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工业和信息化部

“医疗装备产业技术基础公共服务平台”

中国医学装备协会

零部件分会

 

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所测量控制设备及系统实验室

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MTBF可靠性指标验证

发布时间:2023-11-13

MTBF英文全称是“mean time between failures”,中文翻译为平均故障间隔时间,是产品的一个可靠性测试指标。MTBF衡量硬件产品或者组件的可靠性的度量度量指标。对于大多数产品,尤其是电子产品平均故障间隔时间以千甚至数万小时表示,MTBF越长表示可靠性越高,保持正确工作能力越强,单位为“小时”。通常也指相邻两次故障之间的平均工作时间,也称为平均故障间隔。它仅适用于可维修产品(不可维修产品我们用MTTF定义)。当产品的寿命服从指数分布时,失效率的倒数表示两个失效之间的时间间隔。λ=1/MTBF。
如:某产品SSD MTBF值标称为150万小时,保修5年;150万小时约为171年,并不是说该产品SSD每块盘均能工作171年不出故障。由MTBF=1/λ可知λ=1/MTBF=1/171年,即该固态硬盘的平均年故障率约为0.6%,一年内,平均1000块固态硬盘可能有6块会出故障。
因此:MTBF是指可修复产品使用可靠性的数值要求,主要的计算方法是在规定的条件下和规定的时间内,产品的寿命单位总数和故障总次数之比。是产品设计师在产品设计过程中参考的重要依据,目的是计算平均故障间隔来找出产品设计中的薄弱地方。
可靠性试验样品台数的选择:
对于可靠性鉴定试验-少的样品为2台,对于可靠性验收试验,每批次至少2台,最多不超过20台。
MTBF测试的目的:
1、对于高频度故障零件的重点对策及延长零件寿命的技术改良依据。
2、零件寿命周期的推定及最合适修理计划的研究。
3、有关点检对象、项目的先定与点检基准的设定、改良。
4、设定备品、备件基准。机械、电气零件的各项常备项目及基本库存数量应由MTBF的记录分析来判断,使其库存达到最经济的状况。
可靠性试验的特点和分类
电子设备的可靠性指标是一些综合性、统计性的指标,与质量性能指标完全不同,不可能用仪表、仪器或其它手段得到结果,而是要通过试验,从试验的过程中取得必要的数据,然后通过数据分析,处理才能得到可靠性指标的统计量。可靠性指标的实现主要依靠现场试验或模拟现场条件试验,一般说电子设备的可靠性试验可以分为研制阶段的试验、可靠性验收试验、可靠性增长试验、元器件老炼试验、极限试验、负荷及过负荷试验、过载能力试验等,这类试验的目的是了解设计是否满足了可靠性指标的要求,找出或排除设计与制造过程中的缺限和不足,证明设计可靠性能否实现。
对于不同的电子设备,所要达到的目的不同,可以进行的可靠性试验形式也就各异。
因此可靠性试验对于电子设备来说是一个系统工程,温度、振动、冲击及高温寿命、加速寿命等试验在实际应用中较为广泛。
 MTBF测试原理
1.加速寿命试验 (AcceleratedLife Testing)
1.1 执行寿命试验的目的在于评估产品在既定环境下之使用寿命。
1.2 常規试验耗時较久,且需投入大量的金钱,而产品可靠度信息又不能及時获得並加以改善。
1.3 可在实验室里里以加速寿命试验的方法,在可接受的试验時間里評估产品的使用寿命。
1.4 是在物理与時間上,加速产品的劣化原因,以较短的時間试验來推定产品在正常使用状态的寿命或失效率。但基本条件是不能破坏原有设计特性。
1.5 一般情況下, 加速寿命试验考虑的三个要素是环境应力,试验样本数和试验時間。
1.6 一般电子和通讯业的零件可靠度模式及加速模式几乎都可以从美军规范或相关文献查得,也可自行试验分析,获得其数学经验公式。
1.7 如果温度是产品唯一的加速因素,則可采用阿氏模型(Arrhenius Model),此模式最为常用。
1.8 引进温度以外的应力,如湿度、电压、机械应力等,則为艾林模型(Eyring Model),此種模式适用的产品包括电燈、液晶顯示元件、电容器等。
1.9反乘冪法則(Inverse PowerLaw)适用于金属和非金属材料,如轴承和电子装备等。
1.10 復合模式(CombinationModel)适用于同時考慮温度與电压作为环境应力的电子材料(如电容如下式为电解电容器寿命计算公式)
1.11 一般情況下,主動电子零件完全适用阿氏模型,而电子和通讯类成品也可适用阿氏模型,原因是成品类的失效模式是由大部分主動式电子零件所構成。因此,阿氏模型廣泛应用于电子、通讯行业。
2. 阿氏模型的加速因子
2.1 阿氏模型起源于瑞典物理化學家SvandteArrhenius 1887年提出的阿氏反应方程式。
     R:反应速度 speed of reaction
     A: 温度常数 a unknown non-thermal constant 
     EA: 活化能 activation energy (eV)
     K: Boltzmann常数,等于8.623*10-5 eV/0K.
     T: 为絕對温度(Kelvin)
  2.2  加速因子
  加速因子即为产品在使用条件下的寿命(Luse)和高测试应力条件下(Laccelerated)的寿命的比值。
  如果产品寿命适用于阿氏模型,則其加速因子为:
Ts: 室温+常数273
Tu: 高温+常数273
K:  Boltzmann常数,等于8.623*10-5eV/0K.
2.3 加速因子中活化能Ea的计算
2.3.1 一般电子产品在早夭期失效之Ea为0.2~0.6Ev,正常有用期失效之Ea趋近于1.0Ev;衰老期失效之Ea大于1.0Ev。
2.3.2 根据 HP 可靠度工程部(CRE)的测试规范,Ea是产品所有零件Ea的平均值。如果新产品的Ea無法计算,可以將Ea設为0.67Ev,做常数处理。
2.3.3 但是,Dell和Motorola产品的Ea因客戶有特殊要求須設为0.6Ev。
2.3.4 如按设备所有零件Ea的平均值來计算,則可按以以例证參考进行。
注:對各类电子零部件其Ev值可按上述參考值进行计算

北京MTBF测试机构,可靠性试验机构,出具第三方检测报告,CNAS检测报告,CMA检测报告。咨询仪综所实验室彭光琼136-9109-3503.