CN104614195B - 一种纵向抽样型可靠性鉴定试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纵向抽样型可靠性鉴定试验方法，采用对产品的整个寿命周期的总使用次数N中抽取部分使用次数n作为试验样本的纵向抽样的方法，将现有技术的平均故障间隔时间MTBF的计时型指标改为平均故障间隔次数MNBF的计数型指标，从而有效解决了船用吊艇架及类似的大型船用机电产品的可靠性鉴定试验存在的可抽取样本少、试验成本高、无法进行连续性试验等技术问题，成功实现了船用吊艇架及类似产品的可靠性鉴定试验，试验周期短、综合成本低，试验结果可信度高。

Description

一种纵向抽样型可靠性鉴定试验方法

技术领域

本发明涉及一种可靠性鉴定试验方法，特别涉及一种纵向抽样型可靠性鉴定试验方法，属于可靠性鉴定技术领域。

背景技术

可靠性鉴定试验是为了鉴定产品与规定的可靠性要求是否一致，由订购方、第三方用有代表性的产品在规定条件下所作的试验，是产品批准定型、量化生产的重要前提和依据。但是，现有技术的可靠性鉴定试验方法用于一些特殊情形的产品试验(例如船用吊艇架)时，由于产品数量少、试验成本高等原因，试验方法而存在诸多困难和障碍，包括：一是受试产品数量很少(一般每种类型仅有几个或几台)，因而能用于试验的样本也很少，给可靠性试验的样本选择带来很大困难；二是受试产品的正常使用属于间歇性工作，如：船上2个吊艇架每天起吊约1－2次(折合每个吊艇架每天使用0.5－1次)，如果在实验室进行完整连续的可靠性鉴定试验，若规定其可靠性指标为MTBF＝2000h，且假设每次使用时间为0.5h左右，按照GJB899A-2009的试验要求，在试验中需对该吊艇架进行连续4000次以上的作业，这是任何吊艇架都无法承受的工作强度。

此外，采用传统的抽样方式进行的可靠性鉴定试验，还有一个易被忽视的前提条件，那就是产品在试验前，必须要进行可靠性预计，且其可靠性预计值θ_P必须大于(GJB899A-2009所规定的检验上限)。这样才能在即受试产品数量m大于1的情况下，每台单机的试验时间取为总试验时间的1/m，且能保证试验结果可信。如果没有的前提条件，采用传统抽样确定的m>1的试验方案，所得到的试验结果就不能保证其可信性。

基于上述原因，虽然这类特殊情形产品的可靠性等指标可能也迫切需要通过鉴定试验得到保障，但其使用特点决定了不能采用常规的可靠性指标和对应的可靠性鉴定试验方法。例如：船用吊艇架作为船上用以起卸救生艇或工作艇的专用设备，非常需要进行可靠性鉴定试验，但是由于现有技术的可靠性指标和可靠性鉴定试验方法存在的上述难以克服的缺陷，采用现有技术对于船用吊艇架的可靠性鉴定试验基本没有开展，少数勉强做过试验的船用吊艇架，其试验及验证结果的可信性也明显很低，存在较大的安全隐患。显然，针对诸如船用吊艇架这种样本少、使用频率低、每次使用时间短的大型船用机电产品，迫切需要一种可行的、有针对性的新型可靠性鉴定试验方法来解决上述问题。

发明内容

本发明针对现有技术的可靠性鉴定试验方法用于数量少、间断使用、每次使用时间短的产品的试验时，存在的可抽取的试验样本少、无法进行连续性试验等缺陷与不足，提供了一种新的可靠性指标和可靠性鉴定试验方法，采用从产品的整个寿命周期的使用次数中抽取部分使用次数作为试验样本的纵向抽样方法，并将现有技术的平均故障间隔时间的计时型指标改为平均故障间隔次数为依据的计数型指标，从而有效解决试验样本少、无法进行连续性试验的技术问题，特别适用于船用吊艇架以及类似产品的可靠性鉴定试验。

