周 霞 刘家有

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）

引言

可靠性是家用电器产品一项重要的质量特性，是消费者对产品质量最直接的感受，同时由于产品安全性受到安全相关功能、部件的影响，所以可靠性也是产品安全性管理的重要组成部分。经过多年的发展，目前中国家用电器生产行业已经处于从家电制造大国向家电制造强国转变的历史进程，产品可靠性是产品质量水平的主要指标，因此，可靠性日益成为家电生产企业的关注重点。

我国民用产品的可靠性推广工作起步于上世界八十年代，自2008年 全国家用电器标准化技术委员会家用电器可靠性分技术委员会（TC46/SC9）成立之后，家电行业的可靠性工作进入了新的发展阶段，至今标委会已经编制、发布了一系列的可靠性技术标准，目前，家用电器可靠性技术的标准体系的已经初步形成，为家电行业的可靠性提高提供了有力的技术支持。

本文在总结家电行业多年的可靠性工作实践基础上，归纳了家用电器的整机可靠性统计检验方法，针对家用电器的特点整理了较现行标准规定更为简洁的检验方案编制方法，以期相关工作实施更加便利。

1 家用电器可靠性

现有的可靠性技术标准多数来源于早期的军用装备标准和工业产品标准，家用电器在可靠性管理方面与这些产品有一些明显的差异：

1）可靠性指标高，由于家用电器行业的技术进步和质量升级，产品可靠性水平已经达到较高的水平，例如，一些品牌的房间空调器可以达到5年0.5 %的累计故障率，产品平均首次故障时间（MTTF）达到250万小时，与一般可靠性教材中案例给出的指标差异甚大。

2）维护工作量小，多数产品完成安装、投入使用后，多年都不需要维修，产品的固有可靠性是产品的主要可靠性特性。

3）产品继承性明显，家用电器产品一般都是大批量生产，而且持续多年，而新产品与原有产品之间在结构、功能、零部件之间具备较高的相似性、通用性。

家用电器产品在可靠性管理的上述特点，使得不少现有的可靠性技术标准的内容不适用，所以，本文对家电可靠性统计检验方法提出以下约定：

1）用平均首次故障时间（MTTF）考核产品可靠性，不再使用平均无故障工作时间（MTBF）指标，尽管家用电器基本都是可维修产品，但是由于维修量太小，仅考核MTTF足以反映产品的可靠性水平。

2）整机产品寿命特征服从指数分布。

3）检验方案采用拒收失效数为2的定时截尾方案，即只考虑试验运行过程中无失效和只有1个失效数的情况，因为产品故障率很低，而且可以利用相关产品的历史数据作为参考，至于定数截尾方案和序贯方案就不予考虑。

4）不考核早期失效的指标，因为早期失效主要是制造工艺和供应链问题造成的，由于目前家电行业产品质量管理水平的提高，多数生产企业的产品在早期失效方面的问题基本都不明显了，这类检验已经失去了意义。

2 可靠性统计试验方法

2.1 设计要求

可靠性设计要求在以MTTF或MTBF指标提出，比较抽象，即使是相同的MTTF或MTBF指标，对于不同的产品，其含义差异可能很大，不易被一般的工程技术人员准确理解，而消费者就更难理解。如果以某一期限内的可接受故障率或可靠寿命要求提出，比较容易在工程技术人员中形成共识，消费者也容易理解。两种常用的可靠性设计要求分别为：

1）规定期限的故障率：首年故障率、保修期内累计故障率等；

2）可靠寿命：首年可靠度、保修期内可靠度等。

设计要求之间的定量关系可以进行换算。产品的可靠度是随运行时间变化的，所以可靠度是运行时间的函数，对于服从指数分布的产品，可靠度与运行时间的定量关系可以表述为：

式中：

t—考核运行期的工作周期数，周期；

Rt—在t运行期的可靠度，%；

MTBF—平均无故障工作时间，周期。

同时，由于累计故障率与可靠度存在简单的互补关系，所以，在工程实践中只要明确了累计故障率，就可以计算相应的可靠度，如式（2）所示。

式中：

t—考核运行期的工作周期数，周期；

Rt—在t运行期的可靠度，%；

Ft—在t运行期的故障率限值，%。

对于家用电器产品而言，由于其具有使用寿命长和维修率低的特点，多数情况下，在使用过程中发生的失效是产品的首次失效，由此发生的维修多数情况下也是产品使用过程中的唯一的一次维修，在这种特殊的条件下，几个可靠性指标实际上存在以下等价关系：MTBF=MTTFF=MTTF，这几个指标都可以用θ代表。

在可靠性评价过程中，评价的判定依据是产品设计要求，在可靠性文献中，θ0有时就被直接成为设计值，不过在多数情况下，该指标成为检验上限或试验上限，一般定义为：若产品的MTBF真值不小于检验上限，则产品被接收的概率至少为100（1-α）%。由于该指标与可靠度和累计故障率的定量关系为：

式中：

θ0—试验上限（设计值），周期；

t—考核运行期的工作周期数，周期；

Rt—在t运行期的可靠度，%；

Ft—在t运行期的故障率限值，%。

2.2 试验方案

可靠性试验方案主要包括以下内容：

1）试验运行条件，如运行状态以及间隔条件，稍为复杂的还包括每个试验周期的运行剖面，不过对于统计检验项目而言，试验运行条件不是重点问题，通常参照同类产品的做法比较容易确定。

2）试验类型，包括截尾试验和序贯试验，本文仅考虑定时截尾试验，由于家用电器的失效率较低，在长时间的试验中出现失效的情况不多，采用定数截尾试验和序贯试验方式都不适宜。

