家用電器可靠性統計試驗方法探討

周 霞 劉家有

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

可靠性是家用電器產品一項重要的質量特性，是消費者對產品質量最直接的感受，同時由于產品安全性受到安全相關功能、部件的影響，所以可靠性也是產品安全性管理的重要組成部分。經過多年的發展，目前中國家用電器生產行業已經處于從家電制造大國向家電制造強國轉變的歷史進程，產品可靠性是產品質量水平的主要指標，因此，可靠性日益成為家電生產企業的關注重點。

我國民用產品的可靠性推廣工作起步于上世界八十年代，自2008年 全國家用電器標準化技術委員會家用電器可靠性分技術委員會（TC46/SC9）成立之后，家電行業的可靠性工作進入了新的發展階段，至今標委會已經編制、發布了一系列的可靠性技術標準，目前，家用電器可靠性技術的標準體系的已經初步形成，為家電行業的可靠性提高提供了有力的技術支持。

本文在總結家電行業多年的可靠性工作實踐基礎上，歸納了家用電器的整機可靠性統計檢驗方法，針對家用電器的特點整理了較現行標準規定更為簡潔的檢驗方案編制方法，以期相關工作實施更加便利。

1 家用電器可靠性

現有的可靠性技術標準多數來源于早期的軍用裝備標準和工業產品標準，家用電器在可靠性管理方面與這些產品有一些明顯的差異：

1）可靠性指標高，由于家用電器行業的技術進步和質量升級，產品可靠性水平已經達到較高的水平，例如，一些品牌的房間空調器可以達到5年0.5 %的累計故障率，產品平均首次故障時間（MTTF）達到250萬小時，與一般可靠性教材中案例給出的指標差異甚大。

2）維護工作量小，多數產品完成安裝、投入使用后，多年都不需要維修，產品的固有可靠性是產品的主要可靠性特性。

3）產品繼承性明顯，家用電器產品一般都是大批量生產，而且持續多年，而新產品與原有產品之間在結構、功能、零部件之間具備較高的相似性、通用性。

家用電器產品在可靠性管理的上述特點，使得不少現有的可靠性技術標準的內容不適用，所以，本文對家電可靠性統計檢驗方法提出以下約定：

1）用平均首次故障時間（MTTF）考核產品可靠性，不再使用平均無故障工作時間（MTBF）指標，盡管家用電器基本都是可維修產品，但是由于維修量太小，僅考核MTTF足以反映產品的可靠性水平。

2）整機產品壽命特征服從指數分布。

3）檢驗方案采用拒收失效數為2的定時截尾方案，即只考慮試驗運行過程中無失效和只有1個失效數的情況，因為產品故障率很低，而且可以利用相關產品的歷史數據作為參考，至于定數截尾方案和序貫方案就不予考慮。

4）不考核早期失效的指標，因為早期失效主要是制造工藝和供應鏈問題造成的，由于目前家電行業產品質量管理水平的提高，多數生產企業的產品在早期失效方面的問題基本都不明顯了，這類檢驗已經失去了意義。

2 可靠性統計試驗方法

2.1 設計要求

可靠性設計要求在以MTTF或MTBF指標提出，比較抽象，即使是相同的MTTF或MTBF指標，對于不同的產品，其含義差異可能很大，不易被一般的工程技術人員準確理解，而消費者就更難理解。如果以某一期限內的可接受故障率或可靠壽命要求提出，比較容易在工程技術人員中形成共識，消費者也容易理解。兩種常用的可靠性設計要求分別為：