本发明为实现技术目的采用的技术方案是：一种纵向抽样型可靠性鉴定试验方法，包括以下步骤：

1)选择试验样本，选用单个受试产品，将所述受试产品的预期总使用次数作为抽样整体，记为N，选取某一段时间内的使用次数作为一个抽样样本，记为n；

2)确定试验指标，所述试验指标为计数型指标MNBF(Mean Number of timesBetween Failure，平均故障间隔次数)，所述试验指标MNBF的合格规定值SV(SpecifiedValue)和最低可接受值MAV(Minimum Accepted Value)，通过产品的产品寿命周期、使用强度、单位时间内允许的故障次数进行确定，确定SV值和MAV值之后，按照公式p₀＝1/SV和p₁＝1/MAV，计算得到受试产品的合格水平p₀和不合格水平p₁，然后按照公式d＝p₁/p₀确定鉴别比d；

3)确定研制方风险α和使用方风险β；

4)确定试验方案，根据参数α、β、p₀、p₁和d，通过查表法或计算法确定具体试验方案(N，n，c)或(n，c)。

5)合格与否的评定，在n次试验中，当试验中不成功的次数b不超过允许的不成功次数c，则判断试验样本为合格；反之则判断试验样本为不合格。

一种纵向抽样型可靠性鉴定试验方法，所述可靠性鉴定试验方法适用于室内模拟试验或者现场试验。

与现有技术相比，本发明方案的优点主要体现在以下几个方面：

1、本发明的试验方法依据吊艇架的使用特点，将现有技术的从批量产品抽取部分产品的横向抽样方法，改为从单个产品的寿命周期内总的使用次数中抽取部分使用次数的纵向抽样方法，将产品的可靠性指标由计时型(MTBF)改为计数型(MNBF)，克服了现有技术对船用吊艇架及类似产品的可靠性鉴定试验存在的样本少、模拟应力成本高、无法进行连续试验的技术难题，成功实现了对船用吊艇架及类似产品的可靠性鉴定试验。经本发明的试验方法鉴定的船用吊艇架，在实船使用中的可靠性高，使用效果良好。

2、本发明提供的试验方法，采用纵向抽样方法和计数型指标，试验周期仅为产品寿命周期的一小部分，因而试验时间大大缩短，大大降低了以往对吊艇架进行繁琐试验时造成的人力、物力资源的浪费，试验综合成本大幅降低，经济效益显著。

3、本发明中提供的可靠性鉴定试验方法，不仅仅适用于船用吊艇架，并且适用于那些与船用吊艇架特点类似的产品的可靠性鉴定试验，本方法适用范围广泛，应用前景良好。

附图说明

图1是本发明的可靠性鉴定试验方法的纵向抽样方法的示意图。

图2是p₀、p₁与α、β风险率的关系曲线图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明基于船用吊艇架及类似产品具有的试验样本少、难以连续试验等特点，提出了一种将横向抽样方法改为纵向抽样方法、将计时型指标改为计数型指标的新的可靠性鉴定试验方法。

现有技术的可靠性鉴定试验采用横向抽样方法，即从总数为N的批量产品中随机抽取n个样本产品进行试验，这种横向抽样方法但对于船用吊艇架及类似产品并不适用，原因在于：船用吊艇架及类似大型产品的批量很小(同类型产品一般仅有数个或数台)，显然不具备足够数量的抽取样本。为此，本发明提出一种新的纵向抽样方法，即将产品总的使用次数N设为抽样总体，而将某一段时间内的使用次数n设为一个抽样样本进行试验，由于使用总次数的数量较大，因而可以抽取数量合理的样本，得到足够可信的产品可靠性结论。

现有技术的可靠性鉴定试验采用计时型指标(MTBF)，即以平均故障间隔时间作为可靠性评估指标，但船用吊艇架及类似产品的使用属于间歇性工作，如船用吊艇架的正常使用频率为每天1－2次，客观上无法进行完整连续的可靠性鉴定试验，因而无法适用计时型指标。为此，本发明提出采用计数型指标(MNBF)作为可靠性评估指标，即：在规定的条件下和规定的期间内，产品工作总次数与故障总次数之比，亦即产品可靠工作的平均次数。采用计数型指标(MNBF)作为可靠性评估指标，一方面更符合这类产品的使用实际情况，另一方面由于其频繁使用、次数较多，能够得到更多的“样本”进行可靠性鉴定试验，试验结果的可信度更高。