3）累计试验时间和接收条件，是可靠性统计检验方案的重点，因为涉及检验结果的不确定性控制，包括过高估计或过低估计可靠性水平两种类型的误判。

2.2.1 接收条件

接收条件实际上包含两个指标，可接受失效数和可接受试验下限指标。在可靠性技术文献中，会给出许多与可接受失效数的试验方案，即使相同的失效数和风险水平，可能也有多个对应的方案。本文针对家用电器的特点对可接受失效数作统一的约定，就是无失效数或1个失效数。至于可接受下限指标的计算，在可靠性技术文献中可以获得多种用于确定此参数的方法，包括查表、查曲线图等。本文给出的方法是利用公式直接算出唯一的参数。

在设计要求和试验方法确定的情况下，试验方案主要由预期的风险水平决定，定时截尾试验的试验参数与置信度（1－α）和接收风险水平（β）可以由式（5）、式（6）计算，可以可以获得表1的数据：

表1 可靠性试验风险相关指标

式中：

α—生产方风险水平；

β—使用方风险水平；

1－α—置信度；

T—累计试验时间；

θ1—在风险水平为β下MTTF或MTBF的下限值；

θ0—在置信水平为1－α下MTTF或MTBF的上限值；

a—接收故障数；

r—拒收故障数。

为了便于计算通常需要借助鉴别比，鉴别比定义为：

式中：

D—鉴别比；

θ0—试验上限（设计值），周期；

θ1—试验下限，周期。

利用表1的数据，可以方便计算出在不同的风险水平下鉴别比的数值：

利用鉴别比和式（3）、式（4）式（7）可以获得试验下限值：

式中：

D—鉴别比；

θ0—试验上限（设计值），周期；

θ1—试验下限，周期；

t—考核运行期的工作周期数，周期；

Rt—在t运行期的可靠度，%；

Ft—在t运行期的故障率限值，%。

2.2.2 试验参数

对于家用电器的可靠性试验通常采用多台样机进行相同运行时间的试验方式，于是，试验过程的计划累计试验时间就是样机数量和试验时间的乘积，计划累计试验时间可用式（12）、式（13）、式（14）、式（15）计算：

式中：

T*—计划累计试验周期数，周期；

n—样品数，n≥3，台；

t*—单台试验周期数，0.05tL≤t*≤0.8tL，周期；

t—考核运行期的工作周期数，周期；

Rt—在t运行期的可靠度，%；

Ft—在t运行期的故障率限值，%；

C—补常系数；

C′—系数，C′＝1.02～1.10；

a—接收故障数。

由于式（5）和式（6）计算的结果(T/θ0)是在零故障数条件下导出，虽然可以有效控制试验费用，但是，在实际的无替换试验运行中如果样品数较少，即使出现允许接收的故障数，也可能造成试验结果出现跨越合格判定的临界值，所以，利用系数C将累计试验周期数稍作放大，就可以避免这类情况出现。系数C′可用于微调计算结果以圆整计算输出的数值，在这类可靠性试验中，对试验时间稍作增加，只要不改变接收故障数，是不会对试验的合理性产生不良影响的。

2.3 试验判定

可靠性统计试验的判定方法相同，按式（17）计算后判定：

式中：

θ1*—实测试验下限值，周期；

n—样品数，台；

ti*—第i台样品运行周期数，周期；

r—试验过程的失效数；

1-α—试验过程的置信度；

(2r+2)—在置信度1-α下出现r个失效的卡方数。

合格判定条件为：≥θ1，r≤1。

3 检验案例

某家电生产企业生产多种电热水器产品，对产品可靠性要求规定的指标为首年故障率，在风险水平规定为α=β=10 %的条件下，根据表4给出的各种电热水器的年工作时数和首年故障率限值可以算出试验下限θ1。计算过程如下：

1）根据规定的风险水平，将表1的对应数值代入式（7）可算得鉴别比：

2）将鉴别比数值代入式（11），可得：

式中：

θ1—平均首次失效时间试验下限，小时；

t—考核运行期的工作时数，小时；

Ft—在t运行期的故障率限值，%。

3）将表2中各类产品的年工作时数和首年故障率限值代入式（11），可得到表2中的平均首次失效时间θ1。

表2 电热水器的可靠性要求

试验方案需要确定累计试验时数、样品数和单台试验时数，按照风险水平α=10 %的条件将表1的相应数值代入式（11）得表2中的θ1，将各类产品的年工作时数和首年故障率限值代入，a=1代入式（17），就可以得到各类产品的累计试验时数、样品数和单台试验时数，如表3所示。此外，在确定单台试验周期数时，需要考虑避免超过预期使用寿命的0.8倍，这里假设电热水器的使用寿命为10年。

表3 电热水器的定时截尾试验方案

式中：

T*—计划累计试验时数，小时；

n—样品数，台；

t*—单台试验时数，小时；

a—接收故障数；

t—考核运行期的工作时数，小时；

Ft—在t运行期的故障率限值，%。

4 结束语

现有可靠性工程技术文献对家用电器的可靠性管理特点关注不多，以致在利用这些文献对家用电器的可靠性进行评价过程中，增加了不少工作量，尤其是对于在可靠性领域初学的技术人员，面临更多的问题。明确家用电器在可靠性管理方面的一些特点，针对其高可靠性、长寿命、无维护、大批量生产等特征，可以形成较为简洁的评价方法。本文依据GJB 899A-2009《可靠性鉴定和验收试验》的要求，归纳了在寿命分布假设服从指数分布的基础上，采用定时截尾方案，同时规定接收失效数为1，置信度为90 %的可靠性试验方案，显著改善了家用电器可靠性评价过程的可操作性。