周 霞 劉家有

（廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

可靠性是家用電器產(chǎn)品一項(xiàng)重要的質(zhì)量特性，是消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量最直接的感受，同時(shí)由于產(chǎn)品安全性受到安全相關(guān)功能、部件的影響，所以可靠性也是產(chǎn)品安全性管理的重要組成部分。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前中國(guó)家用電器生產(chǎn)行業(yè)已經(jīng)處于從家電制造大國(guó)向家電制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的歷史進(jìn)程，產(chǎn)品可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量水平的主要指標(biāo)，因此，可靠性日益成為家電生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)注重點(diǎn)。

我國(guó)民用產(chǎn)品的可靠性推廣工作起步于上世界八十年代，自2008年 全國(guó)家用電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)家用電器可靠性分技術(shù)委員會(huì)（TC46/SC9）成立之后，家電行業(yè)的可靠性工作進(jìn)入了新的發(fā)展階段，至今標(biāo)委會(huì)已經(jīng)編制、發(fā)布了一系列的可靠性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目前，家用電器可靠性技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)體系的已經(jīng)初步形成，為家電行業(yè)的可靠性提高提供了有力的技術(shù)支持。

本文在總結(jié)家電行業(yè)多年的可靠性工作實(shí)踐基礎(chǔ)上，歸納了家用電器的整機(jī)可靠性統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，針對(duì)家用電器的特點(diǎn)整理了較現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定更為簡(jiǎn)潔的檢驗(yàn)方案編制方法，以期相關(guān)工作實(shí)施更加便利。

1 家用電器可靠性

現(xiàn)有的可靠性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)多數(shù)來(lái)源于早期的軍用裝備標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，家用電器在可靠性管理方面與這些產(chǎn)品有一些明顯的差異：

1）可靠性指標(biāo)高，由于家用電器行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和質(zhì)量升級(jí)，產(chǎn)品可靠性水平已經(jīng)達(dá)到較高的水平，例如，一些品牌的房間空調(diào)器可以達(dá)到5年0.5 %的累計(jì)故障率，產(chǎn)品平均首次故障時(shí)間（MTTF）達(dá)到250萬(wàn)小時(shí)，與一般可靠性教材中案例給出的指標(biāo)差異甚大。

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

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

家用電器產(chǎn)品在可靠性管理的上述特點(diǎn)，使得不少現(xiàn)有的可靠性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容不適用，所以，本文對(duì)家電可靠性統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法提出以下約定：

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

2）整機(jī)產(chǎn)品壽命特征服從指數(shù)分布。

3）檢驗(yàn)方案采用拒收失效數(shù)為2的定時(shí)截尾方案，即只考慮試驗(yàn)運(yùn)行過程中無(wú)失效和只有1個(gè)失效數(shù)的情況，因?yàn)楫a(chǎn)品故障率很低，而且可以利用相關(guān)產(chǎn)品的歷史數(shù)據(jù)作為參考，至于定數(shù)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(biāo)，因?yàn)樵缙谑е饕侵圃旃に嚭凸?yīng)鏈問題造成的，由于目前家電行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量管理水平的提高，多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品在早期失效方面的問題基本都不明顯了，這類檢驗(yàn)已經(jīng)失去了意義。

2 可靠性統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法

2.1 設(shè)計(jì)要求

可靠性設(shè)計(jì)要求在以MTTF或MTBF指標(biāo)提出，比較抽象，即使是相同的MTTF或MTBF指標(biāo)，對(duì)于不同的產(chǎn)品，其含義差異可能很大，不易被一般的工程技術(shù)人員準(zhǔn)確理解，而消費(fèi)者就更難理解。如果以某一期限內(nèi)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(shù)人員中形成共識(shí)，消費(fèi)者也容易理解。兩種常用的可靠性設(shè)計(jì)要求分別為：