本发明的可靠性鉴定试验方法包括以下步骤1)－5)：

1)选择试验样本。参见图1，选用一个受试产品后，将受试产品的预期总使用次数作为抽样整体，记为N，选取某一段时间内的使用次数作为一个抽样样本，记为n。

2)确定试验参数。为了能够定量地控制抽样样本的可靠性水平并合理制定相应的抽检方案，需要确定相应的试验参数。待确定的试验参数包括：试验指标MNBF的合格规定值SV、最低可接受值MAV，受试产品的合格水平p₀、不合格水平p₁，以及鉴别比d。具体方法为：首先通述受试产品的产品寿命周期、使用强度、单位时间内允许的故障次数等参数，确定SV值和MAV值；再按照公式p₀＝1/SV和p₁＝1/MAV，计算得到受试产品的合格水平p₀和不合格水平p₁；再按照公式d＝p₁/p₀确定鉴别比d。

参见图2，p₀为合格水平，亦称可接收的水平AQL；p₁为不合格水平，又称不合格容许限LTPD；d是与抽样特性曲线的检验能力相关的数值，称为鉴别比。

3)确定研制方风险α和使用方风险β。研制方风险α和使用方风险β，通常在试验开始前，由研制单位与使用单位之间通过合同规定，一般应有α＝β。

4)制定试验方案，根据α、β、p₀、p₁、d等参数，通过计算或查表的形式选择适合具体产品的试验方案(N，n，c)或(n，c)。(N，n，c)表示在总使用次数N的抽样总体中，抽取使用次数n为抽样样本，允许的抽样样本不成功次数为c，简记为(n，c)。

5)合格与否的评定，在n次试验中，当样本中不成功的次数b不超过c，则判断试验样本为合格；当样本中不成功的次数b超过c，则判断试验样本为不合格。

本发明的可靠性鉴定试验方法，以及所对应的可靠性鉴定试验方案还包括综合环境条件及其施加方式、故障判据、分类及处理原则、试验中的检测项目及工作进度要求等内容，可按照现行GJB899A-2009等文件的有关规定确定。

本发明的可靠性鉴定试验方法适用于室内模拟试验或者现场试验。进行室内模拟试验时，一般应选择有资质的实验室(拥有6自由度试验台或者船舶运动模拟试验台)或经用户认可的机构进行模拟试验。当对船用吊艇架进行试验时，可以根据不同船型和不同吊艇架的类型，设置试验台静倾的角度，摇摆的幅值、周期，工作艇的配重，以及起艇、放艇的操作循环次数等。考虑到试验成本的问题，也可以选择在海岸边的码头、或者实船上进行现场试验。

本发明的可靠性鉴定试验方法，步骤4)采用计算法确定试验方案的具体步骤为：首先确定α与β，然后将选定的α与β代入下列(3)、(4)式，引用(1)或(2)式并使其同时成立而解得的n和c即为所需的试验参数：

$L\left(p\right)=\underset{d=0}{\overset{c}{\Σ}}P\{X=d\}=\underset{d=0}{\overset{c}{\Σ}}\left(\begin{array}{c}n\\ d\end{array}\right)p^d{q}^{n-d}---\left(1\right)$

$L\left(p\right)\≈\underset{d=0}{\overset{c}{\Σ}}\frac{{\left(np\right)}^d}{d!}{e}^{-np}---\left(2\right)$

1-L(p₀)＝α或L(p₀)＝1-α (3)

L(p₁)＝β (4)

