試驗數(shù)據(jù)來定性地驗證故障模式分析的準確性，整機試驗數(shù)據(jù)是判定零部件試驗數(shù)據(jù)可接受程度的依據(jù)。例如：由于整機累計試驗時間為整機壽命的對應(yīng)時間，因此在試驗過程中若無故障出現(xiàn)，則判定零部件試驗數(shù)據(jù)可以接受；若在整機試驗期間出現(xiàn)故障，允許將故障修復后繼續(xù)試驗，在第一次試驗不能通過需要進行第二次試驗時，累計試驗時間需重新計算，并且累計試驗時間需增加1倍，在第二次試驗過程中若無故障出現(xiàn)，則判定零部件試驗數(shù)據(jù)可以接受，若在第二次整機試驗期間再次出現(xiàn)故障，則判定該產(chǎn)品不合格。在整機試驗判定產(chǎn)品不合格的情況下，不論零部件試驗結(jié)果如何，均判定該產(chǎn)品可靠性試驗項目不合格。

顯然，如果產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)發(fā)生重大的變更，則可能導致故障率的構(gòu)成發(fā)生較大的變化，包括零部件的失效模式對零部件的影響程度發(fā)生變化、預先的可靠性預計模型可能相應(yīng)地發(fā)生明顯的變化等。這樣一來，驗證措施仍然不足以對故障模式及其影響分析的合理性進行驗證，因而可能需要開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計方法有利于顯著地降試驗低費用和縮短試驗時間，但是，就家用電器而言，由于經(jīng)濟方面的原因，完全利用可靠性預計過程中對零部件測試獲得的數(shù)據(jù)進行可靠性預計，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)來改善零部件測試數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

歷史數(shù)據(jù)包括同類產(chǎn)品在可靠性試驗過程中積累的數(shù)據(jù)和同類整機產(chǎn)品在使用過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方案時，按有無足夠的歷史數(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，無歷史數(shù)據(jù)的全新產(chǎn)品的置信度按0.70考核。

對于歷史數(shù)據(jù)的識別和利用，可以考慮以下幾個因素。

a）不同型號、不同規(guī)格的整機若采用相同的部件，則該部件的試驗數(shù)據(jù)可以直接用于新型號、新規(guī)格的整機的可靠性評價，除非經(jīng)過風險識別，確認該部件在新型號、新規(guī)格的整機中應(yīng)用時，其應(yīng)力水平、失效率等技術(shù)狀態(tài)會發(fā)生顯著的變化。

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

c）同型號、同規(guī)格的部件若在其他項目 （例如：安全性或性能測試等）中進行過同類測試，則其結(jié)果經(jīng)過評估，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)過評估符合要求的也可以直接引用。

5 結(jié)束語

家用電器產(chǎn)品的整機可靠度可以利用零部件的故障數(shù)據(jù)來進行預計，利用簡單的串聯(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，可以計算整機的故障率上限值，從而確定整機的可靠度下限值。該方法便于利用加速試驗方法對零部件的故障率進行評價，同時也便于利用歷史數(shù)據(jù)來改善可靠性預計工作的效率和質(zhì)量。在具備系統(tǒng)構(gòu)成相對簡單、零部件數(shù)量較少和故障率較低等特征的家用電器產(chǎn)品的可靠性預計中采用本文提出的方法，可以顯著地減少可靠性預計的費用、縮短試驗時間，基本上利用初等數(shù)學工具就可以解決可靠性參數(shù)的定量計算問題，降低了計算難度，具有一定的推廣價值。

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

[2]張增照，潘勇.電子產(chǎn)品可靠性預計 [M].北京：科學出版社，2007.

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

[4]張增照.全面而正確地認識可靠性預計 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2001，19（6）：50-52.

[5]彭道勇，張國彬，陳艷妮，等.可靠性預計和分配研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，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，廣東萬和新電氣股份有限公司高級工程師，從事家電產(chǎn)品開發(fā)和技術(shù)管理工作。