1）規(guī)定期限的故障率：首年故障率、保修期內(nèi)累計(jì)故障率等；

2）可靠壽命：首年可靠度、保修期內(nèi)可靠度等。

設(shè)計(jì)要求之間的定量關(guān)系可以進(jìn)行換算。產(chǎn)品的可靠度是隨運(yùn)行時(shí)間變化的，所以可靠度是運(yùn)行時(shí)間的函數(shù)，對(duì)于服從指數(shù)分布的產(chǎn)品，可靠度與運(yùn)行時(shí)間的定量關(guān)系可以表述為：

式中：

t—考核運(yùn)行期的工作周期數(shù)，周期；

Rt—在t運(yùn)行期的可靠度，%；

MTBF—平均無(wú)故障工作時(shí)間，周期。

同時(shí)，由于累計(jì)故障率與可靠度存在簡(jiǎn)單的互補(bǔ)關(guān)系，所以，在工程實(shí)踐中只要明確了累計(jì)故障率，就可以計(jì)算相應(yīng)的可靠度，如式（2）所示。

式中：

t—考核運(yùn)行期的工作周期數(shù)，周期；

Rt—在t運(yùn)行期的可靠度，%；

Ft—在t運(yùn)行期的故障率限值，%。

對(duì)于家用電器產(chǎn)品而言，由于其具有使用壽命長(zhǎng)和維修率低的特點(diǎn)，多數(shù)情況下，在使用過程中發(fā)生的失效是產(chǎn)品的首次失效，由此發(fā)生的維修多數(shù)情況下也是產(chǎn)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(gè)可靠性指標(biāo)實(shí)際上存在以下等價(jià)關(guān)系：MTBF=MTTFF=MTTF，這幾個(gè)指標(biāo)都可以用θ代表。

在可靠性評(píng)價(jià)過程中，評(píng)價(jià)的判定依據(jù)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，在可靠性文獻(xiàn)中，θ0有時(shí)就被直接成為設(shè)計(jì)值，不過在多數(shù)情況下，該指標(biāo)成為檢驗(yàn)上限或試驗(yàn)上限，一般定義為：若產(chǎn)品的MTBF真值不小于檢驗(yàn)上限，則產(chǎn)品被接收的概率至少為100（1-α）%。由于該指標(biāo)與可靠度和累計(jì)故障率的定量關(guān)系為：

式中：

θ0—試驗(yàn)上限（設(shè)計(jì)值），周期；

t—考核運(yùn)行期的工作周期數(shù)，周期；

Rt—在t運(yùn)行期的可靠度，%；

Ft—在t運(yùn)行期的故障率限值，%。

2.2 試驗(yàn)方案

可靠性試驗(yàn)方案主要包括以下內(nèi)容：

1）試驗(yàn)運(yùn)行條件，如運(yùn)行狀態(tài)以及間隔條件，稍為復(fù)雜的還包括每個(gè)試驗(yàn)周期的運(yùn)行剖面，不過對(duì)于統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)項(xiàng)目而言，試驗(yàn)運(yùn)行條件不是重點(diǎn)問題，通常參照同類產(chǎn)品的做法比較容易確定。

2）試驗(yàn)類型，包括截尾試驗(yàn)和序貫試驗(yàn)，本文僅考慮定時(shí)截尾試驗(yàn)，由于家用電器的失效率較低，在長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)中出現(xiàn)失效的情況不多，采用定數(shù)截尾試驗(yàn)和序貫試驗(yàn)方式都不適宜。

3）累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間和接收條件，是可靠性統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方案的重點(diǎn)，因?yàn)樯婕皺z驗(yàn)結(jié)果的不確定性控制，包括過高估計(jì)或過低估計(jì)可靠性水平兩種類型的誤判。