其中：q为产品可靠使用的概率，q＝1-p。

上述计算法确定试验方案的原理如下：

对于“总体”N按计数抽样方案进行可靠性指标试验，被判为合格而接收的概率称为接收概率。对于确定的抽检方案来说，接收概率只与总体N的可靠程度有关，是产品在整个寿命期内不能可靠使用的百分率p的函数，记为L(p)。从另一角度考虑，接收概率又是确定的抽检方案的特性反映，故L(p)又称抽检特性函数。L(p)～p关系曲线称接收概率曲线或抽检特性曲线。

当总体为无限或总体虽然有限但满足N≥10n(n为样本个数)时，有

$L\left(p\right)=\underset{d=0}{\overset{c}{\Σ}}P\{X=d\}=\underset{d=0}{\overset{c}{\Σ}}\left(\begin{array}{c}n\\ d\end{array}\right)p^d{q}^{n-d}---\left(1\right)$

其中q＝1-p，为产品可靠使用的概率。

在样本数n较大(n≥15)和p≤0.1同时成立的条件下，抽检方案(n，c)的抽检特性函数也可以用泊松分布式近似表示，即有

$L\left(p\right)\≈\underset{d=0}{\overset{c}{\Σ}}\frac{{\left(np\right)}^d}{d!}{e}^{-np}---\left(2\right)$

抽样检验是从总体N中抽出一部分使用次数的样本(见图1所示)，根据n个样本试验的结果来判断总体N的可靠性是否符合要求，其本质是以事物的局部来代表事物的全局。因而不可避免地会带来判断上的两种错误：可能将合格的总体判断为不合格而拒收；也可能将不合格的总体判为合格而接收。前一种可称为为研制方风险率α(生产方风险率，下同)；后一种可称为使用方风险率β。

一个好的抽检方案应当具有如下特点：当总体可靠性较好(p较小)时，保证以高概率接收，即研制方风险率α很小；当总体可靠性坏到某个规定限度(p较大)时，保证以高概率拒收，即使用方风险率β很小。

为了能够定量地控制总体的可靠性水平并合理制定相应的抽检方案，可规定两个数p₀和p₁(0≤p₀<p₁<1)。当总体的可靠性指标p≤p₀时，认为总体的可靠性是好的，以高的概率接收该产品。p₀称合格水平，亦称可接收的水平(Acceptable quality level)，简称AQL，如图2所示。

对任何一个抽样检验方案而言，即使当p≤p₀时，总体仍然有被误判为不合格而拒收的可能。当p＝p₀时，该总体被拒收的概率为α，即

1-L(p₀)＝α或L(p₀)＝1-α (3)

因此，对于p≤p₀的总体而言，总有1-L(p)≤α。可见研制方风险率α是拒收合格总体的最大概率。

当总体的不合格率p≥p₁时，则认为总体的可靠性不好，应该以高概率拒收。p₁是不合格水平，又称不合格容许限(Lot tolerance percent defective)，简称LTPD。即使当p≥p₁时，总体仍然有被误判为合格接收的可能。当p＝p₁时，总体被接收的概率为β，即

L(p₁)＝β (4)

对于p≥p₁的总体而言，总有L(p)≤β。可见，使用方风险率β是接收不合格总体的最大概率。

在实际工作中，一般应使α＝β，在可靠性抽检的场合，α与β一般可取为10％(为了节省试验时间与费用，也可取为20％、30％或40％)。将选定的α与β代入(3)、(4)式，引用(1)或(2)式并使其同时成立而解得的n和c即为所需的试验参数。

本发明的可靠性鉴定试验方法，步骤4)确定试验方案的具体实施示例(采用查表法)如下：

某船用吊艇架，假设其使用寿命足以支撑整个使用期，且按规定进行维护保养，可确定每套吊艇架平均每天使用0.5－1次(平均0.75次/天)，按1年出海200天左右计算，年均使用次数约为150次，在船舶的30年使用期内使用次数大约为4500次，每次使用时间为20min(1/3h)左右。