1）規定期限的故障率：首年故障率、保修期內累計故障率等；

2）可靠壽命：首年可靠度、保修期內可靠度等。

設計要求之間的定量關系可以進行換算。產品的可靠度是隨運行時間變化的，所以可靠度是運行時間的函數，對于服從指數分布的產品，可靠度與運行時間的定量關系可以表述為：

式中：

t—考核運行期的工作周期數，周期；

Rt—在t運行期的可靠度，%；

MTBF—平均無故障工作時間，周期。

同時，由于累計故障率與可靠度存在簡單的互補關系，所以，在工程實踐中只要明確了累計故障率，就可以計算相應的可靠度，如式（2）所示。

式中：

t—考核運行期的工作周期數，周期；

Rt—在t運行期的可靠度，%；

Ft—在t運行期的故障率限值，%。

對于家用電器產品而言，由于其具有使用壽命長和維修率低的特點，多數情況下，在使用過程中發生的失效是產品的首次失效，由此發生的維修多數情況下也是產品使用過程中的唯一的一次維修，在這種特殊的條件下，幾個可靠性指標實際上存在以下等價關系：MTBF=MTTFF=MTTF，這幾個指標都可以用θ代表。

在可靠性評價過程中，評價的判定依據是產品設計要求，在可靠性文獻中，θ0有時就被直接成為設計值，不過在多數情況下，該指標成為檢驗上限或試驗上限，一般定義為：若產品的MTBF真值不小于檢驗上限，則產品被接收的概率至少為100（1-α）%。由于該指標與可靠度和累計故障率的定量關系為：

式中：

θ0—試驗上限（設計值），周期；

t—考核運行期的工作周期數，周期；

Rt—在t運行期的可靠度，%；

Ft—在t運行期的故障率限值，%。

2.2 試驗方案

可靠性試驗方案主要包括以下內容：

1）試驗運行條件，如運行狀態以及間隔條件，稍為復雜的還包括每個試驗周期的運行剖面，不過對于統計檢驗項目而言，試驗運行條件不是重點問題，通常參照同類產品的做法比較容易確定。

2）試驗類型，包括截尾試驗和序貫試驗，本文僅考慮定時截尾試驗，由于家用電器的失效率較低，在長時間的試驗中出現失效的情況不多，采用定數截尾試驗和序貫試驗方式都不適宜。

3）累計試驗時間和接收條件，是可靠性統計檢驗方案的重點，因為涉及檢驗結果的不確定性控制，包括過高估計或過低估計可靠性水平兩種類型的誤判。

2.2.1 接收條件

接收條件實際上包含兩個指標，可接受失效數和可接受試驗下限指標。在可靠性技術文獻中，會給出許多與可接受失效數的試驗方案，即使相同的失效數和風險水平，可能也有多個對應的方案。本文針對家用電器的特點對可接受失效數作統一的約定，就是無失效數或1個失效數。至于可接受下限指標的計算，在可靠性技術文獻中可以獲得多種用于確定此參數的方法，包括查表、查曲線圖等。本文給出的方法是利用公式直接算出唯一的參數。

在設計要求和試驗方法確定的情況下，試驗方案主要由預期的風險水平決定，定時截尾試驗的試驗參數與置信度（1－α）和接收風險水平（β）可以由式（5）、式（6）計算，可以可以獲得表1的數據：

表1 可靠性試驗風險相關指標

式中：

α—生產方風險水平；

β—使用方風險水平；

1－α—置信度；

T—累計試驗時間；

θ1—在風險水平為β下MTTF或MTBF的下限值；

θ0—在置信水平為1－α下MTTF或MTBF的上限值；

a—接收故障數；

r—拒收故障數。

為了便于計算通常需要借助鑒別比，鑒別比定義為：

式中：

D—鑒別比；

θ0—試驗上限（設計值），周期；

θ1—試驗下限，周期。

利用表1的數據，可以方便計算出在不同的風險水平下鑒別比的數值：

利用鑒別比和式（3）、式（4）式（7）可以獲得試驗下限值：

式中：

D—鑒別比；

θ0—試驗上限（設計值），周期；

θ1—試驗下限，周期；

t—考核運行期的工作周期數，周期；

Rt—在t運行期的可靠度，%；

Ft—在t運行期的故障率限值，%。

2.2.2 試驗參數

對于家用電器的可靠性試驗通常采用多臺樣機進行相同運行時間的試驗方式，于是，試驗過程的計劃累計試驗時間就是樣機數量和試驗時間的乘積，計劃累計試驗時間可用式（12）、式（13）、式（14）、式（15）計算：