2.2.1 接收條件

接收條件實(shí)際上包含兩個(gè)指標(biāo)，可接受失效數(shù)和可接受試驗(yàn)下限指標(biāo)。在可靠性技術(shù)文獻(xiàn)中，會(huì)給出許多與可接受失效數(shù)的試驗(yàn)方案，即使相同的失效數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)水平，可能也有多個(gè)對(duì)應(yīng)的方案。本文針對(duì)家用電器的特點(diǎn)對(duì)可接受失效數(shù)作統(tǒng)一的約定，就是無(wú)失效數(shù)或1個(gè)失效數(shù)。至于可接受下限指標(biāo)的計(jì)算，在可靠性技術(shù)文獻(xiàn)中可以獲得多種用于確定此參數(shù)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(shù)。

在設(shè)計(jì)要求和試驗(yàn)方法確定的情況下，試驗(yàn)方案主要由預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)水平?jīng)Q定，定時(shí)截尾試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)與置信度（1－α）和接收風(fēng)險(xiǎn)水平（β）可以由式（5）、式（6）計(jì)算，可以可以獲得表1的數(shù)據(jù)：

表1 可靠性試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)指標(biāo)

式中：

α—生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)水平；

β—使用方風(fēng)險(xiǎn)水平；

1－α—置信度；

T—累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間；

θ1—在風(fēng)險(xiǎn)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(shù)；

r—拒收故障數(shù)。

為了便于計(jì)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(yàn)上限（設(shè)計(jì)值），周期；

θ1—試驗(yàn)下限，周期。

利用表1的數(shù)據(jù)，可以方便計(jì)算出在不同的風(fēng)險(xiǎn)水平下鑒別比的數(shù)值：

利用鑒別比和式（3）、式（4）式（7）可以獲得試驗(yàn)下限值：

式中：

D—鑒別比；

θ0—試驗(yàn)上限（設(shè)計(jì)值），周期；

θ1—試驗(yàn)下限，周期；

t—考核運(yùn)行期的工作周期數(shù)，周期；

Rt—在t運(yùn)行期的可靠度，%；

Ft—在t運(yùn)行期的故障率限值，%。

2.2.2 試驗(yàn)參數(shù)

對(duì)于家用電器的可靠性試驗(yàn)通常采用多臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行相同運(yùn)行時(shí)間的試驗(yàn)方式，于是，試驗(yàn)過程的計(jì)劃累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間就是樣機(jī)數(shù)量和試驗(yàn)時(shí)間的乘積，計(jì)劃累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間可用式（12）、式（13）、式（14）、式（15）計(jì)算：

式中：

T*—計(jì)劃累計(jì)試驗(yàn)周期數(shù)，周期；

n—樣品數(shù)，n≥3，臺(tái)；

t*—單臺(tái)試驗(yàn)周期數(shù)，0.05tL≤t*≤0.8tL，周期；

t—考核運(yùn)行期的工作周期數(shù)，周期；

Rt—在t運(yùn)行期的可靠度，%；

Ft—在t運(yùn)行期的故障率限值，%；

C—補(bǔ)常系數(shù)；

C′—系數(shù)，C′＝1.02～1.10；

a—接收故障數(shù)。

由于式（5）和式（6）計(jì)算的結(jié)果(T/θ0)是在零故障數(shù)條件下導(dǎo)出，雖然可以有效控制試驗(yàn)費(fèi)用，但是，在實(shí)際的無(wú)替換試驗(yàn)運(yùn)行中如果樣品數(shù)較少，即使出現(xiàn)允許接收的故障數(shù)，也可能造成試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)跨越合格判定的臨界值，所以，利用系數(shù)C將累計(jì)試驗(yàn)周期數(shù)稍作放大，就可以避免這類情況出現(xiàn)。系數(shù)C′可用于微調(diào)計(jì)算結(jié)果以圓整計(jì)算輸出的數(shù)值，在這類可靠性試驗(yàn)中，對(duì)試驗(yàn)時(shí)間稍作增加，只要不改變接收故障數(shù)，是不會(huì)對(duì)試驗(yàn)的合理性產(chǎn)生不良影響的。