在该船用吊艇架的研制中和试验前，经过使用分析和用户要求确定，以合同的形式规定吊艇架的SV和MAV指标为：SV＝150次(即平均每年允许故障1次)，MAV＝75次(即平均每年允许故障2次，每6个月故障1次)，相应的，有p₀＝1/150，p₁＝1/75，鉴别比d＝2。采用查表法(附表1)确定试验方案，附表1取自GB 5080.5-1985设备可靠性试验成功率的验证试验方案。

试验方案一(低风险方案)

(1)研制方风险和使用方风险定为α＝β＝10％。

(2)令p₀＝1/150＝0.0067，p₁＝1/75＝0.013，则有p₁/p₀＝2。

(3)查附表1并进行插值计算可得：c＝13，n＝1571次。

试验方案为(1571，13)，即有：进行1571次试验，当故障次数≤13时，总体的可靠性水平满足要求。

试验方案二(中风险方案)

(1)研制方风险和使用方风险定为α＝β＝20％。

(2)保持p₀，p₁，d不变。

(3)查附表1并进行插值计算可得：c＝6，n＝752。

试验方案为(752，6)。即有：进行752次试验，当故障次数≤6时，总体的可靠性水平满足要求。

试验方案三(高风险方案)

(1)研制方风险和使用方风险定为α＝β＝30％。

(2)保持p₀，p₁，d不变。

(3)查附表1并进行插值计算可得：c＝2，n＝266。

试验方案为(266，2)。即有：进行266次试验，当故障次数≤2时，总体的可靠性水平满足要求。

本发明提供的可靠性鉴定试验方法，已经应用于若干型号的船用吊艇架的可靠性鉴定试验，试验合格后装船的吊艇架实船使用效果良好，证明本发明的试验方法结论可信度高，达到了预期的目的。

附表1：成败型定数试验方案表

Claims (1)

1.一种纵向抽样型可靠性鉴定试验方法，用于对船用吊艇架进行可靠性鉴定试验，其特征在于，包括以下步骤：

1)选择试验吊艇架样本，选用单个受试吊艇架，将所述吊艇架的预期总使用次数作为抽样整体，记为N，选取某一段时间内的使用次数作为一个抽样样本，记为n；

2)确定试验指标，所述试验指标为计数型指标MNBF，所述试验指标MNBF的合格规定值SV和最低可接受值MAV，通过吊艇架的寿命周期、使用强度、单位时间内允许的故障次数进行确定，假设吊艇架的使用寿命足以支撑整个使用期，且按规定进行维护保养，可确定每套吊艇架平均每天使用次数a，船舶的年均出海天数b，计算得到产品的年均使用次数e＝a×b，在该船用吊艇架的研制中和试验前，经过使用分析和用户要求确定可接受的产品平均故障次数，规定合格的故障次数规定值f和最低可接受的故障次数规定值g，即可得到吊艇架试验指标的合格规定值SV＝e/f，最低可接受值MAV＝e/g；确定SV值和MAV值之后，按照公式p₀＝1/SV和p₁＝1/MAV，计算得到吊艇架的合格水平p₀和不合格水平p₁，然后按照公式d＝p₁/p₀确定鉴别比d；

3)确定研制方风险α和使用方风险β；

4)确定试验方案，根据参数α、β、p₀、p₁和d，通过计算法确定具体试验方案(N，n，c)或(n，c)，其中c为允许的试验不成功次数；具体步骤为：首先确定α与β，然后将选定的α与β代入下列(3)、(4)式，引用(1)或(2)式并使其同时成立而解得的n和c即为所需的试验参数：

$L\left(p\right)=\underset{d=0}{\overset{c}{\mathrm{\&Sigma;}}}P\{X=d\}=\underset{d=0}{\overset{c}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\begin{array}{c}n\\ d\end{array}\right)p^d{q}^{n-d}---\left(1\right)$

$L\left(p\right)\&ap;\underset{d=0}{\overset{c}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{\left(np\right)}^d}{d!}{e}^{-np}---\left(2\right)$

1-L(p₀)＝α或L(p₀)＝1-α (3)

L(p₁)＝β (4)

其中，q为产品可靠使用的概率，q＝1-p。