式中：

T*—計劃累計試驗周期數，周期；

n—樣品數，n≥3，臺；

t*—單臺試驗周期數，0.05tL≤t*≤0.8tL，周期；

t—考核運行期的工作周期數，周期；

Rt—在t運行期的可靠度，%；

Ft—在t運行期的故障率限值，%；

C—補常系數；

C′—系數，C′＝1.02～1.10；

a—接收故障數。

由于式（5）和式（6）計算的結果(T/θ0)是在零故障數條件下導出，雖然可以有效控制試驗費用，但是，在實際的無替換試驗運行中如果樣品數較少，即使出現允許接收的故障數，也可能造成試驗結果出現跨越合格判定的臨界值，所以，利用系數C將累計試驗周期數稍作放大，就可以避免這類情況出現。系數C′可用于微調計算結果以圓整計算輸出的數值，在這類可靠性試驗中，對試驗時間稍作增加，只要不改變接收故障數，是不會對試驗的合理性產生不良影響的。

2.3 試驗判定

可靠性統計試驗的判定方法相同，按式（17）計算后判定：

式中：

θ1*—實測試驗下限值，周期；

n—樣品數，臺；

ti*—第i臺樣品運行周期數，周期；

r—試驗過程的失效數；

1-α—試驗過程的置信度；

(2r+2)—在置信度1-α下出現r個失效的卡方數。

合格判定條件為：≥θ1，r≤1。

3 檢驗案例

某家電生產企業生產多種電熱水器產品，對產品可靠性要求規定的指標為首年故障率，在風險水平規定為α=β=10 %的條件下，根據表4給出的各種電熱水器的年工作時數和首年故障率限值可以算出試驗下限θ1。計算過程如下：

1）根據規定的風險水平，將表1的對應數值代入式（7）可算得鑒別比：

2）將鑒別比數值代入式（11），可得：

式中：

θ1—平均首次失效時間試驗下限，小時；

t—考核運行期的工作時數，小時；

Ft—在t運行期的故障率限值，%。

3）將表2中各類產品的年工作時數和首年故障率限值代入式（11），可得到表2中的平均首次失效時間θ1。

表2 電熱水器的可靠性要求

試驗方案需要確定累計試驗時數、樣品數和單臺試驗時數，按照風險水平α=10 %的條件將表1的相應數值代入式（11）得表2中的θ1，將各類產品的年工作時數和首年故障率限值代入，a=1代入式（17），就可以得到各類產品的累計試驗時數、樣品數和單臺試驗時數，如表3所示。此外，在確定單臺試驗周期數時，需要考慮避免超過預期使用壽命的0.8倍，這里假設電熱水器的使用壽命為10年。

表3 電熱水器的定時截尾試驗方案

式中：

T*—計劃累計試驗時數，小時；

n—樣品數，臺；

t*—單臺試驗時數，小時；

a—接收故障數；

t—考核運行期的工作時數，小時；

Ft—在t運行期的故障率限值，%。

4 結束語

現有可靠性工程技術文獻對家用電器的可靠性管理特點關注不多，以致在利用這些文獻對家用電器的可靠性進行評價過程中，增加了不少工作量，尤其是對于在可靠性領域初學的技術人員，面臨更多的問題。明確家用電器在可靠性管理方面的一些特點，針對其高可靠性、長壽命、無維護、大批量生產等特征，可以形成較為簡潔的評價方法。本文依據GJB 899A-2009《可靠性鑒定和驗收試驗》的要求，歸納了在壽命分布假設服從指數分布的基礎上，采用定時截尾方案，同時規定接收失效數為1，置信度為90 %的可靠性試驗方案，顯著改善了家用電器可靠性評價過程的可操作性。