2.3 試驗(yàn)判定

可靠性統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的判定方法相同，按式（17）計(jì)算后判定：

式中：

θ1*—實(shí)測(cè)試驗(yàn)下限值，周期；

n—樣品數(shù)，臺(tái)；

ti*—第i臺(tái)樣品運(yùn)行周期數(shù)，周期；

r—試驗(yàn)過程的失效數(shù)；

1-α—試驗(yàn)過程的置信度；

(2r+2)—在置信度1-α下出現(xiàn)r個(gè)失效的卡方數(shù)。

合格判定條件為：≥θ1，r≤1。

3 檢驗(yàn)案例

某家電生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)多種電熱水器產(chǎn)品，對(duì)產(chǎn)品可靠性要求規(guī)定的指標(biāo)為首年故障率，在風(fēng)險(xiǎn)水平規(guī)定為α=β=10 %的條件下，根據(jù)表4給出的各種電熱水器的年工作時(shí)數(shù)和首年故障率限值可以算出試驗(yàn)下限θ1。計(jì)算過程如下：

1）根據(jù)規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)水平，將表1的對(duì)應(yīng)數(shù)值代入式（7）可算得鑒別比：

2）將鑒別比數(shù)值代入式（11），可得：

式中：

θ1—平均首次失效時(shí)間試驗(yàn)下限，小時(shí)；

t—考核運(yùn)行期的工作時(shí)數(shù)，小時(shí)；

Ft—在t運(yùn)行期的故障率限值，%。

3）將表2中各類產(chǎn)品的年工作時(shí)數(shù)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(shí)間θ1。

表2 電熱水器的可靠性要求

試驗(yàn)方案需要確定累計(jì)試驗(yàn)時(shí)數(shù)、樣品數(shù)和單臺(tái)試驗(yàn)時(shí)數(shù)，按照風(fēng)險(xiǎn)水平α=10 %的條件將表1的相應(yīng)數(shù)值代入式（11）得表2中的θ1，將各類產(chǎn)品的年工作時(shí)數(shù)和首年故障率限值代入，a=1代入式（17），就可以得到各類產(chǎn)品的累計(jì)試驗(yàn)時(shí)數(shù)、樣品數(shù)和單臺(tái)試驗(yàn)時(shí)數(shù)，如表3所示。此外，在確定單臺(tái)試驗(yàn)周期數(shù)時(shí)，需要考慮避免超過預(yù)期使用壽命的0.8倍，這里假設(shè)電熱水器的使用壽命為10年。

表3 電熱水器的定時(shí)截尾試驗(yàn)方案

式中：

T*—計(jì)劃累計(jì)試驗(yàn)時(shí)數(shù)，小時(shí)；

n—樣品數(shù)，臺(tái)；

t*—單臺(tái)試驗(yàn)時(shí)數(shù)，小時(shí)；

a—接收故障數(shù)；

t—考核運(yùn)行期的工作時(shí)數(shù)，小時(shí)；

Ft—在t運(yùn)行期的故障率限值，%。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)有可靠性工程技術(shù)文獻(xiàn)對(duì)家用電器的可靠性管理特點(diǎn)關(guān)注不多，以致在利用這些文獻(xiàn)對(duì)家用電器的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)過程中，增加了不少工作量，尤其是對(duì)于在可靠性領(lǐng)域初學(xué)的技術(shù)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(diǎn)，針對(duì)其高可靠性、長(zhǎng)壽命、無(wú)維護(hù)、大批量生產(chǎn)等特征，可以形成較為簡(jiǎn)潔的評(píng)價(jià)方法。本文依據(jù)GJB 899A-2009《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》的要求，歸納了在壽命分布假設(shè)服從指數(shù)分布的基礎(chǔ)上，采用定時(shí)截尾方案，同時(shí)規(guī)定接收失效數(shù)為1，置信度為90 %的可靠性試驗(yàn)方案，顯著改善了家用電器可靠性評(píng)價(jià)過程的可操作性。